食品冻干机冷阱室内气流组织数值模拟及节能优化研究

因此 ,其流动过程主要受质量守恒定律 、动量 守恒定律和能量守恒定律的控制 。这些方程也构
成了对冷阱室内气体流动的控制方程 :
质量守恒方程 (连续性方程 ) ,即单位时间内
流体微元体中质量的增加 ,等于同一时间间隔内
流入该微元体的净质量 :
5ρ 5t
+
5
(ρu ) 5x
+
5
(ρυ) 5y
+
5
(ρw 5z
机械能转换为热能的部分 , 简称粘 性耗散项
式 (2) 、( 8) ～ ( 11) ,共有 u、v、w、P、T 和 ρ 6 个未知量 ,加上联系 P 和 ρ的气体状态方程 , 组 成封闭的方程组 , 同时由于需要模拟的冷阱室内 的流体流动的 R e 处于层流区 , 不需要增加湍流 方程 ,也即此处模拟冷阱室内流场的控制方程组 。 3. 2 控制方程的边界条件 [3 ]
流体 ,流动为非定常流动 ; (3) 冷阱室内与外界无热交换发生 ,为绝热
体; (4) 冷阱盘管冷壁面看作是温度为 - 60℃的
恒温冷壁面 ;
(5) 计算微元体体力只有重力 ,且 z轴竖直 向上 ;
(6) 冷阱室内流体的雷诺数经计算小于 2300,即流动状态为层流 ,即流体在流动过程中两 层之间没有相互渗透 ;
1 前言
冷阱 (水汽凝结器 )是冻干设备的重要组成部 分 ,同时又是冻干机设计中的难点 。冷阱要求通 导能力好 ,保证气体流动 ;水蒸气与冷阱盘管外表 面碰撞几率高 ,提高捕集水蒸气的效率 ,保护真空 泵正常运转 ;冷阱捕水面积大 ,保证设备有足够的 捕水能力 ;水汽凝结器捕水匀可靠 ,提高冷阱捕水 面积利用率 。然而 ,在实际设计中 ,由于缺乏对冷 阱室内气流组织的研究 ,设计出来的冷阱结构庞 大 ,造价高 ,结构不合理 ,造成水汽凝结器结霜不 均 ,冷阱捕水能力下降 [ 1、2 ] 。本文利用 CFD 数值 模拟方法 ,模拟冻干机冷阱室内的气流组织 ,并在
导流板 150 ×100
WALL 边界条件 ,铝
3 数值模拟求解
3. 1 建立控制方程 [ 3 ] 在对冷阱室内的气流组织的模拟时 ,为了简
化计算模型 ,建立数学模型时作如下假设 : (1) 模拟过程中 ,冷阱室内的流体选用干空
气 ,不考虑其在冷阱盘管壁面的相变过程 ; (2) 冷阱室内流体为不可压缩的常物性牛顿
因此 ,温度方程中相应的源项为 :
Sp
=
-
u
σ
cp
Δyp
A
cell
Sc
=
-
u
σ
cp Tw
Δyp
A
cel
l
( 16 )
通过源项线性化过程 , 可以得出源项中固定
热流通量 :
qS = Sc + Sp Tp
( 17 )
对于绝热的壁面 ,有 : SC = SP = 0。
3. 3 模型网格划分
本文在 Gambit软件中 ,采用非结构化对读入
74 FLU ID MACH INERY Vol137, No110, 2009
文章编号 : 1005—0329 ( 2009) 10—0074—05
食品冻干机冷阱室内气流组织数值模拟及 节能优化研究
张 华 ,方金杰
(安徽科技学院 ,安徽凤阳 23300)
所以 ,在 u 动量方程中相应源项为 :
( 13 )
SP = - uΔuypp Acell
( 14 )
壁面温度恒定的情况下 , 从壁面传递到近壁
面单元中的热量计算式为 :
qS
=
-
u
σ
cp
( Tp Δyp
TW
)
A ce l l
( 15 )
式中 Tp ———节点温度 , K σ———层流的 Prandtl数
Num er ica l S im ula tion of A ir2flow O rgan iza tion in the Ch illing Cham ber of Freeze D r ier and its Rea serch for O ptim iza tion of Energy Con serva tion
收稿日期 : 2009—04—13 基金项目 : 安徽省教育厅自然科学研究项目 ( KJ2009B073Z)
2009年第 37卷第 10期 流 体 机 械
75
隔热 ,故冷阱室视为与外界绝热的系统 。冷阱室 内各物理模型的参数见表 1。
( a) 未加导流板
Su 、、Sv、Sw ———动量守恒方程的广义源项 由于假设中流体为粘性不可压缩的 , 微元体 力只有重力 ,且 z轴竖直向上 ,故可得 :
Su = Sv = 0
(6)
Sw = - ρg
(7)
则式 (3) 、(4) 、(5)改写为 :
76 FLU ID MACH INERY Vol137, No110, 2009
之和 :
5 (ρu) 5t
+
5
(ρuu 5x
)
+
5
(ρuυ) 5y
+
5
(ρuw 5z
)
=
5 5x
(
u
5u 5x
)
+
5 5y
(
u
55uy )
+
5 5z
(u
5u 5z
)
-
5P 5x
+ Su
(3)
5 (ρv) 5t
+
5
(ρvu ) 5x
+
5
(ρvυ) 5y
+
5
(ρvw 5z
)
=
5 5x
(
u
55xv)
+
摘 要 : 建立了冻干机冷阱室的几何模型 , 阐述了内部气流组织的控制方程及其边界条件 。进行了有限元网格的划 分 ,并采用数值模拟的方法进行了冷阱室内流场和温度场的分析 。通过添加导流板前后的模拟结果对比 ,能够看出加导 流板后的模型流场比不加导流板的均匀 ,能够对改善冷阱室内的气流组织起到一定的积极作用 。 关键词 : 冷阱 ;数值模拟 ;流场 ;温度场 ;导流板 中图分类号 : TB65 文献标识码 : A doi: 10. 3969 / j. issn. 1005 - 0329. 2009. 10. 017
ZHANG Hua, FANG J in2jie (Anhui Science and TechnologyUniversity, Fengyang 233100, China)
Abstract: The geometry model of the chilling chamber of freeze drier is created. The control equation and edge conditions of the air2flow organization in the chilling chamber are established. The finite element mesh is divided and the flow field and temperature filed in the chilling chamber are analysized app lying the numerical simulation mehtod . the flow field of the modle is more uniform than that of the chilling chamber after the guide p late is added by the comparasion of the simulation result after the guide palte is added . The positve effect on imp roving the air2flow organization of the chilling chamber is achieved. Key words: chilling chamber; numerical simulation; flow field; temperature field; guide p late
冷阱室内的流动为层流 , 如果将壁面作用力 计入离散方程的源项 ,壁面的剪切应力为 :
τ w
= uΔuypp
( 12)
式中 up ———近壁面的网格点处的速度 , m / s
式 ( 6) ～ ( 12)表明速度与到壁面的距离成线 性变化 。因此 ,剪切力表达式为 :
FS = - τwAcell = - uΔuypp Acell 式中 Acell ———控制体在壁面处的面积 , m2
5 (ρu) 5t
+
5
(ρuu 5x
)
+
5
(ρuυ) 5y
+
5
(ρuw 5z
)
=
5 5x
(
u
55ux )
+
5 5y
(
u
5u 5y
)
+
5 5z
(
u
5u 5z
)
-
5P 5x
(8)
5 (ρv) 5t
+
5
(ρvu 5x
)
+
5
(ρvυ) 5y
+
5
(ρvw 5z
)
=
5 5x
(
u
5v 5x
)
+
5 5y
(
u
55yv)
+
5 5z
(
u
55vz )
-
5P 5y
(9)