计算流体动力学在喷雾干燥中的应用研究进展

粮油食品科技第20卷2012年第1期

粮食工程

计算流体动力学在喷雾干燥中

的应用研究进展

1112

弓志青，祝清俊，王文亮，潘运国

（1．山东省农业科学院农产品研究所，山东济南250100；2．山东省临沂市河东区农业局，山东临沂276034）

要：计算流体动力学是研究流体流动、传热和传质的一种技术。介绍了计算流体动力学的定

义，概况了计算流体动力学软件在模拟和预测喷雾干燥过程，优化喷雾干燥设备参数，以及减少塔壁物料沉积等方面的应用现状，并对未来的研究方向进行了全面的介绍。摘

关键词：计算流体动力学；喷雾干燥；进展

+

中图分类号：TP271．3文献标识码：B文章编号：1007－7561（2012）01－0019－03喷雾干燥是利用雾化器将料液分散为细小的雾滴，并在热干燥介质中迅速蒸发溶剂形成干粉的过喷雾干燥过程是一个很复杂的物理化学流体动程，

它的机理有许多方面迄今尚未被很好的力学现象，

认识和理解。由于在干燥塔内直接进行测量极其困难，而大型工业化装置又无法直接制作一台装置供试验用，目前喷雾干燥的设计大多依据小型装置的使得实实验结果进行小试放大和设计人员的经验，际设计出的喷雾干燥总有这样那样的问题。近年来随着计算机技术的不断提高和软件业发展，使喷雾目前已经用数学模拟干燥进行数学模拟变得可行，

的方法成功地揭示了喷雾干燥过程变化，例如液滴如何雾化、如何干燥等，数学模拟模型和分析相对于实验研究具有下列优点

［1］

界广泛接受，自身性能也日趋完善，模拟技术取得了很大进步。

CFD可以看做是在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）控制下对流体流把原来在时间域或空间域上连续的动的数值模拟，

物理量的场用一系列有限个离散点上的变量值的集通过一定的法则和方式建立起关于这些合来代替，

然后求解离散点上场变量之间关系的代数方程组，代数方程组获得场变量的近似值。通过这种模拟可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物压力、温度、浓度等的分布，以及这些物理量如速度、

相当于在计算理量随时间的变化情况。简单地说，

“虚拟”地做实验来模拟真实的流体流动，为实机上

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起到很好的指导作用。

目前已有多种商业CFD软件问世，比如Fluent，Phoenics，CFX，Star－cd等，其中Fluent是目前处于CFD软件已用来计算喷雾干领先地位的软件之一，

温度、粒子运动轨迹以及粒子干燥燥过程中的流场、

变化、干燥器的优化设计等。

：低成本、快速、详细而全

面的结果和信息，可以模拟理想状态，也可以模拟实际状态，但是数学模拟的主要缺点是数学模型准确度的验证比较困难，因为它直接影响到模拟结果的准确性和可行性。目前用来模拟喷雾干燥模型的软件有Fortran语言

［2］

［3］

，可视化编程语言VB等，而计

CFD）软算流体动力学（computationalfluiddynamics，件是应用最广泛的一种。

2

2．1

CFD在喷雾干燥中的应用

预测喷雾干燥过程

CFD的功能之一是预测喷雾干燥过程中的空

1计算流体动力学简介

CFD是研究流体流动、传热和传质的一种技

20世纪60年代随计算是流体力学的一个分支，术，

CFD最早应用于汽车、机技术的发展而迅速崛起，

航空、航天及核工业中，随着计算机硬件的发展以及各种CFD通用软件包的陆续出现而商品化，为工业

收稿日期：2011－07－05

作者简介：弓志青（1976－），女，山西原平人，助理研究员，博士．通讯作者：祝清俊．

温湿度分布以及液滴轨迹等。CFD作为一种气流、

模拟工具，具有强大的计算能力来模拟流体流动过程，可以解决质量、能量平衡问题，预测体系内速度、温度及压力分布轮廓。掌握喷雾干燥塔内的空气流、温湿度分布及液滴轨迹，对于研究不同条件如空气流速、雾化方式、进料速度等对喷雾干燥过程的影响具有重要意义。

粮食工程

黄立新

［4］

粮油食品科技第20卷2012年第1期

等人利用Fluent软件中四种湍流模现利用合理的塔结构以及结合流化床造粒可以提高干燥性能。Bayly等

［15］

RNGκ－ε模型、型，即标准κ－ε模型、可实现κ－ε模型和雷诺应力模型，来验证和对比干燥室内气液两相之间传热和传质的流动特性，结果显示RNGκ－ε模型可以较好的拟合塔内空气流、温度分布、液滴的运动轨迹等。Kieviet等

［5］

使用ReynoldsStress气体湍

流模型测量和模拟了逆流喷雾干燥塔内的空气流动发现测量结果与模拟结果具有较好的一致性。变化，2．3

CFD在研究塔壁物料沉积率中的应用喷雾干燥塔壁物料沉积不仅会减少产品产量，出现粉尘污染，而且也有潜在的火灾和爆炸危险，同时频繁的清洗干燥器使操作费用提高，通过模拟干燥塔内可以使被喷雾的流体不到达塔的内的流体分布情况，

壁，避免塔内物料结块，减少产品损失和清洗时间。

许多学者

［16－18］

模拟并测量了喷

［6］

雾干燥装置中的空气流场。吴中华等应用气－

粒两相流理论和CFD技术，建立了模拟喷雾干燥室内气体—颗粒两相湍流流动的CFD模型，求解得到了喷雾干燥室内气流的温度、湿度分布图，气体流线图和颗粒相的运动轨迹图。王振国

［7］

等采用CFD

通过理论、实验和数值模拟证明

方法对气液同轴离心式喷嘴冷态液雾两相流场进行了数值模拟，其计算程序能较好地模拟气液同轴离心式喷嘴两相喷雾流动过程，喷雾的存在对流场流

［8－10］

型有很大的影响。荷兰Straatsma等利用CFD

而干物料堆积于塔壁的速率比下降的速率快得多，且影响塔壁沉积速率最主要的因素是锥形塔壁到出口的时间，在喷雾干燥过程中，喷干的物料黏附在塔随后的干物料继续堆积在塔壁的物料层，同时壁上，

由于近壁气流的剪切力，黏附于塔壁的物料又会从使塔壁的物料层不断加厚。Langrish塔壁不断落下，和Zbicinski

［19］

技术开发出一种干燥模型Nizo－DrySim，它是一个模拟干燥流场的二维模型，可利用k－ε湍流模型模拟空气的湍流特性，研究者利用这个模型得到液滴在不同初始速度下干燥器内空气温度和湿度分布等高线，模拟了颗粒运动轨迹和空气的流动特性，并用其结果与实验理想模型模拟了奶粉的不溶性指数，结果有很好的一致性。2．2

优化喷雾干燥设备参数

CFD还可应用在喷雾干燥设备参数的优化上。由于喷雾干燥设备性能与其造型、几何尺寸、雾化模式等有很大关系，而整个喷雾干燥过程只有几秒到这给食品工业中喷雾干燥设备的设计带来十几秒，

很大的困难；同时喷雾干燥机械成本一般较高，而通可直观地反过计算机把喷雾干燥的过程模拟出来，

映参数的变化对喷雾效果的影响。CFD可以对喷雾干燥过程中空气流动进行二维或三维模拟，并可计算出干燥过程中粒子雾化情况及粒子运动轨迹，为优化喷雾干燥设备的设计提供了必要的性能参数；CFD模拟模型与实践经验相结合进行干燥塔的设计和操作，具有很大的优势，但CFD对干燥塔内复杂的流场模拟仍有一定困难，技术仍不成熟

［11］

模拟并分析了在喷雾干燥装置中，空

气入口几何尺寸和喷嘴角度对壁面沉积率的影响，利用CFD模型中κ－ε紊流模型程序来预测壁沉积其方法包括减少入口涡流量，喷雾角的减小（从率，

60°～45°），并用20%NaCl溶液使模型得到了很好的验证。Chen

［20］

在喷雾干燥奶粉中利用改变近壁

气流和入口温度分布来减少壁沉积率，在新西兰奶粉大规模喷雾干燥中取得显著效果，尽管没有得到但这样的改变比改变干燥干燥器操作参数的数据，

器的设计还是便宜得多。Goldberg

［21］

利用CFD软

件得出离心式喷雾干燥器黏壁最大的部位是塔顶的且预测结果与实验相符。环形部分，

3CFD在喷雾干燥中的应用展望

CFD用于喷雾干燥方面的研究在我国处于起

CFD未来的研究领域之相关报道还很少，步阶段，

一是优化喷雾干燥过程，但模拟粒子间如气体—粒子和粒子—粒子间的相互作用，粒子聚合和破裂等通过改变方面对研究者依然具有很大的挑战；其次，空气入口处的几何形状和喷雾模式减轻壁沉积和热目前在预测粒子保降解也是未来的研究热门；另外，

将来的研究领域要克服的困留时间方面还较欠缺，

难包括如结块、壁沉积、粒子保留时间、粒子和风味物质的热降解等。参考文献：

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。

Huang等［12－13］利用CFD研究了不同的干燥室几何形状（圆柱圆锥形、灯笼形、砂漏和圆锥形）对干燥性能和粒子保留时间进行了研究，并提出通过改变干燥塔几何形状来提高其利用效率。

CFD在水平喷雾干除了进行垂直塔的设计外，

燥塔的设计上也得到了很大的提高。HuangandMujumdar（2006年）

［14］

利用CFD研究了单一水平喷

雾干燥过程、喷雾干燥过程结合流化床造粒过程，发

粮油食品科技第20卷2012年第1期

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粮食工程

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檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪（上接第18页）

表4

各峰值的保留时间

/min12．033～15．65015．650～16．90016．900～18．06718．067～19．51719．517～21．017

燕麦多肽的相对分子质量分布相对分子质量分布范围

/Da

21281～28362836～14131413～738738～329329～142

峰面积所占比例

/%

5．426．9612．3927．8034．21

燕麦蛋白在不同的pH值时其溶解度是不同的，在pH5时，溶解度最低，为1．6%，当pH大于5时，溶

99．2%解度随着pH值的增加而升高，当pH10时，的燕麦蛋白都已溶解。从图3中还可以看出，燕麦多

肽在不同的pH值范围，其溶解度没有变化，为90．6%左右，说明pH值影响燕麦蛋白的溶解性，而燕麦多肽的溶解性受pH值变化的影响较小。参考文献：

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从表4可以看出，相对分子质量在142～329Da

之间的肽含量最高，为34．21%；其次是相对分子质量在329～738Da和738～1413Da之间的肽，含量分别为27．80%和12．39%；相对分子质量在1413～2836Da和2836～21281Da之间的肽最少，含量分别为6．96%和5．42%。

2．5燕麦多肽溶解度的测定

对燕麦蛋白和燕麦多肽在pH2～10范围内的溶

结果见图3。从图3中可以看出，解度进行了测定，

227－235．●