沖擊式氣流噴霧霧化機(jī)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(yīng)用。沖擊式氣流噴霧干燥過程復(fù)雜，塔內(nèi)情況難以觀察。研究物料的霧化機(jī)理、液滴與干燥介質(zhì)之間的傳熱傳質(zhì)、顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和干燥氣體的流動(dòng)模式可為制定科學(xué)的生產(chǎn)方案，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)提供理論依據(jù)。本文基于流體力學(xué)和數(shù)值傳熱學(xué)理論，對(duì)沖擊式氣流噴霧的霧化機(jī)理及干燥過程進(jìn)行了較為深入的研究。 考慮液膜厚度變化對(duì)液膜表面不穩(wěn)定擾動(dòng)的影響，推導(dǎo)了液膜表面非軸對(duì)

2、稱不穩(wěn)定擾動(dòng)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(duì)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(shí)的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，考慮液膜厚度變化時(shí)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(shí)的最大增長率，這說明液膜厚度的變薄對(duì)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(dòng)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(kuò)張和液環(huán)的破碎三個(gè)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(duì)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(duì)液環(huán)的徑向擴(kuò)張作用，建立了液環(huán)厚度隨時(shí)間變化的關(guān)系式；隨后基于對(duì)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(duì)速度、氣液質(zhì)量

4、比、液體粘性等對(duì)液滴直徑的影響，并將模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，當(dāng)氣體速度較低或液體粘性較小時(shí)，新建霧化模型和通用霧化模型的模擬精確度相近；當(dāng)氣體速度較高或液體粘度較大時(shí)，新模型的預(yù)測(cè)結(jié)果較準(zhǔn)確。 詳細(xì)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(kuò)散系數(shù)之間的耦合關(guān)系，建立了同時(shí)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(duì)液滴蒸發(fā)過程中的動(dòng)邊界問題，基于網(wǎng)格重構(gòu)技術(shù)設(shè)計(jì)了液滴蒸發(fā)過程的數(shù)值計(jì)

5、算流程，并通過Matlab軟件實(shí)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(duì)液滴干燥速度的影響，數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果比較吻合。該模型能夠較準(zhǔn)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(shí)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(duì)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(dòng)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(dá)式，并用該表達(dá)式對(duì)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(jìn)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(shí)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(shí)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(gè)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