基于Fluent的木材壓干窯風速均勻性數值模擬

閆一野，陳海峰，張士璽

(陜西科技大學機電工程學院，陜西 西安 710021)

基于Fluent的木材壓干窯風速均勻性數值模擬

閆一野，陳海峰，張士璽

(陜西科技大學機電工程學院，陜西 西安 710021)

以小型實驗用木材壓干窯為模型，基于Fluent軟件對設備內部流場進行初壓縮模擬和壓縮結束后模擬，得到設備不同層面上的風速，并對每組風速進行比較，得出設備參數不變情況下的最優流場的風速，并預測不同壓縮量下各種風速對流場均勻性的影響。

木材干燥窯；流場均勻；數值模擬；計算流體力學

木材是非常重要的工程材料，濕木材一般經過干燥能夠達到防腐朽、防蟲害、防變形；提高力學強度，改善木材環境學特性；減輕木材質量等效果[1]。試驗用木材壓縮干燥的原理基于參考文獻[2]，該設備集普通氣流干燥和壓干于一體，主要針對速生木材密度和氣干比重低，材質疏軟發脆，木材的抗彎、抗壓、剪切強度等物理力學性能和尺寸穩定性差[3]而提出的，經過處理后的木材具備良好的加工性能，且阻燃、防腐、防蛀、機械性能好。 因此研究木材壓干窯內流場的均勻性對提高木材干燥質量以及干燥節能有著重要的作用。目前研究木材干燥窯內流場的方法是干燥窯模型實驗和建立物理模型，前者實驗周期長，成本高，后者由于忽略了流動過沖中的阻力及其他因素，準確性不太高。木材干燥外在影響因素主要是風速、濕度和溫度，溫度和濕度對木材干燥的影響在國內外已經研究比較深入[4]，但是利用CFD進行木材干燥窯內速度場的研究報道較少。本研究基于Fluent軟件，對該實驗用木材壓干窯進行壓縮前后內部流場分析，并且對比多組風速與流場分布的數據，得出給定設備參數的情況下流場最優的風速。

1 模型建立

1.1 數學模型

FLUENT是CFD廣泛應用的商業軟件，該軟件用來模擬從不可壓縮到可壓縮范圍內的復雜流動，由于該軟件的加速收斂級數使得該軟件在各工程領域都有廣泛的應用。

對于木材壓縮干燥窯，研究各空間點的空氣流速一般只求解一下幾組方程：

質量守恒方程：

各式中：xi為坐標軸方向；ui為速度在i方向的分量，i=1、2、3；P為靜壓；τij為應力張量；ρgi為i方向上的重力體積力；Fi為外部體積力；Fi為包含其他的模型相關源項；v為運動粘性系數；Pr為湍動能生成率；vt為渦粘性系數[3]。

1.2 模型建立及求解設置

本研究對象是筆者為某實驗室設計的頂風式木材干燥窯，耐高溫軸流風機可正反向轉，轉速3 000 r/min，流量3 000 m3/h；利用液壓缸對木材的壓縮量為30%，即將1 m高的木材垛壓縮到0.7 m。該設備為兩側對稱，但是考慮到流場的均勻性，在工作時，空氣進口一側加擋板使改側成垂直斜面，改變該斜壁的角度可以改變內部流場的均勻性。壓縮前后及其結構簡圖見圖1，內部干燥木材堆尺寸為1 m×1 m×1 m，單根鋸材尺寸為長1 m，厚0.05 m，隔板0.03 m厚。利用FLUENT前處理器GAMBIT進行建模，劃分網格為非結構化網格(見圖2)，網格數量為93 868個，經網格檢查其生成質量高。導入FLUENT中進行求解設置，湍流模型為典型且簡單完整的湍流模型k-ε雙方程模型，空氣入口設置為速度入口，出口設置為充分發展流動的出口。

2 數值模擬及結果分析

本文根據參考文獻[4]中提及的空氣流速進行數值模擬，對木材被壓縮前后空氣入口速度分別是1、3、5 m/s五組風速進行數值模擬實驗。模擬后各組風速對應的水平方向速度云圖(a代表壓縮前；b代表壓縮后)如圖3～6所示。

圖1 頂風式木材干燥窯(壓縮前，壓縮后)Fig. 1 Upside-wind wood drying kiln ( before compressed and after compressed )

圖2 非結構化網格(壓縮前，壓縮后)Fig. 2 Unstructured grid meshed before compression and after compression

在設備的中部區x=0.72 m處豎直平面的每層木板之間設置一個檢測點，分別對這些點的速度值進行檢測，將逆向流動的速度負值也處理成正值，繪制速度隨豎直高度變化的曲線，如圖6所示。

將進口速度為1 m/s、3 m/s、5 m/s時流場內速度云圖及流線圖繪制出來如圖3、4、5所示，由數值模擬結果可看出：在未壓縮條件下，隨著入口風速的增大，整個流場的不均勻趨勢明顯增加，風速1 m/s到2 m/s時流場在垂直方向整體上比較均勻，只會在最上面的兩層木材之間速度會比較小。空氣流速為1 m/s時入口下方的氣流漩渦區，但是該區域的存在并不影響氣流在木材之間的流動均勻性；隨著空氣流速的增大，3 m/s和5 m/s時在上部出現的漩渦產生負壓，使氣流和干燥窯下部氣流流動方向相反，且速度相差比較大，導致了流場不均勻性增加，不利于木材的干燥；在壓縮結束后，有圖6(b)可以看出風速的大小在豎直方向上變化很小，基本不影響流場的均勻性。在壓縮后木材干燥期間，增大空氣流速可以加速空氣攜帶木材水分，從而提高干燥速度，減少能源的消耗。

圖3 1 m/s速度云圖與流線Fig. 3 Velocity contour and stream lines of 1 m/s

圖6 速度隨豎直距離變化趨勢Fig. 6 Changing trend of speed with vertical distance

3 小 結

利用Fluent軟件對木材壓縮干燥窯內空氣流場的均勻性進行模擬，預測窯內任何地方的風速和流動細節，這為木材干燥窯的設計和控制參數提供了可靠參考。同時通過數值模擬手段可以模擬不同時刻木材不同壓縮量的情況下的最佳風速，從而減少了盲目提高風速以加快干燥速度而忽略流場均勻性的不合理操作。該方法可以省時省力地模擬木材壓縮干燥窯內任何壓縮量、任何時間任何空間內的流場，預測風速，進而提高木材干燥的質量與速度。

[1] 王喜明.木材干燥學[M].北京：中國林業出版社，2007.

[2] 浦俊文.一種木材功能性改良的技術方法[P].中國發明專利,CN 101549508 B.2011.

[3] 刁秀明,王彥發,馬秀華.循環風速對木材干燥速度的影響[J].木材工業,1994,11(4):32 -33.

[4] 王福軍.計算流體力學分析-CFD 軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社,2004.

[5] 王喜明.木材干燥實用技術問答[M].北京：化學工業出版社,2008.

Numerical simulation of wind velocity homogeneity in wood press-drying kiln based on Fluent

YAN Yi-ye, CHEN Hai-feng, ZHANG Shi-хi
(School of electromechanical engineering，Sha’ anхi University of Science and Technology，Xi’an 710021, Shanхi，China)

By taking a small-sized eхperimental wood press-drying kiln as testing model，and adopting the software of Fluent，the internal air flow fields in the wood press-drying kiln were simulated at the initial time and at the end time. The wind velocity values on different wood layers were obtained and compared, than the optimal wind velocity of internal air flow fields was selected out. The effects of different wind velocity values with different amount of compression on the flow field homogeneity in the kiln were predicted.

wood drying kiln；flow field homogeneity；numerical simulation；computational fluid dynamics(CFD)

S781.7；TS61

A

1673-923X(2012)02-0151-04

2011-08-12

閆一野(1986—)，男，碩士研究生，主要研究化工過程機械; E-mail: yanyiye1986@126.com

陳海峰(1964—)，男，博士，教授

[本文編校：邱德勇]