生豬運輸車烘干房氣流組織模擬及優化

郝文彬， 馮天玉， 朱望武， 黃世明， 程 捷

(1 湖北工業大學農機工程設計研究院， 湖北 武漢 430068； 2 武漢市紅之星智農機械有限公司， 湖北 武漢 430000)

生豬轉運車的烘干房在防疫環節占據著重要的位置。轉運車在進行運輸工作前必須進行清洗、消毒、烘干等一系列流程，其主要目的是消滅轉運車上的病毒，切斷病毒傳播途徑[1]。 本文研究的對象是畜禽洗消中心的烘干房，研究其內部存在的氣流組織流速較低和溫度場分布場不均勻的問題。若現場進行調整優化，必將耗費大量的人力、物資，且時間周期長，做的無用功較多。所以采用CFD軟件進行仿真測試，首先驗證數值模擬的準確性，再進行結構優化，得出更為合理的烘干房結構，形成較好的氣流組織和溫度場。

1 仿真模擬及驗證

1.1 物理模型

初始烘干房由燃燒系統、熱風循環系統、烘干房房體和溫度控制系統等4個部分組成，烘干房采用側面送風、側上部回風的方式進行熱風循環。圖1是烘干房的物理模型，表1是烘干房模型參數。

1-汽車車身;2-送風口;3-耳房;4-回風口;5-烘干房房體圖 1 烘干房模型

表1 烘干房模型的參數

1.2 控制方程

烘干房內的氣流流動要遵守物理守恒定律[2]。控制方程是這些守恒定律的數學描述。

1)質量守恒方程(連續性方程)

質量守恒方程的形式為[3]:

(1)

式中：p為流體密度，kg/m3；t為時間，s；u、v、w為速度矢量在x、y、z方向上的分量。

2)動量守恒方程(運動方程)

該定律可以導出x、y和z方向的動量守恒方程:

(2)

(3)

(4)

式中：P是流體微元體的壓力；τxx、τxy和τxz是分子粘性作用產生的粘性應力τ的分量；Fx、Fy和Fz是微元的體力，如果體力只含重力，而且Z軸豎直向上，則Fx=0，Fy=0,Fz=-pg。此公式適用于任何流體均成立的動量守恒方程。

3)能量守恒方程

能量守恒方程：

(5)

式中：T為溫度，K；k為流體的傳熱系數，W/(m2·K);cp為定壓比熱容，J/(kg·K);ST為粘性耗散項。

1.3 網格劃分

采用ICEM軟件對烘干房的物理模型進行網格劃分。烘干房模型比較復雜，對四面體復雜模型進行高效快速的網格劃分，同時對送分口和回風口進行局部加密處理。圖2為烘干房各坐標軸網格劃分示意圖。

(a)X軸方向

(b)Y軸方向

(c)Z軸方向圖 2 網格劃分

1.4 數值方法

烘干房的氣流組織屬于高Re數紊流流動且比較復雜，綜合考慮計算準確性和計算機的性能，最終選用標準κ-ε模型，采用有限體積法FVM為離散方法[4]，離散后選用分步法迭代求解[5]。根據烘干房的參數設置邊界條件，選擇離散輻射模型，求解器選用的是FLUENT5/6。

1.5 實驗驗證

現場試驗選取烘干房中心點位置為溫度測量點，速度測量點選擇在車身的側表面每間隔1 m的6個點進行監測,每20 s記錄溫度和數據，最終測得380 s的數據；速度點監測也是每20 s進行記錄，每個點在同一時間點平均值為該條線上在該時間點的數值。圖3是數值模擬與實驗數據對比。

圖 3 數值模擬與實驗數據對比

2 烘干房氣流組織優化

原始烘干房的氣流組織速度為0.5 m/s，整個烘干房的的氣流場速度較低，這不僅影響氣體熱量的交換速率，而且造成烘干房升溫時間比較長且能耗增多。影響烘干效果的房內氣流組織因素主要在于送風口及回風口的數量和位置[6]。故在現有烘干房基礎上增加2個送風口，每排增加1個。另外，根據送風機的口面積等于回風口的面積，回風口的尺寸改為0.3 m×0.4 m的8個回風口。改進后的烘干房物理模型如圖4所示

1-烘干房房體； 2-回風口； 3-送風口； 4-汽車車身圖 4 優化烘干房模型

再進行模擬計算，得出的結果如圖5所示。

(a)溫度隨時間變化曲線

(b)z=2.78,y=0.6線上速度圖 5 優化后烘干房的變化曲線

從圖5模擬結果來看，在不改變初速度情況下，結構優化后整條線速度大約在0.9 m/s，相對于原始烘干房的0.5 m/s有一定的提高。與原始的烘干房相比較，升溫的時間比原有的380 s,縮短了50 s。優化后烘干房能夠快速達到目標溫度，大大增加了工作效率。

3 工藝參數優化

3.1 正交實驗設計

本次優化的目標是一次性開機使溫度升到設定溫度所消耗成本。以結構優化后的烘干房為對象進行模擬分析，將入口初速度和入口溫度、環境的初始溫度作為優化參數。

通過上述分析，選擇3個因素(入口的初速度、入口的溫度以及環境的初始溫度)，對于每1個因素選取3個水平，采用L9(33)正交試驗表格[7-8]。因素與水平的取值見表2

表2 因素水平表的設置

3.2 能耗的分析

烘干房在不斷進行加熱的過程，輸送到房體內部的熱量使得氣溫升高，當達到設定目標溫度時，就不會再進行加熱。在氣體溫度升高的過程中，有一部分熱量被烘干房內壁吸收和外壁散失，所以在進行計算烘干房總的能量消耗時，不僅要考慮烘干房內部氣體溫度升高至設定值所消耗能，還應考慮內壁吸收和散失的熱量。故總的消耗熱量

Q=Q1+Q2+Q3

(6)

式中：Q為總消耗量;Q1為內壁面升溫的消耗量；Q2為外壁面散失量；Q3為房內溫度到設定值消耗的量。

1)內壁面升溫的消耗量

Q1=M1+C1(Tt-T0)

(7)

式中：M1為壁面材料質量，kg；c1為材料比熱容，kJ/(kg·K)；Tt為加熱至穩定狀態的溫度，K；T0為初始溫度，K。

2)外壁面散失量

Q2=AK(Tt-Tw)t

(8)

式中：A為外壁的表面積，m2；K為換熱系數，kJ/(m2·h·K)；Tw為升溫過程外壁的平均溫度，K；t為一次升溫到設定溫度所需時間，h。

3)房內溫度到設定值消耗的量Q3

烘干房從初始的溫度，不斷吸收熱量直至到達設定溫度，這段時間所吸收的熱量就是烘干房空間消耗的量。

Q3=CVρ(Tt-T0)

(9)

式中：C為空氣的比熱容，J/(kg·K)；V為空氣體積，m3；ρ為空氣的密度，1.29 kg/m3

4)提供升溫時間段提供的熱量需要消耗的燃油量

(10)

式中：Lg為燃燒消耗量，kg；Q為烘干房升溫消耗量，kJ；q1為液化石油氣的熱值，47000 kJ/kg；

5)送風機消耗成本

送風機主要輸送熱風，其機械轉動靠電來維持，所以其消耗的成本是烘干房一次從初始溫度升高到設定溫度的時間內的電能。風機的功率

(11)

式中：Pw為風機功率，kW；Q為送風量，m3/h；P為風機全壓，Pa；n0為內效率；n1為機械效率。

消耗的電量

P=Pw·t

(12)

通過分析燃燒的液化石油氣的量和耗電量，以此計算烘干房的升溫成本。在市場液化石油氣和工業用電的價格基本保持不變的條件下，計算出不同參數下所消耗的成本，通過對比分析得出最優工藝參數方案(表3)。

表3 烘干房能耗成本分析

從正交試驗的結果來看，實驗6對應的參數入口溫度70℃、入口速度5 m/s、環境初始溫度20℃,所消耗的成本最少，成本消耗為48.1元。綜合考慮升溫時間和成本等因素，烘干房模型最終選用實驗6對應的參數。

4 結論

1)實驗測得數據與仿真值，兩者偏差并不大，驗證了該方法對烘干房數值模擬的準確性。

2)經過分析，對烘干房結構進行優化，增加送風口和回風口的數量，并進行仿真實驗。從實驗結果看，烘干房內部氣流組織的速度提高到0.9 m/s，同時溫度上升到目標溫度所需的時間減少了50 s。

3)在不同參數組合的情況下，利用正交試驗的方法對優化后的烘干房進行仿真分析，以升溫時間和成本消耗為目標，得到實驗6方案(入口溫度為70℃、入口速度為5 m/s、環境的初始溫度為20℃時)消耗的成本最低(48.1元)。

4)因對烘干房模型進行簡化處理，所以模擬仿真會有偏差。在以后的研究可以建立更加逼真的模型，還可從送風口排布方式上展開進一步研究。