基于Fluent的棉花烘房流場(chǎng)均勻性優(yōu)化*

錢睿，吳達(dá)科，楊明金

(西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶市，400715)

0 引言

干燥是使農(nóng)產(chǎn)品可長(zhǎng)期保存的重要手段，在傳統(tǒng)的氣流上升式[1]熱泵熱風(fēng)干燥工藝中，熱泵將熱空氣通過管道送入烘房對(duì)農(nóng)產(chǎn)品直接進(jìn)行干燥，或進(jìn)入烘房后穿過普通勻風(fēng)板進(jìn)行烘干，如此干燥過程結(jié)束后出現(xiàn)不同位置農(nóng)產(chǎn)品干燥過度或干燥不足的情況，整體干燥品質(zhì)較差，直接影響到農(nóng)產(chǎn)品的后續(xù)儲(chǔ)存。因此，對(duì)此類烘房進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化勢(shì)在必行。但在實(shí)際改進(jìn)中，依靠經(jīng)驗(yàn)在現(xiàn)場(chǎng)改變烘房結(jié)構(gòu)的方法并不可靠，且會(huì)造成大量的資源浪費(fèi)。利用計(jì)算流體力學(xué)軟件模擬烘房?jī)?nèi)部氣流流動(dòng)情況可以準(zhǔn)確暴露內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在的“缺陷”，從而有針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，將大大減少人力物力消耗。

近些年來，CFD技術(shù)在噴霧干燥領(lǐng)域[2-5]、熱風(fēng)干燥領(lǐng)域[5-8]以及干燥參數(shù)優(yōu)化[9-11]等方面應(yīng)用發(fā)展迅速。國(guó)內(nèi)外學(xué)者借助CFD技術(shù)對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品熱泵烘房的結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了廣泛深入的研究。Babu等[12]利用Fluent軟件比較了四種不同托盤結(jié)構(gòu)葉片干燥室的干燥性能，確定了最佳優(yōu)化方案，大大提高了葉片干燥時(shí)的傳熱傳質(zhì)效率；王嘉麟等[13]針對(duì)固定床式花生莢果烘房設(shè)計(jì)了一種擋板組合式勻風(fēng)機(jī)構(gòu)，很好地改善了干燥均勻性問題；王振文等[14]利用Fluent提出在菊花烘房設(shè)置導(dǎo)流板可以使氣流分布更加均勻；劉瑞等[15]提出在菊花熱泵烘房進(jìn)風(fēng)口設(shè)置引風(fēng)罩，借助于Fluent研究了引風(fēng)罩最佳角度與長(zhǎng)度，改善了整體空間的氣流均勻性。上述研究針對(duì)不同農(nóng)產(chǎn)品或不同類型烘房的優(yōu)化均有一定效果，但目前對(duì)于氣流上升式熱泵烘房?jī)?nèi)部進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以改善內(nèi)部流場(chǎng)均勻性的研究少之又少。

本文針對(duì)已研發(fā)的通用型氣流上升式熱泵烘房存在的農(nóng)產(chǎn)品干燥不均勻問題，利用CFD技術(shù)研究烘房空載與滿載下的內(nèi)部氣流分布情況，探尋影響熱空氣分布的結(jié)構(gòu)因素，設(shè)計(jì)9組不同角度的導(dǎo)流葉片與不同變方孔徑勻風(fēng)板的組合優(yōu)化方案，探討最佳組合方式，為后續(xù)實(shí)際干燥工藝改進(jìn)提供技術(shù)參考。

1 烘房建模及模擬方法

1.1 三維模型建立及網(wǎng)格劃分

本文所用熱泵是以熱泵烘干雙機(jī)V102-X為原型，主要由熱泵供熱系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、烘房熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)等組成。烘房主要由底部勻風(fēng)區(qū)域、物料干燥區(qū)域、回風(fēng)區(qū)域組成。熱空氣所需熱量由空氣源熱泵及輔助電加熱產(chǎn)生。具體烘房尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 烘房主要參數(shù)Tab. 1 Drying room size parameters

此空氣源熱泵干燥的完整過程是：空氣在熱泵系統(tǒng)中經(jīng)過冷凝器被加熱，通過管道進(jìn)入烘房對(duì)物料進(jìn)行干燥，熱空氣帶走物料中的水分，再通過回風(fēng)口返回?zé)岜孟到y(tǒng)進(jìn)行除濕加熱，如此循環(huán)。利用Solidworks所建立烘房模型以及在ICEM中網(wǎng)格劃分如圖1所示。

(a) 空載烘房三維圖 (b) 空載烘房網(wǎng)格

本文以棉花作為待烘干物料，由于實(shí)際烘房采用的是整體烘干，因此滿載時(shí)將棉花層設(shè)置為多孔介質(zhì)區(qū)域，具體尺寸為1 620 mm×1 080 mm×1 267 mm。

1.2 基本假設(shè)

1) 烘房材料具有良好的保溫效果以及絕熱性能，可看作對(duì)外熱損較少，視為絕熱。

2) 實(shí)際干燥過程，流體包含空氣與水蒸氣兩種物態(tài)，但由于本文重點(diǎn)研究烘房?jī)?nèi)流場(chǎng)的分布，所以將流體看作干熱空氣。

3) 熱空氣在烘房?jī)?nèi)流動(dòng)時(shí)，壓強(qiáng)與溫度變化小，密度變化很小，因此可視熱空氣為不可壓縮流體[16]。

1.3 數(shù)學(xué)模型

1.3.1 湍流模型

不可壓縮流體的流動(dòng)滿足質(zhì)量守恒方程以及動(dòng)量守恒方程。湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，此模型即在湍動(dòng)能k方程的基礎(chǔ)上，加入一個(gè)湍動(dòng)耗散率ε的方程，形成k-ε雙方程模型[17]。

Gb-ρε-YM+Sk

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：μt——普朗特假定湍動(dòng)粘度；

μ——流體動(dòng)力粘性系數(shù)，取值為1.789 4×10-5；

ui、uj——湍流速度在第i、j個(gè)方向上的分量；

Gk——平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生；

Gb——浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生；

YM——過渡的擴(kuò)散所產(chǎn)生的波動(dòng)，對(duì)于不可壓縮流體YM=0；

Sk、Sε——用戶自定義源項(xiàng)；

C1ε、C2ε、C3ε——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，F(xiàn)luent中默認(rèn)取1.44、1.922、0.09；

σk、σε——湍動(dòng)能和湍動(dòng)耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，F(xiàn)luent默認(rèn)取1.0、1.3；

gi——重力加速度在第i個(gè)方向上的分量；

Prt——湍動(dòng)普朗特?cái)?shù)，默認(rèn)取0.85；

Cμ——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；

T——流體溫度；

β——熱膨脹系數(shù)；

ρ——流體密度，取1.225 kg/m2；

t——時(shí)間。

1.3.2 多孔介質(zhì)模型

滿載時(shí)空氣在物料層之間流動(dòng)會(huì)受到粘性阻力以及慣性阻力的影響，因此本文將棉花層設(shè)置為六層多孔介質(zhì)區(qū)域[18-19]。在Fluent中多孔介質(zhì)區(qū)域需要確定孔隙率、粘性阻力系數(shù)以及慣性阻力系數(shù)。多孔介質(zhì)的模擬即在標(biāo)準(zhǔn)流體流動(dòng)方程中加入了動(dòng)量源項(xiàng)[20]。源項(xiàng)由粘性損失項(xiàng)和慣性損失項(xiàng)兩部分組成。

(6)

式中：Si——i方向上的(x，y，z)動(dòng)量源項(xiàng)；

D、C——指定的系數(shù)矩陣；

|v|——速度大小。

對(duì)于簡(jiǎn)單均質(zhì)多孔介質(zhì)情況，可將公式簡(jiǎn)化為式(7)。

(7)

式中：α——滲透性系數(shù)；

C2——慣性阻力系數(shù)。

α與C2通過式(8)和式(9)求出。

(8)

(9)

Dp為多孔介質(zhì)的當(dāng)量直徑，本文取為棉花的平均直徑50 mm，棉花孔隙率φ通過孔隙率實(shí)驗(yàn)[21]測(cè)得棉花的自身密度ρ1以及堆積密度ρ2，然后根據(jù)式(10)計(jì)算，即可得到孔隙率約為70%。

(10)

1.4 邊界條件

利用風(fēng)速計(jì)采集入口9個(gè)點(diǎn)的風(fēng)速及空氣溫度，采集數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 入口速度溫度采集數(shù)據(jù)Tab. 2 Inlet velocity temperature collection data

求得平均速度和平均溫度分別約為10.1 m/s和42 ℃，作為進(jìn)風(fēng)口的邊界條件；出風(fēng)口設(shè)定為壓力出口，表壓設(shè)置為101 325 Pa；進(jìn)出口的湍流強(qiáng)度以及水力直徑通過式(11)和式(12)計(jì)算。

進(jìn)出口的湍流強(qiáng)度

(11)

(12)

式中：Re——雷諾數(shù)；

d——圓管直徑，在本模型中進(jìn)風(fēng)口為矩形，d可認(rèn)為等于水力直徑L。

L=4A/P

(13)

式中：A——進(jìn)出風(fēng)口的截面面積；

P——進(jìn)出風(fēng)口的截面周長(zhǎng)。

具體邊界條件設(shè)置參數(shù)如表3所示。

表3 邊界條件參數(shù)Tab. 3 Boundary condition parameters

1.5 評(píng)價(jià)指標(biāo)

1) 速度云圖以及矢量圖。在CFD仿真后處理中，通過速度云圖[22-23]可以直觀地反映流場(chǎng)均勻性以及分布特性，而風(fēng)速過低時(shí)可引入速度矢量圖來分析流場(chǎng)。

2) 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV。為比較流場(chǎng)均勻性的改善程度，引入了相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV[24-25]。

(14)

式中：σv——平面內(nèi)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差；

vi——各監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速，i=1，2，3…；

n——平面內(nèi)均勻分布的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)目。

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV越大，表示烘房?jī)?nèi)部的流場(chǎng)越不均勻；CV越小，則表示流場(chǎng)越均勻。

3) 均勻性指數(shù)γv。均勻性指數(shù)[26]是基于統(tǒng)計(jì)偏差定義，可全面反映截面的流體速度分布特性。γv越大，表示流體流動(dòng)均勻性越好。

(15)

1.6 Fluent仿真可靠性驗(yàn)證

為驗(yàn)證所建立CFD烘房模型以及仿真結(jié)果的正確性與可靠性，在實(shí)際烘房中三個(gè)高度平面上按圖2所示每個(gè)平面取35個(gè)風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共105個(gè)點(diǎn)，利用風(fēng)速傳感器測(cè)量各點(diǎn)風(fēng)速，并記錄相對(duì)應(yīng)點(diǎn)的仿真值，將實(shí)際測(cè)量值與仿真值進(jìn)行對(duì)比，得到圖3。

圖2 測(cè)量點(diǎn)位置

(a) Z=0.1 m處風(fēng)速仿真值與測(cè)量值 (b) Z=0.8 m處風(fēng)速仿真值與測(cè)量值 (c) Z=1.5 m處風(fēng)速仿真值與測(cè)量值

由圖3可知，三個(gè)平面上各35個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與仿真值存在一定誤差，但總體變化趨勢(shì)基本一致，經(jīng)計(jì)算得到實(shí)測(cè)值與仿真值的平均相對(duì)誤差約為11.7%。在實(shí)際工程應(yīng)用中，要求相對(duì)誤差不應(yīng)高于20%，因此本文的Fluent仿真中所建立CFD模型網(wǎng)格滿足模擬要求，所選取求解器模型適用此烘房模擬，模擬結(jié)果符合實(shí)際情況，可知此CFD模型是具有可靠性的，可用于后續(xù)優(yōu)化仿真方案的驗(yàn)證分析。

2 初始烘房模擬結(jié)果

2.1 初始空載烘房流場(chǎng)分析

對(duì)初始空載烘房仿真后，截取Z=0.1 m處平面的速度云圖觀察熱空氣進(jìn)入烘房后在勻風(fēng)區(qū)的分布情況，如圖4(a)所示，烘房下部的勻風(fēng)區(qū)熱空氣主要集中在中間部分，無法向兩側(cè)完全散開，呈現(xiàn)出勻風(fēng)區(qū)兩側(cè)的風(fēng)速明顯低于中間風(fēng)速，并在兩側(cè)形成對(duì)稱的幾處較大渦旋，初步分析是由于進(jìn)風(fēng)口寬度有限所致，這些渦旋會(huì)導(dǎo)致對(duì)應(yīng)位置的烘干區(qū)部分區(qū)域空氣流速很低，但本文中熱泵的送風(fēng)口寬度不可改變，所以需采取方案優(yōu)化烘房進(jìn)風(fēng)口。

(a) Z=0.1 m處速度云圖

由于內(nèi)部空間較大，具有一定初始速度的熱空氣進(jìn)入烘房后速度逐漸減弱并雜亂分散，受兩側(cè)渦旋影響，在中間位置有一小段熱空氣流速突然增大。為觀察延X軸方向?qū)嶋H干燥區(qū)前后風(fēng)場(chǎng)分布情況，截取了Y=0.6 m處速度云圖，如圖4(b)所示，具有一定壓強(qiáng)的熱空氣進(jìn)入烘房后直接沖擊至烘房后壁面，導(dǎo)致很大一部分熱空氣從鄰近后壁面的圓孔進(jìn)入烘干區(qū)，在靠近進(jìn)風(fēng)口處，通過勻風(fēng)板進(jìn)入干燥區(qū)的熱空氣較少，后壁面附近風(fēng)量明顯多于進(jìn)風(fēng)口側(cè)，并且由于進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口在同一水平面，導(dǎo)致不可避免地出現(xiàn)很大的渦旋。

另外，截取烘干區(qū)Z方向上的五個(gè)截面，并在各個(gè)截面選取20個(gè)風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)，處理得到初始結(jié)構(gòu)下的烘干區(qū)五個(gè)截面的平均速度、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV以及均勻性系數(shù) 的具體數(shù)值如表4所示，烘干區(qū)從下至上平均速度呈上升趨勢(shì)，越靠近出風(fēng)口風(fēng)速越高，且各截面的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV都比較高，均勻性系數(shù)均處于較低水平，流場(chǎng)整體均勻性較差。

表4 初始結(jié)構(gòu)烘干區(qū)XY面流場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab. 4 Evaluation index of XY surface flow field in drying zone of initial structure

2.2 初始滿載烘房流場(chǎng)分析

為觀察滿載時(shí)烘干區(qū)速度場(chǎng)情況，截取了XZ平面上Y=0.6 m處截面，得到圖5所示速度云圖。

(a) 滿載Y=0.6 m速度云圖

由于多孔介質(zhì)層之間的粘性阻力及慣性阻力的存在，導(dǎo)致風(fēng)速過低，無法直觀地觀察到物料層之間的風(fēng)場(chǎng)情況，因此引入速度矢量圖來代替速度云圖。從速度矢量圖可以看出，具有一定初速度的熱空氣進(jìn)入烘房后，從勻風(fēng)板前后部進(jìn)入烘干區(qū)熱空氣較多，由烘房中間部分進(jìn)入物料層的熱空氣較少，這是由于物料層與烘房壁面間存在空隙，熱空氣沿空隙流向出風(fēng)口。物料層由下至上，熱空氣始終受粘性阻力及慣性阻力影響，流動(dòng)逐漸減少，有較多速度“缺口”，在物料層右上角出現(xiàn)風(fēng)速“空白區(qū)”，是由于烘房?jī)?nèi)外壓強(qiáng)差的存在導(dǎo)致附近熱空氣直接流向出風(fēng)口。

3 烘房結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為改善烘房由于進(jìn)風(fēng)口寬度有限導(dǎo)致的勻風(fēng)區(qū)兩側(cè)風(fēng)場(chǎng)不均的問題，在進(jìn)風(fēng)口處設(shè)置圖6所示葉片用以導(dǎo)流，將進(jìn)來的熱空氣充分?jǐn)U散，減少勻風(fēng)區(qū)渦旋情況。為使仿真快速有效地進(jìn)行，在確定仿真方案之前，進(jìn)行了葉片角度從15°～60°以15°為梯度差的預(yù)仿真，觀察四種角度葉片對(duì)流場(chǎng)所造成的影響，結(jié)果顯示：超過30°的葉片對(duì)熱空氣分散效果較差，因此最終選取了角度的三個(gè)梯度進(jìn)行仿真分析，分別為10°、15°、20°。

圖6 進(jìn)風(fēng)口優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)初始烘房延X軸方向烘干區(qū)前后風(fēng)場(chǎng)不均的問題，并為提高進(jìn)入烘干區(qū)的熱空氣流速，將原有勻風(fēng)板上的圓孔改為變徑方孔，如圖7所示。

(a) A類勻風(fēng)板 (b) B類勻風(fēng)板

由于變徑方孔的存在，接近后壁面處勻風(fēng)板上的方孔徑較小，上升至烘干區(qū)的熱空氣隨之變少，下方壓強(qiáng)增大，促使熱空氣向勻風(fēng)板中前部移動(dòng)，使得勻風(fēng)區(qū)的熱空氣在三個(gè)區(qū)域內(nèi)能較均勻地上升至烘干區(qū)。從前到后，A類勻風(fēng)板孔徑為45 mm，35 mm，25 mm；B類勻風(fēng)板孔徑為40 mm，30 mm，20 mm；C類勻風(fēng)板孔徑為35 mm，25 mm，15 mm。

將上述的兩種優(yōu)化方法中進(jìn)行組合，設(shè)計(jì)出9種方案，如表5所示。

表5 仿真方案Tab. 5 Simulation schemes

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化模擬結(jié)果

4.1 優(yōu)化后空載烘房流場(chǎng)分析

為比較優(yōu)化前后烘房?jī)?nèi)部橫向風(fēng)場(chǎng)變化，分別在原始結(jié)構(gòu)以及9種優(yōu)化方案得到的仿真結(jié)果中截取了XZ平面上Y=0.6 m處的速度云圖，并在此截面烘干區(qū)范圍內(nèi)選取24個(gè)風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)，計(jì)算出各優(yōu)化方案在此截面上的平均速度、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差以及均勻性系數(shù)，如圖8所示。

9種優(yōu)化方案在XZ平面上較原始結(jié)構(gòu)均大幅度提高了平均速度；除20°葉片下的3種優(yōu)化方案外，另外6種方案也均大幅度降低了相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差并提高了均勻性系數(shù)。

為反映各方案烘干區(qū)不同高度平面的氣流狀態(tài)，截取了Z=0.6、0.85、1.1、1.35、1.6 m這5個(gè)平面的速度云圖。在這5個(gè)平面上各選取了20個(gè)風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)，經(jīng)處理后得到平均速度以及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的點(diǎn)線圖如圖9所示。

從圖9中不同優(yōu)化方案與原始狀態(tài)下的截面平均速度和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)比可以看出，所有優(yōu)化方案在XY平面上均不同程度提高了平均速度并降低了相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖9(a)中，在葉片10°的情況下，3類變孔徑勻風(fēng)板在提高整體平均速度方面差異不是很大，但圖9(d)中B類勻風(fēng)板的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差整體處于下降趨勢(shì)，且大幅度降低，而勻風(fēng)板C與A的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在不同截面的波動(dòng)較大，因此在10°葉片組中最優(yōu)選為B勻風(fēng)板。同理，在葉片15°以及20°的情況下，分別是勻風(fēng)板B和勻風(fēng)板C優(yōu)化效果較同組其他方案效果更優(yōu)。

(a) 9種方案Y=0.6 m處平均風(fēng)速 (b) 9種方案Y=0.6 m處相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差 (c) 9種方案Y=0.6 m處均勻性系數(shù)

(a) 10°葉片下各方案平均速度 (b) 15°葉片下各方案平均速度 (c) 20°葉片下各方案平均速度

(d) 10°葉片下各方案相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差 (e) 15°葉片下各方案相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差 (f) 20°葉片下各方案相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差

4.2 確定最優(yōu)方案

將上述各葉片下最優(yōu)方案進(jìn)一步對(duì)比，如圖10所示。10°葉片與勻風(fēng)板B在XY截面上的平均速度比另外兩種組合較原始結(jié)構(gòu)高出更多，但綜合相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，15°葉片和勻風(fēng)板B一直處于下降趨勢(shì)，比較穩(wěn)定。

(a) 各組最優(yōu)方案平均速度對(duì)比 (b) 各組最優(yōu)方案相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)比 (c) 各組最優(yōu)方案均勻性系數(shù)對(duì)比

將所監(jiān)測(cè)風(fēng)速點(diǎn)進(jìn)一步處理得到了各組最優(yōu)方案的均勻性系數(shù)對(duì)比，可知15°葉片和勻風(fēng)板B的組合下，各平面的均勻性系數(shù)均處于較好狀態(tài)，且隨著高度的上升均勻性逐漸增加。綜合上述各評(píng)價(jià)指標(biāo)，最終選定15°葉片和勻風(fēng)板B為最優(yōu)組合。

表6是優(yōu)化后烘干區(qū)XY不同高度平面的平均速度、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV以及均勻性系數(shù)的具體數(shù)據(jù)，與表4對(duì)比，各平面平均速度提高了0.231 m/s，平均相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差由60.51%降至38.87%，平均均勻性系數(shù)由0.76提升至0.85，烘干區(qū)由下至上，風(fēng)速逐漸增大，風(fēng)場(chǎng)愈發(fā)均勻。

表6 優(yōu)化后烘干區(qū)XY平面流場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab. 6 Evaluation index of XY plane flow field in drying zone after optimization

4.3 最優(yōu)方案下滿載烘房流場(chǎng)分析

優(yōu)化前后對(duì)比如圖11、圖12所示。

(a) 優(yōu)化前Y=0.35 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速 (b) 優(yōu)化前Y=0.6 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速 (c) 優(yōu)化前Y=0.85 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速

(d) 優(yōu)化后Y=0.35 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速 (e) 優(yōu)化后Y=0.6 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速 (f) 優(yōu)化后Y=0.85 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速

(a) 優(yōu)化前Z=0.5 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速 (b) 優(yōu)化前Z=1.0 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速 (c) 優(yōu)化前Z=1.5 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速

(d) 優(yōu)化后Z=0.5 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速 (e) 優(yōu)化后Z=1.0 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速 (f) 優(yōu)化后Z=1.5 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速

確定優(yōu)化方案后，加入多孔介質(zhì)并進(jìn)行模擬仿真。為比較優(yōu)化前后物料層內(nèi)XZ不同位置平面的風(fēng)場(chǎng)變化，使用ISO CLIP工具選定了Y=0.35、0.6、0.85 m三平面上處于物料層內(nèi)部的部分截面，并各沿進(jìn)風(fēng)方向以及垂直進(jìn)風(fēng)方向選取了300個(gè)風(fēng)速記錄點(diǎn)，分別記為x1,x2。由圖11可知，優(yōu)化前后三個(gè)物料層內(nèi)部截面的風(fēng)場(chǎng)變化趨勢(shì)相似；另外，原始烘房下在靠近進(jìn)風(fēng)口以及出風(fēng)口側(cè)風(fēng)速過高，而其他位置的速度偏低，平均速度僅為0.087 m/s，優(yōu)化后提升至0.2 m/s；原始烘房下的三維曲面圖波動(dòng)較大，三截面的平均風(fēng)速相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為44.8%，優(yōu)化后降至25.1%，平均均勻性系數(shù)由0.84提升至0.91。

為了從烘干區(qū)XY不同高度平面上分析優(yōu)化前后流場(chǎng)變化，同樣使用ISO CLIP工具選定了Z=0.5、1.0、1.5 m三平面上處于物料層內(nèi)部的部分截面，各取了300個(gè)風(fēng)速記錄點(diǎn)后繪制三維曲面圖如圖12所示。原始烘房下內(nèi)部中間位置熱空氣流速很低，平均速度僅0.096 m/s，優(yōu)化后被提高至0.23 m/s；另外，原始烘房在Z=0.5 m和1.5 m處速度波動(dòng)很大，是因?yàn)檫@兩處平面靠近進(jìn)出風(fēng)口側(cè)，而Z=1.0 m由于處于物料層中部，其上各點(diǎn)風(fēng)速極低，變化范圍小，而優(yōu)化后的烘房風(fēng)場(chǎng)變化顯然更加平穩(wěn)，經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后平均相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差由30.1%降至24.32%，且優(yōu)化后三平面的速度均勻性系數(shù)均在0.9以上，平均均勻性系數(shù)由0.88提升至0.94。

5 結(jié)論

本文基于Fluent軟件對(duì)氣流上升式熱泵烘房流場(chǎng)進(jìn)行了模擬仿真，在驗(yàn)證了仿真模型的可靠性與正確性的基礎(chǔ)下完成了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1) 通過在進(jìn)風(fēng)口設(shè)置不同角度導(dǎo)流葉片，并且將勻風(fēng)板上原有的統(tǒng)一直徑圓孔改為變徑方孔，共設(shè)計(jì)了9種優(yōu)化方案組合。通過比較速度云圖、速度矢量圖、平均速度、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差以及均勻性系數(shù)，最終確定15°導(dǎo)流葉片與B類勻風(fēng)板的組合為最優(yōu)組合。

2) 優(yōu)化后的烘房相較于初始烘房，烘干區(qū)平均速度提高了0.231 m/s，烘干區(qū)XY不同高度平面的平均相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV由60.51%降至38.87%，平均均勻性系數(shù)由0.76提升至0.85；滿載時(shí)烘干區(qū)物料層范圍內(nèi)XZ不同位置平面的平均速度0.087 m/s增強(qiáng)至0.2 m/s，平均相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV由44.8%降至25.1%，平均均勻性系數(shù)由0.84提升至0.91；烘干區(qū)物料層范圍內(nèi)XY不同高度平面的平均速度由0.096 m/s增強(qiáng)至0.23 m/s，平均相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV由30.1%降至24.32%，平均均勻性系數(shù)由0.88提升至0.94，即優(yōu)化后的烘房流場(chǎng)整體低速區(qū)域大大減少，流場(chǎng)均勻性有效得到改善，將更有利于實(shí)際烘干，從而提高產(chǎn)品的最終干燥效果。本研究可為氣流上升式熱泵烘房的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論方法及技術(shù)方案。