基于CFD的新型密集烤房結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

王龍飛+范沿沿+白志鵬+黨曉輝+胡耀華+李建華

摘要：為改進(jìn)和優(yōu)化新型密集烤房結(jié)構(gòu)，基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法建立密集烤房的物理模型，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)確定邊界條件和模型參數(shù)，對(duì)不同數(shù)量回風(fēng)孔、不同角度導(dǎo)流板以及不同位置出風(fēng)口模型的氣流速度場進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，并利用實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)模擬結(jié)果予以驗(yàn)證。研究表明：（1）回風(fēng)孔數(shù)量的增加可以顯著增加烤房內(nèi)部氣流的平均速度，能有效改善烤房內(nèi)部的通風(fēng)效果；（2）當(dāng)導(dǎo)流板與豎直方向夾角為15°時(shí)，烤房內(nèi)部氣流分布均勻性最好；（3）出風(fēng)口在烤房頂部比在底部的烤房內(nèi)部氣流的平均速度高；（4）10個(gè)測量點(diǎn)的氣流速度測試值與模擬值基本吻合，相對(duì)誤差一般小于8%，證明上述仿真結(jié)果是可靠的。根據(jù)研究結(jié)果，提出新型密集烤房結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議：在烤房中設(shè)置48個(gè)回風(fēng)孔、與豎直方向夾角為15°的導(dǎo)流板以及在烤房頂部設(shè)置出風(fēng)口。

關(guān)鍵詞：計(jì)算流體力學(xué)；氣流速度場；密集烤房；優(yōu)化設(shè)計(jì)；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)： S226.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2017）18-0201-04

收稿日期：2017-02-21

基金項(xiàng)目：河南省煙草技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目（編號(hào)：XYKJ2015M01）；國家自然科學(xué)基金（編號(hào)：31671965）。

作者簡介：王龍飛（1988—），男，陜西西安人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊煵輽C(jī)械。E-mail：wlf0121@126.com。

通信作者：李建華，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)合作。E-mail：xcwdqljh@sina.com。 密集烤房最早于1960年在美國北卡羅來納州建成并投入使用，到1962年已經(jīng)有超過300個(gè)密集烤房投入使用[1]。我國最早在20世紀(jì)60年代開始研究密集烤房[2]。密集烤房在傳統(tǒng)烤房的基礎(chǔ)上增加了強(qiáng)制通風(fēng)與熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，并且可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，密集烤房的循環(huán)風(fēng)機(jī)可以控制烤房內(nèi)部氣流的運(yùn)動(dòng)，這也使得密集烤房的結(jié)構(gòu)更加多樣化。由于密集烤房具有體積小容量大、烘烤質(zhì)量高、節(jié)約能源[3]和易于實(shí)現(xiàn)專業(yè)化烘烤等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在，密集烤房已經(jīng)成為我國煙葉烘烤設(shè)備的發(fā)展方向[4]。

近年來CFD方法廣泛地應(yīng)用到氣流速度場的分析中。國內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用CFD方法模擬設(shè)備裝置內(nèi)部流場分布情況，并提出結(jié)構(gòu)及組件改進(jìn)設(shè)計(jì)的研究較多[5-9]，也有一些學(xué)者對(duì)室外噴霧技術(shù)的流體速度場進(jìn)行了模擬[10-11]，有一些研究是對(duì)室內(nèi)的空氣流動(dòng)情況進(jìn)行三維模擬，分析氣流的穩(wěn)定均勻性，改進(jìn)室內(nèi)的結(jié)構(gòu)[12-15]。有研究對(duì)烤房內(nèi)溫濕度分布進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)分析[16]，但是應(yīng)用CFD方法分析密集烤房內(nèi)氣流速度場并進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)的研究分析未見報(bào)道。

本研究通過采用CFD三維數(shù)值模擬方法建立新型密集烤房模型，目的是利用CFD方法優(yōu)化烤房內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主要包括：（1）確定烤房內(nèi)回風(fēng)孔數(shù)量；（2）確定導(dǎo)流板與豎直方向的角度；（3）確定烤房出風(fēng)口的位置。

1 材料與方法

1.1 新型密集烤房結(jié)構(gòu)與工作原理

本研究只介紹新型密集烤房的通風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，不包括加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)?？痉课挥诤幽鲜≡S昌市襄城縣里川煙草合作社，長8.2 m，寬2.9 m，高3.56 m?？痉空w由200 mm厚聚氨酯夾芯板搭建而成，包括外墻、屋頂、地面和分隔板，分隔板距地面2.75 m。烤房內(nèi)部放置鐵制裝煙架，長7.3 m，寬2.7 m，高2.6 m。分隔板上方左右兩側(cè)各安裝3臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)葉輪直徑550 mm，理論風(fēng)量8 100 m3/h，壓升70 Pa，分隔板上開有回風(fēng)孔。進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口設(shè)置在烤房頂部，見圖1。為了展示烤房內(nèi)部結(jié)構(gòu)，部分外墻作隱藏處理。

烤房內(nèi)氣流循環(huán)過程：外界空氣由進(jìn)氣口進(jìn)入烤房，在左右兩側(cè)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)由兩側(cè)風(fēng)機(jī)進(jìn)入分隔板下方烤煙區(qū)域，烤煙區(qū)域氣流一部分經(jīng)過回風(fēng)孔回到分隔板上方，再經(jīng)過風(fēng)機(jī)進(jìn)入烤煙區(qū)域，形成循環(huán)氣流，另一部分經(jīng)過出風(fēng)口排出烤房。

1.2 網(wǎng)格劃分

模型采用與新型密集烤房等比例創(chuàng)建，模型中忽略了裝煙架對(duì)烤房內(nèi)部氣流的影響，不考慮外界空氣速度對(duì)烤房內(nèi)氣流的影響。在ICEM軟件中采用三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成方法劃分模型網(wǎng)格，共產(chǎn)生462 000個(gè)網(wǎng)格單元，1 414 024個(gè)網(wǎng)格面和490 276個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，如圖2所示，模型中開設(shè)48個(gè)回風(fēng)孔。

1.3 控制方程

本模型中不涉及能量和組分的轉(zhuǎn)移，烤房內(nèi)空氣是定常、不可壓縮的，遵循質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律[17]，其控制方程如下：

1.4 邊界條件與數(shù)值求解

進(jìn)口和出口分別采用壓力進(jìn)口和壓力出口邊界條件，進(jìn)口壓力和出口壓力均設(shè)置為常壓狀態(tài)，湍流強(qiáng)度與水力直徑設(shè)置為3.5%和0.5 m。

左側(cè)和右側(cè)風(fēng)機(jī)邊界面采用風(fēng)扇邊界條件（Fan），設(shè)置壓力躍升為70 Pa，與風(fēng)機(jī)銘牌壓升一致，左側(cè)風(fēng)扇邊界方向向左，右側(cè)風(fēng)扇邊界方向向右。

其余邊界面設(shè)置為壁面邊界（Wall），應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)方法處理近壁區(qū)域。

采用Fluent 15.0軟件進(jìn)行數(shù)值求解，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型，采用基于有限體積的控制方程，壓力速度耦合方式為SIMPLE，壓力和動(dòng)量采用二階迎風(fēng)離散格式。

2 結(jié)果與分析

為方便表達(dá)烤房內(nèi)部氣流速度場分布情況，在烤房內(nèi)選取截面Y、Z1、Z2和Z3，如圖3所示。截面Y（Y=1.45 m）為Y軸方向中心截面，截面Z1、Z2和Z3與烤房地面距離分別為0.7 m、1.5 m和2.3 m。

2.1 不同數(shù)量回風(fēng)孔的氣流速度場分布

創(chuàng)建分隔板上平均分布有回風(fēng)孔8、16、24、32、40、48個(gè)的6個(gè)烤房模型，6個(gè)模型Y截面上的氣流速度場分布如圖4所示，只對(duì)分隔板下方烤煙區(qū)域進(jìn)行分析，左右兩側(cè)以及底部的氣流速度高于中部和上部，在中部產(chǎn)生左右對(duì)稱的速度在0～0.5 m/s之間的低速區(qū)域，隨著開設(shè)的回風(fēng)孔數(shù)量的增加，在回風(fēng)孔的作用下，增加了中部上部區(qū)域氣流的流動(dòng)性，導(dǎo)致低速區(qū)域逐漸變小?；仫L(fēng)孔數(shù)量為48個(gè)時(shí)，低速區(qū)域面積達(dá)到最小，烤煙區(qū)域氣流流動(dòng)性達(dá)到最好。endprint

式中：vh為高度為h的平面上的平均氣流速度，m/s；vi為測量點(diǎn)i的氣流速度，m/s；n為總測量點(diǎn)數(shù)量；jh為高度為h平面上的氣流不均勻系數(shù)，jh值越小，氣流分布的均勻性越好。

Z1、Z2和Z3這3個(gè)截面分別代表著烤房內(nèi)部3層煙葉的平均高度，在這3個(gè)截面上，回風(fēng)孔數(shù)量與烤房內(nèi)烤煙區(qū)域氣流不均勻系數(shù)及平均氣流速度之間的關(guān)系如圖5和圖6所示。隨著回風(fēng)孔數(shù)量的增加，烤房內(nèi)Z1、Z2和Z3截面上氣流的不均勻系數(shù)變化不明顯，基本保持平穩(wěn)，只有在回風(fēng)孔數(shù)量由8個(gè)增加到16個(gè)的過程中，Z1和Z2截面上氣流的不均勻系數(shù)急劇減少，此時(shí)對(duì)回風(fēng)孔數(shù)量的增加，可以改善烤房內(nèi)下部和中部區(qū)域的氣流均勻性；在Z2截面上氣流的不均勻系數(shù)明顯高于Z1和Z3截面，說明烤房內(nèi)的低速區(qū)域主要集中在Z2=1.5 m截面附近。然而隨著回風(fēng)孔數(shù)量的增加，氣流的平均速度逐漸增加，在回風(fēng)孔數(shù)量由40個(gè)增加到48個(gè)過程中，氣流平均速度的增加幅度放緩，在回風(fēng)孔數(shù)量為48個(gè)時(shí)，氣流平均速度達(dá)到最高，烤房內(nèi)通風(fēng)效果最好，此時(shí)Z1、Z2和Z3截面上的平均速度為2.13 m/s，對(duì)比回風(fēng)孔數(shù)量僅為8個(gè)時(shí)的平均速度0.63 m/s，平均氣流速度增加了238%?？梢娀仫L(fēng)孔數(shù)量的增加可以有效改善烤房內(nèi)部的通風(fēng)效果。

2.2 不同角度導(dǎo)流板的氣流速度場分布

分別創(chuàng)建導(dǎo)流板與豎直方向夾角為0°、15°、30°和45°的4個(gè)烤房模型，4個(gè)模型Y截面上的氣流速度場分布如圖7所示。與導(dǎo)流板角度為0°，即不設(shè)置導(dǎo)流板的模型作對(duì)比，導(dǎo)流板角度為15°時(shí)，烤房中部呈圓形分布的低速區(qū)域明顯變小，但是在導(dǎo)流板下方區(qū)域由于導(dǎo)流板對(duì)氣流影響的緣故會(huì)有帶狀低速區(qū)域產(chǎn)生；導(dǎo)流板角度為30°時(shí)，對(duì)比15°導(dǎo)流板模型，烤房中部低速區(qū)域以及導(dǎo)流板下方低速區(qū)域都變大；導(dǎo)流板角度為45°時(shí)，由于導(dǎo)流板強(qiáng)制改變氣流運(yùn)行方向，使得烤房中部呈圓形分布的低速區(qū)域消失，但是導(dǎo)流板下方的低速區(qū)域面積急速增加，烤房內(nèi)部整體氣流流動(dòng)性反而降低。

導(dǎo)流板角度與烤房內(nèi)烤煙區(qū)域Z1、Z2和Z3截面氣流不均勻系數(shù)及平均氣流速度之間的關(guān)系如圖8和圖9所示。比較導(dǎo)流板角度為0°和15°兩個(gè)模型的氣流不均勻系數(shù)，在Z2和Z3截面，氣流的不均勻系數(shù)降低，在Z1截面，反而升高，這與導(dǎo)流板下方產(chǎn)生低速區(qū)域有關(guān)；比較導(dǎo)流板角度15°、30°和45°模型的氣流不均勻系數(shù)，隨著導(dǎo)流板角度的增加，3個(gè)截面的氣流不均勻系數(shù)均有所增加，說明導(dǎo)流板角度為15°模型氣流分布的均勻性最好。氣流平均速度的變化趨勢隨著導(dǎo)流板角度的變化不明顯，在Z1截面，導(dǎo)流板角度為45°時(shí)，受到導(dǎo)流板的遮擋， 氣流平均速度大幅降低， 導(dǎo)流板角度為

15°時(shí)，氣流平均速度最高，雖然此時(shí)氣流不均勻系數(shù)相對(duì)0°導(dǎo)流板模型有所升高，但是Z1截面高度的氣流流動(dòng)性最好?？梢?，導(dǎo)流板的設(shè)置對(duì)烤房內(nèi)部氣流均勻性的影響較明顯，當(dāng)導(dǎo)流板與豎直方向夾角為15°時(shí)，烤房內(nèi)部氣流分布均勻性最好。

2.3 不同位置的出風(fēng)口氣流速度場分布

分別創(chuàng)建出風(fēng)口在烤房頂部和底部的2個(gè)模型，2個(gè)模型回風(fēng)孔數(shù)量均為48個(gè)，不設(shè)置導(dǎo)流板，2個(gè)模型中Z1、Z2和Z3截面的氣流不均勻系數(shù)和平均速度見表1，出風(fēng)口在烤房底部的模型在Z1、Z2和Z3截面的氣流平均速度均低于出風(fēng)口在烤房頂部的模型，平均低于出風(fēng)口在烤房頂部模型氣流平均速度5.9%，2個(gè)模型氣流不均勻系數(shù)基本一致，出風(fēng)口在烤房頂部模型的氣流不均勻系數(shù)略微低于出風(fēng)口在烤房底部模型。可見，出風(fēng)口在烤房頂部模型通風(fēng)效果稍好于出風(fēng)口在底部模型。

3 數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證

烤房內(nèi)部烤煙區(qū)域氣流速度場測定試驗(yàn)于2016年8月在河南省許昌市襄縣里川煙草合作社進(jìn)行，試驗(yàn)烤房分隔板開設(shè)48個(gè)回風(fēng)孔，試驗(yàn)的主要目的是測量分隔板下方的烤煙區(qū)域氣流速度并驗(yàn)證仿真結(jié)果，10個(gè)風(fēng)速測量點(diǎn)布置見圖10。風(fēng)速測量選用TES-1340熱線式手持風(fēng)速測量儀（泰仕電子工業(yè)股份有限公司生產(chǎn)），量程0～30 m/s，精度為 0.01 m/s。

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取圖10所示10個(gè)點(diǎn)的測試值與相同未知的模擬值進(jìn)行對(duì)比，P1到P10風(fēng)速測量點(diǎn)的測試值與模擬值對(duì)比見表2，10個(gè)測量點(diǎn)測試值與模擬值的相對(duì)誤差的范圍為0.69%～18.7%，造成誤差的原因有很多，仿真模型中忽略了裝煙架以及測量人員對(duì)烤房內(nèi)部氣流的影響，而且手持風(fēng)速儀進(jìn)行測量也會(huì)有誤差產(chǎn)生；由于P8點(diǎn)的風(fēng)速數(shù)值較小，其測試值與模擬值的相對(duì)誤差為 18.75%，除了P8點(diǎn)外9個(gè)測量點(diǎn)氣流速度的測試值與模擬值相對(duì)誤差均小于8%，測試值與模擬值基本吻合，說明了本研究建立的CFD模型以及CFD模擬的可靠性。

4 結(jié)論

本研究對(duì)新型密集烤房內(nèi)氣流分布進(jìn)行了CFD模擬和現(xiàn)場實(shí)測，10個(gè)測量點(diǎn)的氣流速度測試值與模擬值基本吻合，相對(duì)誤差一般<8%，說明了本研究建立的CFD模型以及CFD模擬的可靠性。根據(jù)CFD模擬結(jié)果，得出以下結(jié)論：回風(fēng)孔數(shù)量的增加可以顯著增加烤房內(nèi)部氣流的平均速度，有效改善烤房內(nèi)部的通風(fēng)效果?；仫L(fēng)孔數(shù)量不宜過少，過少的回風(fēng)孔數(shù)量會(huì)導(dǎo)致烤房內(nèi)部氣流分布均勻性較差；在分隔板上均勻布置回風(fēng)孔時(shí)，可以選擇較多的回風(fēng)孔數(shù)量。對(duì)于既有的新型密集烤房，在回風(fēng)孔數(shù)量不變的情況下，導(dǎo)流板的設(shè)置對(duì)烤房內(nèi)部氣流均勻性的影響較明顯，當(dāng)導(dǎo)流板與豎直方向夾角為15°時(shí)，烤房內(nèi)部氣流分布均勻性最好。在回風(fēng)孔數(shù)量保持不變，不設(shè)置導(dǎo)流板的情況下，出風(fēng)口在烤房頂部模型通風(fēng)效果稍好于出風(fēng)口在底部模型。

根據(jù)以上結(jié)論，提出新型密集烤房結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議：在烤房中設(shè)置48個(gè)回風(fēng)孔、與豎直方向夾角為15°的導(dǎo)流板以及在烤房頂部設(shè)置出風(fēng)口。

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