论环冷机分层布料数值模拟及改进.docx

论环冷机分层布料数值模拟及改进环冷机由流体区与多孔介质区组成。流体由底部的篦板进入多孔介质区最后由顶部流出。环冷机料高为140mm运行周期为4314s有效利用区为971s循环区进风温度为404K非循环区进风温度为20℃进风速度为5~7.65m/s最终出料温度低于150℃。考虑到环冷机内气相湍流流动和换热过程很复杂在保证求解精度和反映主要规律的前提下对环冷机物理模型做以下假设：(1)环冷机台车内的物料被视为多孔介质；(2)回转台车近似为下半部分棱台上半部分为长方体处理；(3)环冷机在稳定工况下不考虑工艺参数的波动变化；(4)由于辐射换热所占的比例不大因此忽略烧结矿颗粒间的辐射换热只考虑烧结矿固体颗粒之间的导热过程、流体之间的导热过程以及流体与烧结矿固体颗粒之间的对流换热过程。数学模型：1）控制方程：根据不可压缩黏性流体非定常流动的Navier-Stokes方程选用kε双方程湍流模型对环冷机内流动换热规律进行研究。可以将环冷机问题整体求解方程描述为：连续性方程：()=0+jjuxρτρ(1)动量传输方程：ijiijijjigfxuuxu+=+(ρ)(ρ)pτ(2)式中：ρ为流体密度；ui为流体在i方向的速度；τ为冷却时间；pij为表面压力矢量包括静压力和流体黏性压力；gi为作用于单位体积流体在i方向的体积力；fi为作用于单位体积流体的反方向的阻力；u为床层颗粒间隙内的气体流速由表观流速ub与空隙率ε决定：u=ub/ε。采用压力沿床层线性分布的假设利用Darcy定律计算气体的表观流速：()bL0u=Kp/z=Kpp其中pL和p0分别为台车进出口压力；渗透系数fK=k/μ渗透率k用Ergun关系式[6]计算：k=/[150/(1)]322εεpd。能量方程利用局部非热力学平衡换热理论建立气固两相换热双方程使用编写的用户自定义函数(UDF)进行数值计算。2）局部非热平衡能量双方程：Coberly等[7]采用局部热力学平衡方程对二维伪均质模型进行研究忽略了气固两相之间的温差；DeWasch等[89]研究表明只有当气固两相温差很小且毕渥数小于0.05时局部热力学平衡方程可以用于简化的一维和二维模型但不能满足环冷机中的气固换热问题。Wakao等[10]研究表明：气固两相热容和热导率相差较大时各相局部温度变化率会明显不同。本研究将气相温度Tf和固相温度Ts作为2个独立的变量分别表征同一特征单元每相的热状态把多孔结构内的传热视为两相之间的传热得到通用方程组[1112]如式(4)和(5)所示：固相：=τερss(1)()Tc(1)()(1)()sssvsfελT+εqhTT(4)气相：==ffff()(c)uTTcppρτερ()()fffvsfελT+εq+hTT(5)式中qs和qf分别为固相和气相发热源项；Tf为气相温度；Ts为固相温度；hv和h分别为固相骨架与流动介质之间的单位体积与单位表面积的对流传热系数。hv可由Achenbach准则关系式确定：ph6h(1ε)/dv=(6)h由下式确定[13]：1/31/2fNuhd/2.00.6PrRep=λ=+ffPrcv/λp=ffReεdu/λp=(7)其中：NuPr和Re分别为始塞尔数气体普朗特数和雷诺数；vf为流体的运动黏性系数；uf为流体速度；λf为流体热导率；cp为流体的比热容。4）边界条件与初始条件：边界条件：Logtenberg等[414]认为应将环冷机篦板壁面边界条件设为流体温度。流体出口温度与压力均满足第二类边界条件：0f=zT=0zp。初始条件：当环冷机运行在余热循环利用区时(即τ＜τ循环)气相温度Tf为循环风温固相温度Ts为常数；当环冷机运行在非循环区时(即τ＞τ循环)Tf为自然风温。模型结果验证考虑到现场测试条件较艰苦且固相与气相之间较强的对流换热会对环冷机台车内物理场测量产生很大的影响故文献[15]选用环冷机处于不同时刻时出口空气平均温度的现场测试值与仿真结果数值对本研究所采用模型的正确性进行验证。从表1可以看出在数值仿真结果和测试结果之间存在不同程度的误差。该误差主要来源于：(1)测试期间环冷机操作参数的波动；(2)测试时在烟罩上进行了开孔对环冷机内的温度场、速度场和压力场产生了干扰破