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豆胶气泡雾化过程的数值模拟与优化研究

作　者: 张文程
导　师: 花军
学　校: 东北林业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 豆基蛋白胶本构方程气泡雾化喷嘴数值模拟工作系统
分类号: TQ432.73
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

豆胶(即豆基蛋白胶)因其生产周期短、产量大、价格低廉、原料可再生以及胶接制品无游离甲醛释放等诸多优点,被研究用于人造板生产中解决目前所用醛类胶产生的环境及能源问题。但其非牛顿流体特性及高粘度特性决定了一般的雾化方法无法实现其良好的雾化。气泡雾化是一种能够使高粘度液体雾化的方法,研究气泡雾化的机理,分析豆胶的流动特性并建立其本构方程,分析豆胶气泡雾化的过程,设计一种适合豆胶雾化的气泡雾化喷嘴及工作系统,实现豆胶在纤维板中的应用,具有重要的理论意义和实际应用价值。根据流体力学理论对豆胶气泡雾化过程进行了分析研究。根据豆胶的流动特性,结合非牛顿流体的本构方程,得出豆胶在气泡雾化喷嘴内部的流动符合幂律模型；对其雾化过程中气泡的运动进行了深入研究分析,得出雾化效果是通过克服气泡表面张力来实现的；根据对气泡雾化喷嘴的研究,分析了喷嘴结构及工作条件对喷嘴雾化效果的影响,为优化喷嘴结构和工作条件提供了理论依据。利用计算流体力学方法,对气泡雾化过程进行了数值模拟。根据气泡雾化技术的应用现状,研究了豆胶气泡雾化数值模拟结果的评价方案,分析了该方案的基本内容、工作条件及评价方法。以豆胶和水为研究对象,对豆胶与空气及水与空气的流动情况进行了混合型数值模拟,分析了非牛顿流体与牛顿流体在气泡雾化喷嘴内部的流动状况；其后,对豆胶与空气在喷嘴出口下游的雾场进行了离散型数值模拟,分析了豆胶雾化后的颗粒分布及粒径分布状况；证明了用气泡雾化方法实现豆胶雾化是可行的。基于豆胶雾化工作参数的优化,对不同气液比条件下豆胶与空气在喷嘴内部的流动情况进行了数值模拟,研究了不同气液比下豆胶与空气的流场分布状况,计算了不同条件下的气耗量及雾化总能量,分析得出了最佳气液比；其后,以离散型数值模拟的方法对其进行了验证,证明了理论得出的气液比值是正确的。根据豆胶的物理化学性能、数值模拟的结果及气泡雾化理论,对豆胶气泡雾化工作系统进行了设计。根据豆胶的高粘度特性,对工作系统的组成进行了分析；根据数值模拟时的工作参数及优化后的最佳气液比,对气泡雾化喷嘴的结构及其他主要装置进行了选择和设计通过对豆胶气泡雾化过程的研究,深入分析了气泡从产生到实现液体雾化的全过程,利用计算流体力学方法对豆胶气泡雾化过程进行数值模拟,根据模拟条件及结果设计了工作系统,为豆胶在实际生产中的应用提供了理论基础和技术支持。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-15
  1.1 课题背景  9-10
  1.2 豆胶的基本特征  10-11
  1.3 液体雾化的主要方式  11
  1.4 国内外研究现状  11-13
    1.4.1 豆胶的国内外研究现状  11-12
    1.4.2 气泡雾化方法的国内外研究现状  12-13
  1.5 本文研究的主要内容  13-15
2 豆胶气泡雾化过程的分析研究  15-28
  2.1 本构方程的建立  15-20
    2.1.1 豆胶性能的研究  15-18
    2.1.2 豆胶本构方程模型的选择与性能参数的确定  18-20
  2.2 气泡雾化过程的研究  20-25
    2.2.1 气泡雾化喷嘴的结构  20-21
    2.2.2 气泡雾化过程的分析  21-25
  2.3 喷嘴结构及外界工作条件对雾化过程的影响分析  25-27
    2.3.1 喷嘴结构对雾化过程的影响  25-26
    2.3.2 外界工作条件对雾化过程的影响  26-27
  2.4 本章小结  27-28
3 豆胶气泡雾化过程的数值模拟  28-43
  3.1 气泡雾化数值模拟方法的研究  28-30
    3.1.1 计算流体力学软件的组成及解题流程  28-29
    3.1.2 气泡雾化数值模拟的方法  29-30
  3.2 豆胶气泡雾化模拟结果评价方案的研究  30-32
    3.2.1 评价方案的目的及基本内容  30-31
    3.2.2 方案的工作介质及条件  31
    3.2.3 方案需要对比的参数  31-32
  3.3 基于混合模型下的气泡雾化喷嘴内部的模拟  32-38
    3.3.1 模型的建立与网格的划分  32-34
    3.3.2 参数的设置  34
    3.3.3 模拟的结果与分析  34-38
  3.4 基于离散相模型下的喷嘴出口下游雾场的数值模拟  38-42
    3.4.1 模拟方法  38
    3.4.2 网格的划分  38
    3.4.3 模拟条件  38
    3.4.4 模拟结果  38-42
  3.5 本章小结  42-43
4 基于数值模拟下的豆胶雾化工作参数的优化  43-50
  4.1 前提依据及模拟方法  43-44
    4.1.1 前提依据  43
    4.1.2 模拟的方法  43-44
  4.2 不同气液比下的混合数值模拟  44-48
    4.2.1 模拟条件  44
    4.2.2 模拟结果的分析方法  44-45
    4.2.3 模拟结果与分析  45-48
  4.3 仿真验证  48-49
    4.3.1 模拟的条件  48
    4.3.2 模拟结果与分析  48-49
  4.4 本章小结  49-50
5 豆胶气泡雾化工作系统的设计  50-57
  5.1 工作系统的研究  50-51
    5.1.1 工作系统的工作过程及组成部分  50
    5.1.2 系统的各部分功能  50-51
  5.2 气泡雾化喷嘴的设计  51-53
  5.3 工作系统的整体设计  53-56
    5.3.1 雾化工作系统原理  53-54
    5.3.2 各部分装置的选择  54-56
  5.4 本章小结  56-57
结论  57-59
参考文献  59-62
攻读学位期间发表的学术论文  62-63
致谢  63-64

豆胶气泡雾化过程的数值模拟与优化研究

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