煙絲流態(tài)化加工過程氣固流動(dòng)特性的數(shù)值模擬與試驗(yàn)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(zhǎng)絲狀顆粒的代表，其本身的運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)的柔性絲狀顆粒又極大地增加兩相流動(dòng)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(gè)方面。目前，對(duì)該類煙絲顆粒流態(tài)化加工中的氣固流動(dòng)特性研究還不完善

2、，同時(shí)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(dòng)特性研究，對(duì)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(jì)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(duì)于以煙絲為代表的細(xì)長(zhǎng)柔性絲狀顆粒多是基于球型顆粒的假設(shè)，與煙絲的真實(shí)形態(tài)相差甚遠(yuǎn)，很難較為真實(shí)的展現(xiàn)出煙絲的流動(dòng)特性。因此本文對(duì)煙絲物理屬性及運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)CPU-GPU并行模擬計(jì)算程序。同時(shí)用其對(duì)柔性絲狀顆粒的流化特性進(jìn)行了數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。此外，針對(duì)工業(yè)級(jí)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(jí)計(jì)算相結(jié)合,對(duì)煙草加工過程中的工業(yè)級(jí)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(duì)干燥器進(jìn)出料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。本課題得到以下結(jié)論：
　　(1)針對(duì)煙絲顆粒運(yùn)動(dòng)

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(shí)現(xiàn)CPU-GPU并行模擬計(jì)算程序。用其對(duì)柔性絲狀顆粒在流化床中運(yùn)動(dòng)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(dòng)、纏繞、團(tuán)聚等運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(duì)細(xì)長(zhǎng)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(jì)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(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)符合很好。
　　(3)針對(duì)工業(yè)級(jí)煙草CTD氣流干燥器，利用超算集群平臺(tái)結(jié)合OpenFOAM軟件，對(duì)氣流干燥器中的氣相流場(chǎng)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(shí)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(shí)帶導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)顆粒停留時(shí)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(duì)氣固流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響。利用超算集群平臺(tái)結(jié)合開源的流體力學(xué)數(shù)值模擬軟件對(duì)工業(yè)級(jí)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(duì)顆粒在主干燥區(qū)域的徑向分布，對(duì)顆粒分布均勻性改善效果為D;C;B;A;O，對(duì)顆粒停留時(shí)間均一性改善效果為D;C;B;A;O。
　　(5)針對(duì)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(duì)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