薄膜蒸发器内流体流动模拟

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1、万方数据第26卷第1期2004年1月南京工业大学学报JOURNALOFNANJINGUNIVERSⅡYOFTECHNOLOGYV01．26NoIJan2004薄膜蒸发器内流体流动模拟汪蕊，贺小华(南京工业大学机械与动力工程学院，扛苏南京210009)摘要：建立了旋转薄膜蒸发器的计算模型，采用大型CFD软件CFX4．4模拟了旋转薄膜蒸发器内流体的流动过程，得出了蒸发器内薄膜和圈形波内流体的速度分布，探讨了5个参数对旋转薄膜蒸发器内流体流动的影响。研究结果表明，刮板转速和倾角对蒸发器内流动状态的影响最为显著，增大刮板转速和倾角可以明显促进液膜和涡

2、旋的物质变换，提高传热效率。关键词：薄膜蒸发嚣；数值模拟；CarD；cFx软件中圈分类号：TQ208．6文献标识码：A文章编号：1671—7643(2004101—0072—06旋转薄膜蒸发器，也称刮膜薄膜蒸发器或搅拌薄膜蒸发器，自20世纪40年代问世以来，国内外对其流动机理、传热性能的优化设计及制造应用进行了大量研究LI。J，近60年来得到了很大的发展。但国内外直接进行蒸发实验的研究不多，目前用于设计计算的基础资料仍显不足，如何正确获得液膜的速度分布、温度分布及浓度分布是值得研究的课题『⋯。计算流体力学(CFD)是流体力学的⋯个分支，现已广

3、泛地应用于各相关领域，显示出巨大活力瞪。j，其基础是动量、能量、质量守恒方程。数值求解方法主要有有限差分法、有限单元法、有限体积法。本文采用大型计算流体力学软件CFX4，4，对薄膜蒸发器内流体流动进行了数值模拟，得到了液膜和圈形波内流体的速度场，初步探讨了液膜在薄膜蒸发器内的流动特性。1薄膜蒸发器内流体流动模型1．1薄膜蒸发器的流动特性由于刮板对降落液膜的搅拌作用，使液膜流态复杂化㈨“』。薄膜蒸发器内流体流动是转子刮板引起的切向流动和重力引起流动的合成流动。如图1所示，液膜流态可分为3个区域；在刮板的前缘形成了涡旋，此部分流体呈螺旋状向下流动

4、；在刮板的后缘附近则形成了紊流液膜；在紊流液膜与下一个弓形渡之间，刮板的作用消失，变成层流液膜。圈1薄膜蒸发器工作原理图Fig．1Working[uncfiof8缸a西taredthin-mmevaporalor1．2计算模型及边界条件薄膜蒸发器内涉及流体混合、传热、传质和蒸发等复杂的过程，KOMORIEtiJ等人通过试验和计算发现，圈形波内的流体占蒸发器内总流体量的70％～90％，整个薄膜蒸发器内的流体流道可简化为圈形波和紧贴筒体内壁的薄膜两部分，圈形波的表面可简化为1／4圆L11,12]。根据结构材料的完全对称性，几何模型取整体流道的一半

5、，如图2所示。膜厚的确定：由K=7rDL8+o．02[警]05和r=Vo／VEl3：两公式可以求得膜厚8。收稿日期：2003—03—12作者简介：汪蕊(1977一)，女，山西太原人，硕士生，主要从事化工设备设计、计算流体力学方面研究。一葡曼黼万方数据第1期汪蕊等：薄膜蒸发器内流体流动模拟图2计算模型Fig2ModelofcakmniorL／2SR2√等本研究采用*一e湍流模型⋯，对计算流体作如下假设：(1)流体是各向同性的，均匀的；(2)流体运动町看作连续运动；(3)该控制体的速度与时间无关，所以是定常的。边界条件为：人口处以速度为边界条件；

6、固壁边界条件为无滑移固体壁面；自由表面处无剪切力。2模型验证圈形波半径的确定：s—os×№ns州尝寺掰n阳1嬲蒜嚣瓣邕豁器磊篙整个筒体内有2块刮板，可求得圈形波半径：3所示。嬷一转动方向日)本文模型』竺够一转动方向图3圈形波内流体的轴向速度分布Fig3Cxmtoursofaxialvelocityinthefillet由图3可以看出，由于简体内流体的转动速度不同，使内筒壁面的料液呈现出不同的流动形态。在靠近壁面和刮板处的轴向速度最小，距离壁面和刮板越远，轴向速度越大，在最远处轴向速度达到最大。本文模型得出的圈形波内流体的轴向速度分布与文献[1

7、1]中的分布趋势基本一致，且流速大小也较为接近。可以证明本文中的模型基本正确。3数值模拟模拟选取的物料为NaOH溶液。3．1模拟方案(1)刮板转速n5个水平(单位：1／s)：20，3060．90．120：(2)刮板倾角口7个水平(单位：(。))：一45—30．一15，0，15，30，45；b)文献[1】】模型(3)刮板长度L6个水平(单位：mill)：120，160，300，440，580，720；(4)进料量y5个水平(单位：m3／h)：0．05，0．1，0．2，0．25，0．34；(5)物料粘度F5个水平(单位：Pa·s)：o．001，0

8、．0021，0．005，00072，0．叭1。3．2模拟结果及讨论3．2．1薄膜中流体径向速度”的分析(1)刮板转速的影响图4给出了不同刮板转速下薄膜内流体的平均径