多孔介质及多孔板数值模拟案例.docx

瓜子烘干机数值模拟分析原型：上图是用gambit制作的物理模型，并划分好网格和边界层。设置参数：求解器：在本算例中，为了研究烘干机的最终温度分布和烘干效率，我们采用稳态求解器。由于风素不高，所以我们忽略空气的可压缩性，采用基于压力的求解方式（pressure based）。因为存在空气密度变化，所以需要计算重力影响。模型：考虑到多相模型涉及到水的潜热和相变，计算过于复杂，本次数值模拟先在没有水的条件下计算大概温度分布和湍流强度。在粘性中选用k-湍流模型，并开启能量方程。流体物性参数：本例中选用的是空气作为流体工质，由于空气温度在15℃-80℃之间变化，其部分物性参数存在很大差异，所以不能设定为常量。在这里我们只需要考虑空气的密度和温度的函数关系。根据空气物性参数表，用excel做出如下曲线：从图中可以看出在该范围内空气的温度和密度存在线性关系，所以设定空气密度时可以选用图中几个点，作为空气密度线性方程的解，并以此设定空气密度。固体物性参数：本例中的几个墙面在计算时将其看作铝材料，其导热率为202.4W/m?k多孔介质区域参数：由于缺乏实验数据，在设定多孔区域中的渗透项和惯性项时只能大概估计其阻力系数，在此我们将其暂设为如下：经计算，该值对温度扩散太大阻碍作用，所以该假设值可以认为适用。至于孔隙率，这里大概估计为0.5。工作环境：重力作用已经在上面说过，这里不再重复。工作压力这里设置为0atm，这样方便设定随后的进出口压力。工作温度这里根据当前气候因素，设为288.15。边界条件：有些边界条件是根据几次计算后设定的最价值，这里不重复叙述其过程，直接以最后设定值为准。多孔跳跃：这里的多孔跳跃，就是模型图中所标志的多孔板，其材料为铝，厚0.5厘米，其阻力系数还是和上面讲述的一样填入适用值。压力出口：根据几次计算结果，压力出口的压力设为3atm是比较合适的，其湍流参数保持默认。出口的回流温度应设为高于外界温度但是低于内部温度，这里将其设为310K。速度入口：根据大多数用于烘干谷物的风机功率，这里将入口速度设为10m/s，初始压力设为4atm，这个边界采用的湍流参数设定模型是强度-水力直径，这里只修改水力直径数值，经计算将其值设为0.5米较为适合。其入口温度对应实际设备中干燥空气的温度，这里假设其温度为80℃（353.15K）。墙面：这里的墙面由于内部温度变化因素不容易控制，所以不能用热通量模型来设定，这里是用估计其最终值的方式来设定墙面固定点温度以便考虑传热问题。这里根据几次计算，认为将上部分墙面设为330K，将底面和下部分墙面设为340K是比较合理的。求解：在本算例中，考虑到动量方程会影响到温度分布，所以应该用耦合求解的方式，并且由于我们的计算目的对温度和压力分布要求比较高，所以将其设为二阶计算。经过几次计算发现湍流方程残差曲线的收敛性不够强，在这里直接略微下调湍流粘性系数。上图是最后计算的残差曲线，可以看出迭代运算在进行330时趋于收敛。计算结果：稳态温度分布图：从图中可以清晰地看出设备内部稳态的温度分布，红色的是高温区，这里和速度入口处在同一水平高度，在上面的区域中，温度在中下位置最后，向其他方向温度下降。多孔板温度分布曲线：从曲线中可以得出以下几点信息：多孔板上温度不是对称分布。多孔板上温度梯度，前半段较大，中间较小，后半段又增大。板上温度最高的位置在板的三分之一处。多孔介质出口温度分布曲线：从曲线中可以得出以下几点信息：多孔介质出口处的温度分布有很强的对称性，温度是两边低，逐渐向中间升高，热扩散性很好，这些在稳态温度分布图中可以很清楚的看到。在最后边的温度出现骤降，这和风道的设计有关，可以看出进入多孔介质区域的流体在最后边分布较少。湍流强度分布图：从上图中我们可以很清楚地看到，流体在多孔板前半段附近的湍流强度最大，是干燥瓜子最好的位置，为了改变多孔板附近的湍流分布，我们可以通过改变孔隙率的方式实现。下图是调小多孔板的渗透阻力和惯性阻力后的湍流分布结果：比较调节前后的湍流分布图可以得出一下结论：湍流分布和多孔板的各项参数有关，通过调节多孔板的参数可以控制湍流强度分布以此来提高干燥效率。多孔板的两侧湍流强度分布不均匀，不能通过改变多孔板参数来改善其分布，下表面的强度一定大于上表面，但是从中得到的启发是，我们可以通过改变热空气进口的位置来干燥瓜子。改进后的模型根据第一次数值模拟结果，我们发现湍流强度在多孔板下方分布较好，上方较少，所以我们修改速度入口位置和方向，并改善部分模型来优化流动分布。改进后的结果湍流分布图：上图的速度入口处质量流量仅原模型的三分之一，但是其湍流强度比原模型好很多。结论：烘干设备在稳态运行时通过改变多孔板的厚度或孔隙率可以改变其湍流和温度分布，以此改变烘干效率。同时意外地发现当热空气从上方向下吹的时候还能大大