【正文】 、 Tecplot等軟件。 利用 FLUENT軟件可以對無法進行實驗測量或雖能進行實驗測量，但無法準確測量其全部數(shù)據(jù)的化工操作單元的流場進行數(shù)值模擬 ,從而進一步明確設備的流場分布及其影響因素 ,為設計提供參考。此外 ,利用 FLUENT軟件進行新品研發(fā)或工業(yè)放大則可以部分取代實驗測量 ,縮短研發(fā)周期 ,提高經濟效益。但必須注意的是 ,由于流體動力學的基本理論尚不完善 ,模擬 計算時有些邊界條件和初值不十分準確 ,因此 ,計算流體動力學并不能完全取代實驗測量 ,模擬所得的最終計算結果必須經過實驗數(shù)據(jù)的直接或間接驗證方可利用。 Fluent軟件的應用領域主要包括：航天航空、汽車設計、船舶、生物制藥、化學處理、石油天然氣、發(fā)電系統(tǒng)、電子半導體、渦輪機械、 HVAC、玻璃加工、家用電器、食品、材料、冶金、核能、聚合化加工、體育、消費品、環(huán)境等。 可見， CFD 模擬計算已成為現(xiàn)代工業(yè)設計中快捷高效的科學研究手段，可為諸如氣流流化床的結構優(yōu)化提供強大的計算功能。 第 節(jié) 課題 的研究重點 圍繞 著圓錐型氣流流化床干燥機的結構優(yōu)化 ， 利用 CFD 的相關商用軟件 ， 主要 開展 了 以下幾方面的研究工作 ， 即 （ 1）構建氣流干燥機的 CFD 計算網格模型； （ 2）確定流場模擬的優(yōu)化指標及計算初邊界條件； （ 3）結合均勻設計 的實驗 安排法 ，開展 設備結構與尺寸 的 優(yōu)化考察 。 19 第 2 章 流場模擬與 流化床 的 結構優(yōu)化 第 節(jié) 氣流流化 床 干燥機 結構 圖 21 示意了一 類 圓錐 型氣流流化 床 干燥機 ，其流化室上、下 均 為 錐 型 結構， 中部為圓筒 狀 。由于圓錐 型氣流 流化床的主體呈錐狀，有助于床內物料的湍動和流化，故較好地適于高黏性物 料的干燥處理。 如圖 21所示， 標注尺寸 D 和 d 分別是指 流化室的中部圓筒直徑和上 、 下接 口的 直徑， h 為中部圓筒的高度 ， a 和 β 分別代表流化室上、下錐形體的 錐角大小 。 在流化操作中，氣相的流動勢必會導致相應的阻力損失，常稱為風動力損耗。從節(jié)省能耗的角度考慮，通常希望流化任務一定的工況下，操作的風動力損耗越小越好。當風速或風量一定時，為使得風動力損耗降至最低，則應對流化室的結構進行科學地設計，即流化室的各結構之間應存在最佳 的 尺寸 比例 ?，F(xiàn)令 r1=h/D， r2=d/D， r3=a， r4=β， 則 r1~r4即 為本模擬所需計算 設計 的四個 參 量。 第 節(jié) 內部 流場的 CFD 模擬 CFD 理論 模型 控制一切流體流動的基本規(guī)律是質量、動量和能量三大守恒定律，可分別表示為連續(xù)性方程、動量方程（又稱為納維爾 斯托克斯方程）和能量方程。由該三個方程可聯(lián)立得到一個方程組，稱為 NavierStokes 方程組，或簡稱 NS 方程組。 NS 方程組是流體流動過程必然遵循的普遍規(guī)律 ,其表達式可寫為 0)( ????? Vt ?? （ 21） uSxpuuVtu ?????????? )g ra d()()( ??? （ 22a） dhDaβ 圖 21 氣流 流化室結構示意 20 vSypvvVtv ?????????? )g ra d()()( ??? （ 22b） wSzpwwVtw ?????????? )g ra d()()( ??? （ 22c） TSTcKVTtT ??????? )g ra d()()( p?? （ 23） 若流體在流動過程中包含有不同組元之間的混合或相互作用，則流動系統(tǒng)還需遵守組分守恒定律，其對應的守恒方程可表達為 sssss ))g ra d(()()( ScDVctc ??????? ??? （ 24） 式 21 至式 24 中 ρ 為密度， t 為時間， V 為速度矢量， u、 v 和 w 分別為 V 在 x、 y 和 z方向上的分量， μ 為動力黏度， p 為流體壓強， T 為溫度， K 為流體傳熱系數(shù)， cp 為比熱容， Su、 Sv、 Sw和 ST均為廣義源項； ? 和 grad 均為矢量符號， cs 為組分 s 的體積濃度（ kmolm 3）， Ds 為組分的擴散系數(shù) （ m2s1） ， Ss 為廣義源項。 若流動處于湍流狀態(tài)，則控制方程中還應引入相關湍流變量的脈動影響，所得方程又稱為瞬時湍流方程。該方程自身并不封閉，通常會引入一個稱為 kε 的 二方程 模型 。就絕大多數(shù)的湍流流動而言，標準的 kε 模型 可較好適用，但對于強旋 流、彎曲壁面或彎曲流線的湍流流動，標準 kε 模型 可能會出現(xiàn)失真，此時則宜選用 RNG kε 模型 或Realizable kε 模型 。該三種 kε 模型 的方程表達式分別為 標準 kε 模型 ： ))((,2kikiii xuxuuuk ? ??? ?????? ??? （ 25） kMbkjktji i SYGGxkxxkutk ????????? ??????? ??????? ])[()()( （ 26） ????? ??????????? SkCGCGkCxxx ut bkjtji i ???????? ???????2231 )(])[()()(（ 27） RNG kε 模型 ： ????? ???????????? kje f fkji i Gxkaxxkutk )()()( （ 28） kCGkCxaxx ut kje f fji i221)()()( ????????? ??? ????? ???????? （ 29） 21 Realizable kε 模型 ： ??????? ????????????? kjktji i Gxkxxkutk ])[()()( （ 210） ????????????? ? vkCECxxx ut jtji i ??????? ???????221])[()()( （ 211） 式 25 至式 211 中 k 為湍流動能 （ m2s2） ， ε 為湍流動能耗散率 （ m2s3） 。 模擬計算流程 對于 節(jié)中的流場 控制方程 ，由于其內包含復雜的偏微分項，故難以求算其解析根，只能依靠現(xiàn)代計算數(shù)值分析的方法加以 離散求解 。常用的離散求解方法主要有 有限差分法 、 有限元法 和 有限體積法 ，不同的 CFD 軟件基于的離散思路是不同的。本研究所采用的計算軟件是基于 有限體積法 進行離散求解的。 有關 CFD 的 求解流程 是較為復雜的， 大致如圖 22 所示。 在 CFD 的模擬計算過程 圖 22 CFD模擬計算流程 建立控制方程 確立初始條件及邊界條件 劃分計算網格，生成計算節(jié)點 建立離散方程 離散初始條件和邊界條件 給定求解控制參數(shù) 求解離散方程 解收斂否 顯示和輸出計算結果 22 中，較為關鍵的是網格模型的劃分及其初邊界條件的設定。若劃分的網格過密或過細，則計算的工作量將過大，計算時間較長；若網格節(jié)點數(shù)設定過少，則又難以較完整地描述設備內部的真實流場狀態(tài)，導致計算結果的偏差較大。同樣，若初邊界條件選取不當，則可能 計算不出欲尋找的目標參量，甚至計算程序將根本運行不通。 就流化床中的流場模擬計算 ，其具體的算法說明 及計算時的注意事項 可參閱 相關 文獻，此處不再贅述 。 初始計算參數(shù) 就 圓錐型氣流流化 床 干燥器 而言 ， 由于其內的物料流化較圓筒型氣流流化干燥器劇烈，其動力要求將更高。根據(jù)文獻的推薦，其進風速率多應在 ms1以上，熱空氣的溫度也根據(jù)干燥要求多大于 373 K，故本模擬研究擬定的進風速率和進風溫度分別為 ms1和 403 K，如 表 21 所列。 此外，因計算需要，本模擬研究暫定圓錐型氣流流化干燥器的 中部圓筒處直徑 D為 300 mm。 表 21 初始計算參數(shù) 參數(shù)名稱 進風速率 u（ ms1） 進風溫度 T（ K） 中部圓筒直徑 D（ mm） 參數(shù)值 403 300 如圖 21 所示，除 表 21 中已列的 中部圓筒直徑 D 外，流化室的主要 結構 尺寸還包括中部圓筒高度 h、 上、下接口的直徑 d、 以及上、下錐形體的錐角大小 a 和 β。 如前所述，它們可分別借用 r r r3和 r4給予表示 。易知，本模擬需考察 r r r3和 r4這 4 個因素變量對于風動力損耗指標的影響。 如表 22 所示，本研究將采用均勻設計法，對模擬計算的試 驗進行科學計劃安排，其中依據(jù)常見的經驗值或便于加工制造，每個因素變量本文擬定了 6 個試驗水平。 表 22 模擬 參 量及相應水平 因素 水平 r1（ h/D） r2（ d/D） r3（ a） r4（ β） 1 水平 35176。 35176。 2 水平 40176。 40176。 3 水平 45176。 45176。 4 水平 50176。 50176。 5 水平 55176。 55176。 6 水平 60176。 60176。 23 網格 模型 及計算邊界 圖 23 示意了流化室及相應流場空間的網格模型。本模型是采用 Gambit 軟件進行繪制和處理的，其中錐形主體和上下接頭處均采用了三角形單元網格，而流化室中部圓筒部分采用了四邊形單元網格。 本模擬對象屬定常黏性湍流過程，其底部氣流進口氣速為已知，頂部出口采用自由出流邊界。計算采用非耦合隱式算法。 圖 23 氣流 流化室的網格 計算 模型 第 節(jié) 結果與 討論 模擬計算結果 就本 設計 優(yōu)化命題而言， 雖然采用均勻設計 法安排 模擬 計算 的最少運行次數(shù)為 6次，但為了提高計算精度和便于對 模擬 結果的 直觀分析，本 研究 選擇了 )12(U 10*12 均勻設計表進行 模擬計算 安排，即設計了 12 次模擬試驗。表 23 和表 24 分別給出了相應的均勻設計表和對照的使用表。 表 23 )12(U 10*12 均勻設計表 列號 序號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 1 2 3 4 5 6 8 9 10 12 24 2 2 4 6 8 10 12 3 5 7 11 3 3 6 9 12 2 5 11 1 4 10 4 4 8 12 3 7 11 6 10 1 9 5 5 10 2 7 12 4 1 6 11 8 6 6 12 5 11 4 10 9 2 8 7 7 7 1 8 2 9 3 4 11 5 6 8 8 3 11 6 1 9 12 7 2 5 9 9 5 1 10 6 2 7 3 12 4 10 10 7 4 1 11 8 2 12 9 3 11 11 9 7 5 3 1 10 8 6 2 12 12 11 10 9 8 7 5 4 3 1 表 24 )12(U 10*12 使用表 S 列 號 偏差 2 1 5 3 1 6 9 4 1 6 7 9 5 1 3 4 8 10 6 1 2 6 7 8 9 7 1 2 6 7 8 9 10 依據(jù)均勻設計的方法，結合表 24 可知，對于 4 個因素變量的模擬研究，應按照表23 中第 1， 6， 7 和 9 列進行試驗安排。與此同時，水平合并后的因素與水平安排及其25 對應的 CFD 計算結果也分別列于表 25 和表 26。 表 25 因素與水平安排表 列號 序號 因素 A 因素 B 因素 C 因素 D 1 1(1) 6(3) 8(4) 10(5) 2 2(1) 12(6) 3(2) 7(4) 3 3(2) 5(3) 11(6) 4(2) 4 4(2) 11(6) 6(3) 1(1) 5 5(3) 4(2) 1(1) 11(6) 6 6(3) 10(5) 9(5) 8(4) 7 7(4) 3(2) 4(2) 5(3) 8 8(4) 9(5) 12(6) 2(1) 9 9(5) 2(1) 7(4) 12(6) 10 10(5) 8(4) 2(1) 9(5) 11 11(6) 1(1) 10(5) 6(3) 12 12(6) 7(4) 5(3) 3(2) 注： ( ) 內為進行水平合并后的水平代號。 表 26 模擬計算結果 試驗號 因素 A 因素 B 因素 C 因素 D 風動力損耗（ kPa） r1（ h/D） r2（ d/D） r3（ a） r4（ β） 1 50176。 55176。 2 40176。 50176。 3 60176。 40176。 4 45176。 35176。 5 35176。 60176。 26 6 55176。 50176。