多孔介質(zhì)及多孔板數(shù)值模擬案例

1、瓜子烘干機數(shù)值模擬分析原型：上圖是用gambit制作的物理模型，并劃分好網(wǎng)格和邊界層。設置參數(shù)：求解器：在本算例中，為了研究烘干機的最終溫度分布和烘干效率，我們采用穩(wěn)態(tài)求解器。由于風素不高，所以我們忽略空氣的可壓縮性，采用基于壓力的求解方式（pressure based）。因為存在空氣密度變化，所以需要計算重力影響。模型：考慮到多相模型涉及到水的潛熱和相變，計算過于復雜，本次數(shù)值模擬先在沒有水的條件下計算大概溫度分布和湍流強度。在粘性中選用k-湍流模型，并開啟能量方程。流體物性參數(shù)：本例中選用的是空氣作為流體工質(zhì)，由于空氣溫度在15-80之間變化，其部分物性參數(shù)存在很大差異，所以不能設定為常量

2、。在這里我們只需要考慮空氣的密度和溫度的函數(shù)關系。根據(jù)空氣物性參數(shù)表，用excel做出如下曲線：從圖中可以看出在該范圍內(nèi)空氣的溫度和密度存在線性關系，所以設定空氣密度時可以選用圖中幾個點，作為空氣密度線性方程的解，并以此設定空氣密度。固體物性參數(shù)：本例中的幾個墻面在計算時將其看作鋁材料，其導熱率為202.4W/mk多孔介質(zhì)區(qū)域參數(shù)：由于缺乏實驗數(shù)據(jù)，在設定多孔區(qū)域中的滲透項和慣性項時只能大概估計其阻力系數(shù)，在此我們將其暫設為如下：經(jīng)計算，該值對溫度擴散太大阻礙作用，所以該假設值可以認為適用。至于孔隙率，這里大概估計為0.5。工作環(huán)境：重力作用已經(jīng)在上面說過，這里不再重復。工作壓力這里設置為0a

3、tm，這樣方便設定隨后的進出口壓力。工作溫度這里根據(jù)當前氣候因素，設為288.15。邊界條件：有些邊界條件是根據(jù)幾次計算后設定的最價值，這里不重復敘述其過程，直接以最后設定值為準。多孔跳躍：這里的多孔跳躍，就是模型圖中所標志的多孔板，其材料為鋁，厚0.5厘米，其阻力系數(shù)還是和上面講述的一樣填入適用值。壓力出口：根據(jù)幾次計算結(jié)果，壓力出口的壓力設為3atm是比較合適的，其湍流參數(shù)保持默認。出口的回流溫度應設為高于外界溫度但是低于內(nèi)部溫度，這里將其設為310K。速度入口：根據(jù)大多數(shù)用于烘干谷物的風機功率，這里將入口速度設為10m/s，初始壓力設為4atm，這個邊界采用的湍流參數(shù)設定模型是強度-水力

4、直徑，這里只修改水力直徑數(shù)值，經(jīng)計算將其值設為0.5米較為適合。其入口溫度對應實際設備中干燥空氣的溫度，這里假設其溫度為80（353.15K）。墻面：這里的墻面由于內(nèi)部溫度變化因素不容易控制，所以不能用熱通量模型來設定，這里是用估計其最終值的方式來設定墻面固定點溫度以便考慮傳熱問題。這里根據(jù)幾次計算，認為將上部分墻面設為330K，將底面和下部分墻面設為340K是比較合理的。求解：在本算例中，考慮到動量方程會影響到溫度分布，所以應該用耦合求解的方式，并且由于我們的計算目的對溫度和壓力分布要求比較高，所以將其設為二階計算。經(jīng)過幾次計算發(fā)現(xiàn)湍流方程殘差曲線的收斂性不夠強，在這里直接略微下調(diào)湍流粘性系

5、數(shù)。上圖是最后計算的殘差曲線，可以看出迭代運算在進行330時趨于收斂。計算結(jié)果：穩(wěn)態(tài)溫度分布圖：從圖中可以清晰地看出設備內(nèi)部穩(wěn)態(tài)的溫度分布，紅色的是高溫區(qū)，這里和速度入口處在同一水平高度，在上面的區(qū)域中，溫度在中下位置最后，向其他方向溫度下降。多孔板溫度分布曲線：從曲線中可以得出以下幾點信息： 多孔板上溫度不是對稱分布。 多孔板上溫度梯度，前半段較大，中間較小，后半段又增大。 板上溫度最高的位置在板的三分之一處。多孔介質(zhì)出口溫度分布曲線：從曲線中可以得出以下幾點信息： 多孔介質(zhì)出口處的溫度分布有很強的對稱性，溫度是兩邊低，逐漸向中間升高，熱擴散性很好，這些在穩(wěn)態(tài)溫度分布圖中可以很清楚的看到。

6、在最后邊的溫度出現(xiàn)驟降，這和風道的設計有關，可以看出進入多孔介質(zhì)區(qū)域的流體在最后邊分布較少。湍流強度分布圖：從上圖中我們可以很清楚地看到，流體在多孔板前半段附近的湍流強度最大，是干燥瓜子最好的位置，為了改變多孔板附近的湍流分布，我們可以通過改變孔隙率的方式實現(xiàn)。下圖是調(diào)小多孔板的滲透阻力和慣性阻力后的湍流分布結(jié)果：比較調(diào)節(jié)前后的湍流分布圖可以得出一下結(jié)論： 湍流分布和多孔板的各項參數(shù)有關，通過調(diào)節(jié)多孔板的參數(shù)可以控制湍流強度分布以此來提高干燥效率。 多孔板的兩側(cè)湍流強度分布不均勻，不能通過改變多孔板參數(shù)來改善其分布，下表面的強度一定大于上表面，但是從中得到的啟發(fā)是，我們可以通過改變熱空氣進口的位置來干燥瓜子。改進后的模型根據(jù)第一次數(shù)值模擬結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)湍流強度在多孔板下方分布較好，上方較少，所以我們修改速度入口位置和方向，并改善部分模型來優(yōu)化流動分布。改進后的結(jié)果湍流分布圖：上圖的速度入口處質(zhì)量流量僅原模型的三分之一，但是其湍