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多孔介质传热传质过程的数值模拟—烟叶烘烤过程模拟技术研究

作　者: 汪火良
导　师: 丁恒敏
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 多孔介质传热传质数值模拟烟叶烘烤
分类号: TS41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

散叶烤房内堆积的烟叶可视为均匀分布的多孔介质,其热风干燥过程中同时发生着质量和热量的传递。由于多孔介质结构的复杂性和随机性,使得实验数据的采集和分析工作量大并且容易产生误差,而计算流体力学(CFD)的发展,使得将计算机流动模拟技术引入到烤房烘烤的研究成为可能。本文较为系统地分析了多孔介质干燥的传热传质机理,从研究对象(堆积烟叶)所处的物理环境出发,综合考虑计算流体动力学理论、多相流理论、相变理论,建立了描述散叶堆积烤房烘烤过程中热质传递规律的数学模型和控制方程。通过前处理器GAMBIT、求解器FLUENT和后处理器TECPLOT等商用软件实现烟叶烘烤热质传递过程的求解和数据处理。为了描述烟叶水分蒸发时产生的质量传递和能量传递过程,则还需要建立相变模型,通过编写该过程的UDF源程序与求解器实现数据交流。在散叶烤房装烟密度为80kg/m3,叶间隙风速为0．3m/s的基础上,对烤房模型内的速度场、压力场、温度场和浓度场进行数值模拟研究,得到各个场沿着烤房高度方向的分布云图,并对数值模拟结果进行分析。数值模拟研究的结果表明,在该烘烤条件下散叶烤房烘烤过程中叶间隙风速较为均匀,并且在烟叶堆积区域其垂直温差为2-3℃,水平温差小于1℃,温度均匀一致,整房烟叶的同步干燥效果较好。同一工况下数值仿真得到的温度值与实测所得温度值基本吻合,其误差小于6%,验证了所选模型的数值模拟能力和模拟结果的可靠性。利用FLUENT模拟分析了叶间隙风速和装烟密度等烘烤操作参数对散叶烤房烘烤性能的影响。数值模拟的研究结果表明,当装烟量为80 kg/m3时,取叶间隙风速为0．3m/s,此时烤房内的干湿差更为合理,烤后烟叶质量更优。其次,模拟分析了散叶堆积烤房在不同装烟密度下的温度分布情况,在综合考虑烤房内的温度分布和烘烤效率的基础上,认为散叶烤房的单棚装烟密度在75-85kg/m3是比较适宜的。在上述合理烘烤参数的基础上,继续探讨了烤房的密封性能(墙壁的隔热能力)和分风性能(地面斜坡的分风调节能力)对其烘烤性能的影响。模拟结果表明,地面斜坡的坡度在4.2-5%,且装烟时在烟叶堆积区域和墙体之间留有6-8cm左右的间距,则在烟叶堆积的有效区域内,烤房的叶间隙风速和平面温度较为均匀,有利于烟叶的同步干燥。数值模拟技术不仅能够真实地反映出散叶堆积烤房的烘烤过程,为烘烤工艺的改进以及烤房结构的优化提供良好的理论依据,而且还可以推广应用到其他的密集型烤房烘烤体系当中,因此,该技术对于提高烤房的烘烤质量具有重要的现实意义,应为广大的烟草行业科研工作者所掌握。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-7
目录  7-10
第一章绪论  10-20
  1.1 课题的背景和意义  10-12
    1.1.1 课题的背景  10-11
    1.1.2 课题的意义  11-12
  1.2 多孔介质热质传递领域的研究现状  12-17
    1.2.1 多孔介质传热传质理论模型的发展概况  12-15
    1.2.2 数值模拟技术在多孔介质热质传递领域的应用现状  15
    1.2.3 数值模拟技术在烟草热风干燥过程的应用现状  15-16
    1.2.4 目前存在的问题及发展方向  16-17
  1.3 本文的研究内容  17-20
第二章多孔介质传热传质过程分析  20-28
  2.1 多孔介质的传热过程  20-21
  2.2 多孔介质的传质过程  21-22
    2.2.1 多孔介质的传质过程及其分类  21
    2.2.2 多孔介质对流传质的机理  21-22
  2.3 多孔湿物料的干燥特性  22-24
    2.3.1 水分存在形式和迁移机理  22-23
    2.3.2 干燥特性曲线  23-24
  2.4 多孔介质的基本概念和参数  24-27
    2.4.1 孔隙率  24-25
    2.4.2 导热系数  25
    2.4.3 湍流模型  25-26
    2.4.5 粘性阻力系数和惯性阻力系数  26-27
    2.4.6 各向同性和各向异性  27
  2.5 本章小结  27-28
第三章多孔介质传热传质过程的数学模型及其计算方法  28-44
  3.1 控制方程  28-35
    3.1.1 连续性方程  28-29
    3.1.2 动量方程  29-31
    3.1.3 能量方程  31-33
    3.1.4 标准k-ε两方程模型  33
    3.1.5 相变模型  33-35
  3.2 数值解法  35-36
  3.3 多相流模型  36-40
    3.3.1 多相流的定义  36-38
    3.3.2 多相流模型  38-39
    3.3.3 多相流模型的选择  39-40
  3.4 FLUENT软件简介  40-42
  3.5 本章小结  42-44
第四章烤房内烟叶烘烤过程的数值模拟  44-56
  4.1 烤烟调制设备  44-48
    4.1.1 散叶堆积烤房的结构及其烘烤原理  44-46
    4.1.2 干湿球温度计的原理与应用  46-48
  4.2 烤烟的三段式烘烤工艺  48-50
  4.3 基本假设  50-51
  4.4 物理模型的建立  51
  4.5 网格划分  51-52
  4.6 边界条件  52-54
  4.7 物理属性及相关参数  54-55
  4.8 本章小结  55-56
第五章烟叶干燥过程数值模拟结果及其分析  56-76
  5.1 烤房内流场分布情况及其分析  56-66
    5.1.1 速度场的分布  56-58
    5.1.2 压力场的分布  58-59
    5.1.3 温度场的分布  59-63
    5.1.4 浓度场的分布  63-66
  5.2 操作参数对烘烤性能的影响  66-74
    5.2.1 叶间风速的影响  66-68
    5.2.2 装烟密度的影响  68-69
    5.2.3 壁面条件的影响  69-70
    5.2.4 地面斜坡的坡度  70-74
  5.3 本章小结  74-76
第六章结论  76-78
  6.1 研究成果  76-77
  6.2 展望  77-78
致谢  78-79
参考文献  79-83
附录A 攻读学位期间发表论文目录  83-84
附录B 数值模拟的UDF函数  84-88

多孔介质传热传质过程的数值模拟—烟叶烘烤过程模拟技术研究

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