摘要
多通道烘缸可有效排除烘缸通道内的冷凝水,从而降低能耗,提高干燥效率。但是多通道烘缸旋转速度较高,很难通过实验方式对烘缸的冷凝传热过程进行测量。因此,本研究应用Fluent软件中的VOF两相流模型对多通道烘缸中蒸汽冷凝传热特性进行了数值模拟。以多通道烘缸的旋转速度作为变量,得出了冷凝水含量、传热系数及流动压降的变化规律。结果表明,随烘缸转速升高,通道内冷凝水量增多,传热系数及压降也增大,但是增幅趋缓。
传统烘缸由于冷凝水无法及时排出而产生的冷凝水环会导致烘缸热阻增加,使得纸机干燥部能耗增大。为解决这一问题,笔者所在团
为研究多通道烘缸的传热能力,需对其通道内的冷凝情况进行研究。现有的研究多集中于静止状态下多通道烘缸的传热特性的实验研
本研究采用Fluent软件中的VOF模型,结合UDF自编程序,对旋转状态下多通道烘缸通道内蒸汽冷凝传热特性进行了系统研究。主要研究了烘缸转速对通道内冷凝水含液量、蒸汽冷凝传热系数以及流动压降的影响,为寻找多通道烘缸的最佳工作条件,设计多通道烘缸提供参考及依据。
笔者采用空气及水作为流动介质,忽略其可压缩性,认为其在流动周期内压力梯度恒定,可列出其质量守恒、动量守恒及能量守恒方程如式(1)~式(3)所示。
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式中,u、v均表示速度分量;Re为雷诺数;Pr为普朗特数; 为温度, 。
多通道烘缸通道的物理模型如
(a) 物理模型
(b) 通道模型
图2 多通道烘缸物理模型图
在ANSYS软件中通过加载自编写UDF来实现冷凝的流固界面以及气液界面的传质过程,实现对冷凝过程的物理描述,进而详细求解冷凝传热传质过程。
网格的划分对模型的计算结果有很大影响,依据不同的分类方法,网格可分为均匀性网格、非均匀性网格以及结构化网格、非结构化网格。对于本研究来说,因为物理模型的结构较为简单规则,所以采用质量最高的六面体结构化网格对其进行划分,考虑到在蒸汽通道内,气液两相流间会产生较强的界面波动,其波动特性较为复杂,因此需对蒸汽通道边界处的网格进行加密处理用以捕捉边界层处的液膜。在本研究中,通过对通道边界层不断进行加密,使得网格数量分别为96000、546000、756000及926000个。
对于Fluent模型计算来说,网格数量越多,计算对于流动界面的捕捉也越细致,计算结果也会越精确。但是,较大的网格量会使得计算量变大,计算时间变长,所占用的计算机内存也会越大。因此,应选择合适的网格数量,使其在满足模型计算精度的要求下,同时减短计算时间,减小占用内存。
图1 多通道烘缸示意图
图3 网格无关性验证
为研究旋转速度对烘缸冷凝传热特性的影响,分别对通道在静止时,旋转速度为23、32、39、45及50 r/min,即对应过载分别为0、0.5g、1g、1.5g、2g及2.5g(g为重力加速度)时的蒸汽冷凝传热过程进行了模拟。
通道内的冷凝水量随烘缸转速的变化如
图4 冷凝水量随烘缸转速的变化
通道静止(过载为0)
烘缸转速23 r/min(过载为0.5g)
烘缸转速32 r/min(过载为1g)
烘缸转速39 r/min(过载为1.5g)
烘缸转速45 r/min(过载为2g)
烘缸转速50 r/min(过载为2.5g)
图5 不同转速下通道内的冷凝水分布云图
本研究采用Fluent 软件中的VOF模型,通过加入自编UDF程序,对多通道烘缸内的蒸汽传热特性进行了数值模拟和分析。得出了通道内冷凝水量、蒸汽传热系数及流动压降随烘缸转速的变化规律。
研究结果表明,随着烘缸转速的增加,通道内的冷凝水量增加,但总体来说,由于后续蒸汽的推动作用,通道内冷凝水量较少。传热系数也随烘缸转速的增加而增加,但是增幅趋缓。通道内的流动压降也随转速的增加而增大,但增幅也同样趋缓。
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