沖擊式氣流噴霧霧化機理及干燥過程數(shù)值模擬的研究.pdf

1、沖擊式氣流噴霧干燥是生產(chǎn)粉狀干燥產(chǎn)品的一種重要干燥方式，在食品、制藥、化工等行業(yè)具有廣泛應用。沖擊式氣流噴霧干燥過程復雜，塔內(nèi)情況難以觀察。研究物料的霧化機理、液滴與干燥介質(zhì)之間的傳熱傳質(zhì)、顆粒的運動軌跡和干燥氣體的流動模式可為制定科學的生產(chǎn)方案，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)提供理論依據(jù)。本文基于流體力學和數(shù)值傳熱學理論，對沖擊式氣流噴霧的霧化機理及干燥過程進行了較為深入的研究。 考慮液膜厚度變化對液膜表面不穩(wěn)定擾動的影響，推導了液膜表面非軸對

2、稱不穩(wěn)定擾動的色散方程。分析了液體粘性、液體表面張力、氣液密度比和液膜速度對液膜表面不穩(wěn)定性的影響，并將模擬結(jié)果跟未考慮液膜厚度變化時的模擬結(jié)果進行對比。結(jié)果表明，考慮液膜厚度變化時所求出的表面波的最大增長率均小于未考慮液膜厚度變化時的最大增長率，這說明液膜厚度的變薄對射流的霧化具有穩(wěn)定性作用。 綜合考慮氣體曳力及液膜表面不穩(wěn)定擾動在沖擊式氣流霧化過程中的作用，將液膜的破碎分成液環(huán)的形成、液環(huán)的擴張和液環(huán)的破碎三個階段，提出了一

3、種新的沖擊式氣流噴霧的初始霧化模式。首先根據(jù)氣體曳力對液膜的切向作用，分析液環(huán)脫落之前的受力情況，建立了液環(huán)受力平衡方程，得出液膜斷裂形成液環(huán)的半徑和厚度；然后根據(jù)氣體曳力對液環(huán)的徑向擴張作用，建立了液環(huán)厚度隨時間變化的關(guān)系式；隨后基于對厚度不斷變薄的液環(huán)表面不穩(wěn)定性分析，求得液環(huán)破碎形成液滴的直徑；最終建立了沖擊式氣流噴嘴的初始霧化模型。 分別采用新建的初始霧化模型和通用的初始霧化模型(LISA模型)分析氣液相對速度、氣液質(zhì)量

4、比、液體粘性等對液滴直徑的影響，并將模擬結(jié)果和實驗結(jié)果進行對比。結(jié)果表明，當氣體速度較低或液體粘性較小時，新建霧化模型和通用霧化模型的模擬精確度相近；當氣體速度較高或液體粘度較大時，新模型的預測結(jié)果較準確。 詳細分析液滴內(nèi)部溶劑濃度與液滴比熱、液滴表面飽和蒸汽壓、溶劑擴散系數(shù)之間的耦合關(guān)系，建立了同時考慮液滴內(nèi)部溫度梯度變化及濃度梯度變化的單液滴蒸發(fā)模型。針對液滴蒸發(fā)過程中的動邊界問題，基于網(wǎng)格重構(gòu)技術(shù)設(shè)計了液滴蒸發(fā)過程的數(shù)值計

5、算流程，并通過Matlab軟件實現(xiàn)了數(shù)值模擬結(jié)果的可視化。采用新建模型分析氣體速度、氣體溫度、初始滴徑及溶液濃度對液滴干燥速度的影響，數(shù)值模擬結(jié)果和試驗結(jié)果比較吻合。該模型能夠較準確地反映液滴蒸發(fā)過程中內(nèi)部溫度及濃度梯度變化隨時間的變化關(guān)系，體現(xiàn)液滴蒸發(fā)過程中的結(jié)殼現(xiàn)象。將液滴碰撞后的結(jié)果分為反彈、聚合、反射分離和摩擦分離四種情況，討論了液滴產(chǎn)生四種碰撞結(jié)果的條件判別式。針對液滴發(fā)生摩擦分離碰撞和反射分離碰撞過程中液滴發(fā)生破碎的現(xiàn)象，基

6、于液滴碰撞過程中的質(zhì)量、動量、能量守恒，建立了液滴發(fā)生摩擦分離破碎和反射分離破碎后產(chǎn)生子液滴數(shù)目的表達式，并用該表達式對不同碰撞參數(shù)下大小相等液滴發(fā)生摩擦分離破碎和反射分離破碎的結(jié)果進行分析。結(jié)果表明，液滴發(fā)生摩擦分離碰撞的情況下，碰撞參數(shù)在0.5至0.7之間時產(chǎn)生的子液滴數(shù)目最多；液滴發(fā)生反射分離碰撞的情況下，碰撞參數(shù)為零時產(chǎn)生的子液滴數(shù)目最多。 基于氣液兩相耦合，建立了一個包含反彈、聚合、反射分離和摩擦分離四種碰撞結(jié)果的沖擊