煙絲流態(tài)化加工過程氣固流動特性的數(shù)值模擬與試驗研究.pdf

1、在煙草行業(yè)，煙草物料的流態(tài)化加工廣泛存在于打葉去梗、氣流干燥、煙絲膨脹、松散冷卻、風(fēng)選除雜、氣力送絲等操作單元，而煙絲作為細(xì)長絲狀顆粒的代表，其本身的運動特性較球型顆粒復(fù)雜。在兩相或多相流的流態(tài)化過程中，細(xì)長的柔性絲狀顆粒又極大地增加兩相流動的復(fù)雜性，由于連續(xù)流體與顆粒相互作用、顆粒與顆粒相互影響，該類顆粒流態(tài)化特性涉及材料力學(xué)、流體力學(xué)、流變學(xué)、多剛體系統(tǒng)、湍流理論等多個方面。目前，對該類煙絲顆粒流態(tài)化加工中的氣固流動特性研究還不完善

2、，同時工業(yè)流態(tài)化加工中也存在煙絲團(tuán)聚、造碎、干燥質(zhì)量不均勻等問題。因此，開展煙絲流態(tài)化加工過程中流動特性研究，對于煙草流態(tài)化加工工藝的優(yōu)化調(diào)控、提高煙草在制品加工質(zhì)量穩(wěn)定性具有重要意義。
　　近年來以計算流體力學(xué)為基礎(chǔ)的氣固兩相流模擬取得了較大的進(jìn)步，但對于以煙絲為代表的細(xì)長柔性絲狀顆粒多是基于球型顆粒的假設(shè)，與煙絲的真實形態(tài)相差甚遠(yuǎn)，很難較為真實的展現(xiàn)出煙絲的流動特性。因此本文對煙絲物理屬性及運動特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析，構(gòu)建出了柔

3、性絲狀顆粒模型，將其與開源的流體力學(xué)軟件OpenFOAM耦合，實現(xiàn)CPU-GPU并行模擬計算程序。同時用其對柔性絲狀顆粒的流化特性進(jìn)行了數(shù)值模擬與實驗驗證。此外，針對工業(yè)級氣流干燥器干燥過程中的水分不均一、煙絲結(jié)團(tuán)等問題，采用開源的流體力學(xué)軟件與固相顆粒的高性能大規(guī)模超級計算相結(jié)合,對煙草加工過程中的工業(yè)級流態(tài)化氣流干燥設(shè)備進(jìn)行了全三維的數(shù)值模擬，并對干燥器進(jìn)出料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。本課題得到以下結(jié)論：
　　(1)針對煙絲顆粒運動

4、特性，構(gòu)建了柔性絲狀顆粒模型，將其與開源的流體力學(xué)軟件OpenFOAM耦合，實現(xiàn)CPU-GPU并行模擬計算程序。用其對柔性絲狀顆粒在流化床中運動特性進(jìn)行全三維的數(shù)值模擬，展現(xiàn)了柔性絲狀顆粒流化過程中的擾動、纏繞、團(tuán)聚等運動特性，發(fā)現(xiàn)并揭示了流化過程中柔性絲狀顆粒的一些分布規(guī)律。模擬結(jié)果與實驗的結(jié)果相符合。從而證明了構(gòu)建的柔性絲狀顆粒模型的可行性，以及在對細(xì)長柔性絲狀顆粒氣固兩相流模擬的適用性和可靠性。
　　(2)通過CPU-GPU

5、并行計算程序，模擬研究了煙絲在不同操作氣速、加料速率條件下流化過程中的運動特征。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)柔性絲狀顆粒在流化狀態(tài)下明顯的存在取向分布，柔性絲狀顆粒的中心與縱軸線夾角在10°~25°之間明顯占優(yōu)，這說明在流態(tài)化下柔性絲狀顆粒更傾向于豎直的狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定平衡。這一結(jié)果與實驗符合很好。
　　(3)針對工業(yè)級煙草CTD氣流干燥器，利用超算集群平臺結(jié)合OpenFOAM軟件，對氣流干燥器中的氣相流場分布特征、顆粒在干燥塔內(nèi)的空間分布以及

6、顆粒停留時間分布進(jìn)行全三維的數(shù)值模擬。結(jié)果表明：不帶導(dǎo)流板的CTD干燥設(shè)備在主體干燥區(qū)域內(nèi)存在顆粒分布不均勻，出口偏料行為。帶導(dǎo)流結(jié)構(gòu)可以很好改善顆粒在干燥主體區(qū)域內(nèi)的徑向分布，同時帶導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)顆粒停留時間也更為均一。
　　(4)通過數(shù)值模擬分析，研究工業(yè) CTD氣流干燥器中導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)對氣固流動結(jié)構(gòu)的影響。利用超算集群平臺結(jié)合開源的流體力學(xué)數(shù)值模擬軟件對工業(yè)級CTD氣流干燥器進(jìn)料口內(nèi)添加不同弧形導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)進(jìn)行全三維的數(shù)值模擬，結(jié)

7、果表明：所設(shè)定的A、B、C、D四種導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)中，不同的導(dǎo)流板都能改善對顆粒在主干燥區(qū)域的徑向分布，對顆粒分布均勻性改善效果為D;C;B;A;O，對顆粒停留時間均一性改善效果為D;C;B;A;O。
　　(5)針對卷煙廠工業(yè) CTD氣流干燥器目前存在的出料口偏料問題，模擬優(yōu)化了干燥器出料口結(jié)構(gòu)。通過將工業(yè)CTD氣流干燥器出料口偏料側(cè)壁修改為以最速曲線為基礎(chǔ)的曲面結(jié)構(gòu)，對此曲面結(jié)構(gòu)的干燥器進(jìn)行了氣固全三維的數(shù)值模擬，結(jié)果表明：以最速曲線