木纖維脈沖-旋流氣流干燥氣固兩相流分析及數(shù)值模擬

陳峰

(遼寧林業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，沈陽，110101)

高珣 程萬里

(北華大學木質(zhì)材料科學與工程重點實驗室) (生物質(zhì)材料科學與技術(shù)教育部重點實驗室(東北林業(yè)大學))

氣固兩相流是管道中的流體(氣相)帶動固體顆?；蚍勰?固相)進行輸送和干燥[1]，氣固兩相流是一項綜合性研究內(nèi)容，涉及諸多學科，廣泛應用于發(fā)電、化工、水泥、制藥、糧食里面的顆粒、粉末或纖維的氣流干燥[2]。在干燥過程中的氣固兩相流具有流動復雜性和測量困難性，基于各相能量、動量守恒定律，可建立反應不同相的流體力學方程，通過計算機計算仿真模擬[3]，這樣不僅節(jié)約時間，且能反映實驗的直觀性和可預測性。

國內(nèi)外有研究人員對于脈沖干燥機和旋流干燥機進行計算流體力學(CFD)模擬的研究[4-5]，但是目前還沒有對兩者組合起來的脈沖-旋流氣流干燥系統(tǒng)的兩相間的傳熱傳質(zhì)過程進行定量的研究。筆者利用理論分析模型建立脈沖-旋流氣流干燥傳熱傳質(zhì)模型，并結(jié)合楊木纖維干燥的需求及脈沖-旋流氣流干燥特點，利用CFD模擬軟件ANSYS Fluent 14.5進行三維模擬，基于歐拉-拉格朗日模型的稀相氣固兩相流動的數(shù)值模擬。通過CFD軟件對脈沖-旋流干燥機進行分析，掌握脈沖-旋流干燥過程中的流場、濕度、溫度、速度、壓力、纖維分布，從而為今后大規(guī)模開發(fā)該纖維干燥系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

1 Fluent算法的過程分析與數(shù)學描述

1.1 氣固兩相流體的物理特性參數(shù)

對脈沖-旋流干燥氣固兩相流動實驗和仿真，纖維的物性參數(shù)直接影響數(shù)值計算結(jié)果。根據(jù)中試設(shè)備實際輸送的纖維物料測量結(jié)果來設(shè)置物理特性參數(shù)。本研究模擬計算的氣相介質(zhì)為標準氣壓，干燥溫度為200 ℃。

離散相固體顆粒的平均直徑0.223 mm。由于纖維形狀為非球形，根據(jù)以下公式計算得出其形狀系數(shù)[6]。

式中：Sf為形狀系數(shù)；R為纖維直徑(mm)；h為纖維長度(mm)。纖維長度和直徑根據(jù)實驗測定值來設(shè)定，最后計算纖維形狀參數(shù)為0.593。

干燥介質(zhì)為空氣，根據(jù)實驗干燥前的測量結(jié)果設(shè)置纖維的平均粒徑、長度和長徑比；材料的物理參數(shù)包括密度、比熱容、導熱系數(shù)和空氣黏度，這些參數(shù)根據(jù)該材料在指定溫度條件下的標準值查表設(shè)置(見表1)。

表1 脈沖-旋流氣流干燥系統(tǒng)氣固兩相的物理特性參數(shù)

1.2 幾何模型的建立和網(wǎng)格劃分

本研究主要模擬楊木纖維顆粒相在脈沖-旋流管道中的運動狀態(tài)和干燥過程，利用Solidworks軟件進行建模[7]，實驗采用ICEM對脈沖-旋流干燥機進行網(wǎng)格劃分。將Solidworks生成的三維實體模型裝入到CFD前處理軟件ICEM-CFD(ICEM-CFD 14.5，ANSYS Inc.)中對其使用混合網(wǎng)格劃分[8]；在劃分網(wǎng)格時，對脈沖干燥器采用六面體的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，過度角部采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來劃分。經(jīng)檢查網(wǎng)格質(zhì)量在0.5以上，脈沖-旋流干燥器生成的網(wǎng)格總數(shù)為7 099 656個。

1.3 求解器選擇和邊界條件設(shè)置

選擇基于壓力的求解器。時間類型選擇穩(wěn)態(tài)，速度方程選擇絕對速度，模型考慮重力加速度作用，重力加速度為-9.8 m/s2；采用離散型模型，入口邊界離散相固體顆粒平均直徑0.223 mm；由于纖維形狀為非球形，纖維形狀參數(shù)為0.593。選擇平均離散相熱量作為熱傳遞系數(shù)。選擇與連續(xù)相耦合來激活雙向耦合，每隔此連續(xù)相迭代步數(shù)值為10。粒子獲取形式為進口條件為逃逸，出口條件為捕捉，壁面條件為反射。氣相控制方程應用標準K-ε湍流模型來模擬干燥機內(nèi)部的湍流運動。

1.4 氣固兩相流求解

使用非耦合隱式算法用于定常流計算，差值計算算法采用一階迎風格式，設(shè)置動量項為二階迎風格式；將收斂臨界的迭代殘差標準設(shè)為0.001。計算過程中首先假設(shè)不帶顆粒的空氣為連續(xù)相，初始化后再對氣相流場進行計算模擬，連續(xù)相計算2 598步后計算收斂。將帶一定含水率的楊木纖維為離散相進行氣-固兩相耦合模擬，觀察氣流與楊木濕纖維相互作用的情況。

2 脈沖-旋流氣流干燥過程的數(shù)值模擬

2.1 氣流場的運動和變化規(guī)律

圖1是設(shè)定風機出風口氣流的速度為10 m/s，脈沖-旋流干燥氣流場速度變化圖。圖1a為氣流進入脈沖-旋流干燥段中的速度分布情況，可以看出氣流由脈沖干燥管底部進入由旋流干燥器頂部排除。圖1b是脈沖干燥管z=160 mm縱向氣流場速度云圖，可以看出，氣流在直管中呈加速運動，速度逐漸趨于穩(wěn)定；當管道直徑增大，氣流速度呈減小趨勢，并且減小的趨勢逐漸變小；在管道內(nèi)存在著明顯的速度梯度，由于壁面和流體的摩擦存在，越接近管壁速度梯度越大，靠近管道速度小，在管道中心區(qū)域流速最大；在氣流流經(jīng)彎管處，速度分布發(fā)生了變化，在氣流剛進入彎管時，靠近彎管圓心管壁處速度較大，通過速度云圖可以看出隨著氣流在彎管運動，在下降管彎頭處速度最大，為15.8 m/s。這是由于氣流在彎管處離心作用增大，在靠近彎管內(nèi)側(cè)氣流密度較大，壓力場增大，導致靠近彎管內(nèi)側(cè)的氣流速度增大，也與伯努利方程所描述一致。

圖1c是旋流干燥器整體氣流場流線圖，表明氣流沿著切線進入到旋流干燥器中，氣流呈低速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，增加了物料在干燥器停留的時間；氣流運動到干燥器底部，由內(nèi)部套管直接加速運動到干燥器出口，這一氣流特征會影響楊木纖維在氣流場中的運動軌跡。圖1d是旋流干燥器y=300 mm橫向氣流場速度云圖，表明干燥器內(nèi)靠近外側(cè)的速度明顯高于中間氣流速度，氣流在內(nèi)部套管中速度最大，達到12 m/s。

把脈沖干燥管0～8.4 m軸線作為觀察對象，觀察10～13 m/s不同進風速度條件下，氣流速度變化。從圖2可知，氣流在0～1.7 m位置加速運動，在1.7～3.5 m位置減速運動，在3.5～3.8 m急加速運動，說明由脈沖管至直管直徑突然變小區(qū)域速度變化明顯；3.8～5.2 m/s時加速幅度減小，但最大風速比0～1.7 m的最大風速要高；之后在5.2～6.8 m時，脈沖管風速再進行減速運動，當風速為13 m/s時，氣流在此部分湍流運動明顯；在6.8～7.2 m進行二次急加速運動；在7.2～8.2 m再進行加速運動，可以看出在此部分加速度變小，在12 m/s時接近勻速。8.2～8.4 m處，氣流進入彎管處氣流速度變小。

圖1 脈沖-旋流干燥氣流場速度變化圖

圖2 y=0～8.4 m處脈沖管不同進風速度氣流場速度變化曲線

2.2 楊木纖維顆粒的運動軌跡

運用非耦合隱式算法得出楊木纖維顆粒的運動軌跡模擬結(jié)果。圖3a為通過纖維顆粒在脈沖-旋流干燥流場的氣流速度分布情況，加入纖維的最大氣流速度為13.6 m/s，相對于圖1a中未添加楊木纖維的最大氣流最大速度(15.9 m/s)降低了2.3 m/s。這是因為楊木纖維與氣流之間的溫度差，使氣流將熱量傳遞給了楊木纖維，氣流溫度降低。由于固態(tài)顆粒占據(jù)了管道一部分空間，使得氣體所占管道的體積分數(shù)變小，從而降低了氣流的運動速度，這與前人關(guān)于粉煤灰脈沖氣流干燥器的模擬結(jié)果是一致的[9]；并且當濕纖維進入干燥器中，也在一定程度上降低了氣流的速度。從圖3b可知，物料最大速度為11.6 m/s，與氣流最大速度相差為2 m/s；通過氣-固兩相之間的速度差強化了木質(zhì)纖維與熱空氣之間的對流作用，這有利于提高木質(zhì)纖維的干燥速率和效果。圖3c為脈沖-旋流干燥機中的物料停留時間，物料在干燥機最大停留時間為19.1 s；其中在脈沖管停留時間最短為4.2 s，在旋流干燥器中停留時間為14.9 s。對氣流干燥過程進行理論分析可知，在干燥管入口處，初速度為零的楊木纖維被具有很大速度的熱空氣加速，此時兩相間的相對速度最大；同時由于在此處理的纖維較多，即傳熱表面積最大，因此干燥管入口段的傳熱傳質(zhì)系數(shù)最大，此處的對流傳熱傳質(zhì)效率遠遠大于之后的干燥段。由此可知，入口加速段對整個干燥過程的影響最大。

圖3 楊木纖維顆粒的運動軌跡模擬結(jié)果

圖4a為熱氣流溫度變化，圖4b為物料溫度隨著干燥管道長度的變化?？芍?，200 ℃的熱氣流在干燥過程開始后，溫度不斷下降，在進料口處溫度下降幅度較大，在第二段脈沖管處溫度趨于穩(wěn)定，最終熱氣流以181 ℃的溫度排出。這是由于氣流溫度與纖維之間溫差較大，傳熱效果最好；隨著氣-固兩相溫差減少，其傳熱效果逐漸降低。纖維在整個過程中溫度不斷升高，在干燥過程中，進口為26 ℃的纖維在出口處溫度為163 ℃，氣流溫度一直大于物料溫度，說明熱氣流的熱量利用較充分。當管道長度繼續(xù)增加后，物料和氣流溫度最終溫差為18 ℃，溫度變化不明顯，說明再增加管道長度對脈沖干燥管的干燥效率影響不大。

2.3 進料速度對脈沖-旋流干燥氣-固兩相流的影響

圖5考查了物料不同喂入量的固相運動軌跡，每條流線代表每個顆粒的運動軌跡，在進料速度不同時，顆粒的運動軌跡也不同，最終位置也不同。進料速度變大，使得氣流中的湍流運動變強，纖維之間碰撞幾率較大。進料速度增大會導致物料分布不均勻，在旋流干燥器底部容易造成物料返流。當進料速度為0.041 kg/s時，物料在內(nèi)管處返流更強，且只有少量物料排除，不利于輸送物料。結(jié)合輸送性能分析可知，物料喂入量為0.033 kg/s時是最佳喂入量。

圖4 脈沖干燥器z=80 mm橫向物料與流場溫度云圖

圖5 不同進料速度下旋流干燥器楊木纖維顆粒運動情況

2.4 數(shù)值模擬驗證

將20 kg物料放入干燥機中，開啟干燥機開始計時，出料時結(jié)束計時，出料時間與開啟時間的差值為物料在干燥機中的停留時間。表2為不同進風速度、進料速度下物料停留時間。在Fluent中模擬物料停留時間，結(jié)果表明，數(shù)值模擬能夠很好地反映物料的停留時間，且計算值和實測值的相對誤差都小于10%，變化趨勢一致?？梢姴捎脷W拉-拉格朗日模型模擬脈沖-旋流干燥器的氣-固兩相流動的計算結(jié)果是可信的。

表2進風速度和進料速度物料停留時間數(shù)值模擬結(jié)果與實測值對比

風速/m·s-1物料停留時間/s實測值Fluent模擬值進料速度/kg·s-1物料停留時間/s實測值Fluent模擬值7未測出未測出0.02512.1±1.213.3991.5±5.187.430.02917.1±1.616.91119.0±3.722.260.03319.0±1.919.11311.5±2.712.120.03820.7±2.320.1158.7±1.39.180.04121.1±2.322.3

注：實測值為平均值±標準差。

3 結(jié)論

通過對脈沖-旋流氣流干燥氣固兩相流分析及數(shù)值模擬的研究，采用歐拉-拉格朗日模型和計算流體力學軟件Fluent對脈沖-旋流氣流干燥機內(nèi)部的氣固兩相流場進行了三維模擬。楊木纖維在脈沖-旋流氣流干燥機中的運動狀況十分復雜，有很大的隨機性，其中在旋流內(nèi)管口處形成渦流，容易造成返流現(xiàn)象。通過對比添加物料和未添加物料氣流相對速度、溫度變化得出，加載物料后的氣流速度變化明顯；并且物料與氣流速度有2m/s左右的速度差，有利于傳熱傳質(zhì)進行。氣流速度越大，物料停留時間越短，進料速度的增加延長了物料在干燥機停留時間。模型的數(shù)值模擬較真實地反映了氣流干燥過程的實際流場及高溫氣流和木質(zhì)纖維在干燥管內(nèi)各參數(shù)的變化情況。通過與實驗數(shù)據(jù)對比，二者最大相對誤差小于10%，驗證使用Fluent氣-固兩相流模擬方法建立脈沖-旋流氣流干燥過程的數(shù)學模型是有效的。

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