粉體均化過程數值計算分析范文

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《化工裝備技術雜志》2015年第二期

1計算控制

求解過程為非穩態迭代計算，時間步長0.02s，時間步內最大迭代次數為20次，回轉時間為20min，由此計算步數設定為60000步（1200s÷0.02s/step=60000step）。計算迭代次數共計不超過60000×20=1200000次?？紤]到模擬計算過程的復雜性及耗時性，每個時間步內的收斂精度采用常用值，即連續性方程、動量方程、κ-ε方程中相關參數精度小于10-3收斂。

2計算結果與討論

2.1粉體體積分數隨時間的變化云圖圖2~圖5所示為0s、1s時刻的滑石粉體積分數云圖。可以發現，隨著回轉圓筒的順時針旋轉，滑石粉逐漸開始滑動，在達到滑石粉的安息角后，物料開始滑落，覆蓋在小蘇打物料的料床表面上，并逐漸聚集成堆。這點與純流體的混合情況完全不同，說明粉體擬流體假設既區別于純流體，也區別于純固體，符合粉體物性的兩重性。圖6~圖9依次為60s、360s、720s及1200s時滑石粉體積分數云圖。可以發現，隨著時間的推進，粉體最大體積分數逐漸下降，降至理論均值附近后平穩。其變化過程如圖6~圖9所示。

2.2定量分析粉體體積分數變化情況利用云圖可以對模擬結果進行定性分析，簡單直觀、清晰明了，但定性分析不涉及詳細結果數據，而定量分析往往更具準確性和說服力。為詳細研究滑石粉與小蘇打混合效果隨時間的變化情況，將旋轉區域X方向及Y方向分別按照200mm的間距進行等分，則可以劃分為如圖10所示的16個區域。根據實驗觀察及云圖顯示，在運動過程中，滑石粉及小蘇打主要存在于左下側區域，即9、5、1、2、3區。定性計算考察混合均化過程中粉體體積分數（平均值）隨混合時間的變化情況，由于粉體均化過程中單個粉體運動隨機性較大，考慮到數據處理，選擇左下側5個物料混合區域各隨機取點2次，獲得滑石粉10組體積分數，然后對數據進行計算處理，計算得出滑石粉在不同時間點上的均值與標準差。完全混合的情況下，滑石粉體積分數的均值應為50%，標準差理論值為0。圖11所示為滑石粉體積分數均值及方差的變化曲線。模擬計算所取樣本的均值與方差曲線較為平順，最終樣本方差數值為0.001013736。計算時，首先觀察樣本均值隨時間的變化情況，可以發現其圍繞50%上下波動，變化不大，說明5個取值區域基本代表了粉體物料的均化狀態。計算結束時，滑石粉體積分數為0.49955，與模擬計算理論均值0.5相比，誤差-0.1%；與真實試驗的樣本均值0.4972相比，誤差1.55%，符合工程要求。

但均值曲線無法表征混合程度的進展情況，信息量較少，而采用方差卻可有效表征?；旌铣跗冢鄣捏w積分數采樣值比較雜亂，波動較大，導致其樣本方差較大。隨著混合時間的增加，樣本方差呈現逐漸下降的趨勢，說明粉體的混合程度偏向均勻化。隨著時間進一步增加，其方差的變化趨勢逐漸平穩，說明粉體混合均化程度變化不大。最終滑石粉體積分數樣本方差為0.00101，該數值已基本滿足工程應用要求。

3結論

本模擬首先對物料混合進行理論分析，建立歐拉多相流數學模型，制定求解方法并開展計算；然后對計算結果進行定性和定量分析，并將模擬數據與試驗數據進行對比。具體得到如下結論：（1）均化過程初期滑石粉（或者小蘇打）的流動情況表明，粉體具有兩重性，其流動既區別于純流體，也區別于純固體。（2）粉體最大體積分數隨回轉時間的增長而逐漸下降，降至理論均值附近后變化不再明顯，說明回轉筒內粉體濃度均呈現下降趨勢。（3）不同時刻樣本均值圍繞理論均值波動，但樣本方差逐漸減小并趨于平穩，說明粉體混合趨于均勻。（4）與試驗參數對比發現，滑石粉體積分數與模擬計算理論均值相比，誤差均小于10%；與實驗所測樣本均值相比，誤差小于10%，符合工程化要求，計算模型驗證有效。

作者：韓坤何建鏵彭東輝何潔寧李志剛徐靜安單位：上?；ぱ芯吭?/p>