基于ANSYS/FLOTRAN秸秆压块米乐·(中国)手机网页版流场的数值模拟
秸秆压块米乐·(中国)手机网页版是秸秆挤压膨化的关键设备,目前,关于秸秆压块米乐·(中国)手机网页版的研究还处于定性分析的初步阶段,深入了解秸秆压块米乐·(中国)手机网页版在螺杆压块米乐·(中国)手机网页版中的流场分布,有助于压块米乐·(中国)手机网页版结构参数的优化。
本文参照食品挤压膨化的数值模拟技术,运用ANSYS/FLOTRAN模块对秸秆压块米乐·(中国)手机网页版的流道进行数值模拟,为秸秆压块米乐·(中国)手机网页版的优化设计提供指导。
1、数值模拟
1.1几何模型的建立
对于挤压膨化米乐·(中国)手机网页版流道的分析,几何模型有三维和二维两种形式,二维几何模型可以对三维模型流道的中间段进行截面分解,在ANSYS中进行二维参数化建模,且容易加载,因此,本文采用二维截面进行分析,如图1所示.
1.2有限元模型建立
根据几何模型的形状,选用FLOTRAN单元中的FLUID
141的二维单元进行网格划分,并对流道的螺棱处进行网格细化.为了保证求解精度,采用自由网格划分,并且由粗到细进行多次网格的划分,取各监测曲线波动最小的网格为最终有限元网格.图2即为流道的有限元模型,其中单元数为698个,节点数为831个。
1.3工程假设
基于流体输送理论,作如下假设:
(1)流体流动为层流流动;(2)流场为稳定流
场;(3)惯性力、重力等体积力忽略不计;(4)流体为不可压缩流体;(5)流道壁面无滑移;(6)物料与螺杆内壁接触的地方摩擦生热,看成一个不断供热的热源。
1.4物理特性参数
参照其他物料在一定温度下的表观黏度数值,确定秸秆在挤压膨化过程中的表观黏度n=2 000 Pa.s.取密度为1 530
kg/m3,导热系数为0.10 W/(m.K),比热为330 J/(kg.K)。
1.5边界条件
根据秸秆压块米乐·(中国)手机网页版实际运转条件,流道分析的边界条件如下:
(1)米乐·(中国)手机网页版筒静止,螺杆旋转,米乐·(中国)手机网页版筒内壁速度为零,螺杆外表面速度在轴向上不为零,在径向上为零。
(2)压力边界条件采用计算域两端的压力差Ap=
Pi - P2.其中,Pi为出口压力,P2为入口压力。
(3)在挤压膨化过程中,物料受到来自螺杆剪切摩擦、物料内部相互摩擦和物料与米乐·(中国)手机网页版筒摩擦产生的热,此时,存在热传导、热对流和热辐射3种传热形式,但由于物料全部被米乐·(中国)手机网页版筒包围,因此,在分析中仅考虑传导热和摩擦热,螺杆热源的热通量,即由运动摩擦生成热通量计算式为‘4]:其中:产为秸秆物料与钢接触表面的摩擦因数;v为摩擦速度;,为两者接触面的摩擦力;n为螺杆的转速(
r/min);r为流道内部的平均半径(mm);p为平均压力值(MPa);q为热通量(W/m3)。
计算过程中,取u=0. 25;p=l.6 MPa;n-550 r/min;r= 78.5
mm;q=34 976 W/m2。
(4)假设入口处温度和米乐·(中国)手机网页版筒壁温度均为60。
1.6施加载荷
在ANSYS中,载荷可以施加在实体模型上,也可以直接施加在有限元模型上,其中,有限元模型的加载可将载荷直接施加在主节点上,因此,本文采用有限元模型的加载方式,进行边界载荷的施加,加载后的模型如图3所示。
2、结果分析
2.1压力分析
流道内的压力分布如图4所示,可以看出,压力分布的总趋势是沿挤出膨化方向逐渐增加,在螺杆的螺槽区域内,压力等值线分布较为均匀;接近螺棱顶部时,压力等值线的密度显著增加;并且,压力变化较大处发生在螺棱的流入端:这说明,螺槽区的压力变化较小,螺棱处的压力变化较。
2.2速度分析
图5所示为流道的速度分布,由图5可以看出,螺杆顶面物料速度较高,螺槽处物料的速度值小于螺棱顶端物料的速度值;速度梯度最大值出现在物料流体最薄处,而其他部分速度变化较小,物料流动平稳。
2.3温度分析
在秸秆膨化的过程中,温度是随着物料在膨化腔内的流动速度和压力而不断变化的,根据膨化米乐·(中国)手机网页版理可知,秸秆膨化产品质量的好坏与温度参数的变化有着直接的联系.图6描述了秸秆压块米乐·(中国)手机网页版流道内的温度分布状况.由图6可以看出,温度沿轴向逐渐增加,但非线性增加;越接近出口处,温度等值线越密,温度变化越大;温度最大处位于螺槽处,温度最小处位于贴近螺棱处。
膨化米乐·(中国)手机网页版的膨化米乐·(中国)手机网页版理可以从气体膨胀做功和水汽化做功两方面来考虑,气态方程,可以合理地解释物料的膨化过程,由于前面假设物料为不可压缩流体,可以认为物料在膨化腔内体积变化不大,因此,腔内温度近似与内部压力成正比.将温度轴向分布规律与2.1节的压力分布比较研究,可以看出,数值模拟结果与理论研究结果基本一致,
为研究不同螺距的螺杆对温度分布规律的影响,在保证其他参数不变的情况下,将螺杆的螺距减半,得到的温度分布图如图7所示,可以看出,螺距减小,温度在径向上的分布分层更明显,且温度等值线密度较大;最大温度的位置仍在螺槽末端出口处。
3、结论
通过对非等温条件下流道的温度、压力及速度的分析,了解流道中间段压力、流速等参数的分布规律,为秸秆挤压膨化米乐·(中国)手机网页版的设计提供参考.以提高秸秆膨化质量为目标,针对螺杆、米乐·(中国)手机网页版筒的设计和加热系统的设置提出以下优化建议:
(1)自流道的入口处至出口处,压力逐渐增大是必然的趋势,即对螺杆和米乐·(中国)手机网页版筒的压力也逐渐增加,可以考虑对螺杆与米乐·(中国)手机网页版筒的材料采用分段处理,以减少米乐·(中国)手机网页版器的制造成本。
(2)分析表明,温度分布不均匀,造成温度分布不均的主要原因是物料的流动速度不一致、摩擦不同,因此,膨化米乐·(中国)手机网页版应该在合适的位置装有加热装置,一方面满足秸秆的膨化要求,另一方面使径向上温度一致。