气固两相流喷沙装置的加热结构优化设计与热场分析

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埋沙治疗作为我国一种传统的民族疗法,在新疆吐鲁番地区有着悠久的历史和大量的医学研究。该疗法对于各种慢性疾病有着显著的效果,如:关节炎、腰腿疼痛等,因此吸引了大量有需求的患者和旅游人士前去治疗与体验。埋沙治疗最初是在吐鲁番地区天然沙疗场所进行的,因为吐鲁番地区的沙粒所含的矿物质和微量元素相对较高,且夏季白天光照时间长,气候干燥少雨,沙粒的温度相对恒定,但由于受场地、季节和环境等诸多因素的影响,只能在5~8月份才会面向大众开放。而后衍生出了通过室内四季沙疗室模仿天然沙疗场所进行治疗的方法,虽然解决了因季节和地域等因素的限制,但是加大了建造成本的投入,且具有不便捷和不能移动的局限性。因此设计一种将沙疗同中医针灸相结合的喷沙医疗康复装置就显得尤其重要,既能便于治疗、又能不受气候、地域和时间等外在因素的影响。该装置利用空压机将沙罐里的沙粒压到特定管道内,沙粒流经内部具有恒温热源的管道,使沙粒均匀受热后,通过装置末端的喷嘴调节系统,将沙粒以适中的力度、一定的温度和均匀的出沙量喷射到人体相应的部位,喷出的沙粒带有热量,能使局部组织血管扩张,血液和淋巴的循环增强,从而缓解疼痛和达到康复的效果。该喷沙装置相对室内四季沙疗室所占面积小、自由灵活,能够打破只能在特定地方进行治疗的局限性。本文主要以气固两相流喷沙装置中的加热系统为研究对象,加热系统主要由外部管道和内热源组成,利用传热学和流体动力学的原理,采用数值模拟的方法对加热系统内沙粒受热效果进行研究,分析不同热源结构、工作压力和颗粒直径对流域内沙粒传热效率的影响。目的:得到最佳加热结构、进口工作压力、合适的颗粒直径和出沙量,确定出加热系统的最优方案,为具体实验提供依据和数据支持。首先,设计四种不同热源形状的三维物理模型,利用Fluent软件,对装置内部流域采用DO辐射模型、Boussinesq假设和标准k-ε方程,将加热系统中的气固耦合问题通过有限体积法进行计算。分别模拟出每种热源形状的温度场变化情况。结果表明:内部热源形状为实心圆柱时,颗粒的受热相对均匀,管道内进出沙量占比高。其次,在确定好内部热源形状后,通过改变0.2MPa~0.6MPa之间的5种工作压力来对沙粒受热进行研究,发现沙粒在工作压力为0.2MPa时在管道内部的受热温度最好。在内部热源形状(实心圆柱)和工作压力(0.2MPa)都确定好的情况下,通过设置3种不同颗粒直径:1.5mm、2mm和2.5mm来对沙粒受热进行研究,根据模拟结果的对比,发现当颗粒直径为2mm时,沙粒的受热效果最好,符合所要求的温度范围。最后,在内部热源形状(实心圆柱)、工作压力(0.2MPa)和颗粒直径(2mm)都确定好的情况下,在内热源形状为实心圆柱的基础上,对加热系统进行了四种模型的优化设计,通过对模型的温度场、速度场、颗粒运动轨迹、出沙量和能耗对比以及考虑到沙粒在流出加热系统的热量损失,最终选定了内热源为五个实心圆柱的结构作为数值模拟的最优方案,为今后具体的实验提供了可靠的理论依据和数据支持。
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