蜂蜜喷雾干燥过程数值模拟及实验研究 47页

1053006仑肥工学火警HefeiUniversityofTechnology硕士学位论文MASTERDISSERTATl01N@论文题目：蜂蜜喷雾干燥过程数值模拟及实验研究学位类别：学科专业工程领域作者姓名导师姓名完成时间学日硕士农产品加工及贮藏工程阮少钧周先汉副教援 蜂蜜喷雾干燥过程数值模拟及实验研究摘要喷雾干燥做为一个较为广泛应用的工程技术手段，在诸如雾化、干燥等基础理论方面的研究是比较完备的，这些定性或经验化的结论在喷雾干燥塔的设计及指导喷雾干燥的实际生产方面起到了较大作用。但现阶段喷雾干燥过程也存在着粘壁、能耗大等值得分析改进的问题，并且对于喷干塔内部运行情况的了解也十分匮乏。本文在对喷雾干燥塔内流动特点的基本认识的基础上，采用较为成熟的计算流体力学模型及算法，建立适用于蜂蜜物料喷雾干燥的应用模型，对其喷雾、干燥的过程进行数值模拟，并分析其内部的流场特性，找出试验过程的关键控制边界条件与操作要点，为减少工程试验成本、预测试验结果、改进喷雾干燥塔的设计等方面提供一条方便快捷的途径。在分析了蜂蜜混合料液的特性及其在离心喷雾干燥塔内的运动及水分蒸发情况的基础上，对简化的喷雾干燥塔的几何结构划分三角形计算区域，评估网格划分的质量。本文重点分析并建立了旋转式雾化器由雾化至完成雾滴分布的～系列应用模型，并通过试验确定了在本试验操作条件范围内的雾滴尺寸的分布参数为1．76。同时建立了雾滴离散相、热空气连续相的干燥模型。在定义了连续相和离散相边界条件以后，在不同的料液含水率、热空气入口温度、进料速率、雾化盘转速等条件下求解模型，分析流场的特点并找出关键的控制边界条件，并通过试验验证模型的适用性；在不同转速下雾滴轨迹图和不同热风进口温度及进料速率下的蒸发量等数据基础上，分析了喷雾干燥中雾滴的运动情况及蒸发情况。最后通过均匀试验优化得到一个较优的工艺操作条件：雾化操作转速为24000r／rain，进料速率2．90kg／h．进风温度458K；在此条件下，产品的含水率为3．2％，出粉率为21％。关键词：喷雾干燥、数值模拟、雾化模型、蜂蜜 StudyonExperimentandNumericalSimulationofHoneySprayDryingAbstract：Asawidelyusedengineeringtechnology，spraydryingisanintegratedmethodforatomizationanddrying．Thisqualitativeandexperientialconclusionstakeeffectondesigningofspraydryingtowerandguidingtherealmanufacture．Butnowadayssomeproblemsjustlikestikingtothewallandlargeconsumeofenergyexistintheprocessofspraydrying．Andtheunderstandingofinnerprocessisnotclear．ThispaperuseComputationalFluidDynamics(CFD)methodtomodelandsimulatethehoneyspraydryingprocessbaseonthetraditionaloperations．Buildserialsapplicationmodelsforhoneyspraydryingoperationinspraydryer．Withthesimulationandtheanalysisoffluency，thekeyboundaryconditionsandoperationwerefound．Thisresultisgoodtoreducethecostoftestingandforecasttheexperimentresultandprovidethefinewaytodesignthetower．Whenanalysethemovementandevaporationofthemixtureofhoneyinaspraydryerwithrotarydiscatomizer，ageometrymodelofspraydryerwassetupinGambit，andthemodelsofmaterialatomization，thedropletdiscretephase，thehotcontinuousphaseetc．werealsosetupforthecalculation．Wejudgedthedistributingparameterwithsomeexperiment．Thevalueis1．76．Afterdefiningtheboundaryconditionsofcontinuousphaseanddiscretephase，theexperimentsofdifferenttemperatureofhotatmosphere，feed-inrateofhoneymixture，rotatorspeedofrotarydiskweretakentoverifythemodelandfixit．Aftercalculation，thefigureofdropletpathlineondifferentrotatorspeedandthevaporingdataofdifferenttemperatureofhotatmosphereandfeed-inrateweregot．Thelawsofparticlesmovementandevaporationwerediscussedinthefigures．Byusingtheuniformdesignmethod，thebestoperationconditionswerealsogiven：thebestrotatespeedofatomizerwas24000r／rain，thebesthotairtemperaturewas458K，massflowratewas2．90kg／h．Ontheseconditions．thewatercontentofpowderis3．2％andthe21．3％powderwasgot．Keywords：spraydrying；numericalsimulation；discretephasemodel；honey 图表清单表2-1LPG．5型喷雾干燥塔基本几何尺寸⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7图2-1塔体的风格划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8图2-2喷口区域的精细化网格⋯⋯⋯。图2．3出口处的精细网格⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9图2-1蜂蜜喷干粉粒度分布图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．12图2．2Rossin．Rammler模型分布及密度函数图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12表3-1试验仪器设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19图3-1压力．雾化盘转速对应关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯20图3．2空气密度随温度变化图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．22图3．3空气粘度随温度变化图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．23表3-2不同浓度的蜂蜜料液的粘度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．24图3-4蒸汽压．温度变化关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯25表3．3不同雾化盘转速下产品的直径分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．26表3．4不同雾化转速下雾滴入口边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．28表4．1不同雾化转速下的模型验证结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．29图4．1不同雾化转速下雾滴轨迹⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．29表4．2不同进料速率下的模型验证结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．31表4．3不同进料速率下的模型模拟结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31表4．4不同进风温度下的模型验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．32表4．5不同进风温度下的模型模拟结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯：⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯32图4．2不同转速下雾滴x轴，Y轴速度随于燥时间的变化图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．34图4．3喷雾干燥塔内温度场图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯35图4．4蒸发速率随时间变化图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．35图4-5雾滴温度随时间变化图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．35表4—6均匀试验方案与结果⋯⋯．：⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一36 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盒鳇王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：阮少钧签字日期：o。。76学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金匿王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒丝王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编八有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名i}礼7狗签字日期：土声唧‘学位论文作者毕业后去向工作单位通讯地址导师签名：签字日期：扮7占电话：邮编 致谢本论文是在我的导师周先汉副教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、试验方案的制定到论文的成稿，都得到了导师的大力帮助和鼓励。老师广博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，必将使我终身受益，在此向周老师表示深深的敬意和衷心的感谢!在三年的学习生活中，陈从贵老师、王泽南老师、王武老师等给了我热情的帮助，叶剑芝、蒋凯亚、刘娴等同学以及实验室的老师在试验实施的过程中给予了大力的支持，借此机会，向他们表示最诚挚的谢意!最后，还要特别感谢我的家人，他们给了我莫大的支持和鼓励!作者：阮少钧 第一章绪论1．1我国蜂蜜产品现状及发展前景蜂蜜系蜜蜂采集花粉并通过机体代谢所产生的营养物质，在蜂房特定条件。发酵”而成的天然营养佳品11J。新鲜成熟蜂蜜呈粘稠、透明或半透明的胶状物质。蜂蜜的主要成份是葡萄糖和果糖等单糖C75％以上)，还含有人体细胞、组织和器官所需要的各种营养物质，同时能产生大量的热量而不含有脂肪，是滋补品和天然药品【2l。蜂蜜中单糖一葡萄糖和果糖能够很快被人体直接吸收利用，能够在很短时间内补充人体能量，消除人体疲劳和饥饿。蜂蜜不含脂肪，富含维生素、矿物质、氨基酸、酶类等物质【3】，经常服用能使人精神焕发，精力充沛，记忆力提高，延年益寿，是运动员、体力劳动者、脑力劳动者、老人、儿童、高血压患者等上佳饮品14】。我国蜂蜜资源丰富，产品在国际市场上富有很强的竞争力。但是蜂蜜的流态性状不利与携带与保藏，也在一定程度上限制了其在食品工程领域的应用性，为了提高我国的蜂蜜深加工水平，满足国内外市场的需求，增加我国蜂蜜产品的种类和在国际市场的竞争力，生产一种便于携带、符合实际生产加工应用的蜂蜜粉末产品，能够适应现代化生产的要求和市场法则，具有非常重要的现实意义。1．2计算流体动力学模拟方法1．2．1计算流体动力学简介自然界存在着大量复杂的流动现象，随着认识的深入，人们开始利用流动规律改造自然界。流体运动的规律由一组控制方程描述，这类方程往往是高度非线性的(如Euler或Navier—Stokes方程)。计算机没有发明前，流体力学家们在对方程经过大量简化后能够得到一些线性解析解，但实际的流动问题大都是复杂的非线性问题，无法求得具有实用价值的解析解。计算机的出现以及计算技术的迅速发展使人们求解复杂的控制方程组的并用于生产实际的梦想逐步得到实现。1933年，英国人Thorn首次用手摇计算机数值求解了二维粘性流体偏微分方程，计算流体动力学卢J(ComputationalFluidDynamics，以下简称CFD)由此而生。CFD可以看做是在流动基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程)控制下对流体流动的数值模拟。把原来在时间域或空间域上的连续的物理量的场用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的法则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。通过这种模拟，可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量(如速度、压力、温度、浓度等)的分布，以及这些物理量随时间的变化情况。简单地说，CFD相当于在计算机上“虚拟”地做实验来模拟真实的流体流动。CFD学科综合了计算数学、计算机科学、流体力学、科学可视化等多种学科。广义的CFD还包括计算流体动力学、计算燃烧学、计算传热学、计算化学反应动力学，甚至数值天气预报也可列入其中。 自二十世纪六十年代以来CFD技术得到了飞速发展，其原动力是不断增长的工业需求，例如，航空航天工业对CFD的发展就起了巨大的推动作用。传统飞行器设计方法试验昂贵、费时，所获信息有限，迫使人们需要用先进的计算机仿真手段指导设计，大量减少原型机试验，缩短研发周期，节约研究经费。四十年来，CFD在湍流模型、网格技术、数值算法、可视化、并行计算技术等方面取得飞速发展，给工业界带来了革命性的变化。并出现了专门用于流场分析、流场计算、流场预测的CFD软件。通过软件可以利用计算机的高速运算能力分析并显示发生在流场中的现象，在较短的时间内预测目标函数，并通过改变各种参数，达到最佳设计效果。CFD的数值模拟，能帮助我们更加深刻地理解过程的机理，为实验提供指导，节省实验所需的人力、物力和时间，并对实验结果的整理起到很好的指导作用。如在汽车工业中，CFD和其它计算机辅助工程(CAE)工具一起，使原来新车研发需要上百辆样车减少为目前的十几辆车；国外飞机厂商用CFD取代大量实物试验，如美国战斗机YF-23采用CFD进行气动设计后比前一代YF．17减少了60％的风洞试验工作量。目前在航空、航天、汽车等工业领域，利用CFD进行的反复设计、分析、优化已成为标准的必经步骤和手段。随着计算机硬件和软件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟，出现了基于现有成熟流动理论及算法的通用CFD软件。通用CFD软件使许多不擅长CFD的其它专业研究人员能够轻松地进行流动数值计算，从而使研究人员从编制繁杂、重复性的程序中解放出来，以更多的精力投入到考虑所计算的流动问题的物理本质、问题的提法、边界(初值)条件和计算结果的合理解释等重要方面，这样最大程度地发挥了通用CFD软件开发人员和其它专业研究人员各自的智力优势，为解决实际工程问题开辟了新的道路。1．23计算流体动力学的特点使用CFD，首先要建立所研究的系统或装置的计算模型；然后将流体流动的物理特性应用到虚拟的计算模型，CFD软件将输出所需要的流体动力性质。CFD是一种高级的分析技术，不仅可以预测流体的行为，同时还能得到传质(如分离和溶解)，传热，相变(如凝固和沸腾)，化学反应(如燃烧)，机械运动(涡轮机)，以及相关结构的压力和变形(如风中桅杆的弯曲)等性质。使用CFD主要有以下几个特点：1)系统较难用简单的直接解析的模型加以描述，即难以通过一组方程的联立求解而使问题得到解决。CFD方法对于此类系统的设计方案有很强的理解和可视能力，能够展示别的手段所不能揭示的性质和现象。2)一旦给定问题的参量，CFD能够快速的给出想要的结果，便于在很短的时间内调整问题的设计参数，得到良好的优化结果。3)采用CFD具有良好的经济效益。由于其开发周期短，能节省大量的人力物力，便产品能更快的进入市场。4)CFD擅长处理非线性流体问题，对于变量多、计算域几何形状复杂、边界条件复2 杂的问题能得出满足工程需要的解。1．2．瓠计算流体动力学的工作流程CFD的工作流程【6J主要由以下几部分组成：1)建立反映工程或者物理问题本质的数学模型。确定其质量、动量、能量守恒等控制方程。2)建立高效的数值算法。对控制方程进行数值离散化，如有限差分法，有限体积法等，包括建立边界条件的离散化及求解方法。3)编程计算并验证。包括两格划分、初始及边界条件的确定等。对于所采用的数值求解方法及参数要经过实验验证。4)结果的可视化。又称后处理过程，将计算所得的结果以各种方式呈现给专业人员，方便于他们开展各自领域的研究、设计、产品开发等工作。1．2．5计算流体动力学在研究中的作用物理现象分析与实验验证是科研工作者认识世界的两个相辅相成的主要手段，在计算机诞生后，计算手段加入了对物理现象的描述中来，而实验手段也被用于对于计算结果的最客观的验证。但随着需要描述的物理问题越来越多、越来越复杂，计算机能力的加强仍然远远满足不了计算需求的增长速度。因此科学研究还是物理分析与实验验证先行的过程，计算手段只是对已经经过论证的物理范畴提出逼近真实情况的数值解法(因为大多数非线性系统，如湍流，都是目前无法得出真实解析解的)，并用于指导实际工程而已。即便如此，数值计算在未知领域的探索中也能发挥强大的作用：槽道湍流中的倒马蹄涡现象就是先在槽道湍流的直接数值模拟中发现，后被实验所验证的nCFD软件本质上就是由流体理论通过数值手段离散化后得到的计算工具的集合，而通用CFD软件则是经过了大量实验验证后较成熟的计算工具的集合。在通用CFD软件所关注的领域内，其模拟得到的结论在工程范围内具有较高的可信度，可为非数值领域的专业人员从事相关研究提供强有力的帮助。蜂蜜的喷雾干燥过程，是气固两相湍流并伴随传热、相变的过程，料液浓度、雾化方式、进料速率、进风温度等都是影响该过程的重要因素。CFD能够方便地对操作条件实施边界化；并且在料液的雾化、雾滴的干燥、粘壁等问题上，采用CFD方法去分析计算能解决许多传统的理论分析、解析计算方法不能解决的问题，而且快速强大得多。但CFD也存在一定的局限性[51。它是一种离散近似的计算方法，其结果不能提供任何形式的解析式，只是有限个点上的离散数值解，并有一定的计算误差。并且它不像物理模型实验那样具有直观性和具像性，需要通过以往实验提供某些参数，所建立的模型或对模型的求解仍需要后续的实验验证。1．3蜂蜜喷雾干燥技术1．3．1喷雾干燥技术简介3 喷雾干燥是将原料液用雾化器分散成液滴，并用热空气(或其它气体)与雾滴直接接触的方式而获得粉粒状产品的一种干燥过程。原料液可以是溶液、乳浊液或悬浮液，也可以是熔融液或膏状物。干燥产品可根据需要，制成粉状、颗粒状、空心球或团粒嘲。喷雾干燥的基本流程为：料液经过恒流泵送至雾化器；同时干燥所需的新鲜空气经过滤后经空气加热器加热到所要达到的温度，再进入热风分布器。干燥的过程大致经过四个阶段【9l：料液雾化形成雾滴；雾滴与来自热风分布器的热风相接触，吸热升温：雾滴蒸发失水；较大颗粒的干燥产品干燥器底部排除，较小颗粒则随热风进入旋风分离器中分离。其中最主要的环节就是液滴的雾化过程及雾滴的吸热蒸发过程，这两个过程决定了干燥的效果与产品的质量。喷雾干燥的显著特征是将液体雾化为非常微小的雾滴(直径大约在20至120微米)，具有很大的比表面积，能显著减少干燥时间(通常为15-30秒)，适合于熟敏性物料的干燥，有较高的热利用率，而且较容易通过改变操作条件调节或控制产品的质量指标，如粒度分布、最终湿含量等。相对于传统工艺流程，喷雾干燥能直接将溶液制成粉末状产品，产品具有很好的溶解性，节省了诸如蒸发、结晶、过滤、粉碎、筛选等单元操作，同时也易于实现自动化与机械化。喷雾干燥技术在工业上的应用有近百年的历史，目前已广泛渗透到食品、化学、医药、建筑、冶金等行业。我国将喷雾干燥技术应用于蜂蜜粉的工业化生产是在在近几年才起步的，由于现阶段蜂蜜粉的市场还未完全开发出来，所以蜂蜜粉加工厂不仅数量少，而且加工厂的规模普遍较小，蜂蜜纷的加工工艺还谈不上成熟，再加上我国现阶段干燥塔设备的设计与制造水平与国外还存在较大差距，进风温度难以精确控制，干燥筒体结构及内表面处理技术不适当，挂粉现象较严重等。因此现阶段有不少针对改进干燥工艺、提高干燥品质方面的研究，但由于喷雾干燥试验往往受到模型尺寸、流场扰动、测量精度的限制，有时很难通过试验方法得到预期的结果。此外，试验还会遇到经费投入，人力和物力耗费较大及周期长等困难。因此，运用新的数值建模的方法来研究蜂蜜的喷雾干燥过程，用预测数据减少试验环节，快速把握过程的关键点，并据此改进蜂蜜喷雾干燥工艺，改造蜂蜜喷雾干燥塔结构，是亟待解决的问题。1．3．3喷雾干燥数值模拟技术的进展从本世纪50年代开始，人们就多次尝试用数学方程描述喷雾干燥。在喷雾干燥中有很多复杂现象难以用数学方程的形式表达。这些现象包括喷雾的多分散性，雾沫夹带，分散相内部传热和传质问题。在70年代，Patti和Palancz阐述了分散相和连续相之间的动量、热量和质量传递的规律【lol，Gauvin和Katta提出一种考虑了雾沫夹带和雾化非均一性的模型【lu，他们还求解出一个考虑了空气的轴向和切向速度分布的模型。此后，研究者们又提出了大量的模型，其中一些已成功地得到实验的验证。Crowe等人提出了称为单元内粒子源的模型(PSI--cellmodel)[12-13】，这是一个轴对称、两相耦合(干燥媒介和喷雾液滴)的模型。Oakley和Bahu使用CFD代码FLOW3D在喷雾干燥模拟中研4 究了这个模型【141。Paradakis和King则在喷雾干燥过程实施了这个模型【拄161，并展示了数值模型和实验结果比较的一致。Negiz等人在Patti和Palancz工作的基础上发展了一个稳定状态的并流干燥塔数值模型117】。近年来，有不少研究也在陆续开展。Lan鲥sh和Zbincinski使用CFX代码在一个小尺寸干燥塔内研究了涡流效应对于雾滴沉积的作用11引。Kieviet等人研究了使用压力喷嘴的并流干燥塔的CFD模拟情况和实验情况119’201。更近的是Huang等人用FLUENT代码研究了不同的几何模型(即圆柱．锥型、灯罩型、滴漏型和纯锥形)．下的干燥情况和颗粒驻留时间12儿。他们指出对于设计人员来说塔几何形状的选择，并非只能设计圆柱．锥型塔。Huang等人还对压力喷嘴并流干燥塔进行了参数研究[221。Goula和Adamopoulos则用FLUENT分析了喷雾干燥操作条件的对塔内残留物增长的影响罔。这些工作的重点大都集中在压力喷射雾化器上，关于旋转雾化式喷雾干燥塔研究的文献报道则较少。在过去十年内，基于旋转雾化器的数值模拟大多数是以实验和经验为基础的。Huang等人展示了RNfik-e不同湍流模型对于在旋转喷雾干燥塔内模拟复杂旋转的两相流是合适的刚，并与其它湍流模型(即标准k-e模型、可压缩k．e模型和雷诺应力模型)进行了比较，用的是FLUENT代码【硎，但对于旋转雾化器的雾化模型、颗粒干燥等问题则尚未见详细的讨论。目前，国内也有一些针对喷雾干燥模型的讨论[2629】以及将喷雾干燥模型应用于工业生产方面i30-321的研究与报道。由于喷雾干燥过程的复杂性，对干燥过程中在气液两相之间同时发生的质量传递、动量传递和能量传递现象，用数学语言进行完整、恰当的描述还存在着困难，效果也不理想。另外，由于不能精确表示出料液与干燥介质在雾化器邻近的接触情况和干燥室中物料与干燥介质之间的流动特性、以及喷雾干燥器所处理物料的多样性与干燥器形式的复杂性，喷雾干燥的数值模拟仍然存在着许多亟待解决的问题，虽然国外对于食品物料的干燥过程已有一些运用数值模拟的方法进行研究的报道133-35】，但在国内应用的还较少。对子蜂蜜混合扬辩进行干燥过程模拟的工作尚未见报道。因此，运用数值模拟的方法模拟蜂蜜物料的喷雾干燥过程是值得研究的。1．4本文的立题意义与主要研究内容1．4．1立题意义1)蜂蜜喷雾干燥过程中可能涉及到的大部分模型在通用CFD软件中有较为成熟并经过验证的解决方案，因此结合试验手段与边界条件对这些模型进行分析、筛选、组合，并进行模拟，其结果具有工程范围内的具体性、可行性。在计算机上进行一次特定的计算，相当于在现实中做一次物理实验，数值模拟可以形象地再现流动情景，并有可能找出满足工程需要的近似解。2)可利用计算机进行各种数值试验。例如，选择不同操作参数进行有效性实验，从而迸行方案比较，研究料液浓度、雾化方式、进口温度、迸料速率等工艺条件对喷雾干燥蒸发效率，出口温度，产品含水率以及壁面沉积等结果的影响，对提高蜂蜜粉的品5 质和节约能源等方面有重要意义。31由于通用数值模拟方法在工程上的成熟可靠，能够不受物理模型和实验模型的限制，一套可行的建模方法可以针对不同的干燥塔不同的物料建立不同的模型。本文在实验室LPG-5型旋转喷雾干燥塔上根据蜂蜜混合料液的特点建立的模型，只需要改变相关参数，就能适用于其他旋转喷雾干燥塔和不同浓度和粘度的蜂蜜、甚至其它物性相近的物料的建模，省钱省时，不仅减少了物料的消耗，实验本身也有较大的灵活性。并且CFD所涉及到的物理模型本身就具有理论分析方法的普遍性，是指导优化实验和验证数值计算方法的理论基础。而喷雾干燥实验只能给出操作条件和结果间的简单关系，对于干燥过程的分析以及导致结果的原因的分析是十分有限的，CFD方法不仅可以得到干燥结果的参考数据，还能给出雾滴的分布和运动轨迹，对于塔内的温度、压力、速度分布以及传热传质情况都能给出完备且详细的参考数据。不但能够指导工程设计和生产的方向，也能辅助干燥过程的理论分析。另外，对干燥设备的改进和设计也具有重要的意义。1．4．2主要研究内容本文在分析蜂蜜物料特性的基础上，通过结合CFD技术和喷雾干燥技术，建立蜂蜜喷雾干燥过程的应用模型，利用模型模拟蜂蜜雾滴在喷雾干燥塔内的运动情况，深化对于干燥塔内传热传质过程的认识，寻找影响蜂蜜喷雾干燥过程主要因素水平的合理范围，改进生产工艺，提高出粉率和干燥产品品质。并对旋转式喷雾干燥系统的性能作出预测，为旋转式喷雾干燥系统的设计提供参考依据。以下是本文研究的主要内容：11分析了蜂蜜料液的特性及雾滴的运动特性，建立旋转喷雾干燥塔的简化几何结构，在此基础上划分非结构化网格，对旋转雾化器、热风进口区域的网格进行加密，并判定模型的各个边界类型。2"以边界条件的初始计算为依据，建立蜂蜜喷雾干燥过程的雾滴离散相与热空气连续相的模型；重点分析并建立旋转雾化器的雾化等应用模型，并在操作条件范围内通过实验校正模型中雾滴的分布参数。31根据蜂蜜物料的特点求解离散相模型与连续相模型的边界条件，确定料液含水率、进风温度、进料速率、雾化盘转速等操作条件的可行范围；为蜂蜜喷雾干燥过程选定算法、运行环境和计算模型，并进行模拟。钔通过模型分析干燥塔内的雾滴运动状态、蒸发状况及温度、压力、湿度等因素；分析不同的料液含水率、进料速率、进风温度、雾化盘转速下对产品的影响，并通过试验验证模型预测的结果；在此基础上进行工艺条件的优化。6 第二章喷雾干燥过程模型的讨论2．1蜂蜜喷雾干燥几何模型的建立真实的喷雾干燥过程在喷雾干燥塔内进行，而模拟过程同样需要在模拟的干燥塔内进行，除了依据等比例原则对实际喷干塔进行几何结构进行构建外，对实际结构还需要根据模拟条件及要求进行一定简化。将构建的几何体积进行网格化，对进口，出口、壁面等判定边界类型与边界条件等工作也很重要。其中网格的生成是最重要的一步，网格是CFD软件进行计算的载体，网格的质量对CFD计算精度及计算效率有很重要的影响。对于复杂的问题，网格生成困难且耗时，而且极易出错，生成网格的所需时间经常大于实际CFD计算的时1,司151。因此，如何对几何体建模并进行网格化是一个值得探讨的过程。此外，边界类型的判定也同样重要，不同的边界类型代表了不同的流体特性，准确地判定边界类型需要对物料特性及其运动特点有较为清楚的认识。2．1．1旋转式喷雾干燥塔的物理尺寸及模型尺寸的简化通过测量，得到LPG．5型喷雾干燥塔基本物理尺寸如表2-1所示；表2-1LPG．5型喷雾干燥塔基本几何尺寸!生：!：!翌!!竺i!!堡12三些篮!巴Z!坐：部件尺寸(n1)喷干塔内径塔高圆柱部分塔高圆锥部分出口管径雾化器直径雾化器高度雾化盘高度雾化盘叶片高度叶片数目热风进口圆环面外径热风进口圆环面内径雾化器外形简化：不考虑雾化盘上方的壳体部分，并且由于旋转雾化盘是膜状分裂雾化的工作模式嗍，工作中雾化盘外围形成液膜层，因此可以不考虑雾化盘的叶片形状。塔的各个位置的接合处不考虑倒角与铆合。最后将干燥塔的壳体部分结构略去，通过软件建立干燥塔内部的基本几何形状。塔的网格划分一般可采用矩形网格与三角形网格两种方案，但使用矩形网格在塔的锥体区域会形成非常致密的网格结构，而热空气与干燥雾滴在进入此区域时已经是充分发展的湍流状态，过于致密的网格不但加重了不必要的计算负担，而且有可能造成解的振荡。故采用三角形网格进行划分。网格划分结果如图2-1所示，其非结构化的网格分布能够较好的分割计算区域。7，记{2吣惦佗拼瑚弭埔加1薹：!耋懈|耋眦姗槲M嘶㈨ 图2一l塔体豹风格划分Fig．2-1Themesh班dofthespraydryer2．1．2对旋转喷口附近及热风进口附近的网格精细化由于塔的总体尺寸数量级是米，而旋转雾化器的喷口仅是毫米级，如果采用毫米级的网格，网格的生成将会占用非常大的内存，对于全塔而言，这样精细的尺寸用在雾滴的后续干燥阶段的模拟显得太过浪费，并且有可能造成解的不收敛；雾滴从旋转喷口喷出的起初几秒是雾化和干燥的主要过程，这个过程的变化非常强烈，而且热风的进口也在喷口上方。因此对于此区域划分精细化的网格非常重要。图2．2喷口区域的精细化网格Fig．2-1Theelaborategriddi．gofthespoutal"ea物料从喷口处水平喷射，并在喷出不远处完成雾化过程，生成小雾滴，其中大部分8 雾滴在经过破碎、碰撞、聚合等动量分散过程以后，速度下降得很快。因此加密此处的网格结点，此区域的精细化网格如图2-2所示，此区域内的网格精度足够用于雾滴的分散、破碎、碰撞等模拟。由于使用了三角形网格，在塔的锥体部分的网格不会像四边形网格那样致密。出口处的网格结构如图2．3所示：图2—3出口处的精细网格Fig．2—1Theelaborategnddingoftheoutarea2．1．3网格质量的检查经过上述简化和精细化的网格结构需要经过检查以确定其划分质量是否符合计算要求。网格质量本身与具体问题的具体几何特性、流动特性及流场求解算法有关，所以，网格的质量实际上最终要由计算结果来评判。但是根据结果来修正网格会带来漫长的工程计算周期，而误差分析以及经验表明，CFD计算对于不同的计算网格有一些一般性的要求，例如结构化网格的光滑性、正交性、网格单元的正则性等，在满足这些要求下的网格才具有真正计算上的意义；同时，对不同的流体工况还需要在流动变化剧烈的区域分布足够多的网格点，这需要对网格定性进行总体考察。根据网格划分理论，对于三角形非结构化网格的划分质量检查，考察以下几个方面：最小雅克比数是否为正值、纵横比是否小于5、网格的等角倾斜率与等尺寸倾斜率的分布等参数。通过检查，得到网格的最小雅克比数(即最小面积数)为O．0005m2>O；99％的网格纵横l：L(aspectratio)都分布在1-1．12之问，aspectratio。。<4；99％的网格等角倾斜率(equi—angle—skewness)分布在0-4)．28之间，cqui—angle—skewnessmax