内热式蒸汽回转干燥机内流场温度场数值模拟.doc

分类号 密级
UDC

学 位 论 文

内热式蒸汽回转干燥机内流场温度场数值模拟

作者姓名：
王
指导教师：
张 副教授

东北大学机械工程与自动化学院
申请学位级别：
硕士
学科类别：
工学
学科专业名称：
机械电子工程
论文提交日期：
2011年6月
论文答辩日期：
2011年6月
学位授予日期：
2011年7月
答辩委员会主席：

评阅人：

东 北 大 学
2011年7月

A Thesis in Mechatronic Engineering

Numerical Simulation of Fluid Field and Temperature Field within Internal Heating Type Steam Rotary Dryer

By Wang Fei

Supervisor: Associate Professor Zhang Zhen Wei

Northeastern University
July 2011

独创性声明
本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。
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日 期：
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本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。

作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：

半年 □ 一年□ 一年半□ 两年□

学位论文作者签名： 导师签名：
签字日期： 签字日期：

东北大学硕士学位论文 摘要
内热式蒸汽回转干燥机内流场温度场数值模拟
摘 要
蒸汽管式回转干燥机的工作原理是传导与对流同时进行，相当于传统回转筒干燥机加内热，是在通热风的同时其内部蒸汽管又有传导换热的组合干燥。
本文以前处理器Gambit、解算及后处理器Fluent为基础、以蒸汽回转干燥机为研究对象，建立了内热式蒸汽回转筒内流体的三维模型、定义了合理的计算区域和边界条件，并对立体模型进行网格划分。再以建立好的网格文件为基础采用标准湍流模型对回转筒内流体进行单相气流和气固两相的数值模拟。经过仿真计算，得到蒸汽回转筒内气体的温度场、速度场、压力场的分布和湿物料在干燥机内水分的干燥情况。
气体相的数值模拟计算结果表明，热风在蒸汽回转筒内的流动受到扬料抄板、进料螺旋板、出料螺旋板以及蒸汽回转筒壁这些旋转区域的影响,蒸汽管的分布影响了热风在筒体内的扩散。改变筒体旋转的速度，可得切向速度的增加使热风在筒内的分布更均匀。
在气固两相的数值模拟中采用污泥作为物料，在蒸汽管内通入蒸汽的同时在回转筒内加入热风气流，同时进行热对流和热传导。分析收敛后的各个云图，得出各参数在回转筒内的发展趋势。首先，物料的运动受热风和筒体旋转的影响。其次，温度云图和速度云图表明其主要工作区在z=11.5m到z=15m之间。在这一区域，温度和速度的变化梯度较大，说明蒸发过程主要在这一区域进行。
通过比较在不通入蒸汽情况下和通入蒸汽情况下，两者在不同截面的温度场、速度场和压力场，特别是在出料口物料含水量的不同，突出蒸汽管在干燥过程中所起的主导作用。

关键词：蒸汽回转筒；温度场；流场；两相流

-II-

东北大学硕士学位论文 Abstract
Numerical Simulation of Fluid Field and Temperature Field within Internal Heating Type Steam Rotary Dryer
Abstract
The working principle of the steam rotary dryer is conduction and convection, which equivalent to add in the internal thermal to traditional rotary dryer, it’s a combination dry with conduction heat transfer in steam pipe when we put the hot air into the rotary dryer.
To study the steam rotary dryer on the basis of the preprocessor Gambit, solver and postprocessor Fluent, in this dissertation, it establishs the three-dimensional entity of fluid in the internal heating type steam rotary dryer, determines a reasonable region of calculation and boundary conditions and meshes for the entity model. Then the standard turbulence model is chosen to simulate the single-phase gas flow and the two-phase gas-solid flow in the rotary dryer. After the simulation, the velocity distribution, the pressure distribution, the temperature distribution and the water of materials distribution in export section can get.
Analysis result of single-phase gas shows that the flow of gas in the steam rotary dryer is influenced by the rotary region, the distribution of the steam pipe affect the spread of the hot air in rotary dryer, Change the speed of the rotating rotary dryer, we can get that increasing the tangential velocity can make the distribution of hot air more uniform.
Sludge are choiced to explore the flow pattern of two-phase gas-solid as the material, putting the hot air into rotary dryer while accessing steam to the steam pipe, conduction and convection is working together .After solve attach to convergence, analysis each diagram of solution, we can draw the development trend of the each parameter in the steam rotary dryer.First, material trajectory main influenced by flow of hot air and rotate of rotary dryer. Secondly, the diagram of temperature and velocity show that the main working region is form z = 11.5 meters to z = 15 meters. In this area, temperature and speed changes greatly, the evaporation process happens mainly in this area.
Through the comparison in the case without steam into steam rotary dryer and add steam into steam rotary dryer, both the temperature field, velocity field and pressure field in different section , especially material moisture in the material mouth , outstanding steam pipes
play a leading role in the drying process.

Key words: steam rotary dryer; temperature field; flow field; two-phase flow

-IV-
东北大学硕士学位论文 目录
目 录
声 明 I
摘 要 II
Abstract III
第1章 绪 论 1
1.1 课题来源及背景情况 1
1.2 课题研究目的 2
1.3 干燥技术及两相流的数值模拟进展 2
1.4 内热式蒸汽回转干燥机的工作原理 5
1.5 主要研究内容与方法 7
第2章 计算流体力学和热力学基础 9
2.1 计算流体力学 9
2.1.1 引言 9
2.1.2 流体力学的相关概念 9
2.1.3 流体流动的控制方程 14
2.1.4 计算流体力学的求解过程 18
2.2 热力学基础 18
2.2.1 三种基本热传递方式 18
2.2.2 材料热基本属性 21
第3章 数值模拟和几何模型的创建 25
3.1 FLUENT简介 25
3.2 FLUENT可以求解的问题 25
3.3 FLUENT求解问题的实施步骤 26
3.4 算法求解器的选择 26
3.5 多相流模型的选择 27
3.6 湍流模型的选择 28
3.7 边界条件类型和设置 28
3.8 多相多组分的设置 29
3.9 CFD计算模型的建立 30
3.9.1 引言 30
3.9.2 PRO/E三维建模 30
3.9.3 网格划分 31
3.10 本章小结 34
第4章 蒸汽回转筒内气相的数值模拟 37
4.1 引言 37
4.2 解算器及后处理器Fluent 基础 37
4.2.1 Fluent 的连续性方程 37
4.2.2 Fluent 的计算模型 38
4.2.3 Fluent 求解技术 40
4.3 气相的数值模拟 41
4.3.1 气相的简化 41
4.3.2 边界条件和初始条件的确定 41
4.3.3 求解的设定 44
4.4 计算结果分析 45
4.4.1气相温度分析 45
4.4.2气相速度分析 47
4.4.3 气相压力分析 49
4.5 修改参数后的计算结果分析 53
4.6 本章小结 55
第5章 蒸汽回转筒内气固两相流数值模拟 57
5.1 引言 57
5.2 物料物性 57
5.3 双流体的数值模拟 58
5.3.1 边界条件和初始条件的确定 58
5.3.2 求解的设定 59
5.4 结果分析 60
5.4.1 温度场分析 61
5.4.2 速度场的分析 63
5.4.3 压力分析 64
5.5 无蒸汽通入时的结果分析 67
5.5.1 温度分析 67
5.5.2 速度分析 68
5.5.3 压力分析 69
5.5.4 含水量分析 72
5.6 本章小结 73
第6章 结论与展望 75
6.1 结论 75
6.2 新颖之处 75
6.3 不足与展望 76
参考文献 77
致 谢 81
-VII-

东北大学硕士学位论文 第1章 绪论
第1章 绪 论
1.1 课题来源及背景情况
内热式蒸汽回转干燥机属于回转干燥机系列，回转筒干燥机是一种处理大量物料的干燥机、是传统的干燥设备之一，目前仍被广泛应用于化工、建材和冶金等领域。其传热方式也有直接换热和间接换热等形式，其优点是结构简单，生产能力大，操作范围宽，连续化生产[1]。
传统回转筒干燥机的工作原理是：需要干燥的湿物料由皮带运输机或斗式提升机送到料斗，然后经料斗的加料机构通过加料管进入进料端。工作的主体是略带倾斜并能回转的筒体。物料从较高一端加入，载热体可与物料一并进入筒体或从低端进入与物料成逆流接触。物料借助于圆筒的缓慢转动，在重力的作用下，从较高一端向较低一端移动。筒体内壁上装有抄板或类似的装置（例如排管、通气管等），它把物料不断抄起又撒下，使物料与热空气的接触面积增大，以提高干燥速率并同时促进物料向前移动，不会有物料滞留死角等现象，干燥比较均匀。干燥过程中所用的热载体一般为热空气、烟道气或水蒸汽等。如果热载体（如热空气、烟道气）直接与物料接触，则经过干燥机后，通常用旋风除尘器将气体中夹带的细粉物料捕集下来，废空气则经旋风除尘器后放空[2]。
本课题所研究的蒸汽回转干燥机极大地拓宽了常规回转筒的使用范围，在保留转筒的处理量大、运行平稳优点的同时实现干燥，广泛地应用于化工、酿造、制药、肥料、城市污泥处理等方面。成本低、热效率高；产品品质好，粒度均匀；单机产量大。蒸汽管回转干燥机是一种热传导和热对流组合型干燥设备,以前主要应用于石化行业中HDPE、CTA、PTA等物料的干燥,其体积相对较小。
近年来,蒸汽管回转干燥机的市场需求出现了两种趋势,一方面其应用领域不断扩大, 除传统领域的应用外,还应用于铜精矿粉、煤粉、PIA 等物料的干燥。另一方面,由于被干燥物料的产量大、初始湿含量高, 使蒸汽管回转干燥机向大型化或超大型化方向发展。但是,相对市场需求的快速变化,对蒸汽管回转干燥机的理论研究比较滞后，其主要表现在以下方面。
（1）在市场需求出现上述两种趋势的变化以前,由于蒸汽管回转干燥机的应用范围较小,设备的设计依靠工程经验就可以满足工艺要求,对干燥机的传热、干燥机理缺乏系统研究,没有成熟可靠的数学模型。
（2）市场需求出现变化以后,对大型蒸汽管回转干燥机的蒸汽分配系统、凝液排放系统及传动系统等关键技术的研究不足,影响大型化干燥机运行的平稳性和可靠性[3-4]。
1.2 课题研究目的
虽然蒸汽回转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。而且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指导设计和生产还是主要方式，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进一步深入。本课题主要是针对蒸汽回转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分析软件对蒸汽回转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，在得到好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，为以后蒸汽回转干燥机的发展提供依据
1.3 干燥技术及两相流的数值模拟进展
最近20年关于干燥机的论文大量涌现，这种发展是在全世界范围内的共同发展，近年来，国外一些学者在研究木材干燥中采用了神经网络模型和考虑物料收缩的孔道网络等温干燥模型以及计算流体动力学模型（配有CFD商用计算软件）等。在加拿大等国的工业应用过热蒸汽干燥技术效果良好[5]。
由合肥水泥研究设计院研制成功的一种组合回转筒式烘干机，己申报国家专利。特点是设置多段不同形状的抄板，以及径向折流板和导向阻料圈，作用在于使物料沿轴向呈“波浪”向前“蠕动”，使物料在圆断面均匀撒落，延长物料通过干燥机的时间。在实际应用中，φ1.5×12m回转筒干燥机产量达6.5t/h，物料水分从19%可降到2%。合肥水泥院还研制有一种套筒式烘干机，该烘干机的特点是由两段不同直径的筒体同轴组合而成，该机长度缩短了50%，外筒体对内筒体保温，可减少散热损失，提高热效率。此种回转筒烘干机(φ2.2/φ1.5×5.5m)的设计能力为：烘干石灰石为7.5～8.5 t/h，烘干粘土为3.5～6.5 t/h，烘干矿碴为3～8 t/h
中国建材科研院水泥所研制了三筒式破碎烘干机，特点是由不等直径的三段筒体同轴组装而成。该机筒体长度大为缩短，厂房土建投资省；烘干机散热表面积小，热损失小，可提高烘干热效率；热交换表面积大，烘干机的容积利用率高。在粘土破碎烘干试验中，把300℃的热介质引入破碎机和烘干机，可使粘土水分由20%降低到8%。
日本研制出一种联合装置回转筒烘干机，该设备为φ5.4×23m 大型回转筒烘干机，主要特点是内部分段设置羽状扬料板，普形扬料板和铁链环，用于烘干各种矿石的产量达110～130 t/h，物料水分由12%降到4%。
芬兰生产的新型回转筒烘干机规格为φ2.4×24m，首段设直板形扬料板，中段设结构密集的套索板，其后为空筒段，尾部在筒壁上开设有φ20mm 的小孔，用以分离粉状和块状物料。
由原民主德国和苏联合作设计了一种回转筒烘干机，主要特点是共设有四种结构形式的扬料装置，并呈多段、交叉布置。
美国生产的新型回转筒干燥机的结构特点是设置了五种结构形式的扬料板和阻料圈；扬料板呈不同高度，进料端较高，向出料端逐渐降低；在筒体端面上装有可调整位置的环形挡板，构成阻料圈，从而可延长物料在干燥器内的停留时间。
DJH 型烘干机是国内开发的成果之一，依据物料特性和烘干运行的具体条件，确定扬料板的结构尺寸、烘干机运行转速和安装坡度，以最佳组合参数运转，实现成倍地提高烘干能力。有制造简单，维修方便，维修所需备品备件少等特点。并可通过采取筒体保温措施减少散热损失，提高烘干热效率[6]。
随着人们对回转筒干燥机研究的不断深入以及生产经验的不断积累，问题将会得到进一步的解决。回转筒内抄板的结构形式对干燥效果的影响，回转筒转数、倾斜度、干燥介质温度、速度对干燥速率的影响，将得到进一步的研究。
国内对干燥过程的数值模拟研究也日渐增多。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，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，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[7]，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，武汉理工大学的研究生做了喷雾干燥烟气脱硫塔流场数值模拟[8]，采用湍流k-ε 模型及随机轨道模型，运用通用的计算流体动力学软件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，采用全隐式有限差分法求解得到模拟结果。综上所述可以看出，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[7-9]。
总的来看，着力开发有创新和突破性的干燥技术，注重干燥的理论研究与工业应用
相结合，并更加重视节能和环保问题将成为今后发展的主流。推动我国干燥技术的创新
与发展任重而道远，需要业界加强联系，联合攻关，也需要得到政府相关主管部门的支
持，才能使我国干燥技术的发展有一个新的飞跃。
另外，本课题主要涉及到湍流气固两相流数值模拟。在气固两相流的理论研究方面，目前广泛采用了双流体模型和动力学方法，但采用的基本方法还是根据某一确定模型，忽略次要因素的影响，简化模型，再用实验对比验证或用计算机模拟对比。由于实验的复杂性，实际的试验研究、实验对比比较缺乏，而更多的是数值方法的模拟。
双流体模型即把颗粒相和流体相都当作流体处理，是建立在连续介质理论和拟流体理论基础上的方法，而连续介质理论，要求把许多的颗粒包含在一个微元体中，并假设离散的颗粒相仅仅改变连续相的流动特征。
在双流体模型中，颗粒相被假定为第二种流体，依靠一些闭合模型如颗粒剪应力、离散、动能扩散等辅助求解。从连续介质理论的观点来看，流体和离散的固体颗粒都被视为连续介质，各有其相应的密度。尽管如此，有时很难从稀相流体中的固体颗粒间找到连续介质中流元间所具有的那种密切联系，因此，应该对颗粒相发展高级的模型。一种在描述两相流方面很有潜力的方法是，类比气体分子运动论，基于颗粒运动的速度分布函数求解颗粒浓度分布。这种方法也许能导致精确解的获得，但目前仅限于简单的流动[7]。
在双流体模型的研究方面，国内学者作了许多工作。随着近代气固测试技术和数值计算方法的蓬勃发展，气固两相流动的研究不再停留在以经验分析为主的水平上，而着重于建立物理模型和数值计算及数值模拟方面。田贵山（1998）等分析了气固两相湍流在垂直管道内的流动，利用热力学守恒气固两相流湍流模型，考虑流体流动为高雷诺数的情况，建立了垂直管道内二维气固两相流湍流模型。使用SIMPLER算法，利用气相与固壁无滑移、固相与固壁有微小滑移的条件，计算了一种实际流动，结果表明，因为固体颗粒的脉动，使气相的湍流流场更加趋于平缓。叶桃红（2001年）等利用双流体对航空发动机加力燃烧室的湍流两相流燃烧过程进行了数值模拟，数值计算方法为非正交曲线坐标系下非交错网格的SIMPLER方法，差分网格采用区分方法生成，计算是对整个流场分区迭代直至得到收敛结果，充分考虑了两相之间的质量、动量和能量的相互作用，计算出气相流场和火焰形状符合实际情况。毛靖儒等（2000年）应用双流体模型，在贴体坐标系下计算弯管内的气固两相流场，提出两种气动防磨措施并进行了数值模拟，发展了一种检验弯管内气动防磨方法有效性的数值手段，结果表明改变弯管进出口颗粒相浓度分布的措施比改变弯管弧度对减少弯管外壁面磨损更有效。曾卓雄等（2000年）在DISPAR算法的基础上，推导了适用可压密相的两相湍流流动数值计算的CDIPSAR算法，利用提出的可压密相的两相k-ε低湍流雷诺数模型，用CDIPSAR算法，对竖直上升管中可压密相气固两相流湍流流动进行了数值计算，同时考虑了密度变化和体积分数变化的影响。魏进家（1998年）等采用双流体模型，在气固两相流的流体相湍流模型中计入颗粒轨迹的影响，采用低雷诺数模型，对竖直上升管中气固两相流进行了数值模拟，较好地揭示了流体相湍流强度随颗粒大小、体积、浓度变化的规律[11-12]。
计算机速度的快速提高，使直接跟踪离散颗粒场中的每一个颗粒的数值模拟成为可能，促进了气固两相流的发展。王学谦和倪晋仁提出对不同相结合连续介质理论和动力学方法来描述液固两相流系统，数值模拟方法建立在分别对流体和固体颗粒进行欧拉描述和拉格朗日描述的基础上，袁竹林（1999）分别用欧拉方法处理气相场和拉格朗日方法处理离散颗粒场，在处理颗粒场时考虑到颗粒直径、比重、材料的刚度、摩擦系数等对颗粒运动的影响，在极少的人为假设下，首次采用三维湍流气相场和三维离散颗粒场对稠密气固两相流进行直接数值模拟，发挥欧拉方法和拉格朗日方法的长处，得到符合实际的模拟结果。陆慧林等（2000年）基于气固两相流动模型计算循环流化床内稠密气固两相湍流流动，颗粒动理学方法模拟颗粒相湍动能，SGS模型模拟气相湍流采用射线密度计和非等速取样管测量局部颗粒浓度和流率，利用FET方法计算颗粒浓度功率谱密度，模拟计算得到上升管内气相和固相的速度和浓度分布[13-14]。
总之，随着计算机和数值方法以及测试技术的发展，气固两相流的研究已经进入了一个新的阶段，成为流体力学研究的一个热门课题。
1.4 内热式蒸汽回转干燥机的工作原理
蒸汽回转干燥机的工作原理：需要干燥的湿物料由皮带运输机或斗式提升机送到料斗，然后经料斗的加料机构通过加料管进入进料端。工作的主体是带有进料螺旋板、扬料抄板和出料螺旋板并能回转的筒体。物料从入料口加入，在干燥初期，物料落到入料口下方由倾斜抄板构成的长槽内，湿物料受筒体内进料螺旋板的托带，伴随回转筒逐渐回转到转筒上方的同时，抄板托带的物料沿轴向向前撒向干燥腔体内，干燥腔体内通有高温的干燥气体和通入高温蒸汽的阵列蒸汽管，物料在腔体内吸热使物料升温，水分蒸发，经过旋转的扬料抄板的反复抛扬和热风的吹动作用下向前移动。由于物料受到重力的作用，当到达干燥腔体后部时，颗粒大的物料落入出料口，由出料螺旋运出干燥机。颗粒小的少部分物料随着气体的夹带由出风口运出干燥机并由旋风分离器回收。
筒体内壁上装有链条和抄板，链条可以防止湿物料与蒸汽管壁之间出现粘贴，抄板把物料不断抄起又撒下，使物料与热空气的接触面积增大，在提高干燥速率的同时促进物料向前移动，不会有物料滞留死角等现象，物料下降的过程中湿物料与蒸汽管壁之间发生热传导（以饱和水蒸汽形式流入，以冷凝水形式流出，过程中释放大量的热），与热风发生热对流，在组合干燥的情况下，使干燥更加均匀。干燥过程中所用的热载体为热空气和饱和水蒸气，通过直接和间接与物料的接触，将物料中的水分蒸发掉。通常用旋风除尘器将热风中夹带的细粉物料捕集下来，废空气则经旋风除尘器后放空[11]。

图1.1蒸汽回转干燥机的示意图[2] 图1.2筒体内截面图
Fig. 1.1 Sketch map of stream rotary dryer Fig. 1.2 Section graph of rotary dryer
图1.1所示是蒸汽回转干燥机的示意图
a.蒸汽管：在回转筒内均布着72跟蒸汽管，用来传导换热。
b.热风炉：提供高温的热风流。
c.回转筒(干燥主机)：回转干燥机的主体，进行着传热和传质的过程，其内部有进料螺旋板、扬料抄板、出料螺旋板。
d.传动装置：装置由电机、齿轮、减速器和齿圈等部分组成。电动机经减速器减速，传递给齿轮和齿圈等部件，带动回转筒转动。
e.支撑装置：滚筒干燥机的支撑装置包括滚圈、托轮和挡轮，回转筒的重量经滚圈传递给托轮。
f.进料装置：物料从入料口进入滚筒干燥机，在热风、进料螺旋板，扬料抄板、出料螺旋板的作用下沿回转筒向前移动。
g.出料装置：被干燥的物料运行到出料口排出，废气经除尘后由引风机排除。
h.保温装置：本文研究的筒体由保温材料包围，起到了减少热量消耗的作用。
1.5 主要研究内容与方法
以蒸汽回转干燥机的EXCEL图纸为基础，建立此干燥机回转筒内流体的计算模型，进而更深入了解其工作原理，以典型的物料为干燥对象，对有蒸汽管间接导热的回转筒干燥机进行气固两相的数值模拟，探求其中气体流动特征和物料的运动特征，寻找各操作参数对于干燥机内流场，温度场和相关参数的影响，为适当选择操作参数和以后的结构优化与改进奠定基础。
本课题依据热力学和流体力学的相关原理，借助计算流体力学（CFD）分析软件对内热式蒸汽回转干燥机筒内的流场和温度场进行数值模拟。具体实施方案如下：
（1）采用CFD软件Pro/E进行三维建模，建立干燥机的流体区域的三维实体模型。
（2）将三维模型导入到网格划分模块GAMBIT，对模型进行分块网格划分，设置模型的各个边界条件和区域类型，MESH输出文件。
（3）根据已知条件，利用质量守恒方程、能量守恒方程、动量守恒方程，求出分析所需的各类边界条件。
（4）打开CFD软件FLUENT读入网格文件并进行求解设置，利用软件的UDF功能和用户自定义功能编写蒸发模型程序和物料的物理性质程序并定义管壁的材料。
（5）对单相，气固两相，和空气、物料、蒸汽组成的三相混合物分别进行流场和温度场的数值模拟。
（6）对求解的流场和温度场分布图进行分析，得出不同参数对干燥机工作性能的影响。
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东北大学硕士学位论文 第2章 计算流体力学和热力学基础
第2章 计算流体力学和热力学基础
2.1 计算流体力学
2.1.1 引言
流体力学研究的对象是流体。流体与固体的最大区别就在于：流体没有运动是不能反抗剪力或剪应力作用的。流体通常又分为液体和气体。液体的分子间有凝聚力，所以有一定的体积，但是没有确定的形状。注入任何容器的液体，都将在容器内填满一个与液体自身体积相同的空间，而与容器的形状无关。液体的可压缩性很小，其密度随温度和压强的改变也很小。而气体则是由大量运动着的分子组成，分子之间相互碰撞，不断扩散。气体没有确定的体积和形状，气体会充满它所注入的任何容器。对于一定量的气体或者气体系统，其压强、温度和体积之间存在一定的关系，即气体的状态方程。
在流体力学中我们所用的数学模型是连续介质。连续介质是假设流体分子之间的距离（更确切地说，是流体分子运动的平均自由程）相对于流体力学问题中的任何宏观物理尺度非常小，我们就可以选择这样的流体微团，在宏观上足够小，微观上足够大（包含足够多的流体分子），因此所有（微积分中的）数学极限的过程都是有意义的。FLUENT只能解决基于连续介质假设的流体力学问题。对于不满足连续介质假设的流体力学问题（例如稀薄气体动力学问题）需要用另外的研究方法，如分子运动论，直接模拟蒙特卡洛法等[15]。
流体力学中有五个基本变量：三个速度分量和两个热力学参量。例如压强、温度、密度、焓和滴中任何两个热力学参量，都足以确定流体的热力学状态，因此也可以确定出所有其他的热力学参量。一旦确定了三个速度分量和两个任意的热力学参量随时间和空间变化的规律，我们就可以完全确定出流体的流场。
2.1.2 流体力学的相关概念
（1）理想流体（Ideal Fluid）和粘性流体（Viscous Fluid）[16-18]：
流体在静止时虽不能承受切应力，但在运动时，对相邻的两层流体间的相对运动，即相对滑动速度却是有抵抗的，这种抵抗力称为粘性应力。流体所具备的这种抵抗两层流体相对滑动速度，或普遍说来抵抗变形的性质称为粘性。粘性的大小依赖于流体的性质，并显著地随温度变化。实验表明，粘性应力的大小与粘性及相对速度成正比。当流体的粘性较小（实际上最重要的流体如空气、水等的粘性都是很小的），运动的相对速度也不大时，所产生的粘性应力比起其他类型的力如惯性力可忽略 不计。此时我们可以近似地把流体看成无粘性的，这样的流体称为理想流体。十分明显，理想流体对于切向变形没有任何抗拒能力。这样对于粘性而言，我们可以将流体分为理想流体和粘性流体两大类。应该强调指出，真正的理想流体在客观实际中是不存在的，它只是实际流体在某些条件下的一种近似模型
（2）热传导（Heat Transfer）及扩散（Diffusion）：
除了粘性外，流体还有热传导及扩散等性质。当流体中存在温度差时，温度高的地方将向温度低的地方传送热量，这种现象称为热传导。同样地，当流体混合物中存在组元的浓度差时，浓度高的地方将向浓度低的地方输送该组元的物质，这种现象称为扩散。
流 体的宏观性质，如扩散、粘性和热传导等，是分子输运性质的统计平均。由于分子的不规则运动，在各层流体间交换着质量、动量和能量，使不同流体层内的平均物 理量均匀化，这种性质称为分子运动的输运性质。质量输运宏观上表现为扩散现象，动量输运表现为粘性现象，能量输运表象为热传导现象。
理想流体忽略了粘性，即忽略了分子运动的动量输运性质，因此在理想流体中也不应考虑质量和能量输运性质——扩散和热传导，因为它们具有相同的微观机制。
（3）压缩性：指作用在流体上的压力变化可引起流体的体积变化或密度变化，这一现象称为流体的可压缩性。压缩性(compressibility)可用体积压缩率来量度.
（4）粘性(viscosity)：指在运动的状态下流体所产生的抵抗剪切变形的性质。粘性大小由粘度来量度。流体的粘度是由流动流体的内聚力和分子的动量交换所引起的。粘度有动力粘度 和运动粘度 之分。动力粘度由牛顿内摩擦定律导出：
(2.1)
式中： 为切应力，；为动力粘度，;为流体的剪切变形速率。
运动粘度与动力粘度的关系为：
(2.2)
式中： 为运动粘度，；为流体密度，。
（5）质量力(body force)，与流体微团质量大小有关并且集中在微团质量中心的力。在重力场中有重力mg；直线运动时，有惯性力ma。质量力是一个矢量，一般用单位量所具有的质量力来表示，其形式如下：
(2.3)
式中：， ， 为单位质量力在各轴上的投影。
（6）表面力(surface force)，大小与表面面积有关而且作用在流体表面上的力称为表面力。表面力按其作用方向可以分为两种：一是沿表面内法线方向的压力，称为正压力；另一种是沿表面切向的摩擦力，称为切向力。
对于理想流体的流动，流体质点只受到正压力，没有切向力；对于粘性流体的流动，
流体质点所受到的作用力即有正压力，也有切向力。
（7）静压、动压和总压：
对于静止状态下的流体，只有静压强。对于流动状态的流体，有静压强(st