一种褐煤微波干燥炉流场数值模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种褐煤微波干燥炉流场数值模拟方法。
【背景技术】
[0002] 我国已探明的褐煤保有储量占全国煤炭总储量的13%，但是褐煤的高含水量 (20%-50% )给褐煤的应用带来了诸多问题。为了提高褐煤的利用效率，提高褐煤的品质， 通常需要对褐煤进行干燥。
[0003] 微波干燥是利用微波的热效应，将微波的能量传入介质材料，使其内能增加后以 水蒸气的形式释放的技术。与传统的干燥方式相比较，微波干燥具有快速、及时、选择性地 干燥物料，是未来物料干燥的一个重要发展方向。
[0004] 在微波干燥的研究中，不同干燥条件下，干燥过程可划分为4个阶段：
[0005] ①预热阶段褐煤温度迅速上升，含水率基本不变；
[0006] ②压力升高阶段内部蒸汽压力迅速升高，形成较高的总压力差，促使渗透流出现， 脱水率显著增大；
[0007] ③恒速干燥段，水蒸气流动的速度受内部传质阻力和所吸收的功率大小的影响；
[0008] ④降速干燥阶段，脱水率下降，温度升高。在降速干燥阶段微波的利用效率较低， 但是为了提高褐煤的干燥度最后一阶段却不可忽略。
[0009] 目前微波干燥机理和应用研究大部分在食品行业，如Rami Y. Jumah和 G. S. V. Raghavan研究喷动床中微波与热风联合干燥小麦的传热传质行为，根据非平衡动力 学理论建立了数学模型，研究微波干燥小麦的行为，表明微波和热风结合比单纯热风干燥 具有更高的干燥效率；东南大学的施明恒以中成药丸为对象，对微波与热风组合干燥进行 了实验研究，得到微波功率、物料尺寸、堆积程度、气流温度和气流速度对微波对流干燥速 度的影响。李涛以橡胶为对象，数值模拟橡胶微波加热变化过程，分析得出当微波加热时间 短时效率较高，胶料经微波加热后，其内部的焦耳热密度分布和温度分布不均匀，焦耳热密 度大小和温度大小随着微波功率的增大而增大。而采用微波对煤进行干燥的目前主要还是 实验室阶段，如杨虓等研究利用微波场对褐煤干燥特性的研究，得到褐煤脱水速率与微波 功率的关系。
[0010] 当微波辐射到褐煤上时，极性分子的运行将随微波场作用而运动，由于褐煤中水 分子以及相邻分子间的相互作用，产生了类似摩擦的作用，使水温迅速升高，脱离褐煤。由 于煤中蒸发的水分并不一定能被及时排出腔体，将会有一部分水汽滞留在腔体内，还会继 续吸收微波，促使温度上升，从而降低微波的干燥效率。
【发明内容】
[0011] 针对上述问题，本发明提供一种褐煤微波干燥炉流场数值模拟方法，对微波干燥 炉腔体内部空气中的水蒸气添加吸热源项，通过对微波干燥炉数值模拟，得到腔体内部流 场分布，为褐煤的微波干燥的理论和应用提供参考。
[0012] 为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
[0013] -种褐煤微波干燥炉流场数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0014] 步骤一：通过gambit软件建立微波干燥炉腔体的物理模型，并划分网格，设置模 型的边界条件，其中，物理模型的尺寸与试验微波干燥炉相同；
[0015] 步骤二：将腔体的物理模型导入fluent软件中，在fluent软件中设置求解模型， 并通过自定义选项加入水蒸汽吸热的UDF源项；
[0016] 步骤三：在fluent软件中计算求解模型。
[0017] 优选，步骤一中，划分网格的具体步骤如下：
[0018] 先划分腔体面网格，步长为0.1 -O. 5m ;
[0019] 再划分腔体体网格，步长为0. l-〇. 5m ;
[0020] 最后划分罩子表面网格，对罩子表面部分进行网格加密，同时进行整体划分时越 靠近罩子部分网格越密。
[0021] 优选，步骤一中，模型的边界条件如下：
[0022] 腔体入口设置为速度入口，腔体出口设置为自由流出口，栗出口设置为压力出 口，补风入口设置为压力进口，相邻两节单腔体间的上下出、入口设置为内部界面，并通过 fluent软件给边界条件设置初始值。
[0023] 本发明的有益效果是：本专利提出对干燥炉腔体内水蒸汽添加吸热源项，采用数 值方法对微波干燥褐煤腔体流场进行建模和求解，并与试验结果对比分析，验证数值方法 的可靠性；数值分析腔体结构变化对褐煤干燥速度以及微波效率的作用机理，得出腔体内 部温度、含水率、流速的变化规律，可以用于分析微波干燥效率随流场变化的原因，得出提 高微波脱水效率的腔体结构以及运行方法。
【附图说明】
[0024] 图1是本发明微波干燥炉单腔体模型的结构示意图；
[0025] 图2是本发明20节腔体主视图；
[0026] 图3是排气口温度试验值与计算值对比；
[0027] 图4是排气口含水率试验值与计算值对比；
[0028] 图5是工况a和b腔体温度变化曲线；
[0029] 图6是工况a和b腔体含水率变化曲线；
[0030] 图7是工况a和b腔体流速变化曲线；
[0031] 附图的标记含义如下：
[0032] L补风入口，2.微波入口，3.栗出口，4.上入口，5.隔板，6.下入口，7.上出口， 8.罩子，9.煤层，10.下出口。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领 域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限 定。
[0034] 一种褐煤微波干燥炉流场数值模拟方法，包括如下步骤：
[0035] 步骤一：通过gambit软件建立微波干燥炉腔体的物理模型，并划分网格，设置模 型的边界条件，其中，物理模型的尺寸与试验微波干燥炉相同。
[0036] 其中，微波干燥炉单节腔体模型如图1所示，实施例中设单节腔体长3m，宽3m，高 I. 7m，由20节单节腔体组成微波干燥炉生产线，如图2所示，全长60m，生产线运行过程中褐 煤通过皮带在腔体内从左向右运输，皮带位于腔体底部。在煤层9上面采用导流罩子8,导 流罩子8通过栗出口 3与栗体相连，形成负压抽取腔体内的水蒸气；而在腔体的顶部设置有 两个补风入口 1，用于防止腔体压力过低；每节腔体有上下两个入口，即上入口 4和下入口 6,两个入口之间设置隔板5 ;也有上下两个出口（上出口 7和下出口 10)，两个出口之间也 设置隔板。相邻单节腔体间的上下出、入口是为了便于腔体内气体流动，其中单节腔体均设 置有微波入口 2。
[0037] 腔体的模型建立以及网格的划分是在Gambit中完成。模型中腔体尺寸与试验的 干燥炉大小相同。在有限元分析中，网格划分的是否合适与计算结果的精度和计算效率息 息相关，网格划分的越细，计算精度越高，所花费的时间越长；反之，计算精度变低，所花费 的时间也越短。本专利中首先划分腔体面网格，再划分体网格，最后划分罩子表面网格。具 体操作如下：划分腔体面网格时Elements选择非结构化网格Tri (三角形网格单元），Type 选pave (非结构化网格划分），步长为0. 1-0. 5m(最好是0.1 m)，确认即可生成所需网格， 将所需各面都按照此方法划分网格。体网格的划分从Elements列表中选择TetVlybridGg 合单元），从Type中选择Tgrid(混合网格），步长为0. 1-0. 5m(最好是0. lm)，确认后即可 生成所需的体网格。
[0038] 网格质量对于数值计算的正确和稳定起着非常重要的作用，网格质量的特征是节 点的分布，光滑和偏斜，Fluent计算对网格质量的几个主要要求：网格质量参数Skewness 不能高于〇. 95,最好在0. 90以下，越小越好，否则使离散方程刚性增加，使迭代收敛减 慢，甚至困难；Alignment with the Flow就是估计一下网格线与流动方向是否一致，要 求尽量一致，以减少假扩散；要求在流动表面附近要有足够多的网格单元等，本次完全按 照上述要求进行网格划分。
[0039] 由于，罩子附近流动较为复杂，划分罩子表面网格时需采用Gambit中的Size Function按钮对罩子表面部分进行网格加密，同时进行整体划分时要求靠近罩子周围部 分密，20节褐煤微波干燥炉腔体的整体网格数为1000万左右。
[0040] 边界条件就是流场变量在计算边界上应该满足的数学物理条件，边界条件与初始 条件一起并称为定解条件，只有在边界条件和初始条件确定后，流场的解才存在，并且是 唯一的。FLUENT的初始条件是在初始化过程中完成的，边界条件则需要单独进行设定。本 模型的边界条件直接在Gamhit中设定：腔体入口设置为速度入口，腔体出口设置为自由流 出口，栗出口设置为压力出口，补风入口设置为压力进口，相邻两节单腔体间的上下出、入 口设置为内部界面。其中，在fluent中define_>boundary conditions…在Zone选项里面 选择对应边界，就可以给边界条件设置初始值。
[0041] 步骤二：将腔体的物理模型导入fluent软件中，在fluent软件中设置求解模型， 并通过自定义选项加入水蒸汽吸热的UDF(User define feature用户自定义特征）源项 (源项是通过将加热方程式编写为UDF程序）。
[0042] 优选，在fluent软件中设置求解模型的具体步骤如下：
[0043] (a)端流模型选用K-epsiIon模型，并通过自定义选项加入水蒸汽吸热的UDF源 项；
[0044] (b)压力-速度親合采用Simple算法，对流项差分格式采用二阶格式；
[0045] (c)边界条件初始值按照试验测量参数修改，对控制方程进行耦合求解，当流场中 残差小于10 4时认为收敛，控制方程具体如下：
[0046] 质量守恒方程：
[0047]
(3)
[0048] 组分质量守恒方程：
[0049] div ( P ucs) = div (Dsgrad ( P cs)) +Ss (4)
[0050] 动量守恒方程：
[0051]
(;5)
[0052] 能量守恒方程：
[0053