计算流体动力学(CFD)软件是设计流程工业仪器仪表和流体设备的可靠软件工具。它的主要优点是实现了数字化模拟，能够生成三维的流量数据，并把可以优化的可能性都显示出来。CD-Adapco公司研发生产的Star-CCM+软件帮助Tatra Pak CPS公司实现了奶粉生产过程中干燥器的优化。

食品设备生产企业的目标是生产制造小型的、运行和维护保养费用很低的食品机械。在奶酪生产企业中，设备也需要满足这些要求，Tetra Pak CPS公司(专门从事奶酪和奶粉生产)自主研发了在喷雾干燥器中生产奶粉的技术。在开发这一技术过程中，他们利用CD-Adapco公司设计的基于计算流体动力学(CFD)的Star-CCM+软件。与实验室试验和样机试生产相比，利用计算流体动力学(CFD)软件具有更明显的优点。流体动力学计算软件的模拟技术大大减少了所需的试验次数，可以简单完成不同替代方案之间的比较。Tetra Pak CPS公司利用这一软件模拟改善了喷雾干燥器的进气状况，Tatra Pak的这家子公司在其他设备和工艺的设计中也利用了这一计算流体动力学软件，并积累了丰富的经验。其中，应用领域包括：

非牛顿力学流体的浓缩、提纯试验;

降膜式蒸发器减小压力损失的试验;

分离器分离效率的优化;

干燥器输出端热能回收利用的分析。

喷雾干燥器的优化

Tetra Pak CPS公司产品研发经理Alfred Jongsma先生说：“一般情况下，我们研发部门使用Star-CCM+的目的是实现设备结构的优化，及时解决设计时遇到的问题。”其中，喷雾干燥器的实例充分体现了计算流体动力学软件的功能，清楚了解到该软件如何帮助改进奶粉的干燥工艺。Tetra Pak CPS公司以牛奶为原料生产奶粉的工艺技术利用了表面扩张原理，液体产品在干燥塔中粉化为微细的粉状微粒。液体雾滴在流动过程中被热空气流干燥。热空气流的温度在150~250℃之间，而且热空气对液体雾滴产品干燥的时间(0.5~1s)非常短。干燥后的粉状微粒向下降落，通过这种干燥工艺，最终可以从液滴大小分布非常均匀的牛奶中得到粒度分布非常均匀的高品质固体产品。

喷雾干燥器的大小取决于干燥时间(雾滴的降落时间)和雾滴、微粒粒度。Jongsma先生强调微粒的尺寸非常重要，他说：“典型的喷雾干燥器的容积为700m3，直径为8.5m，高度为20m，每小时能够干燥5 t牛奶或者乳浆。干燥器所需功率为5MW，能源利用率为40%~65%。因此，整个生产过程中每一个生产步骤都具有优化改进的潜力。”

CFD计算流体动力学分析可以对喷雾干燥器的以下4个参数进行优化：

化学成分和输出端的浓度;

热空气的温度;

牛奶液滴和空气的混合状况;

介质飞行轨迹和附聚状况。

逼真的模型

模拟质量的高低与基础模拟模型质量有着密切的关系，模型的物理、化学参数和技术过程与真实生产过程的相似程度对于实际的设计非常重要。整个模拟过程应该非常迅速，且操作简单。CD-Adapco公司开发的软件工具满足这样的要求。Jongsma先生说：“总体来讲，我们利用CFD计算流体动力学软件简化了喷雾干燥器的物理过程，更加清楚干燥过程的最佳工作条件。”

优化模拟的目标是在提高产量和增加输入量的同时把干燥器的沉积降低到最小程度。因为干燥器上的沉积物减少了奶粉的生产时间，每几周就需要对干燥器进行清理。“有些降低沉积的方法能够提高奶粉的产能。在这些方法中，CFD计算流体动力学模拟能够优化很多参数，其中包括系统中空气流的类别和流动方式。例如高压喷雾器把液体喷洒到干燥器中。”Jongsma先生解释说道。通过优化，用户能够得到一台生产能力更高、有着很高粉化质量和更长清理周期的喷雾干燥器。

在利用Star-CCM+软件进行模拟优化时有3个非常重要的目标：以项目为主导的CFD计算流体动力学模拟应明显缩短产品开发的时间;改进、提高产品的质量;检验用户对其索引技术状况、性能特点的辨识。

在线模拟

在线模拟过程中，一个非常重要的要求就是可以利用移动终端进行模拟。利用Overset Mesh(重叠或嵌入式网络)用户可以通过任何移动设备构建一个后台运营平台，并在这个平台中实现多种操作。这一功能与所有非结构化的软件网络选项兼容。这样，研发工程师就不必担忧网络的整合、交织或者节点的失真，可以非常逼真地完成运动对象的模拟。而且工程师也可以利用Overset Mesh(重叠或嵌入式网络)进行参数研究，并进行稳态和非稳态模拟。Overset Mesh可以实现简单的对象重置或者替代，以便对不同的设计进行检验。这些操作听起来非常复杂，但在实际应用中却非常容易掌握。Jongsma先生强调：“工程师在很短的时间内就能够掌握模拟工具的功能。当操作者建成一个工作网络之后，整个模拟和模拟结果的分析都能在一个接口中完成。事实上，在模拟过程中用户就已经可以处理数据，得出非常合理的近似解。”

结语

利用模拟工具软件Star-CCM+可以缩短产品的研发时间，从而节约了研发费用。在产品研发阶段，这一软件工具能够大大减少所需实验的次数，能够让操作者简单实现不同设计方案的比较，提供考察极限值。

题图 正在安装的喷雾干燥器(1000kg/h)。一般喷雾干燥设备所需的功率为5MW，产能高达5t/h