固定床烘干設備勻風系統結構優化與驗證

王嘉麟，謝煥雄，李國鵬，顏建春，魏 海，吳惠昌

(農業部南京農業機械化研究所，南京 210014)

0 引言

固定床式干燥設備是花生干燥發展的熱門方向之一[1-4]，相對于傳統干燥設備具有一次處理量大、上卸料方便及干燥時間短等優點[5-9]；但隨著處理量進一步增多、箱體增大，原有的風道結構已無法滿足長箱體、大結構的花生干燥均勻性要求。因此，改變現有風道結構，優化風道內勻風系統，對未來大型固定床式烘干設備設計具有重要意義。

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

本文運用SolidWorks軟件建立烘干機的三維模型，將模型導入到ANSYS Fluent中進行CFD的相關數值模擬，得出烘干箱內氣流場的分布與速度大小，對于烘干箱箱體下部風道氣體流速低且分布不均勻的問題，提出了加裝勻風機構的優化解決方案，并通過試驗進行驗證。

1 試驗設備與方法

1.1 試驗設備

本模擬中使用的烘干設備為自主研發的1臺固定床干燥機。烘干機由3個箱體組成，每個箱體長2m、寬2.1m、高2m，由下風道、儲料箱和上風道3個部分構成。烘干機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，上下風道的高度均為0.5m。工作時，風機產生風量由外部風道進入箱體上下風道(通過外部換向裝置調節)，穿過花生莢果層實現干燥，如圖1所示。供熱采用1臺具有8臺壓縮機的熱泵裝置，可有效提供的溫度在40～60℃范圍內。風機為1臺高壓離心風機，理論風量為21 000m3/h。

圖1 烘干箱模型Fig.1 Drying box model

1.2 試驗方法

1.出風口 2.1號箱體 3.2號箱體 4.3號箱體 5.測量點圖2 氣流速度測點布置簡圖Fig.2 Schematic diagram of airflow test locations

2 CFD建模與仿真

2.1 烘干機模型的建立

流體動力學基本方程組包括質量守恒方程、動量守恒方程、組分質量守恒方程、能量守恒方程、本構方程、狀態方程及通用形式守恒方程[13-15]。本次模擬不考慮通風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，故可將模型中的取樣口和卸料口簡化為壁面。運用SolidWorks軟件建立與實際烘干箱的尺寸等模型，新鮮花生堆積高度為70cm，故在箱體內建立高度為70cm的多孔介質區域。實際幾何模型與簡化幾何建立模型如圖3所示。

(a) 實際模型

1.進風口 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.下風道 6.上風道 7.出風口 (b) 簡化模型圖3 烘干箱模型Fig.3 Drying box model

2.2 多孔區域設置

實際模型中箱內堆有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，難以建立真實的幾何模型。對于此類問題的研究，通常將模型進行簡化，將多孔區域簡化為增加了阻力源的流體區域。簡化方式一般為在多孔區域提供一個與速度相關的動量匯，其表達形式為

(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和慣性阻力系數；μ為動力粘性系數(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，可表示為

(2)

式中α—滲透率；

C2—慣性阻力系數。

她是不斷開拓創新破解監管技術難題的帶頭人和實踐者,她是河北食品安全檢驗的奠基人和排頭兵。她叫王麗霞，河北省食品檢驗研究院院長，河北省食品安全專家指導委員會秘書長、全國環保產品標準化專家委員會委員、國家食品藥品監管總局餐飲服務食品安全專家。

依據空氣動力學特性，多孔介質內的慣性阻力系數與黏性阻力系數是模擬多孔介質的關鍵[16]，結合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的半經驗公式模擬動量源項，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(%)。

結合上述式(2)、式(3)，求得多孔介質內黏性阻力系數與慣性阻力系數為

(4)

(5)

2.3 邊界條件及參數設置

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

2.4 網格劃分

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

表1 模擬參數表Table 1 Parameters of simulation

3 仿真結果與驗證

3.1 風道內速度分布情況

本次仿真模擬采用穩態方法求解控制方程，動量方程采用二階迎風格式，湍流脈動能量和湍流耗散率也均采用二階迎風格式[24-26]，各項松弛因子系統默認；采用SIMPLE算法，送代采用自適應步長，經由184個時間步長達到穩定，導入CFD-Post中進行后處理。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，計算結果如圖4所示。

圖4(a)、(b)為烘干箱內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現：箱體內由于壓差的影響，越靠近風道的進出口速度越大，且隨著箱體距離進出口位移的增大風速逐漸降低，各個箱體間風速差異明顯。由圖4(a)可知：下風道內1號箱體下的風速在6～8m/s之間，3號箱體風速基本在2m/s以下，箱體間風速差異明顯；花生烘干主要靠流經莢果表面的風帶走水分，風量的不均性必然影響干燥均勻性。

圖5(c)為烘干箱內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號烘干箱下風道風速縱向變化范圍不大，3號箱體下風道垂直方向速度變化差異明顯，靠近花生的區域速度較大，而在上風道則相反，靠近花生區域的風速較小；在箱體后半部分風速較小，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模型驗證

為確定模擬效果與實際測得數據的區別，必須進行CFD模型的驗證，將模擬所得數據與實際數據對比。圖5為實測值與仿真值的對比結果。其各點模擬值與實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，可為后續對流場的改造提供結構優化。

圖5 測點實測值與仿真值對比Fig.5 Comparison of measured and simulated values at each measurement points

4 增強風道勻風效果的新型構造

4.1 勻風擋板機構

固定床烘干設備箱體內風道過長，當風從風道進入時，會在壓差作用下發生偏移，風量多集中于箱體的前半部分，使得箱體后半部分風量過小，造成風道內風量分布不均勻。針對這一問題，為提高新鮮花生的烘干效率與烘干品質，在現有風道基礎上加裝的一種勻風機構，如圖6所示。此勻風機構可以固定在箱體的風道上，由多塊勻風擋板組成，擋板可以通過電動推桿進行不同角度的調節。當烘干箱進行干燥作業時，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行單獨控制，通過勻風板改變風道內氣流的分布情況，讓每個箱體流經的風量盡量地均勻。

1.前搖桿 2.擋板 3.后搖桿 4.固定端圖6 勻風板Fig.6 Air distribution plate

4.2 優化設計方案

本次優化設計以1臺固定床換向通風干燥機為例，其干燥區域包含3個箱體，計劃通過在箱體的下風道處通過添加1個、3個和6個3種個數的勻風擋板來考慮通過增加勻風擋板個數的不同對于阻擋風道內氣流流向的影響。模擬仿真發現：勻風擋板的板間距及擋板與風道入口的距離以及每個擋板間的距離的不同也會對風道內氣流的穩定性及均勻性產生影響，考慮到每個箱體的長為2m，總計3個箱體總長為6m，故將勻風擋板的板間距定義為0.6、0.8、1m共3個檔位進行模擬對比研究。考慮到風場均勻性的影響，勻風擋板的高度與角度定義為可以將風道的高度均勻劃分，確保了流經每個擋板的風量是相等的。除此以外，考慮到勻風擋板的導流影響，故擋板的長度不同對風量導流的影響也會不同，即勻風板長影響風量至新鮮花層的導流區間。考慮到風道的高度為0.5m，勻風擋板要將風道均勻劃分，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道內勻風效果的影響。綜上所述，本次優化設計根據增加勻風導板的個數、勻風擋板安裝的板間距和勻風導板的導風距離即板長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道內氣流分布情況，從中對比選擇最優方案。

4.3 優化模擬分析

由圖4可知：氣流從下風道入口處進入，受到來自上風道外部壓差作用，氣流發生偏移，穿過花生莢果層。由于風道相對過長，導致前方氣流流失過大，后方氣流供應不足。故通過在風道內加裝勻風擋板阻止箱體內風道前端風量的流失，提高風量分布均勻程度，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準，采用式(1)、式(2)表示氣流的不均勻系數，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個測速點氣流速度(m/s)；n為測速點數；Jh為高度為h平面上的氣流不均勻系數，Jh值越小，氣流分布均勻性越好。

通過表2所示的27組不同風道內勻風機構構造下的仿真試驗，提取如圖2位置處的27個測點的氣流不均勻系數J0.5，可見不同構造的勻風機構對氣流影響差異較大。

表2 不同構造組合Table 2 Combination of different configurations

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

w=2

w=4

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

4.4 試驗驗證

根據上述仿真模擬的最優結果進行設計構造，在烘干箱下風道處加裝含有6塊勻風板的勻風機構，板長均為1m，板間距均調整為1m。采用四連桿機構對勻風板的高度與角度進行調整，動力裝置采用6臺電動推桿作為動力源，如圖7所示。試驗采用圖3所示的27個測點進行測量，試驗現場如圖8所示。試驗表明：加裝勻風裝置后，穿過花生莢果層的風量得到了均勻分布，箱內氣流不均勻系數降低49.44%，表明勻風效果良好，保證了烘干的均勻性。試驗結果如圖9所示。

圖8 試驗現場圖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流場的分布情況進行了研究，通過在烘干箱風道內加裝勻風擋板，可有效改變箱內的氣流分布情況。鄧書輝[27]等在對牛舍進行流場分析與結構優化采用類似的結構，通過添加勻風板與對矮墻高度進行調整，改變了牛舍內流場分布；相比于未改進之前，改進后的牛舍內氣流不均勻系數降低了41.8%，表明通過改變流場內結構來降低氣流的不均勻系數的方法是可行的。

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

6 結論

1)運用SolidWorks軟件建立了烘干箱的三維幾何模型，導入Fluent中進行模擬仿真，通過比較模擬結果與實測數據可知：各點風速均方根誤差0.163m/s，最大絕對誤差0.46m/s，驗證了模型的準確性。

2)通過加裝勻風擋板的方式對烘干箱內勻風系統進行優化設計，提出了27組不同組合的優化方案。對比改裝前后的箱體內風道的氣體分布均勻程度，同常規烘干箱風道相比，發現加裝勻風擋板后的氣體不均勻系數降低了49.44%。該優化設計保證了烘干箱內干燥的均勻性，可對未來固定床干燥設備風道均勻性的研究提供一定的參考。