ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАКРУЧЕННЫХ ТЕЧЕНИЙ В КАМЕРЕ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ

СУШИЛКИ

Аннотация

Работа посвящена исследованию процессов, происходящих в низкотемпературной распылительной сушке [2]. Расчет трехмерного движения теплоносителя осуществлен в программной среде пакета STAR-CCM+ [3]. Турбулентное течение описывается стационарными уравнениями Рейнольдса, замыкаемыми двухпараметрической моделью турбулентности. Инерционные частицы дисперсной фазы вводятся в поток теплоносителя с нулевой начальной скоростью, движение каждой из них описывается уравнениями динамики с учетом аэродинамических сил. Варьировалась степень закрутки потока при заданном расходе теплоносителя, а также месторасположение точек ввода частиц в поток. Увеличение степени закрутки потока теплоносителя приводит к увеличению градиентов параметров потока в камере. Обнаружена область точек ввода дисперсной фазы в поток, для которой время пребывания частиц в камере может меняться немонотонно при изменении степени закрутки потока теплоносителя.

Введение

Для интенсификации процессов тепломассообмена при низкотемпературной распылительной сушке используются сушильные аппараты с закрученными потоками, например [1-2]. Сушка дисперсной фазы в таких аппаратах происходит на фоне сложных трехмерных движений теплоносителя, поэтому изучение гидродинамики соответствующих закрученных газовых потоков является актуальной задачей, как для выяснения механизмов низкотемпературной сушки, так и для решения вопросов оптимизации конструкции сушильной камеры и смежных элементов сушилки.

Модели и условия проведения вычислительного эксперимента

Основным узлом макета сушильной установки [2] является цилиндрическая камера с распределенной подачей теплоносителя через проницаемую обечайку, образованную равномерной системой тонких наклонных пластин, и отводом газовзвеси через осевой канал на одной из торцевых стенок (Рис.1). Теплоноситель – воздух при комнатной температуре, в качестве примеси взяты сферические частицы модельной жидкости.

Рис.1. Эскиз сушильной камеры аппарата [2].

На первой стадии вычислительного эксперимента исследуется газодинамическая составляющая задачи – трехмерное однофазное течение теплоносителя в стационарной постановке на базе уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу (RANS). В качестве замыкающей модели турбулентности была взята двухпараметрическая модель . Предполагалось, что расход воздуха через обечайку задан, а система направляющих пластин обеспечивает заданный угол входа потока в камеру. Это позволяет задать граничные условия на внутренней стороне обечайки в виде фиксированных значений нормальной и тангенциальной составляющих скорости, что обеспечивает закрутку потока воздуха в камере с постоянным массовым расходом , что соответствует нормальной скорости на обечайке, равной . На выходе из расчетной области заданы «мягкие» граничные условия (нулевые градиенты по нормали по всем переменным) Остальные границы, ограничивающие область - боковые стенки барабана и боковая поверхность отводного канала – представляли непроницаемую стенку с отсутствием скольжения.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Была произведена серия расчетов при постоянном массовом расходе с вариацией угла закрутки потока с шагом .

Внедрение пробных частиц было 2-ой стадией расчета, после получения установившегося газодинамического поля несущей фазы. Рассматривалась упрощенная математическая модель примеси – частицы двигались в потоке под действием сил аэродинамического сопротивления и тяжести, не испытывая деформации. Так же математическая модель не учитывала обратное влияние примеси на поток теплоносителя и ее тепломассобмен с данной фазой, что обосновывается малой концентрацией диспергирующих частиц. Вводились в поток одиночные частицы с плотностью и диаметром с нулевой начальной скоростью. Точки ввода частиц варьировалась вдоль линии ввода (Рис. 1).

Результаты

Расчет был произведен на сетке многогранного типа [4] количеством 343000 тыс. ячеек, с невязками по всем переменным, входящим в решаемые уравнения, менее . В запатентованной сушильной установке угол наклона пластин равен , поэтому в данной работе приведены результаты газодинамического расчета для соответствующего угла наклона пластин виртуального макета.

Из полученного решения, которое носит осесимметричный характер, Рис.2, приведены графики изменения модуля скорости, Рис.3, и полного давления, Рис.4, вдоль радиуса в плоскости меридионального сечения посередине барабана сушилки и некоторые гидравлические характеристики установки: коэффициент потерь момента количества движения и коэффициент гидравлических потерь в барабане установки

Внедрение в поток частиц дало представление о характере движения пробных частиц и его изменениях в зависимости от точки ввода частиц в поток, а так же дало возможность получить зависимость времени пребывания отдельно-взятой частицы, пускаемой из одной из стационарных точек ввода, от изменения степени закрутки потока теплоносителя (отношение тангенциальной скорости к радиальной); в частности расчетами было выявлено, что для некоторых точек ввода частиц время пребывания частиц в установке меняется немонотонно в зависимости от степени закрутки потока (линия ввода частиц при z=1 м), Рис. 5.

Рис. 2. Скалярное поле скорости в меридиональном сечении посередине барабана сушилки.

Рис. 3. Изменение модуля скорости вдоль радиуса барабана сушилки в меридиональном сечении посередине барабана.

Рис. 4. Изменение полного давления вдоль радиуса барабана сушилки в меридианном сечении посередине барабана.

Рис.5. Зависимость времени пребывания частицы в сушильной установке от степени закрутки потока.

Заключение

Сформирован виртуальный макет сушильной установки, рассчитаны трехмерные газодинамические поля несущей фазы при различных углах закрутки потока. Построены спиралевидные траектории модельных инерционных частиц в зависимости от места их ввода и параметров несущей фазы. Численными расчетами выявлена область внесения дисперсной фазы в поток, для которой время пребывания частиц в камере меняется немонотонно в зависимости от степени начальной закрутки потока теплоносителя.

Работа выполнена под руководством . Автор выражает благодарность коллегам из лаб. 107 и за помощь при подготовке расчетов.

Список использованных источников

1.  Патент N 2055280. Способ распылительной сушки материалов и распылительная сушилка –М.: Роспатент, 1996. (авторы: , , )

2.  Патент № 000. Сушильная установка для получения порошков из жидких продуктов и способ сушки жидких продуктов. –М.: Роспатент, 2004. (автор: )

3.  Методология Star-CCM+ v. 5.06, 2010 г.

4.  Ferziger, J. H. and Peric, M., Computational Methods for Fluid Dynamics, 2nd ed., Springer-Verlag (2001).