【正文】 和標量 [27][32]。東北大學碩士學位論文 第 3 章 滾筒干燥機內(nèi)流體有限元模型的建立28 計算模型的建立 滾筒干燥機結(jié)構(gòu)簡化單通道滾筒干燥機回轉(zhuǎn)筒的三維建模如下：圖 滾筒干燥機模型Fig. Model of drum dryer16m 回轉(zhuǎn)筒干燥機的體積龐大，內(nèi)部抄板數(shù)量繁多，特別是回轉(zhuǎn)筒內(nèi)結(jié)構(gòu)的最大尺寸和最小尺寸相差很大，這對流體三維模型的建立和網(wǎng)格劃分工作在一定程度上帶來很大的困難。要想對這樣一個結(jié)構(gòu)分析清楚，必須對計算模型進行一定的簡化，確定合理的建模方案。本課題主要從以下幾個方面入手：由于揚料抄板太薄，會影響網(wǎng)格劃分的數(shù)量和質(zhì)量，而抄板數(shù)量繁多進一步影響收斂的速度。同時，抄板的厚度變化對流場不會產(chǎn)生很大的影響，可以采用抄板加厚的思想，將抄板加厚到 12mm。入風口伸出進料罩外的長度過小，不僅讓計算域內(nèi)的流體流動不充分發(fā)展，使得回轉(zhuǎn)筒內(nèi)氣體的平均速度偏離真實值，還會在網(wǎng)格處理的問題上造成困難，對后處理中的模擬造成困難。所以，可以適當?shù)脑黾尤腼L口長度。 流體計算模型相關(guān)參數(shù)按照上面的簡化方案先對 16m 回轉(zhuǎn)筒干燥機進行簡化處理，然后依據(jù)下面的相關(guān)參數(shù)建立簡化后的流體計算模型。東北大學碩士學位論文 第 3 章 滾筒干燥機內(nèi)流體有限元模型的建立29回轉(zhuǎn)筒內(nèi)徑：φ1800mm回轉(zhuǎn)筒長度：16000mm出風排料罩寬度：500mm出風口尺寸：500mm500mm出料口尺寸：350mm500mm進風加料罩寬度：400mm入風口尺寸：φ450mm200mm入料口尺寸：240mm400mm進料螺旋抄板尺寸：1000mm100mm12mm(該螺旋板的形狀為扇形圓環(huán)的一部分，外徑 3270mm，外徑與內(nèi)徑之間距離 100mm，扇形圓環(huán)對應的圓心角 20 度)進料螺旋抄板分布在靠近進料罩的回轉(zhuǎn)筒內(nèi)一端，周向均勻分布 16 個，在滾筒上排列方向與軸線成 30 度角。出料螺旋抄板尺寸：500mm100mm12mm(該螺旋板的形狀同進料螺旋板，只是扇形圓環(huán)對應的圓心角為 10 度)出料螺旋抄板分布在靠近出風排料罩的回轉(zhuǎn)筒內(nèi)一端，周向均勻分布 16 個，在滾筒上排列方向與軸線成 30 度角。揚料抄板尺寸：500mm100mm12mm揚料抄板沿著軸向分布 29 組，位于進料螺旋抄板與出料螺旋抄板之間的回轉(zhuǎn)筒內(nèi)，每組又沿周向均勻分布 16 個，共計 464 個揚料抄板；在滾筒上排列方向與軸線成 10度角。簡化后流體三維模型的建立如圖 所示：東北大學碩士學位論文 第 3 章 滾筒干燥機內(nèi)流體有限元模型的建立30圖 滾筒干燥機內(nèi)流體的三維模型圖Fig. Three dimensional structure of fluid in the drum dryer 網(wǎng)格的劃分計算流體力學的本質(zhì)就是對控制方程在所規(guī)定的區(qū)域上進行點離散（如有限差分法）或區(qū)域離散（如有限元法與有限體積法） ，從而轉(zhuǎn)變?yōu)樵诟骶W(wǎng)格點或子區(qū)域上定義的代數(shù)方程組，然后用線性代數(shù)的方法迭代求解 [27]。計算流體力學的一個關(guān)鍵步驟就是網(wǎng)格的生成，當物體的形狀尺寸復雜的程度較大時，網(wǎng)格生成技術(shù)起到了十分重要的作用。網(wǎng)格類型包括：三棱柱網(wǎng)格（Prism Meshing） 、四面體網(wǎng)格（ Tetra Meshing） 、六面體網(wǎng)格（Hexa Meshing） 、O 形網(wǎng)格（Ogrid Meshing） 、棱柱形網(wǎng)格（Pyramid Meshing） 、自動六面體網(wǎng)格（Auto Hexagon）等。滾筒干燥機內(nèi)流體的三維模型中包含很多不規(guī)則的形狀，尺寸差別比較大，本課題采用分塊劃分。多塊網(wǎng)格或塊結(jié)構(gòu)化是特殊的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。它是由多個相互聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格塊組合形成的。相鄰塊之間每個網(wǎng)格單元的連接可以是規(guī)則的（交界面匹配）也可以是任意的（交界面不匹配） 。在整個計算域內(nèi)，要想生成適應整個計算域的網(wǎng)格，多塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，尤其是交界面不匹配的多塊網(wǎng)格的生成比單一塊貼體網(wǎng)格生成要簡單得多。這種方法為每一子塊選擇最佳網(wǎng)格分布提供了可能。為此可以選擇合適的四面體或六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，填充到每個子塊之中。東北大學碩士學位論文 第 3 章 滾筒干燥機內(nèi)流體有限元模型的建立31基于上述思想，將流體模型分為整個回轉(zhuǎn)筒、進風加料罩、排風出料罩三部分，而整個回轉(zhuǎn)筒又可以細化成回轉(zhuǎn)筒中間部分和回轉(zhuǎn)筒抄板周圍部分。其中，對于回轉(zhuǎn)筒抄板周圍部分按照抄板的數(shù)量沿軸向劃分 31 塊?；剞D(zhuǎn)筒中間部分與回轉(zhuǎn)筒抄板周圍采用非連接分割，回轉(zhuǎn)筒中間部分與進風加料罩接觸部分、回轉(zhuǎn)筒中間部分與出風排料室接觸部分也分別采用非連接分割，其他部分都采用連接面分割，并針對每個部分進行相應的網(wǎng)格劃分。如圖 ~ 所示。圖 流體模型的網(wǎng)格劃分Fig. Mesh of fluid model圖 滾筒內(nèi)部的網(wǎng)格劃分Fig. Internal mesh of drum dryer東北大學碩士學位論文 第 3 章 滾筒干燥機內(nèi)流體有限元模型的建立32 圖 出料螺旋抄板網(wǎng)格劃分 圖 進料螺旋抄板網(wǎng)格劃分Fig. Mesh of solidout spiral plate Fig. of solidin spiral plate 圖 進風加料罩的網(wǎng)格劃分 圖 排風出料罩的網(wǎng)格劃分Fig. Mesh of solidimportcover Fig. Mesh of airout and solidexport cover圖 揚料抄板的網(wǎng)格劃分Fig. Mesh of throwsolidboard除滾筒內(nèi)部使用的是六面體單元結(jié)構(gòu)的 Cooper 劃分外，其他各部分主要采用四面東北大學碩士學位論文 第 3 章 滾筒干燥機內(nèi)流體有限元模型的建立33體，個別位置有六面體、錐體或楔形體，采用 TGrid 混合網(wǎng)格 [37]。由于流體模型尺寸很大，所以網(wǎng)格劃分的工作可能會要求計算機的配置很高，最后得出整體的網(wǎng)格單元為 1168058，整體的網(wǎng)格節(jié)點為 409805。 邊界條件定義設(shè)置適當?shù)奈锢磉吔鐥l件同網(wǎng)格細化和適應性求解一樣，控制著求解 CFD 問題的計算穩(wěn)定性及計算的收斂性。很多流體流動行為的復雜特性包含在表述流動問題的邊界條件之中。使用 CFD 時若要模擬流體流動物理特性的真實性，則需要定義合適的邊界條件成為可以求解 CFD 問題的關(guān)鍵。顯而易見，因為在流動域內(nèi)存在著流入和流出的邊界，所以需要選擇合適的流體流動的邊界條件來確定流體進入流動區(qū)域和離開流動區(qū)域的流體特性。流動區(qū)域也可用開放的邊界來加以設(shè)定。雖然在理論上開放邊界條件存在著很大的爭議，但開放邊界條件與 CFD 中其他邊界條件的描述相比最為簡便。對于靜止的固體壁面以及流動區(qū)域里面障礙物的周邊壁面，也要賦予合適的邊界條件。如何正確處理邊界條件是有限元分析的一個關(guān)鍵問題，它對后期的分析和數(shù)據(jù)處理起著至關(guān)重要的作用。確定邊界條件不僅僅要求數(shù)學上滿足適應性，還要在物理上滿足真實性。本課題的邊界條件主要從回轉(zhuǎn)筒中間部分、回轉(zhuǎn)筒抄板周圍、進風加料罩、排風出料罩四部分施加。其中進風加料罩上分別定義入料口和入風口 VELOCITY_INLET；排風出料罩上分別定義出料口和出風口為 PRESSURE_OUTLET；回轉(zhuǎn)筒抄板周圍與回轉(zhuǎn)筒中間部分的接觸面定義 INTERFACE；回轉(zhuǎn)筒中間部分的端面與進料罩接觸面為INTERFACE；回轉(zhuǎn)筒中間部分的另一端面與出風排料室接觸面為 INTERFACE；回轉(zhuǎn)筒外壁定義為 WALL。 褐煤的物理性質(zhì)干燥即通過輔助給熱的方式把物料（液態(tài)或固態(tài)）去除液體，形成固形產(chǎn)品。很顯然，物料的物理性質(zhì)（如大小、密度、形狀、熱物理特性等）決定了蒸發(fā)所需的熱量。滾筒干燥機選用的干燥物料是褐煤，通常采用并流操作以降低著火的可能性。褐煤，又名柴煤，是煤化程度最低的礦產(chǎn)煤。一種介于泥炭與瀝青煤之間的棕黑色、無光澤的低級煤 [38]。其特點是水分高、比重小、揮發(fā)分高、不粘結(jié)、化學反應性強、熱穩(wěn)定性差、發(fā)熱量低、含有不同數(shù)量的腐殖酸，在空氣中容易風化，不易儲存和遠運[39]。可是同硬 質(zhì)煤相比，由于多半褐煤埋層淺，經(jīng)濟可采量約占全部煤藏量的 23%，東北大學碩士學位論文 第 3 章 滾筒干燥機內(nèi)流體有限元模型的建立34幾乎都可以露天開采，所以價格低廉，可作為貴重的碳化氫資源。褐 煤 主 要 用 于 發(fā) 電 廠 的 燃 料 ， 也 可 作 催 化 劑 載 體 、 化 工 原 料 、 凈 化 污 水 、 吸附 劑 和 回 收 金 屬 等 。 可 作 為 工 業(yè) 熱 源 燃 料 、 直 接 用 作 家 庭 燃 料 及 發(fā) 電 的 燃 料 ， 還可 用 作 低 溫 干 餾 、 氣 化 等 的 原 料 。 焦 化 后 的 褐 煤 可 制 作 為 煤 磚 用 于 炊 事 和 加 熱 ； 它也 作 為 活 性 炭 的 來 源 ， 用 于 水 的 處 理 、 復 原 黃 金 和 提 取 碘 。 另 外 ， 褐 煤 脫 水 的 工藝 也 有 很 多 種 ： 回 轉(zhuǎn) 管 式 干 燥 、 熱 脫 水 工 藝 、 機 械 脫 水 、 床 混 式 干 燥 、 熱 壓 脫 水 工藝 [40]。 本章小結(jié)（1）本章對 Gambit 幾何建模能力、網(wǎng)格生成技術(shù)和邊界類型的設(shè)定分別進行相關(guān)的介紹和分析，為滾筒干燥機內(nèi)流體的前處理工作打下堅實的基礎(chǔ)。（2）將滾筒干燥機內(nèi)的流體模型進行一定的簡化，把不影響流體流場的抄板加厚、適當擴大入風口面積和加大入風口長度保證流體運動的充分發(fā)展。（3）按照 Gambit 網(wǎng)格劃分方法對滾筒干燥機內(nèi)流體進行分塊劃分，即進料罩、出風排料罩、回轉(zhuǎn)筒抄板周圍部分、回轉(zhuǎn)筒中間部分，而回轉(zhuǎn)筒抄板周圍再細化 31 塊，針對每一塊選擇 Gambit 提供的網(wǎng)格劃分方法進行劃分。得到整體網(wǎng)格單元 1168058，整體網(wǎng)格節(jié)點 409805。（4）定義流體模型入口、出口和壁面的邊界條件，即 3 對 INTERFACE 交界面、回轉(zhuǎn)筒壁面為 WALL，入風口和入料口分別 VELOCITY_INLET，出風口和出料口分別PRESSURE_OUTLET。東北大學碩士學位論文 第 4 章 滾筒干燥機內(nèi)單相流的數(shù)值模擬35第 4 章 滾筒干燥機內(nèi)單相流的數(shù)值模擬本課題需要用到氣固兩相流的知識和應用，由于固相的運動很大程度上是受到熱風吹動，研究滾筒內(nèi)氣流速度和溫度的分布有助于確定合理的滾筒結(jié)構(gòu)和參數(shù)取值。 傳熱學基礎(chǔ)熱分析的熱平衡方程是根據(jù)能量守恒的原理確定的，再用有限元法算出物體的內(nèi)部各節(jié)點的溫度，同時導出其他的熱物理參數(shù)，這樣可以進行熱對流、熱傳導、熱應力、熱輻射相變及接觸熱阻等相關(guān)問題的分析求解。熱量的基本傳遞方式有三種：熱對流、熱傳導和熱輻射，實際生產(chǎn)中都是以這三種方式進行熱量傳遞的，并且多數(shù)情況下在同一時刻都是兩種甚至三種熱量傳遞方式同時存在 [4142]。 熱傳導熱傳導是指各物體之間或一個物體各部分之間存在溫差而且沒有相對宏觀運動時所發(fā)生的熱量傳遞的現(xiàn)象。導熱是物質(zhì)固有本質(zhì)，無論氣體、液體還是固體，它們都具有導熱本領(lǐng)?；疽?guī)律：傅里葉公式（僅限于無限大平壁） tq????()A? 2式中： ——導熱系數(shù)（物性參數(shù)） ，它的大小取決于物質(zhì)本身的熱力狀態(tài)，如溫?度、壓力等，單位 WmK?——兩端的溫度差，單位t?——板厚，就是傳導媒介長度，單位?——接觸面積，單位A2——熱流密度，單位q——熱量，影響因素：溫差、導熱系數(shù)、幾何因素，單位? W 熱對流與對流換熱流體中溫度不相同的各個部分的物質(zhì)在空間發(fā)生宏觀的相對運動所引起的熱量傳東北大學碩士學位論文 第 4 章 滾筒干燥機內(nèi)單相流的數(shù)值模擬36遞現(xiàn)象稱為熱對流。熱對流一般不能用獨立的方式來傳遞熱量，其過程中一定有熱傳導的存在。流體流過固體壁面并且由于它與壁面之間存在溫度差時的熱量傳遞現(xiàn)象稱為對流換熱，它與流體的流動機理是密不可分的；而導熱同時也是物質(zhì)的固有本質(zhì)，故對流換熱是流體微觀熱運動與流體宏觀熱運動（熱對流）的基本規(guī)律，即：牛頓冷卻公式 qht??()或 At? (.)其中，A ——換熱面積（是流體和壁面間相互接觸的，并且和熱量傳遞的方向相互垂直的面積），單位 2m——物質(zhì)的對流傳熱系數(shù)，單位h 2WK?——溫差，單位t?K——熱流密度，單位q2——傳熱量，單位?影響因素：流體流態(tài)和流速、溫差、流體熱物性（如黏度、導熱系數(shù)等） 、幾何因素等等。值得注意的是，在對流換熱中，其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 是一個過程量，而不同于h導熱系數(shù) 那樣是一個物性參數(shù)。? 熱輻射熱輻射：當物質(zhì)微觀粒子（原子）的內(nèi)部電子受激和振動時候，產(chǎn)生交替變化的電場與磁場，向空間發(fā)出傳播電磁波的現(xiàn)象。從物理本質(zhì)上來看，熱輻射同其他所有輻射一樣，都屬于電磁波。它們的區(qū)