CN103065001A - 一种基于非稳态cfd模拟的烘房工艺设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非稳态CFD模拟的烘房工艺设计方法，包括以下步骤：（1）以烘房中的空气为对象，建立控制方程；（2）根据步骤（1）建立的控制方程及烘房现场工程条件，应用CFD软件建立计算模型，进行非稳态数值模拟；（3）对气流组织的模拟结果进行分析，判断工艺效果是否符合设计要求，若是，结束；若否，改变工艺参数，重新进行步骤（2）~（3）。本发明采用了非稳态的CFD模拟方法，提高了模拟的准确性。

Description

一种基于非稳态CFD模拟的烘房工艺设计方法

技术领域

本发明涉及烘房工艺设计技术领域，特别涉及一种基于非稳态CFD模拟的烘房工艺设计方法。

背景技术

目前烘房主要选择对流烘干为其主要加热方式，对流烘干是采用电、燃气、燃油燃烧生成物与空气的混合物或者采用燃气、燃油燃烧，间接加热的空气作为介质以对流换热方式加热工件，具有生产费用较低，能加热各种形状的工件，设备运行稳定性比较高等优点，但存在设备庞大、占空间、加热系统热惰性大、加热时间长、效率低、保温性能差、炉内温度不均匀等缺点。

CFD软件是计算流体力学（Computational fluid Dynamics）软件的简称，是专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测的软件。通过CFD软件，可以分析并且显示发生在流场中的现象，在比较短的时间内，能预测性能，并通过改变各种参数，达到最佳设计效果。CFD的数值模拟，能使我们更加深刻地理解问题产生的机理，为实验提供指导，节省实验所需的人力、物力和时间，并对实验结果的整理和规律的得出起到很好的指导作用。目前CFD在烘房领域应用很少且现有的对烘房的模拟采用的都是稳态模拟的方法，假定温度不随时间变化，而实际情况中温度是随时间变化的，所以模拟的准确性相对不高。

Airpak是面向工程师、建筑师和室内设计师的专业领域工程师的专业人工环境系统分析软件，可以精确地模拟所研究对象内的空气流动、传热和污染等物理现象，它可以准确地模拟通风系统的空气流动、空气品质、传热、污染和舒适度等问题，并依照ISO 7730标准提供舒适度、PMV、PPD等衡量室内空气质量（IAQ）的技术指标，从而减少设计成本，降低设计风险，缩短设计周期。Airpak 2.1是目前国际上比较流行的商用CFD软件。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种基于非稳态CFD模拟的烘房工艺设计方法，设计结果更符合实际、更准确。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于非稳态CFD模拟的烘房工艺设计方法，包括以下步骤：

（1）以烘房中的空气为对象，建立控制方程，所述控制方程包括：

连续性方程： $\frac{\∂U_j}{\∂t}+U_i\frac{\∂U_j}{\∂x_j}=-\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{\∂p}{\∂x_i}+\mathrm{\υ}\frac{{\∂}^2{U}_i}{\∂x_i{x}_j}+B_i$

动量方程： $\mathrm{\ρ}{c}_p\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}=\frac{\∂}{\∂x_j}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x_j}\right)+\mathrm{\μ\φ}$

能量方程： ${\mathrm{\ρc}}_p\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}=\frac{\∂}{\∂x_j}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x_j}\right)+\mathrm{\μ\φ}$

状态方程：ρ=p/RT

组分质量守恒方程： $\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ}{C}_s\right)}{\∂t}+\frac{\∂}{\∂x_j}\left(\mathrm{\ρ}{C}_s{U}_j\right)=\frac{\∂}{\∂x_j}\left(D_s\frac{\∂}{\∂x_j}\left(\mathrm{\ρ}{C}_s\right)\right)$

（2）根据步骤（1）建立的控制方程及烘房现场工程条件，应用CFD软件建立计算模型，进行非稳态数值模拟：确定边界条件和初始条件，划分计算网格，生成计算机节点、建立离散方程、确定离散初始条件和边界条件、给定求解控制参数、求解离散方程，得到烘房内的气流组织的模拟结果；

（3）对气流组织的模拟结果进行分析，判断工艺效果是否符合设计要求，若是，结束；若否，改变工艺参数，重新进行步骤（2）~（3）。

所述烘房内的气流组织的模拟结果包括速度场、温度场、湿度场和空气龄参数的分布云图。

所述工艺参数包括送风量、排风量，送风温度、排风温度、送风位置、排风位置。

所述CFD软件为Airpak软件。

与现有技术相比，本发明具有以下有优点和有益效果：

（1）本发明采用了非稳态的CFD模拟方法，提高了模拟的准确性。

（2）本发明可通过查看CFD的后处理中温度场分布，温度变化与加热时间的关系，来考察烘房内温度的均匀性和升温速度的快慢，温度分布越均匀，烘干效果越好，升温越快越节能。

（3）本发明可通过查看CFD后处理中的空气龄参数，考察烘房内（尤其死角位置）气流更新置换的速度。

（4）本发明可通过查看CFD的后处理中湿度场分布，考察烘干速度和烘干效果。

（5）本发明可通过观察模拟计算时的残差图可以较为准确地直接得到烘房内的初始温度升高到工艺要求温度所需的时间，即升温时间。

附图说明

图1为本发明的基于非稳态CFD模拟的烘房工艺设计方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，一种基于非稳态CFD模拟的烘房工艺设计方法，包括以下步骤：

（1）以烘房中的空气为对象，建立控制方程，所述控制方程包括：

连续性方程： $\frac{\∂U_j}{\∂t}+U_i\frac{\∂U_j}{\∂x_j}=-\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{\∂p}{\∂x_i}+\mathrm{\υ}\frac{{\∂}^2{U}_i}{\∂x_i{x}_j}+B_i$

动量方程： $\mathrm{\ρ}{c}_p\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}=\frac{\∂}{\∂x_j}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x_j}\right)+\mathrm{\μ\φ}$

能量方程： ${\mathrm{\ρc}}_p\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}=\frac{\∂}{\∂x_j}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x_j}\right)+\mathrm{\μ\φ}$

状态方程：ρ=p/RT

组分质量守恒方程： $\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ}{C}_s\right)}{\∂t}+\frac{\∂}{\∂x_j}\left(\mathrm{\ρ}{C}_s{U}_j\right)=\frac{\∂}{\∂x_j}\left(D_s\frac{\∂}{\∂x_j}\left(\mathrm{\ρ}{C}_s\right)\right)$

（2）根据步骤（1）建立的控制方程及烘房现场工程条件，应用Airpak软件建立计算模型，进行非稳态数值模拟：确定边界条件和初始条件，划分计算网格，生成计算机节点、建立离散方程、确定离散初始条件和边界条件、给定求解控制参数、求解离散方程，当不收敛时，通过调整离散方程以达到收敛，收敛后就可以显示和输出计算结果，得到烘房内的气流组织的模拟结果；其中，所述烘房内的气流组织的模拟结果包括速度场、温度场、湿度场和空气龄参数的分布云图。

（3）对气流组织的模拟结果进行分析，判断工艺效果是否符合设计要求，若是，结束；若否，改变送风量、排风量，送风温度、排风温度、送风位置、排风位置，重新进行步骤（2）~（3）。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于非稳态CFD模拟的烘房工艺设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）以烘房中的空气为对象，建立控制方程，所述控制方程包括：

连续性方程： $\frac{\∂U_j}{\∂t}+U_i\frac{\∂U_j}{\∂x_j}=-\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{\∂p}{\∂x_i}+\mathrm{\υ}\frac{{\∂}^2{U}_i}{\∂x_i{x}_j}+B_i$

动量方程： $\mathrm{\ρ}{c}_p\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}=\frac{\∂}{\∂x_j}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x_j}\right)+\mathrm{\μ\φ}$

能量方程： ${\mathrm{\ρc}}_p\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}=\frac{\∂}{\∂x_j}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x_j}\right)+\mathrm{\μ\φ}$

状态方程：ρ=p/RT

组分质量守恒方程： $\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ}{C}_s\right)}{\∂t}+\frac{\∂}{\∂x_j}\left(\mathrm{\ρ}{C}_s{U}_j\right)=\frac{\∂}{\∂x_j}\left(D_s\frac{\∂}{\∂x_j}\left(\mathrm{\ρ}{C}_s\right)\right)$

（2）根据步骤（1）建立的控制方程及烘房现场工程条件，应用CFD软件建立计算模型，进行非稳态数值模拟：确定边界条件和初始条件，划分计算网格，生成计算机节点、建立离散方程、确定离散初始条件和边界条件、给定求解控制参数、求解离散方程，得到烘房内的气流组织的模拟结果；

（3）对气流组织的模拟结果进行分析，判断工艺效果是否符合设计要求，若是，结束；若否，改变工艺参数，重新进行步骤（2）~（3）。

2.根据权利要求1所述的基于非稳态CFD模拟的烘房工艺设计方法，其特征在于，所述烘房内的气流组织的模拟结果包括速度场、温度场、湿度场和空气龄参数的分布云图。

3.根据权利要求1所述的基于非稳态CFD模拟的烘房工艺设计方法，其特征在于，所述工艺参数包括送风量、排风量，送风温度、排风温度、送风位置、排风位置。

4.根据权利要求1所述的基于非稳态CFD模拟的烘房工艺设计方法，其特征在于，所述CFD软件为Airpak软件。

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