王嘉麟，謝煥雄，李國鵬，顏建春，魏 海，吳惠昌

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

0 引言

固定床式干燥設(shè)備是花生干燥發(fā)展的熱門方向之一[1-4]，相對于傳統(tǒng)干燥設(shè)備具有一次處理量大、上卸料方便及干燥時間短等優(yōu)點(diǎn)[5-9]；但隨著處理量進(jìn)一步增多、箱體增大，原有的風(fēng)道結(jié)構(gòu)已無法滿足長箱體、大結(jié)構(gòu)的花生干燥均勻性要求。因此，改變現(xiàn)有風(fēng)道結(jié)構(gòu)，優(yōu)化風(fēng)道內(nèi)勻風(fēng)系統(tǒng)，對未來大型固定床式烘干設(shè)備設(shè)計具有重要意義。

近年來，基于計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于干燥的流場分析中。師建芳[10]等利用CFD模擬加裝不同數(shù)量風(fēng)機(jī)對隧道烘干窯內(nèi)熱風(fēng)流場均勻性的影響，模擬結(jié)果表明：6風(fēng)機(jī)方案隧道窯入口進(jìn)風(fēng)均勻，熱風(fēng)擴(kuò)散距離最短。寧國鵬[11]等對苜蓿干燥與莖葉分離設(shè)備進(jìn)行了CFD模擬，結(jié)果顯示模擬流場內(nèi)不存在明顯的渦流現(xiàn)象滿足設(shè)備的使用要求。任海偉[12]等利用CFD對太陽能干燥室內(nèi)氣流場進(jìn)行模擬，結(jié)果表明：室內(nèi)氣流速度為6m/s時，干燥效果最好，氣流分布更均勻。

本文運(yùn)用SolidWorks軟件建立烘干機(jī)的三維模型，將模型導(dǎo)入到ANSYS Fluent中進(jìn)行CFD的相關(guān)數(shù)值模擬，得出烘干箱內(nèi)氣流場的分布與速度大小，對于烘干箱箱體下部風(fēng)道氣體流速低且分布不均勻的問題，提出了加裝勻風(fēng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化解決方案，并通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本模擬中使用的烘干設(shè)備為自主研發(fā)的1臺固定床干燥機(jī)。烘干機(jī)由3個箱體組成，每個箱體長2m、寬2.1m、高2m，由下風(fēng)道、儲料箱和上風(fēng)道3個部分構(gòu)成。烘干機(jī)箱體蓋板采用電動推桿控制開啟與閉合，箱體壁面采用55mm厚彩鋼聚丙乙烯夾心板，上下風(fēng)道的高度均為0.5m。工作時，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生風(fēng)量由外部風(fēng)道進(jìn)入箱體上下風(fēng)道(通過外部換向裝置調(diào)節(jié))，穿過花生莢果層實(shí)現(xiàn)干燥，如圖1所示。供熱采用1臺具有8臺壓縮機(jī)的熱泵裝置，可有效提供的溫度在40～60℃范圍內(nèi)。風(fēng)機(jī)為1臺高壓離心風(fēng)機(jī)，理論風(fēng)量為21 000m3/h。

圖1 烘干箱模型Fig.1 Drying box model

1.2 試驗(yàn)方法

1.出風(fēng)口 2.1號箱體 3.2號箱體 4.3號箱體 5.測量點(diǎn)圖2 氣流速度測點(diǎn)布置簡圖Fig.2 Schematic diagram of airflow test locations

2 CFD建模與仿真

2.1 烘干機(jī)模型的建立

流體動力學(xué)基本方程組包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、組分質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、本構(gòu)方程、狀態(tài)方程及通用形式守恒方程[13-15]。本次模擬不考慮通風(fēng)過程中的能量交換和組分變化，在烘干過程中取樣口與卸料口處于閉合狀態(tài)，故可將模型中的取樣口和卸料口簡化為壁面。運(yùn)用SolidWorks軟件建立與實(shí)際烘干箱的尺寸等模型，新鮮花生堆積高度為70cm，故在箱體內(nèi)建立高度為70cm的多孔介質(zhì)區(qū)域。實(shí)際幾何模型與簡化幾何建立模型如圖3所示。

(a) 實(shí)際模型

1.進(jìn)風(fēng)口 2.1號箱體花生域 3.2號箱體花生域 4.3號箱體花生域 5.下風(fēng)道 6.上風(fēng)道 7.出風(fēng)口 (b) 簡化模型圖3 烘干箱模型Fig.3 Drying box model

2.2 多孔區(qū)域設(shè)置

實(shí)際模型中箱內(nèi)堆有70cm厚的花生莢果，花生莢果與花生莢果之間存在大量的幾何間隙，難以建立真實(shí)的幾何模型。對于此類問題的研究，通常將模型進(jìn)行簡化，將多孔區(qū)域簡化為增加了阻力源的流體區(qū)域。簡化方式一般為在多孔區(qū)域提供一個與速度相關(guān)的動量匯，其表達(dá)形式為

(1)

其中，Si為(x,y,z)動量源項，為速度值；D、C分別是黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)；μ為動力粘性系數(shù)(N·s/m2)；ρ為流體密度(kg/m3)；νj為j向流速(m/s)。

對于相對均勻的多孔介質(zhì)，可表示為

(2)

式中α—滲透率；

C2—慣性阻力系數(shù)。

她是不斷開拓創(chuàng)新破解監(jiān)管技術(shù)難題的帶頭人和實(shí)踐者,她是河北食品安全檢驗(yàn)的奠基人和排頭兵。她叫王麗霞，河北省食品檢驗(yàn)研究院院長，河北省食品安全專家指導(dǎo)委員會秘書長、全國環(huán)保產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化專家委員會委員、國家食品藥品監(jiān)管總局餐飲服務(wù)食品安全專家。

依據(jù)空氣動力學(xué)特性，多孔介質(zhì)內(nèi)的慣性阻力系數(shù)與黏性阻力系數(shù)是模擬多孔介質(zhì)的關(guān)鍵[16]，結(jié)合Dracy定律與Ergun方程[17-20]，得出在湍流模型中可用一個含有滲透率與慣性阻力系數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)公式模擬動量源項，即

(3)

式中Δp—壓降(Pa)；

H—床層厚度(mm)；

Dρ—顆粒平均直徑(mm)；

φ—孔隙率(%)。

結(jié)合上述式(2)、式(3)，求得多孔介質(zhì)內(nèi)黏性阻力系數(shù)與慣性阻力系數(shù)為

(4)

(5)

2.3 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

在ANSYS GM界面中使用Named Selection方法設(shè)定模型的區(qū)域條件(Cell zone conditions)及邊界條件(Boundary conditions)[21-23]。將上風(fēng)道與下風(fēng)道的流體域定義為Fluid，在下風(fēng)道的入口處設(shè)置速度入口(velocity-inlet)，在上風(fēng)道的出口處設(shè)置為壓力出口(pressure-outlet)，存放花生域設(shè)置為多孔介質(zhì)(porous)。模擬參數(shù)均為現(xiàn)場實(shí)際測量所得。下風(fēng)道入口風(fēng)速測量方法：在風(fēng)道入口處橫向均勻布置4個測點(diǎn)，縱向均勻布置3個測點(diǎn)，共計12個測點(diǎn)；每個測點(diǎn)采用手持式SMART風(fēng)速儀測速3次取平均值作為該點(diǎn)風(fēng)速，最終以12個測點(diǎn)風(fēng)速的平均值作為下風(fēng)道的入口速度，具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

2.4 網(wǎng)格劃分

在ANSYS Meshing中設(shè)置物理偏好為CFD，網(wǎng)格疏密程度設(shè)置為100，整個模型網(wǎng)格的最大邊長為0.14m，箱體周圍壁面建立膨脹層邊界(Inflated Boundary)，平滑比率設(shè)置為0.272，最大層數(shù)設(shè)置為5層，生長速率(Growth Rate)為1.2，網(wǎng)格劃分方法采用六面體網(wǎng)格劃分方法(Hex Dominant)。優(yōu)化時，對勻風(fēng)板邊界進(jìn)行加密處理。對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格質(zhì)量Element Quality接近1的比率占90%以上，表明網(wǎng)格質(zhì)量良好,滿足仿真要求。

表1 模擬參數(shù)表Table 1 Parameters of simulation

3 仿真結(jié)果與驗(yàn)證

3.1 風(fēng)道內(nèi)速度分布情況

本次仿真模擬采用穩(wěn)態(tài)方法求解控制方程，動量方程采用二階迎風(fēng)格式，湍流脈動能量和湍流耗散率也均采用二階迎風(fēng)格式[24-26]，各項松弛因子系統(tǒng)默認(rèn)；采用SIMPLE算法，送代采用自適應(yīng)步長，經(jīng)由184個時間步長達(dá)到穩(wěn)定，導(dǎo)入CFD-Post中進(jìn)行后處理。其中，Y為距烘干箱下底面的高度；Z為距箱體左壁面的距離，計算結(jié)果如圖4所示。

圖4(a)、(b)為烘干箱內(nèi)2個不同高度Y的速度場分布云圖，分別為Y=0.2m和Y=1.7m。對比兩個不同截面的速度分布云圖發(fā)現(xiàn)：箱體內(nèi)由于壓差的影響，越靠近風(fēng)道的進(jìn)出口速度越大，且隨著箱體距離進(jìn)出口位移的增大風(fēng)速逐漸降低，各個箱體間風(fēng)速差異明顯。由圖4(a)可知：下風(fēng)道內(nèi)1號箱體下的風(fēng)速在6～8m/s之間，3號箱體風(fēng)速基本在2m/s以下，箱體間風(fēng)速差異明顯；花生烘干主要靠流經(jīng)莢果表面的風(fēng)帶走水分，風(fēng)量的不均性必然影響干燥均勻性。

圖5(c)為烘干箱內(nèi)的縱向速度場分布云圖，作用位置z=1m。從圖5(c)觀察得知：1號與2號烘干箱下風(fēng)道風(fēng)速縱向變化范圍不大，3號箱體下風(fēng)道垂直方向速度變化差異明顯，靠近花生的區(qū)域速度較大，而在上風(fēng)道則相反，靠近花生區(qū)域的風(fēng)速較??；在箱體后半部分風(fēng)速較小，與前半部分存在較為明顯的差異，不足以滿足花生烘干均勻性的要求。

(a) Y=0.2m

(b) Y=1.7m

(c) Z=1m圖4 烘干箱內(nèi)不同截面氣流速度場模擬仿真圖Fig.4 Simulation air velocity contours of different sections in a drying box

3.2 CFD模型驗(yàn)證

為確定模擬效果與實(shí)際測得數(shù)據(jù)的區(qū)別，必須進(jìn)行CFD模型的驗(yàn)證，將模擬所得數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)對比。圖5為實(shí)測值與仿真值的對比結(jié)果。其各點(diǎn)模擬值與實(shí)測值的均方根誤差為0.163m/s，最大絕對誤差為0.46m/s，模擬值與實(shí)際值存在一定誤差；但是真題趨勢大致相同，說明本次模擬要求適用于烘干箱流場的模擬，可為后續(xù)對流場的改造提供結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖5 測點(diǎn)實(shí)測值與仿真值對比Fig.5 Comparison of measured and simulated values at each measurement points

4 增強(qiáng)風(fēng)道勻風(fēng)效果的新型構(gòu)造

4.1 勻風(fēng)擋板機(jī)構(gòu)

固定床烘干設(shè)備箱體內(nèi)風(fēng)道過長，當(dāng)風(fēng)從風(fēng)道進(jìn)入時，會在壓差作用下發(fā)生偏移，風(fēng)量多集中于箱體的前半部分，使得箱體后半部分風(fēng)量過小，造成風(fēng)道內(nèi)風(fēng)量分布不均勻。針對這一問題，為提高新鮮花生的烘干效率與烘干品質(zhì)，在現(xiàn)有風(fēng)道基礎(chǔ)上加裝的一種勻風(fēng)機(jī)構(gòu)，如圖6所示。此勻風(fēng)機(jī)構(gòu)可以固定在箱體的風(fēng)道上，由多塊勻風(fēng)擋板組成，擋板可以通過電動推桿進(jìn)行不同角度的調(diào)節(jié)。當(dāng)烘干箱進(jìn)行干燥作業(yè)時，可以使用控制按鈕控制擋板升起與下降，也可對每一塊擋板進(jìn)行單獨(dú)控制，通過勻風(fēng)板改變風(fēng)道內(nèi)氣流的分布情況，讓每個箱體流經(jīng)的風(fēng)量盡量地均勻。

1.前搖桿 2.擋板 3.后搖桿 4.固定端圖6 勻風(fēng)板Fig.6 Air distribution plate

4.2 優(yōu)化設(shè)計方案

本次優(yōu)化設(shè)計以1臺固定床換向通風(fēng)干燥機(jī)為例，其干燥區(qū)域包含3個箱體，計劃通過在箱體的下風(fēng)道處通過添加1個、3個和6個3種個數(shù)的勻風(fēng)擋板來考慮通過增加勻風(fēng)擋板個數(shù)的不同對于阻擋風(fēng)道內(nèi)氣流流向的影響。模擬仿真發(fā)現(xiàn)：勻風(fēng)擋板的板間距及擋板與風(fēng)道入口的距離以及每個擋板間的距離的不同也會對風(fēng)道內(nèi)氣流的穩(wěn)定性及均勻性產(chǎn)生影響，考慮到每個箱體的長為2m，總計3個箱體總長為6m，故將勻風(fēng)擋板的板間距定義為0.6、0.8、1m共3個檔位進(jìn)行模擬對比研究?？紤]到風(fēng)場均勻性的影響，勻風(fēng)擋板的高度與角度定義為可以將風(fēng)道的高度均勻劃分，確保了流經(jīng)每個擋板的風(fēng)量是相等的。除此以外，考慮到勻風(fēng)擋板的導(dǎo)流影響，故擋板的長度不同對風(fēng)量導(dǎo)流的影響也會不同，即勻風(fēng)板長影響風(fēng)量至新鮮花層的導(dǎo)流區(qū)間。考慮到風(fēng)道的高度為0.5m，勻風(fēng)擋板要將風(fēng)道均勻劃分，故考慮板長分別為1、0.9、0.8m共3種不同的板長來影響對風(fēng)道內(nèi)勻風(fēng)效果的影響。綜上所述，本次優(yōu)化設(shè)計根據(jù)增加勻風(fēng)導(dǎo)板的個數(shù)、勻風(fēng)擋板安裝的板間距和勻風(fēng)導(dǎo)板的導(dǎo)風(fēng)距離即板長3種因素的不同取值，共計分出3×3×3種組合方案模擬研究箱體風(fēng)道內(nèi)氣流分布情況，從中對比選擇最優(yōu)方案。

4.3 優(yōu)化模擬分析

由圖4可知：氣流從下風(fēng)道入口處進(jìn)入，受到來自上風(fēng)道外部壓差作用，氣流發(fā)生偏移，穿過花生莢果層。由于風(fēng)道相對過長，導(dǎo)致前方氣流流失過大，后方氣流供應(yīng)不足。故通過在風(fēng)道內(nèi)加裝勻風(fēng)擋板阻止箱體內(nèi)風(fēng)道前端風(fēng)量的流失，提高風(fēng)量分布均勻程度，提高干燥均勻性。本次模擬參照民用建筑氣流分布均勻性的標(biāo)準(zhǔn)，采用式(1)、式(2)表示氣流的不均勻系數(shù)，即

(6)

(7)

其中，Vh為高度為h平面上的平均氣流流速(m/s)；Vi為第i個測速點(diǎn)氣流速度(m/s)；n為測速點(diǎn)數(shù)；Jh為高度為h平面上的氣流不均勻系數(shù)，Jh值越小，氣流分布均勻性越好。

通過表2所示的27組不同風(fēng)道內(nèi)勻風(fēng)機(jī)構(gòu)構(gòu)造下的仿真試驗(yàn)，提取如圖2位置處的27個測點(diǎn)的氣流不均勻系數(shù)J0.5，可見不同構(gòu)造的勻風(fēng)機(jī)構(gòu)對氣流影響差異較大。

表2 不同構(gòu)造組合Table 2 Combination of different configurations

在箱體下風(fēng)道0.5m處，板間距為1m，勻風(fēng)距離為1m，分別加裝2塊、4塊及6塊勻風(fēng)板的氣流分布情況(w表示勻風(fēng)板個數(shù))，如圖7所示。由圖7可知：同常規(guī)烘干機(jī)風(fēng)道的氣流分布相比，增加勻風(fēng)裝置能有效地改變氣流的分布情況，相比于加裝2塊、4塊的勻風(fēng)板數(shù)，加裝6塊勻風(fēng)擋板使得氣流的分布更加地均勻；結(jié)合表2所示的氣體不均勻系數(shù)，得出最優(yōu)方案為第21組方案，即勻風(fēng)擋板個數(shù)為6塊、板長為1m、板間距為1m時，勻風(fēng)效果最好，氣流分布更均勻。

w=2

w=4

w=6圖7 改進(jìn)后氣流速度場仿真模擬圖Fig.7 Improved simulation diagram of airflow velocity field after improvement

4.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述仿真模擬的最優(yōu)結(jié)果進(jìn)行設(shè)計構(gòu)造，在烘干箱下風(fēng)道處加裝含有6塊勻風(fēng)板的勻風(fēng)機(jī)構(gòu)，板長均為1m，板間距均調(diào)整為1m。采用四連桿機(jī)構(gòu)對勻風(fēng)板的高度與角度進(jìn)行調(diào)整，動力裝置采用6臺電動推桿作為動力源，如圖7所示。試驗(yàn)采用圖3所示的27個測點(diǎn)進(jìn)行測量，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖8所示。試驗(yàn)表明：加裝勻風(fēng)裝置后，穿過花生莢果層的風(fēng)量得到了均勻分布，箱內(nèi)氣流不均勻系數(shù)降低49.44%，表明勻風(fēng)效果良好，保證了烘干的均勻性。試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖8 試驗(yàn)現(xiàn)場圖Fig.8 Field test

圖9 改造后氣體流速圖Fig.9 Airflow speed after reconstruction

5 討論

主要對如何改善烘干箱內(nèi)流場的分布情況進(jìn)行了研究，通過在烘干箱風(fēng)道內(nèi)加裝勻風(fēng)擋板，可有效改變箱內(nèi)的氣流分布情況。鄧書輝[27]等在對牛舍進(jìn)行流場分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化采用類似的結(jié)構(gòu)，通過添加勻風(fēng)板與對矮墻高度進(jìn)行調(diào)整，改變了牛舍內(nèi)流場分布；相比于未改進(jìn)之前，改進(jìn)后的牛舍內(nèi)氣流不均勻系數(shù)降低了41.8%，表明通過改變流場內(nèi)結(jié)構(gòu)來降低氣流的不均勻系數(shù)的方法是可行的。

通過加裝勻風(fēng)擋板，保證了風(fēng)道內(nèi)流場的均勻性，本次模擬考慮了擋板的間距、數(shù)量及板長的影響，將整個擋板組當(dāng)做一個整體；但未考慮單個勻風(fēng)擋板的改變對整個流場的影響，在后續(xù)的研究中需要加強(qiáng)重視。

6 結(jié)論

1)運(yùn)用SolidWorks軟件建立了烘干箱的三維幾何模型，導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行模擬仿真，通過比較模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)可知：各點(diǎn)風(fēng)速均方根誤差0.163m/s，最大絕對誤差0.46m/s，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

2)通過加裝勻風(fēng)擋板的方式對烘干箱內(nèi)勻風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提出了27組不同組合的優(yōu)化方案。對比改裝前后的箱體內(nèi)風(fēng)道的氣體分布均勻程度，同常規(guī)烘干箱風(fēng)道相比，發(fā)現(xiàn)加裝勻風(fēng)擋板后的氣體不均勻系數(shù)降低了49.44%。該優(yōu)化設(shè)計保證了烘干箱內(nèi)干燥的均勻性，可對未來固定床干燥設(shè)備風(fēng)道均勻性的研究提供一定的參考。