细长颗粒(叶丝)流化运动的数值模拟及实验研究

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气流干燥作为一种连续式高效固体流态化的干燥方法,在烟草加工行业运用相当普遍。深入研究气流干燥原理及其在烟草加工中的应用技术,对于优化工艺参数、改进和开发烟草干燥设备以及充分发挥气流干燥加工技术的优势进而提高卷烟产品质量具有重要意义。 细长颗粒两相流是多相流理论研究中的难题,研究它具有重要的学术价值,同时该流动还具有广泛的应用背景。目前含细长颗粒的气固两相流在实际生产过程中非常普遍,但是相关理论还很不成熟,因此对细长颗粒的研究十分必要。 本文针对叶丝这种细长颗粒的特殊形状特征,根据欧拉一拉格朗日方法建立了细长颗粒在流场中的流化运动模型,模拟研究细长颗粒的流化运动特性,便于进一步地利用数值模拟方法全面地研究叶丝的气流干燥规律,更重要的是为解决叶丝干燥过程中出现的各种问题打下坚实的基础。 为了验证数值模拟结果的正确性,本文还设计、安装、调试了一座冷态实验台。该实验台结构合理、工作正常,能够清晰观察内部叶丝的运动和分布情况,不仅在一定程度上模拟了实际生产情况,而且实验工况可调,操作简单,参数测量容易、快速、准确。通过实验研究了叶丝在气流干燥过程中叶丝结团的原因。 本文还利用欧拉模型模拟了叶丝在实验装置内的运动情况,进一步研究叶丝在气流干燥过程中结团的原因。在模拟及实验的基础上本文提出了解决叶丝结团问题的几个可行性策略。 本文主要取得了以下几方面成果: 1、建立了含细长颗粒气固两相流的欧拉一拉格朗日模型。该模型通过将细长颗粒也划分网格,利用刚体动力学和运动学的相关原理建立起来的。模拟计算结果表明该模型能够更加真实的反映细长颗粒在流场中的运动情况。 2、揭示了细长颗粒在流化过程中取向分布规律及其影响因素。本文研究发现细长颗粒在流化过程75°-90°的倾角(细长颗粒与水平面的夹角)明显占优,说明竖直状态是细长颗粒流化过程的稳定状态。 3、利用实验和数值模拟相结合的方法发现了叶丝在气流干燥过程中湿团产生的原因和主要区域。本文发现叶丝进口的结构和干燥管主体部分的形状是造成叶丝结团的主要原因。在叶丝进口由于有气流的阻碍叶丝不能流畅的进入干燥管,大量叶丝积压在进口容易造成结团,同时也形成了间歇式的进料现象,造成流量不均匀;同时方形干燥管的四个角落气流流速低叶丝不能很快的被带出干燥管,容易出现结团和回流,影响干燥均匀性,降低产品质量。 4、通过对装置进行适当改造,消除了出口的小湿团现象;出口叶丝结团现象得以避免,松散性得到较大提高;流量均匀性得到提高,消除了叶丝进口间歇性加料现象;出口水份均匀性得到一定程度的提高。
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