Luận văn nghiên cứu ứng dụng phần mềm tính toán để mô phỏng và xác định một số thông số cơ bản của quá trình sấy trong buồng sấy phun

luận văn

Bộ giáo dục và đào tạo trờng đại học nông nghiệp I ------------ ****** ------------- Bùi Thị thu Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng phần mềm tính toán để mô phỏng và xác định một số thông số cơ bản của quá trình sấy trong buồng sấy phun Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hoá nông - lâm nghiệp Mã số : 605214 Ngời hớng dẫn: PGS.TS. Hoàng Đức Liên Hà Nội - 2006 2 Lời cam đoan - Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và cha hề đợc sử dụng để bảo vệ một học vị nào. - Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã đợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã đợc chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả Bùi Thị Thu 3 Lời cảm ơn Sau một thời gian thực tập đến nay đề tài Nghiên cứu ứng dụng phần mềm tính toán để mô phỏng và xác định một số thông số cơ bản của quá trình sấy trong buồng sấy phun của tôi đã hoàn thành. Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Hoàng Đức Liên - Giảng viên Bộ môn Máy nông nghiệp - Khoa Cơ Điện - Trờng Đại học Nông nghiệp I Hà Nội đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Đồng thời, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Máy Nông nghiệp - Khoa Cơ Điện - Trờng ĐHNNI Hà Nội, cùng với gia đình và các bạn bè đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài này. Tuy vậy, với một thời lợng và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn hạn chế do vậy trong khi tìm tòi và nghiên cứu đề tài này không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi xin đón nhận những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo, các bạn đồng nghiệp để bổ sung và làm cho nội dung đề tài của tôi hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 08 năm 2006 Học viên Bùi Thị Thu 4 Mục lục Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục các ký hiệu sử dụng trong luận văn v Đặt vấn đề 1 Chơng 1. Tổng quan 10 1.1. Nghiên cứu lý thuyết tính toán về sấy 10 1.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng lý thuyết dòng nhiều pha trong tính toán thông số động học buồng sấy 13 1.2.1. Tình hình nghiên cứu của dòng nhiều pha trong và ngoài nớc 13 1.2.2. Cơ sở lý thuyết về dòng hai pha 14 1.2.3. Các phơng pháp số nghiên cứu dòng chảy rối hai pha 19 1.3. Tình hình nghiên cứu ứng dụng phần mềm tính toán khí động lực học 32 1.4. Tìm hiểu, khảo sát đánh giá và lựa chọn phần mềm tính toán thủy khí động lực học 33 Chơng 2. Phơng pháp nghiên cứu 35 2.1. mô hình rối trong tính toán nhiều pha 35 2.1.1 Mô hình k - 35 2.1.2. Phơng trình động năng trung bình của dòng chảy K 37 2.1.3 Phơng trình động năng cơ bản của động năng rối k 38 2.2. Điều kiện đầu - điều kiện biên 41 2.3. Phơng pháp số sử dụng trong phần mềm Fluent 44 5 2.3.1. Tính toán đơn 45 2.3.2. Tính toán theo phơng pháp kép 46 2.3.3. Tính toán rời rạc hóa 48 2.3.4. Sử dụng phơng pháp tính toán đơn 49 2.3.5. Tính toán theo cặp 52 2.4. Các bớc giải tổng quát bài toán thủy khí động lực học trên phần mềm Fluent 57 2.4.1 Khái quát chung sử dụng tính toán trong phần mềm 57 2.4.2. Các bớc giải tổng quát bài toán thủy khí động lực học trên phần mềm Fluent 58 Chơng 3. ứng dụng phần mềm Fluent để mô phỏng và tính toán một số thông số cơ bản của quá trình sấy 60 3.1. Phạm vi ứng dụng phần mềm Fluent 60 3.2. Cấu trúc phần mềm 61 3.2.1. Cấu trúc chung 61 3.2.2. Các phần tử trong chơng trình 62 3.3. Bài toán xác định một số thông số động học cơ bản của quá trình sấy 64 3.3.1. Các bớc giải bài toán 65 3.3.2 Nhận xét chung 79 Kết luận và đề nghị 80 Tài liệu tham khảo 82 Phụ lục 84 6 Danh mục các ký hiệu sử dụng trong luận văn Ui (i=p,g,o,m) Thành phần vận tốc dọc trục Vi (i=p,g,o,m) - Thành phần vận tốc hớng kính Wi (i=p,g,o,m) - Thành phần vận tốc tiếp tuyến Ti(i=p,g,o,m) - Thành phần nhiệt độ Ui (i=p,g,o,m) - Thành phần rối của vận tốc dọc trục Vi (i=p,g,o,m) - Thành phần rối của vận tốc hớng kính Ui (i=p,g,o,m) - Thành phần rối của vận tốc tiếp tuyến i(o,m) - Mật độ phân bố i(i=p,g,o,m) - Nồng độ phân bố x, y - Trục tọa độ k i (i=p,g) - Nồng độ phân bố - Vận tốc rối p, g, o, m - Ký hiệu của các pha lỏng khí; tiết diện ban đầu; giá trị lớn nhất; Re, Sc, Pr Hệ số Reynold, hệ số Smidth và Prandtl Fx - Thành phần dọc trục của dòng phun ; Fy - Thành phần vuông góc với trục dòng phun ; : khối lợng riêng (kg/m 3 ) v: vectơ vận tốc (m/s) A: diện tích bề mặt V: thể tích của lới I: khối đồng nhất : ảnh hởng của tensor F: vectơ lực S : tỉ lệ của đơn vị khối lợng p Co ; p C1 : áp suất giữa hai ô lới cạnh nhau trên bề mặt 7 c: vận tốc của chất lỏng nén đợc (khí) E: tổng năng lợng xét cho một đơn vị khối lợng q: Lợng nhiệt của dòng chảy i : hệ số tính đến nhiều cấp cho cấp thứ i th n: số cấp thời gian k: số lần lặp N: Số bề mặt bao quanh ô lới v f : khối lợng dòng xuyên suốt các bề mặt I: khối đồng nhất 8 Đặt vấn đề Trong sự nghiệp Công nghiệp hoá, hiện đại hoá nông thôn Việt Nam hiện nay thì vấn đề bảo quản và chế biến nông sản là một trong những định hớng chiến lực quan trọng nhằm phát triển nền nông nghiệp bền vững tạo bớc đẩy trên con đờng xây dựng nớc ta thành nớc công nghiệp. Trong kỹ thuật bảo quản và chế biến nông sản sau thu hoạch, thì phơi sấy là một khâu hết sức quan trọng, nó quyết định đến chất lợng sản phẩm, đặc biệt Việt Nam lại là nớc ở vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm nên công đoạn sấy đóng vai trò rất lớn. Công nghệ sấy nói chung là một khoa học trong sản xuất. Nó bao gồm hàng loạt các quá trình đơn giản và phức tạp tác động lên nguyên liệu ban đầu nào đó để thu đợc sản phẩm cuối cùng có độ ẩm theo ý muốn. Lựa chọn công nghệ sản xuất tốt sẽ thu đợc sản phẩm có chất lợng cao và giá thành hạ [2], [6], [7]. Hiện nay trên thế giới đã nghiên cứu và áp dụng nhiều phơng pháp sấy khác nhau với các thiết bị sấy khá đa dạng và áp dụng những công nghệ hiện đại, tiên tiến. ở Việt Nam, nói về thiết bị sấy cũng khá đa dạng, phong phú, áp dụng nhiều công nghệ khác nhau. Trong giai đoạn hiện nay, với sự phát triển nh vũ bão của công nghệ thông tin, với sự ra đời của máy tính điện tử thông qua ngôn ngữ lập trình cho phép chúng ta giải theo phơng pháp gần đúng một cách nhanh chóng thuận tiện và cho độ chính xác nh mong muốn. Đặc biệt là các chơng trình tính toán về khí động học để tính toán một số thông số động học trong buồng sấy. Trên cơ sở đó, ta có thể xác định đợc các thông số tối u cho việc chế tạo thiết bị sấy. Những phần mềm thơng mại đợc các chuyên gia công nghệ thông tin đa ra thị trờng ngày càng nhiều nh: Phonatics, Flow 3D, Start CD Matlab, 9 Ansys, Fluent giúp chúng ta mô phỏng tính toán thuỷ khí động lực học rất nhanh chóng và hiệu quả. Tuy nhiên, mỗi phần mềm tính toán đều có phạm vi ứng dụng nhất định, việc ứng dụng đòi hỏi phải có sự nghiên cứu tìm hiểu để phần mền đó có hiệu quả cao nhất. Theo khuyến cáo của các nhà khoa học về thuỷ khí, phần mềm Fluent dựa trên cơ sở của phơng pháp khối hữu hạn là phần mềm khá mạnh đợc ứng dụng nhiều trong tính toán thuỷ khí động lực học. Với ý tởng, là làm thế nào để giúp cho các nhà thiết kế chế tạo thiết bị sấy giảm bớt đợc khâu chế tạo mẫu mà vẫn cho ra đời những thiết bị sấy làm việc với độ chính xác cao, tiết kiệm đợc thời gian, tiền của và cho hiệu quả cao nhất. Vì vậy, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu của mình là Nghiên cứu ứng dụng phần mềm tính toán để mô phỏng và xác định một số thông cơ bản của quá trình sấy trong buồng sấy phun . Mục đích nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu, khảo sát, đánh giá và ứng dụng phần mềm Fluent nhằm tính toán một số thông số động học nh: vận tốc, nhiệt độ, áp suất và biểu diễn nó dới các trờng hợp biến đổi trong bài toán sự hỗn hợp của các dòng chất khí (chất lỏng nén đợc), chất rắn (vật liệu sấy) trong buồng sấy phun. Nội dung của đề tài: - Nghiên cứu tổng quan về sự tính toán thuỷ khí động lực học dòng nhiều pha trong và ngoài nớc. - Nghiên cứu, khảo sát phần mềm Fluent trong tính toán thuỷ khí động lực học. - ứng dụng phần mềm Fluent trong tính toán một số động học cơ bản buồng sấy. - Đa ra kết quả dới dạng mô phỏng từ đó làm cơ sở cho việc tính toán thiết kế trong thực tế. 10 Chơng 1. Tổng quan 1.1. Nghiên cứu lý thuyết tính toán về sấy Sấy là quá trình tách một phần hay phần lớn lợng ẩm có trong vật ẩm. Quá trình sấy rất phức tạp và không ổn định, trong đó đồng thời xảy ra nhiều quá trình nh quá trình truyền nhiệt từ tác nhân sấy cho vật sấy, dẫn nhiệt trong vật sấy, bay hơi của ẩm, dẫn ẩm từ trong ra bề mặt của vật sấy, truyền ẩm từ bề mặt vật sấy vào môi trờng sấy (tác nhân sấy). Các quá trình trên đều tuân theo quá trình truyền nhiệt và ẩm [2]. Để nghiên cứu các quá trình này, ngời ta dùng các mô hình toán đơn giản. Thông thờng khi sấy, ẩm tách khỏi vật sấy dới dạng hơi. trừ một số trờng hợp do nhiệt độ cao, trờng nhiệt độ lớn dẫn đến trờng áp suất tăng, đẩy ẩm ở dạng lỏng ra bề mặt vật sấy, bay hơi mạnh và làm văng cả các hạt lỏng vào môi trờng sấy. Mục đích của quá trình sấy là làm khô các vật thể, các vật liệu, các sản phẩm bằng phơng pháp bay hơi. Nh vậy muốn sấy khô một vật ta phải tiến hành các biện pháp kỹ thuật sau [2]: - Gia nhiệt cho vật để đa nhiệt độ của nó lên đến nhiệt độ bão hoà ứng với phân áp suất của hơi nớc trên bề mặt vật. - Cấp nhiệt để làm bay hơi ẩm trong vật thể. - Vận chuyển hơi ẩm đã thoát ra khỏi vật thể vào môi trờng. Quá trình sấy xảy ra các quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất cụ thể là: - Quá trình truyền nhiệt từ chất tải nhiệt cho vật sấy. - Quá trình truyền ẩm từ trong vật sấy ra ngoài bề mặt vật sấy - Quá trình truyền ẩm từ bề mặt vật sấy vào môi trờng [6]. Đối với mỗi sản phẩm sấy khác nhau thiết bị sấy là khác nhau, và công nghệ sấy cũng khác nhau. ứng với mỗi loại sản phẩm sấy ta cần chọn chế độ