振动流化床内温度场和流场的数值模拟

振动流化床内温度场和流场的数值模拟
振动流化床内温度场和流场的数值模拟

硕士学位论文开题报告及论文工作计划书

课题名称振动流化床内温度场和流场的数值模拟

学号1000614

姓名张

专业机械设计及理论

学院机械工程与自动化

导师张

选题时间2011 年09 月01 日

东北大学研究生院

2011年10月20日

填表说明

1、本表一、二、三、四、五项在导师指导下如实填写。

2、学生在通过开题后一周内将该材料交到所在学院、研究所。

3、学生入学后第三学期应完成论文开题报告,按有关规定,没有完成开题报告的学生不能申请论文答辩。

一、立论依据

课题来源、选题依据和背景情况、课题研究目的、理论意义和实际应用价值

(一)课题来源和背景情况

通常人们把热物理方法去湿的过程称为“干燥”,其特征是采用加热、陷湿、减压或其他能量传递的方式使物料中的湿分产生挥发、冷凝、升华等相交过程与物体分离以达到去湿目的。由于干燥的产品便于加工、运输、贮存和使用,干燥在国民经济的各部门有着广泛的应用。化学工业的产品如肥料、染料、无机盐到医药工业、粮食、食品、饲料的生产过程均离不开干燥,产品经过干燥以后具有良好的扩散性、均性。正确地完成干燥过程有利于保证和改进产品的质量,同时对提高生产效率,促进国民经济的发展有十分重要的作用。现代干燥技术在国民生产中应用的程度与一个国家的综合国力和国民生活质量的水平密切相关,从某种意义上说,它标志着这个国家国民经济和社会文明的发展程度。现在中国的经济处于飞速的发展期,各行业也处于发展的转型期,干燥设备制造业也亟需进行改进和优化,以便适应大环境的发展。

传统的工业生产普遍采用的干燥技术主要有:厢式干燥、隧道干燥、转筒干燥、转鼓干燥、带式干燥、盘式连续干燥、卧式桨叶式干燥、流化床干燥、改型流化床干燥、喷动床干燥、喷雾干燥、气流干燥、真空冷冻干燥、太阳能干燥、微波和高频干燥、红外热辐射干燥等。此外在各个行业,例如谷物、水果和蔬菜、木材、茶叶、乳品、中药材等行业也有适合自身特点的专有干燥技术。这些传统的干燥技术发展历史较长、成熟可取,在我国以及世界已经得到广泛的应用。近些年来,国际上涌现出一批新型的干燥技术,作为代表的有:脉冲燃烧干燥、对撞流干燥、冲击穿透干燥、声波场干燥、超临界流体干操、过热蒸汽干操、接触吸附干燥等等。这些新技术相对于传统干燥技术在机理上有一定的突破,但在工业化应用方面仍有待于完善。

流化床干燥是现代干燥技术的一种,是60年代发展起来的一种干燥技术,目前在化工、轻工、医药、食品以及建材等方面都得到了广泛的应用。由于干燥过程中固体颗粒悬浮在干

燥介质中,因而流体与固体接触面较大,热容量系数可达8000~25000

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燥器总体积计算),又由于物料剧烈搅动,大大减小了气膜阻力,因而热效率较高,可达60%~80%(干燥结合水时为30%~40%)。流化床干燥装置密封性能好,传动机械又不接触物料,因而不会有杂质混入,这对要求纯度高的制药工业来说也是十分重要。

目前国内的流化床干燥装置,从其类型上看分为单层、多层(2~5),卧式和喷雾式流化床、喷动流化床等。从被干燥的物料来看,大多数的产品为粉状(如氨基匹林、乌洛托品等),颗粒状(如各种片剂、谷物等),晶状(如氯化铵、涤纶、硫氨等)。被干燥的湿含量一般为10%~30%,物料的颗粒度在120目以内。单层流化床可分为连续、间歇两种操作方法。连续操作多应用于比较容易干燥的产品,或干燥程度要求不很严格的产品。多层流化床干燥装置与单层相比,再相同的条件下,设备体积小,产品干燥程度较为均匀,产品质量也较好控制。多层床因气体分布板数增多,床层阻力也相应的增加。多层床热利用率高,所以它适用于降速阶段的物料干燥。

普通的流化床干燥机在干燥颗粒时,可能会存在下述问题:当颗粒粒度较小时易形成沟流或死区;颗粒分布范围大时夹带会相当的严重;由于颗粒的返混,物料在机内滞留时间不同,干燥后的颗粒含湿量不均;物料湿度稍大时会产生团聚和结块现象,而使流化恶化等。为了克服上述问题,出现了数种改型的流化床,其中振动流化床就是一种较为成功的改型流化床。

振动流化床就是将机械振动施加于流化床上。调整振动参数,使返混严重的普通流化床,在连续操作时能得到较为理想的活塞流。同时由于振动的导入,普通流化床的上述问题会得到相当大的改善。工业中常见的流化床分为对流式、传导式和辐射式。振动流化床有如下特点:

(1)由于施加振动,可使最小的流化气速降低,因而可显著的降低空气需要量,进而降低粉尘夹带,配套热源、风机、旋风分离器等也可相应的缩小规格,成套设备造价

会较大幅度下降,节能效果显著。

(2)可方便地依靠调整参数来改变物料在机内的滞留时间。其活塞流式的运行降低了对物料粒度均匀性及规则性的要求,易于获得均匀的干燥产品。

(3)振动有助于物料的分散,如选择合适振动参数,对普通流化床易团聚或产生沟流的物料有可能顺利流化干燥。

(4)由于无激烈的返混,气流速度较普通的流化床较低,对物料粒子的损伤小。干燥易损伤物料,在干燥过程中要求不破坏晶形或对粒子表面光亮度有要求的物料最为合

适。

(5)由于施加振动,会产生噪声。同时,机器个别零件的寿命短于其他类型干燥机。

自60年代以来,原苏联学者就发表了对振动流化床的报导,此后东欧、加拿大等国学者作了大量的探索[2]。但在理论研究方面则于1986年在上海召开的全国第二次干燥技术交

流会开始,国内才陆续有振动流化床研究的论文发表。铁岭精工(集团)股份有限公司率先于1983年建起了我国第一套用于实验目的的小型实验装置,并随后开发了系列工业用振动流化床干燥机。几所高等院校及科研单位,如天津轻工业学院、上海化工研究院、中国农业大学等,也分别安装了形式各异的试验装置,对振动流化床的各种参数及其对干燥速率的影响进行了实验研究。

(二)课题研究的目的

虽然振动流化床干燥机应用领域很广泛,但是其传热传质的过程是十分复杂的。很多技术还缺乏能够准确指导实践的科学理论和设计方法,实际应用中依靠经验和小规模试验的数据来指导还是主要方式,有关其干燥过程的原理及其加工的工艺参数对产品质量影响的研究还有待于进一步深入。本课题主要是针对振动流化床干燥机进行温度场和流场的数值模拟,是干燥机优化内部结构和运行参数,提高热效率,节约能源,降低成本的重要依据。本课题从工程应用的角度出发,综合以往的数值模拟方法和优势,运用FLUENT分析软件对振动流化床干燥机进行温度场和流场的数值模拟,进而分析最优的操作参数,可以在保证较高的干燥质量的前提下,更少的消耗能量,这无疑在能源紧张的今天具有重大的现实意义。同时,也可以更详细更全面的进行各部分的传热传质的研究,为以后振动流化床干燥机的发展提供一种可行的依据。

(三)选题依据﹑理论意义和实际应用价值

干燥机的主要特性:①干燥机对干燥物料的适应能力(是否能达到物料要求的干燥程度、干燥产品的均匀程度)、生产能力是否符合要求。②干燥机对产品的质量有无损伤(保持晶体形状、色泽、分解、变性、龟裂等)。③干燥装置热效率、投资费、操作费及环境保护等。④操作连续性、安全性、可靠性等。

振动流化床干燥机作为干燥机的一种,也具有以上的主要特性。目前对振动流化床的研究在流体力学、传热、传质方面已有了大量的报导,但对机械结构、刚度和强度方面的研究仍不充分,此外对该机型的模拟放大问题仍主要是根据经验和小型的实验设备,理论研究比较滞后。

本课题是应用有限元软件对振动流化床干燥机在干燥物料时的温度场和流场进行模拟,主要用到传热学和流体力学领域的相关知识。有限元法拥有高的计算精度、较强的适应性、并且计算格式规范统一,这些优点都可以使得有限元计算结果成为各类工业产品设计和性能

评估的可靠依据。同时有限元分析的方法已经成为工程设计中不可缺少的一种重要方法,在大型结构应力应变分析、稳定性分析、传热分析、电磁场分析、流场分析等领域也有了广泛的应用。这种技术所作的研究,可以用来分析最优的操作参数,可以保证在得到较好的干燥质量的情况下,减少能量的浪费。此外,可以对振动流化床干燥机进行更加全面的传质传热研究,而所有这一切都对我国干燥行业的发展有着很重要的现实意义。

二、文献综述

国内外研究现状、发展动态;所阅文献的查阅范围及手段

国内外研究现状、发展动态

在干燥领城,80%以上的科技和工程文献都是最近20年内出现的,最值得指出的是这种发展是在全世界范围内的共同发展[1]。事实上,过去十年来,西方国家和日本在干燥技术研究和发展方面放缓,北美的干燥研发活动也逐年下降;而南美,特别是巴西,干燥研发活动明显上升。与此同时有关干燥节能降耗的研究论文也较少,每年在5篇以内,可见这方面仍是一个薄弱环节。目前每年有250多个有关干燥的项目在美国专利局获得专利,近100个在欧盟专利局获得专利,这些数字都是工业界的注意力转向干燥技术开发的一个很好的证明。而其他一些曾被学术界给予更多关注的单元操作,如吸收、结晶、膜分离等,其获得的专利数目则低得多。

流化床是60年代发展起来的一种干燥技术,目前在化工、轻工、医药、食品、以及建材工业都得到了广泛的应用。振动流化床作为成功改型的流化床,近30年内在干燥领域得到迅速推广【1】。振动流化床解决了在传统流化床中不易流化﹑宽粒度分布和粘性团块状物料高效节能干燥的难题。有关振动流化床干燥的基础研究最早开始于前苏联和东欧国家,苏联学者A. C.金兹布尔格【2】对振动流化床的流体动力学和振动流化床的干燥过程中的传热传质进行了研究,提出了床层颗粒的运动机理,分析了振动参数对颗粒表面传热传质系数的影响。W. Kroll, V. Chlenov & N. Mikhailov【3,4】对振动流化床的流体力学和传递特性进行了开创性研究,并给出了振动流化床与水平底板间传热实验结果。1976年,英国科学家Gutman【5】首次提出了振动流化床粒子的跳跃高度的概念,建立了振动流化床与垂直放置的静止板面间的传热模型。

国内外很多学者对振动流化床的流体力学特性作了很多的研究,诸如气泡行为的研究,床层压降的研究,床层孔隙率和均匀性的研究,最小流速的研究等。同时国内外也出现了很多关于振动流化床对物料分离应用的研究,诸如不同粒子类型的分选,还有对纳米级或者超细颗粒的流化态影响的研究。

王亭杰等【6】研究振动流化床波在流化床中的传播,通过气泡扰运动,能够破碎床层中的气泡,形成良好的气固接触状态。骆振福【7】通过对振动流化床中气泡的受力分析,揭示了振动在气泡形成过程中对气泡破碎作用机理,同时给出流化床中气泡生成时间的计算关联式。振动流化床的床层压降主要通过实验和经验关联式获得。Yoshihide M, Noda K等【8,9】通过实验得到粘性细粉振动流化床时床层压降。Erdesz R, Gupta等【10,11】通过实验关联了振动流化床起始流化时床层压降的计算式。上世纪80年代以后,加拿大McGill大学的Mujumdar【12】

讨论了振动流化床中空气动力学和热传递特性,关联式,发现在气体速度低时,振动使床层压降增加,这是由于床层密度增加的缘故,但在气体速度较高时,压降则比固定床底。90年代后国内的学者叶世超【13】深入研究了振动流化床的床层压降,在理论上成功地解释了振动流化床压降降低的现象;从最小流化速度的原始定义和物理概念出发,建立了振动流化床最小的流化速度的数学表达式,为研究振动流化床的操作提供了分析的依据。Yoshihide M 等【14】通过Ergun公式对床层压降进行了预测,但是实验结果的实用性受到其实验条件的限制,具有很大的局限性。Yuji T等【15】采用离散单元方法(DNM)对振动流化床粒子运动进行了数值模拟,分析了床层压降随时间的变化规率。在颗粒的分选过程中,空隙率的分布直接影响分选效果。Erdeaz等【16】提出了流化床内气体可压缩模型,床层空隙率随振动激励做正弦波动。Pakowski Z等【17】研究了两种物料(PVC, SIO)情况下气流对空隙率的影响,综合考虑了影响空隙率的各因素。普通的最小流化速度可以从压降—气速曲线的两条直线的截交点就可以很好地估计出来,但是由于振动流化床的最小流化速度转折在很宽的气速范围内,因此按传统的定义来估计振动流化床的最小的流化速度是不合适的。Pakowaki Z, Gupta Rahul等【17,18】给出了最小流化速度的预测计算式和经验方程,但都未考虑颗粒间的吸引力,因此针对于黏性颗粒或物料有较大的出入。Yoshihide M 等【14】用Ergun方程来计算预测最小流化速度,A类颗粒的最小流化速度计算值与实验值非常的吻合,而C类颗粒则因为团聚现象有很大的出入。俞厚忠【19】通过研究分析提出了振动流化床的起始流化速度的关联式。靳海波等【20,21】依据大量的实验数据给出起始流化速度的关联式。

Joy A S等【22】设计研究了振动流化床分选装置,该装置倾斜安装,尺寸长度为381mm,宽为127mm,用于分选具有不同密度的矿物。董丽萍等【23】在矩形有机玻璃的振动流化床中,对小米和钛精矿双组分体系进行颗粒的混合分离实验。张济宇等【24】利用振动流化床分离工业焦渣废弃物,分离后的焦炭产品中的含渣量及渣中的含焦炭量均小于5%。

以上所述的国内外的研究大都依据现有的实验条件观察实验现象,进而根据实验数据进行分析,最后获得相应的关联式或者经验公式。而这种研究方法首先是研究的周期长,需要建立实验平台,然后借助于相关的仪器进行测量,最后进行分析,对于一般的企业和机构来说这部分是很难实现的。其次,即使能够拥有足够的实验条件,在研究时也很难做到全面的考虑各种条件的影响和研究条件变化时的流化床各个参数的变化。而现代计算流体技术的发展恰恰解决了这些问题。

早在2003年,清华大学就有研究生做了含湿煤灰颗粒气流干燥过程的数值模拟的研究【27】,

综合考虑了干燥管内气固两相间的传热和传质、气固两相温度和含湿量的变化,提出了一个描述含湿煤灰颗粒气流干燥过程的一维数学模型,并用Matlab中的Simulink仿真软件进行了数值求解。2005年,南京航空航天大学有研究生做了微波对流联合干燥特性的数值模拟【28】,着重考察了沿半径方向上物料含湿量、水蒸汽压力、温度等随干燥时间的变化关系。2006年,上海交通大学的研究生做了喷雾干燥烟气脱硫塔流场数值模拟【29】,采用湍流Κ-ε模型及随机轨道模型,运用通用的计算流体力学软件FLUENT进行脱硫塔内流场模拟。2007年,东南大学葛仕福副教授发表了多孔小颗粒对流干燥的数值模拟的论文【30】,采用全隐式有限差分法求解得到了模拟结果。以上可以看出,国内院校对干燥过程数值模拟的研究一直没有间断,而且研究方向越来越深入。但在理论研究方面我国与丹麦、加拿大、日本等国尚有一定差距。(二)所阅文献的查阅范围及手段

主要通过以下数据库查询相关资料并且阅读相关书籍

中文数据库:

中国科技期刊数据库1989-2010

中国学术期刊全文数据库1994-2010

万方数据库:中国科学技术成果库1986-2010

中国专利文献数据库1985-2010

中国学术会议论文数据库1989-2010

中国学位论文数据库1977-2010

中国优秀博硕士论文1999-2010

国家科技图书文献中心(中文)1980-2010

外文数据库:

美国《科学引文索引》(SCI)1975-2010

世界专利索引(DII)1963-2010

欧洲专利数据库(Esp@cenet)2000-2010

Current Contents Connect1998-2010

美国《工程索引》(EI COMPEN)1998-2010

主要参考文献:

【1】潘永康.现代干燥技术. 北京:化学工业出版社,1998.9.

【2】 A. C.金兹布尔格,高元奎译. 食品干燥原理与技术基础,北京:轻工业出版社,1986.

【3】W. Kroll. Forschung auf der Gebiets des Ingenieurwesan, 1954, 20, EdA 910: 2.

【4】V. Chlenov and N. Mikhailov, Vibrofluidized beds, Izdate’stvo, Mosco, 1972.

【5】R. G. Gutman. Vibrated Beds of Poeders: Part 1-A Theoretical Model for the Vibrated Bed, Trans. Instn.

Chem. Engrs, 1976, 54: 174-183.

【6】王亭杰,汪展文,等.振动波在流化床中的传播行为[J]. 化工学报,1996,47 (6):718-726.

【7】骆振福,陈清如,等. 振动流化床的形成机理[J]. 中国矿业大学学报,2000,29 (3):230-234. 【8】Yoshihide Mawatari et al.Favorable vibrated fluidization conditions for cohesive fine particles [J].

Power Technology, 2005, (154): 4-56.

【9】Noda K, Mawatari Y et al. Flow patterns of fine particles in a vibrated fluidized bed under atmospheric or reduced pressure [J]. Power Technology, 1998, (99), 11-14.

【10】Erdesx K, Rotmos Z. Bed expansion and pressure drop in vibro-fluidized layers [J]. Drying’84: 169-177.

【11】Gupta R, Mujumdra A S. Aero-gynamics of a vibrated fluidized bed [J]. Canadian Journal of Chemical Engineering, 1980, (58): 332-338.

【12】Y. K. Pan, Z. Y. Li, A. S. Mujumdar and T. Kudra. Drying of a Root Grop in Vibro-fluidizied Beds, Drying Technology, 1997, 15(1):215-223.

【13】叶世超.振动流化床水平换热管传热特性的研究,四川大学博士论文,2000.

【14】Yoshihide Mawatari, Y uji Tatemoto et a l. Prediction of minimum fluidization velocity for vibrated fluidized bed [J]. Powder Technology, 2003 (131):66-70.

【15】Yuji Tatemoto, Yoshihide Mawatari et al. Numerical simulation of particle motion in vibrated fluidized bed [J]. Chemical Engineering Science, 2004, (59): 437-447.

【16】Erdesz K, Mujundar A S et al. Numerical investigation of a phenomenological model for vibrated fluid beds for drying processes [J]. Drying Technology, 1989, 7(3): 487-502.

【17】Pakowki Z, Mujumdar A S et al. Theory and application of vibrated beds and vibrated fluid beds for drying processes [J]. Advances in Drying, 1993, (3): 245-306.

【18】Gupta Rahul, Leung Peter et al. Drying of granular materials in a vibrated fluidized bed [J]. Drying’ 80: 201-207.

【19】俞厚忠.振动流化床干燥器[J]. 化学世界,1984(5): 186-188.

【20】靳海波,张济宇等.振动流化床中双组分颗粒流化特性的研究[J]. 煤化工, 1998, 84(3): 25-29. 【21】靳海波,张济宇等. Geldartp’s A, B 和D类粒子振动流化床空气动力学的研究[J]. 燃料化学学报.

1998, 26(4), 196-289.

【22】Joy A S et al. Solid mixing kinetics and segregation in a vibrostabilized fluid bed [J]. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 1987, 65(8): 56-59.

【23】董丽萍,叶世超等. 振动流化床中颗粒的混合与分离[J]. 化工装备技术, 2005, 26(5): 8-11. 【24】张济宇,陆荣耀等. 工业焦渣废弃物振动流化床连续分离[J]. 中国颗粒学会首届年会论文集. 北京:1997, 461-466.

【25】Eccles E R A, Mujumdar A S. Bubble phenomenon in aerated vibrated beds of small particles. Drying Technology, 1997, 15: 95-116.

【26】Wang Y, Wang T J, Yang Y et al. Resonance characteristics of a vibrated fluidized bed with a high bed hold-up. Power Technology, 2002, 127: 196-202.

【27】梁栋,王智微,李定凯,吕子安. 含湿煤灰颗粒气流干燥过程的数值模拟. 热力发电,2004, 33(2). 【28】余莉,明晓,蒋彦龙.微波对流联合干燥特性的数值模拟. 重庆大学学报(自然科学版),2005. 【29】王雷,章明川,田凤国,谢广录. 运行参数对喷雾干燥烟气脱硫效率影响的数值模拟. 2005, 20(3), 263-269.

【30】葛仕福,郑荣和,施明恒.多孔颗粒对流干燥的数值模拟. 热科学与技术. 2008, 7(2), 105-107.

三、研究内容

1.研究构想与思路、主要研究内容及拟解决的关键技术

研究构想

从工程应用的角度出发,综合以往的数学模型的相关知识,对振动流化床干燥机内流体的温度场和流场进行数值模拟,得到其温度场和流场的变化规律,从而达到优化其内部结构及运行参数,提高热效率、节约能源的目的。

研究思路和主要研究内容

(1)利用三维软件Pro/E建立振动流化床干燥机内流体的三维有限元模型。

(2)选择最合适流化床的数值模拟方法,包括理论模型的选择、计算域网格的划分、数值计算方法的选择。

(3)分析干燥机内的气固两相流的流场,包括三维速度、压力和湍流的形式。

(4)利用流体分析软件FLUENT对振动流化床干燥机进行有限元分析,得到速度分布、压力分布和温度的分布情况,并对温度的三个阶段的特点进行分析。

(5)将求解的温度场和流场分布图进行分析,得出各参数对干燥机性能的影响。试图找出结构的改进措施和性能优化的参数。

解决的关键技术

(1)振动流化床干燥机内流体的三维有限元模型的简化。

(2)运用流体力学的知识和相关的热质交换原理,得到气固两相流模型,进而进行网格的划分和边界条件的确定,进而分析得到流场的分布。

(3)在连续相收敛的前提下,对物料做离散相模拟,探求颗粒轨迹的运动规律。2.拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析

本课题针对振动流化床干燥机干燥系统进行研究,按照如下方法分析:

(1)认真研究工程上传热、传质数值模拟的基本方法,利用FLUENT分析软件研究热分析和流场分析方法。

(2)建立振动流化床干燥机内流体的三维网格模型,定义材料性能、设定合适的边界条件。

(3)在FLUENT后处理中分别进行流场和温度场的数值模拟。

(4)将求解的流场和温度场模拟结果进行分析,找到各参数对干燥机性能的影响,并对结构进行进一步的优化。

可行性分析:

随着计算流体力学和计算机技术的快速发展,干燥机内流体的温度场和流量场模拟也有了很大的进步。与传统的实验来进行测量和评估相比,采用数值模拟的方法投资少,研究周期短等特点。此外,FLUENT是专业用于计算流体流动和传热问题的软件,可以对二维和三维区域内的流动、不可压或可压流动做稳态分析或瞬态分析,并对无粘流动、层流和湍流或者是牛顿流体、非牛顿流体,各种形式的多相流以及热交换进行模拟。同时利用FLUENT分析软件进行数值模拟的方法具有经济性、可靠性和易于操作性等优点。本课题就是采用FLUENT软件对振动流化床干燥机内流体的温度场和流场进行三维数值模拟,根据已有的研究成果可见,使用数值模拟分析能准确的反映真实信息,此方案被证实可行。

四、研究基础

1.所需实验手段、研究条件和实验条件

研究条件:

与本课题有关的研究基础知识:

(1)流体力学﹑流体运动学﹑动力学;

(2)干燥机、干燥技术方面的知识;

(3)传热传质学;

(4)弹性力学及有限元基础知识;

(5)机械强度理论﹑结构设计;

(6)Pro/E三维实体造型知识;

(7)ANSYS的基础知识;

(8)前处理模块Gambit网格生成的知识;

(9)FLUENT软件的知识;

(10)VC++编程的知识;

(11)最优化理论方法。

实验条件:

一台微型计算机、流体力学和传热学书籍资料、有限元分析书籍资料、Pro/E软件及教程、FLUENT软件及教程、VC++软件及教程、振动流化床干燥机生产图纸等相关的资料。

2.所需经费,包含经费来源、开支预算(工程设备、材料须填写名称、规格、数量)

五、工作计划

序号阶段及内容工作量估计

(时数)

起止日期阶段成果形式

1 2 3 4 5 查阅资料,掌握相关基础知识,确定研

究方案

建立振动流化床干燥机有限元模型

对温度场数值模拟,改变结构分析温度

场分布变化情况

模拟振动流化床干燥机正常工作时流

场的分布情况

论文写作

900

500

540

720

700

2011.6~201

1.9

2011.10~20

11.11

2011.12~20

12.1

2012.2~201

2.4

2012.5~201

2.6

开题报告

编写论文

合计

六、评审意见

导师(或导师组)对本课题的评价

该课题结合实际应用的镇东流化干燥机,针对实际生产中出现热效率不高,以及设计和实际操作人员对运行机理和内部温度和流动状况不清楚等现象,造成设计和使用的盲目性。因此对其内部流场温度场及物料微粒的运行规律进行模拟,具有一定的实用价值。若能根据模拟计算结果对影响干燥性能的结构因素采取一定的优化措施,可以提高其运行的可靠性和干燥性能。该课题的研究结果对该系列干燥机的优化、改进设计具有一定的指导意义,从而产生一定的经济效益和社会效益。工作方案、路线较清晰,时间安排合理。望巩固基础,争取尽快进入课题,按时完成论文。

导师签名

2011年10 月2 日

评审小组

组成姓名职称所在单位签字

组长

张振伟副教授东北大学机械工程与自动化学院

成员

评审小组的审查结论

课题结合实际生产,具有一定的实际应用价值。查阅文献量丰富,研究方案适用,工作路线清晰,进度安排合理,希望尽快按进度计划进入课题研究工作,按时完成论文。

组长

2011 年12月 5 日

东北大学硕士研究生学位论文选题报告评分表

评审项目权

评分标准

得分

(百分制)

一、选题依据

(A)30%

80~100分

选题有较强的理论意义、实用价值,深刻的学术研究内

涵。

60~80分

选题有一定的理论意义、实用价值,有一定的学术研究

内涵。

60分以下选题缺乏理论意义和实用价值。

二、理论基础和专门知识(B) 20%

80~100分较好的掌握坚实宽广的理论基础和系统专业知识60~80分基本的掌握坚实宽广的理论基础和系统专业知识60分以下未能掌握坚实宽广的理论基础和系统知识

三、选题难度及

先进性(C) 30%

80~100分

研究课题属本学科发展方向并居前沿位置,具有自己独

特的思考、研究课题具有较强的先进性

60~80分研究课题属本学科的发展方向,并具有先进性。

60分以下研究课题与本学科的发展方向先进性不明显,难度欠佳。

四、文字表达

(D)10%

80~100分条理清晰,分析严谨,文笔流畅

60~80分条理较好,层次分明,文笔较流畅

60分以下写作能力较差

五、口头报告

(E) 10%

80~100分论文严密、逻辑性强、表达清楚。

60~80分基本概念清晰、层次分明。表达较清楚。

60分以下表达较差

总分总分=0.3A+0.2B+0.3C+0.1D+0.1E

备注:评审专家只对五项指标每一项的最后一栏内打分(百分制),不必计算总分。

维导热物体温度场的数值模拟

传热大作业 二维导热物体温度场的数值模拟(等温边界条件) 姓名: 班级: 学号:

墙角稳态导热数值模拟(等温条件) 一、物理问题 有一个用砖砌成的长方形截面的冷空气空道,其截面尺寸如下图所示,假设在垂直于纸面方向上冷空气及砖墙的温度变化很小,可以近似地予以忽略。在下列两种情况下试计算: (1)砖墙横截面上的温度分布; (2)垂直于纸面方向的每米长度上通过砖墙的导热量。外矩形长为,宽为;内矩形长为,宽为。 第一种情况:内外壁分别均匀地维持在0℃及30℃; 第二种情况:内外表面均为第三类边界条件,且已知: 外壁:30℃,h1=10W/m2·℃, 内壁:10℃,h2= 4 W/m2·℃ 砖墙的导热系数λ= W/m·℃ 由于对称性,仅研究1/4部分即可。 二、数学描写 对于二维稳态导热问题,描写物体温度分布的微分方程为拉普拉斯方程

02222=??+??y t x t 这是描写实验情景的控制方程。 三、方程离散 用一系列与坐标轴平行的网格线把求解区域划分成许多子区域,以网格线的交点作为确定温度值的空间位置,即节点。每一个节点都可以看成是以它为中心的一个小区域的代表。由于对称性,仅研究1/4部分即可。依照实验时得点划分网格: 建立节点物理量的代数方程 对于内部节点,由?x=?y ,有 )(411,1,,1,1,-+-++++=n m n m n m n m n m t t t t t 由于本实验为恒壁温,不涉及对流,故内角点,边界点代数方程与该式相同。

设立迭代初场,求解代数方程组。图中,除边界上各节点温度为已知且不变外,其余各节点均需建立类似3中的离散方程,构成一个封闭的代数方程组。以C t 000 为场的初始温度,代入方程组迭代,直至相邻两次内外传热值之差小于,认为已达到迭代收敛。 四、编程及结果 1) 源程序 #include <> #include <> int main() { int k=0,n=0; double t[16][12]={0},s[16][12]={0}; double epsilon=; double lambda=,error=0; double daore_in=0,daore_out=0,daore=0; FILE *fp; fp=fopen("data3","w"); for (int i=0;i<=15;i++) for (int j=0;j<=11;j++) { if ((i==0) || (j==0)) s[i][j]=30; if (i==5) if (j>=5 && j<=11) s[i][j]=0; if (j==5) if (i>=5 && i<=15) s[i][j]=0; } for (int i=0;i<=15;i++)

西安交通大学——温度场数值模拟(matlab)

温度场模拟matlab代码: clear,clc,clf L1=8;L2=8;N=9;M=9;% 边长为8cm的正方形划分为8*8的格子 T0=500;Tw=100; % 初始和稳态温度 a=0.05; % 导温系数 tmax=600;dt=0.2; % 时间限10min和时间步长0.2s dx=L1/(M-1);dy=L2/(N-1); M1=a*dt/(dx^2);M2=a*dt/(dy^2); T=T0*ones(M,N); T1=T0*ones(M,N); t=0;l=0;k=0; Tc=zeros(1,600);% 中心点温度,每一秒采集一个点 for i=1:9 for j=1:9 if(i==1|i==9|j==1|j==9) T(i,j)=Tw;% 边界点温度为100℃ else T(i,j)=T0; end end end if(2*M1+2*M2<=1) % 判断是否满足稳定性条件 while(t

end i=1:9;j=1:9; [x,y]=meshgrid(i); figure(1); subplot(1,2,1); mesh(x,y,T(i,j))% 画出10min 后的温度场 axis tight; xlabel('x','FontSize',14);ylabel('y','FontSize',14);zlabel('T/℃','FontSize',14) title('1min 后二维温度场模拟图','FontSize',18) subplot(1,2,2); [C,H]=contour(x,y,T(i,j)); clabel(C,H);axis square; xlabel('x','FontSize',14);ylabel('y','FontSize',14); title('1min 后模拟等温线图','FontSize',18) figure(2); xx=1:600; plot(xx,Tc,'k-','linewidth',2) xlabel('时间/s','FontSize',14);ylabel('温度/℃','FontSize',14);title('中心点的冷却曲线','FontSize',18) else disp('Error!') % 如果不满足稳定性条件,显示“Error !” end 实验结果: 时间/s 温度/℃ 中心点的冷却曲线

二维导热物体温度场的数值模拟

金属凝固过程计算机模拟题目:二维导热物体温度场的数值模拟 Solidworks十字接头的传热分析 作者:张杰 学号:S2******* 学院:北京有色金属研究总院 专业:材料科学与工程 成绩: 2015 年12 月

二维导热物体温度场的数值模拟 图1 二维均质物体的网格划分 用有限差分法模拟二维导热物体的温度场,首先将二维物体划分为如图1所示的网格,x ?与y ?可以是不变的常量,即等步长,也可以是变量(即在区域内的不同处是不同的),即变步长?如果区域内各点处的温度梯度相差很大,则在温度变化剧烈处,网格布得密些,在温度变化不剧烈处,网格布得疏些?至于网格多少,步长取多少为宜,要根据计算精度与计算工作量等因素而定? 在有限的区域内,将二维不稳定导热方程式应用于节点 ,)i j (可写成: ,2222 ,i j P P p i j T T T C x y ρλτ?????=+ ?????? ,1 , ,()i j P P P i j i j T T T οτττ+-???= +? ????? () , 1 , , 1 ,22 2()i j P P P P i j i j i j T T T T x x x ο+--+??? =+? ????? () , ,1 , ,122 2()i j P P P P i j i j i j T T T T y y y ο+--+???=+? ?????τ?、x ?、y ? 当τ?、x ?、y ?较小时,忽略()οτ?、2()x ο?、2 ()y ο?项。当x y ?=?时, 即x 、y 方向网格划分步长相等?最后得到节点 ,)i j (的差分方程: ()1 , ,0 1 , 1 , ,1 ,1 ,4P P P P P P P i j i j i j i j i j i j i j T T F T T T T T ++-+-=++++- 式中:() 02 p F C x λτ ρ?= ??

基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟

基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟 基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟 摘要:计算了不同激光功率条件下粉末颗粒到达基底前的温升,并以粉末颗粒到达基底前的温度为初始条件。用生死单元法研究了单通道和多通道激光熔覆温度场。利用熔池的大小和形态,验证了模型的可靠性。结果表明,粉末颗粒的温升与激光功率呈线性关系。单个包层的温度变化是锯齿状的。温升过程近似为直线,温降曲线近似为双曲线。在多通道熔覆过程中,温度场呈微椭圆形。节点上的热循环经过一个逐渐增加的峰值。峰值温度最终趋于稳定。0系列 激光熔覆根据送粉工艺不同可分为两种类型,即粉末预置法和同步送粉法。本发明具有易于自动控制、激光能量吸收率高、无内部气孔的优点。特别是对于覆层金属陶瓷,覆层的抗裂性可以显著提高,并且硬质陶瓷相可以均匀地分布在覆层中。有广阔的应用空间。国内学者利用ANSYS [1-4对激光熔覆过程的温度场和应力场进行了大量的研究工作。目前,利用ANSYS模拟激光熔覆温度场的研究没有考虑激光束与粉末的相互作用。事实上,激光束首先作用于粉末。除了损失的能量,部分激光束被包覆粉末吸收。另一部分通过粉末被基质吸收。除了直接吸收激光束能量,基质还吸收从粉末转移到基质的能量。因此,有必要在仿真前弄清激光能量的分布,使所建立的模型更接近实际,仿真结果更有说服力。本文将粉末在到达基体前吸收能量后的温升作为初始温度场加载到基体上。同时,利用有限元分析软件

ANSYS中的生死单元技术模拟了熔覆单元的生长过程。高斯体热源加载基体吸收的能量,模拟送粉激光熔覆的温度场分布。在此基础上,模拟了多道次激光熔覆的温度场,研究了多道次激光熔覆的温度场。当屏蔽激光时, 1粉末到达基体前的温度为 粉末。它还吸收部分激光能量,从而提高其温度。事实上,粒子直接吸收激光辐射能量并发射辐射能量,而不考虑等离子体的影响(能量密度低于105W /cm2)。在空气中,粉末颗粒也因空气对流而耗散能量,并且颗粒也相互加热。这些能量在总能量中的比例非常小。目前,关于粉体颗粒温升的模型很少。此外,有必要在模型[5]中建立假设条件。为了便于计算,模型中假设: (1)气体-粉末射流中粉末颗粒的体积分数很低,并且受到激光反射、折射、颗粒离子间相互加热和束屏蔽等的影响。可以忽略。(2)粉末颗粒是半径为rP的球体。由于粉末颗粒足够小,它们被认为是能量计算中的一个点。颗粒的导热性是无限的,即粉末颗粒的温度被认为是均匀的,并且在光接收表面和背光表面之间没有差异。(3)粉末颗粒仅吸收光接收表面上的能量,但是外部辐射发生在整个球体的表面上。(4)粉末不吸收来自基质的光反射。基于上述假设,粉末颗粒的温升可以根据颗粒的能量方程来计算。这个方程是一个非线性方程。利用Matlab软件,采用迭代法求解方程。当激光功率P=2 kW时,方程的解在1500 ~ 1600k范围内,因此初始值被设置为t = 1500k,并且通过迭代发现方程的一个实根是t = 1570k。改变激光功率,获得了当

激光焊接温度场数值模拟讲解

第24卷第2期 2OO 焊接学报 v01.24April No.220O3 3年4月TRANSAC’n0NS0FTHECHINA碍砸LDINGINSnTUrnON 激光焊接温度场数值模拟 薛忠明,顾 兰, 张彦华 (北京航空航天大学机械工程及自动化学院。北京100083) 摘要:深入分析了激光焊接小孔传热模型的特点,在此基础上选取合适的热源形式,研究了移动线热源和高斯分布热源作用下,准稳态与瞬态激光焊接温度场。利用MAT-LAB软件及ANsYS有限元分析程序对激光焊接温度场分别进行了计算及模拟,并且将两种分析结果进行了比较。最后还将有限元的模拟值与实测值进行了对比分析,进一步验证了小孔模型与高斯热源在激光焊接温度场模拟中的适用性。关键词:激光焊接;温度场;有限元;ANsYs 中围分类号:1嘶6 O 文献标识码:A文章编号:0253—360x(2003)01—79—04薛忠明 序言 实测值进行了对比分析,验证了小孔模型与高斯热源在激光焊接温度场模拟中的适用性(板厚≤4mm)。 激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密的焊接方法。激光焊接具有高能量密度、可聚焦、深穿透、高效率、高精度、适应性强等优点,广泛应用于航空航天、汽车、微电子、轻工业、医疗及核工业等要求高精度和高质量的焊接领域。 1 激光焊接中的小孔传热模型 当激光功率密度达到106W,/cm2时,激光能量 由于激光焊接是一巾陕速而不均匀的热循环过 程,焊缝附近出现很大的温度梯度,因此在焊后的结构中也会出现不同程度的残余应力和变形,这些都成为影响焊接结构质量和使用性能的重要因素。准确地认

识焊接热过程,对焊接结构力学分析、显微组织分析以及最终的焊接质量控制具有重要意义。 20世纪70年代以来,国外很多学者对激光焊接机理进行了深入的研究,提出了蒸汽小孔模型。考虑熔池形状以及熔池中金属的流动和热流分布,考虑电子密度、离子化程度、等离子体对入射激光的吸收系数和激光焊接工艺参数对熔深的影响,建立了不同的能量吸收模型”。。这些研究偏向于应用物理和量子力学的研究领域,在实际工程分析中存在一定的局限性。在国内,有关激光焊接机理以及激光焊接温度场与力学场的数值模拟方面的研究正在引起重视。 作者深入分析了激光焊接小孔传热模型,在此基础上选取合适的热源形式,研究了移动线热源和高斯分布热源作用下,准稳态与瞬态激光焊接温度场。利用MAllAB软件及ANSYs有限元程序对激光焊接温度场分别进行了计算及模拟,并且将两种分析结果进行了比较。最后还将有限元的模拟值与 收稿日期:2002—07—12 向工件输入的速率远大于传导、对流、辐射散热的速率,材料表面产生汽化而形成小孔,激光能量是通过小孔而进行转换和传递的。 激光焊接中熔池与小孔的几何特征如图l所示。焊件表面被加热、熔化、蒸发,在蒸汽压力的作用下形成小孔,当小孔产生的蒸汽压力与熔池中液体金属的静应力达到平衡时,小孔是稳定存在的‘“。 固1Hg.1 激光焊接熔池与小孔几何特征囤 G岫etr萱cf嘲ur嚣0fmolten andkeyh0Iein pool J∞erweⅫ咂g 激光焊接中,小孔与工件作相对运动,运动过程 中的动量扩散和热量扩散的相对程度由佩克莱特准 万方数据 80

路基温度场数值模拟及变化规律研究

Open Journal of Transportation Technologies 交通技术, 2018, 7(1), 11-19 Published Online January 2018 in Hans. https://www.360docs.net/doc/ef12328274.html,/journal/ojtt https://https://www.360docs.net/doc/ef12328274.html,/10.12677/ojtt.2018.71002 Research on the Numerical Simulation and Change Rules of the Subgrade Temperature Field Lei Xu, Yunliang Li, Lun Ji, Yiqiu Tan School of Transportation Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin Heilongjiang Received: Jan. 1st, 2018; accepted: Jan. 15th, 2018; published: Jan. 22nd, 2018 Abstract Numerical analysis model of the subgrade temperature field was established. Based on the pro-gram ANSYS, the distribution and the time-varying properties of the subgrade temperature field were analyzed. Results show that for the vertical subgrade temperature field, the temperature in-creases with the depth increasing, and the subgrade frost depth at the coldest time in January is about 2.0 m. The ambient temperature affects the horizontal subgrade temperature field within a scope of about 2.0 m, which is the same as the subgrade frost depth. Temperature change trend of various positions in the subgrade during a year basically agrees with the ambient temperature change trend. The temperature of the pavement surface is basically the same as the ambient tem-perature, while the ambient temperature affects a little on the subgrade temperature, and soil in the depths of the subgrade keeps permafrost, or seasonal frozen. Keywords Subgrade, The Temperature Field, Numerical Analysis, ANSYS 路基温度场数值模拟及变化规律研究 徐垒,李云良,纪伦,谭忆秋 哈尔滨工业大学,交通科学与工程学院,黑龙江哈尔滨 收稿日期:2018年1月1日;录用日期:2018年1月15日;发布日期:2018年1月22日 摘要 建立了路基温度场的数值分析模型,基于ANSYS软件分析了路基温度场的分布规律及时变特性。研究表

二维导热物体温度场的数值模拟教程文件

二维导热物体温度场的数值模拟

金属凝固过程计算机模拟题目:二维导热物体温度场的数值模拟 Solidworks十字接头的传热分析 作者:张杰 学号: S2******* 学院:北京有色金属研究总院 专业:材料科学与工程 成绩: 2015 年 12 月

二维导热物体温度场的数值模拟 图1 二维均质物体的网格划分 用有限差分法模拟二维导热物体的温度场,首先将二维物体划分为如图1所示的网格,x ?与y ?可以是不变的常量,即等步长,也可以是变量(即在区域内的不同处是不同的),即变步长?如果区域内各点处的温度梯度相差很大,则在温度变化剧烈处,网格布得密些,在温度变化不剧烈处,网格布得疏些?至于网格多少,步长取多少为宜,要根据计算精度与计算工作量等因素而定? 在有限的区域内,将二维不稳定导热方程式应用于节点 ,)i j ( 可写成: ,2222 ,i j P P p i j T T T C x y ρλτ?????=+ ?????? ,1 , ,()i j P P P i j i j T T T οτττ+-???= +? ????? () , 1 , , 1 ,22 2()i j P P P P i j i j i j T T T T x x x ο+--+???=+? ????? () , ,1 , ,122 2()i j P P P P i j i j i j T T T T y y y ο+--+???=+? ?????τ?、x ?、y ? 当τ?、x ?、y ?较小时,忽略()οτ?、2()x ο?、2 ()y ο?项。当x y ?=?时,即x 、y 方向网格划分步长相等?最后得到节点 ,)i j (的差分方程: ()1 , ,0 1 , 1 , ,1 ,1 ,4P P P P P P P i j i j i j i j i j i j i j T T F T T T T T ++-+-=++++- 式中: () 02 p F C x λτ ρ?= ??

振动流化床内温度场和流场的数值模拟

硕士学位论文开题报告及论文工作计划书 课题名称振动流化床内温度场和流场的数值模拟 学号1000614 姓名张 专业机械设计及理论 学院机械工程与自动化 导师张 选题时间2011 年09 月01 日 东北大学研究生院 2011年10月20日

填表说明 1、本表一、二、三、四、五项在导师指导下如实填写。 2、学生在通过开题后一周内将该材料交到所在学院、研究所。 3、学生入学后第三学期应完成论文开题报告,按有关规定,没有完成开题报告的学生不能申请论文答辩。

一、立论依据 课题来源、选题依据和背景情况、课题研究目的、理论意义和实际应用价值 (一)课题来源和背景情况 通常人们把热物理方法去湿的过程称为“干燥”,其特征是采用加热、陷湿、减压或其他能量传递的方式使物料中的湿分产生挥发、冷凝、升华等相交过程与物体分离以达到去湿目的。由于干燥的产品便于加工、运输、贮存和使用,干燥在国民经济的各部门有着广泛的应用。化学工业的产品如肥料、染料、无机盐到医药工业、粮食、食品、饲料的生产过程均离不开干燥,产品经过干燥以后具有良好的扩散性、均性。正确地完成干燥过程有利于保证和改进产品的质量,同时对提高生产效率,促进国民经济的发展有十分重要的作用。现代干燥技术在国民生产中应用的程度与一个国家的综合国力和国民生活质量的水平密切相关,从某种意义上说,它标志着这个国家国民经济和社会文明的发展程度。现在中国的经济处于飞速的发展期,各行业也处于发展的转型期,干燥设备制造业也亟需进行改进和优化,以便适应大环境的发展。 传统的工业生产普遍采用的干燥技术主要有:厢式干燥、隧道干燥、转筒干燥、转鼓干燥、带式干燥、盘式连续干燥、卧式桨叶式干燥、流化床干燥、改型流化床干燥、喷动床干燥、喷雾干燥、气流干燥、真空冷冻干燥、太阳能干燥、微波和高频干燥、红外热辐射干燥等。此外在各个行业,例如谷物、水果和蔬菜、木材、茶叶、乳品、中药材等行业也有适合自身特点的专有干燥技术。这些传统的干燥技术发展历史较长、成熟可取,在我国以及世界已经得到广泛的应用。近些年来,国际上涌现出一批新型的干燥技术,作为代表的有:脉冲燃烧干燥、对撞流干燥、冲击穿透干燥、声波场干燥、超临界流体干操、过热蒸汽干操、接触吸附干燥等等。这些新技术相对于传统干燥技术在机理上有一定的突破,但在工业化应用方面仍有待于完善。 流化床干燥是现代干燥技术的一种,是60年代发展起来的一种干燥技术,目前在化工、轻工、医药、食品以及建材等方面都得到了广泛的应用。由于干燥过程中固体颗粒悬浮在干 燥介质中,因而流体与固体接触面较大,热容量系数可达8000~25000 3 /() KJ m h C? ??(按干 燥器总体积计算),又由于物料剧烈搅动,大大减小了气膜阻力,因而热效率较高,可达60%~80%(干燥结合水时为30%~40%)。流化床干燥装置密封性能好,传动机械又不接触物料,因而不会有杂质混入,这对要求纯度高的制药工业来说也是十分重要。

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