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粉体均化过程数值计算分析

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《化工装备技术杂志》2015年第二期

1计算控制

求解过程为非稳态迭代计算,时间步长0.02s,时间步内最大迭代次数为20次,回转时间为20min,由此计算步数设定为60000步(1200s÷0.02s/step=60000step)。计算迭代次数共计不超过60000×20=1200000次。考虑到模拟计算过程的复杂性及耗时性,每个时间步内的收敛精度采用常用值,即连续性方程、动量方程、κ-ε方程中相关参数精度小于10-3收敛。

2计算结果与讨论

2.1粉体体积分数随时间的变化云图图2~图5所示为0s、1s时刻的滑石粉体积分数云图。可以发现,随着回转圆筒的顺时针旋转,滑石粉逐渐开始滑动,在达到滑石粉的安息角后,物料开始滑落,覆盖在小苏打物料的料床表面上,并逐渐聚集成堆。这点与纯流体的混合情况完全不同,说明粉体拟流体假设既区别于纯流体,也区别于纯固体,符合粉体物性的两重性。图6~图9依次为60s、360s、720s及1200s时滑石粉体积分数云图。可以发现,随着时间的推进,粉体最大体积分数逐渐下降,降至理论均值附近后平稳。其变化过程如图6~图9所示。

2.2定量分析粉体体积分数变化情况利用云图可以对模拟结果进行定性分析,简单直观、清晰明了,但定性分析不涉及详细结果数据,而定量分析往往更具准确性和说服力。为详细研究滑石粉与小苏打混合效果随时间的变化情况,将旋转区域X方向及Y方向分别按照200mm的间距进行等分,则可以划分为如图10所示的16个区域。根据实验观察及云图显示,在运动过程中,滑石粉及小苏打主要存在于左下侧区域,即9、5、1、2、3区。定性计算考察混合均化过程中粉体体积分数(平均值)随混合时间的变化情况,由于粉体均化过程中单个粉体运动随机性较大,考虑到数据处理,选择左下侧5个物料混合区域各随机取点2次,获得滑石粉10组体积分数,然后对数据进行计算处理,计算得出滑石粉在不同时间点上的均值与标准差。完全混合的情况下,滑石粉体积分数的均值应为50%,标准差理论值为0。图11所示为滑石粉体积分数均值及方差的变化曲线。模拟计算所取样本的均值与方差曲线较为平顺,最终样本方差数值为0.001013736。计算时,首先观察样本均值随时间的变化情况,可以发现其围绕50%上下波动,变化不大,说明5个取值区域基本代表了粉体物料的均化状态。计算结束时,滑石粉体积分数为0.49955,与模拟计算理论均值0.5相比,误差-0.1%;与真实试验的样本均值0.4972相比,误差1.55%,符合工程要求。

但均值曲线无法表征混合程度的进展情况,信息量较少,而采用方差却可有效表征。混合初期,滑石粉的体积分数采样值比较杂乱,波动较大,导致其样本方差较大。随着混合时间的增加,样本方差呈现逐渐下降的趋势,说明粉体的混合程度偏向均匀化。随着时间进一步增加,其方差的变化趋势逐渐平稳,说明粉体混合均化程度变化不大。最终滑石粉体积分数样本方差为0.00101,该数值已基本满足工程应用要求。

3结论

本模拟首先对物料混合进行理论分析,建立欧拉多相流数学模型,制定求解方法并开展计算;然后对计算结果进行定性和定量分析,并将模拟数据与试验数据进行对比。具体得到如下结论:(1)均化过程初期滑石粉(或者小苏打)的流动情况表明,粉体具有两重性,其流动既区别于纯流体,也区别于纯固体。(2)粉体最大体积分数随回转时间的增长而逐渐下降,降至理论均值附近后变化不再明显,说明回转筒内粉体浓度均呈现下降趋势。(3)不同时刻样本均值围绕理论均值波动,但样本方差逐渐减小并趋于平稳,说明粉体混合趋于均匀。(4)与试验参数对比发现,滑石粉体积分数与模拟计算理论均值相比,误差均小于10%;与实验所测样本均值相比,误差小于10%,符合工程化要求,计算模型验证有效。

作者:韩坤何建铧彭东辉何洁宁李志刚徐静安单位:上海化工研究院

化工装备技术杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次
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