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(shè)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(fēng)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(fù)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(shè)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(guān)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(guān)系，所以設(shè)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(shè)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(dǎo)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(shè)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(shè)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(shè)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(fù)。工作壓力這里設(shè)置為0a

3、tm，這樣方便設(shè)定隨后的進出口壓力。工作溫度這里根據(jù)當(dāng)前氣候因素，設(shè)為288.15。邊界條件：有些邊界條件是根據(jù)幾次計算后設(shè)定的最價值，這里不重復(fù)敘述其過程，直接以最后設(shè)定值為準。多孔跳躍：這里的多孔跳躍，就是模型圖中所標(biāo)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(shè)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(yīng)設(shè)為高于外界溫度但是低于內(nèi)部溫度，這里將其設(shè)為310K。速度入口：根據(jù)大多數(shù)用于烘干谷物的風(fēng)機功率，這里將入口速度設(shè)為10m/s，初始壓力設(shè)為4atm，這個邊界采用的湍流參數(shù)設(shè)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(shè)為0.5米較為適合。其入口溫度對應(yīng)實際設(shè)備中干燥空氣的溫度，這里假設(shè)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(shè)定，這里是用估計其最終值的方式來設(shè)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(shè)為330K，將底面和下部分墻面設(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)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(fēng)道的設(shè)計有關(guān)，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(guān)，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