熱空氣沖擊加熱果蔬片的換熱特性研究

周天昊，韓東，汪勝，何緯峰，高斯杰，李世瑞

(南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

果蔬干燥是果蔬加工最基本的方法之一，目前很多干燥設備都采用熱風干燥的方式，然而熱風干燥采用的外掠強制對流換熱存在傳熱效率低、能耗大的問題，因此需要一種提高傳熱效率的方法。氣體沖擊換熱技術最初應用于航天領域的冷卻和電器設備的加工，現已被引入食品干燥中。與熱風干燥相比，氣體射流沖擊干燥具有更高的傳熱系數和更低的能耗，應用前景廣泛。

近年來，已有大量文獻對氣體射流沖擊干燥技術進行研究。付露瑩等[1]闡述了氣體射流沖擊干燥技術的原理、特點、影響因素和干燥工藝。賈夢科等[2]探討了氣體射流沖擊干燥蘋果片過程中風溫、切片厚度、風速及其交互作用的影響。楊惠等[3]進行氣體射流沖擊干燥無核紫葡萄實驗工藝研究，得到最佳工藝參數為溫度66℃、風速13 m/s。總結上述文獻發現，對于氣體射流沖擊干燥技術的研究主要集中在干燥動力學和品質方面；而對于沖擊冷卻技術的研究主要集中在流動和傳熱方面。GUO Q等[4]給出了圓形射流沖擊的瞬態傳熱特性的實驗和數值研究結果。蔣新偉等[5]研究了射流雷諾數、射流角度和出口縫的位置對Nu的分布和大小的影響。劉明陽等[6]對比研究了穩態與瞬態單孔沖擊射流的傳熱性能。

目前缺乏氣體射流沖擊干燥技術在流動及傳熱方面的研究。雖然沖擊加熱果蔬片包含傳質過程，但傳熱效率的提高勢必會增強傳質的進行。所以很有必要進行熱空氣沖擊加熱果蔬片的換熱特性研究，以得到不同因素的影響規律，在換熱機理上對射流沖擊干燥設備的設計進行指導。

1 計算模型及數值方法

1.1 幾何模型

目前射流沖擊干燥設備常采用陣列圓形噴嘴的形式[1]，本次研究的簡化模型選取單圓形噴嘴。熱空氣通過一根直徑d=10 mm、長20 mm的圓管從高度H沖擊一個邊長40 mm、厚度6 mm的果蔬片。H/d分別取0.2、0.4、0.6、1、2、8。圖1為射流垂直和傾斜沖擊果蔬片的三維模型示意圖。θ為沖擊角度，θ分別為45°、60°、75°、90°。x為表面上一點距離幾何中心O的距離。圖中還標明了上游和下游位置。

圖1 射流沖擊果蔬片示意圖

1.2 網格劃分和邊界條件

利用ICEM軟件使用O-Block進行結構化網格劃分，近壁面進行邊界層網格加密，使第一個節點無量綱壁距離y+<1。

計算邊界條件設置如下：射流沖擊介質為空氣，速度進口，對應的射流沖擊雷諾數為5000。湍流強度5%，溫度333 K。被沖擊果蔬片上表面采用流固耦合邊界，其余表面和圓管壁面設為絕熱邊界。外流場邊界設為壓力出口，壓力與環境大氣壓相同。全局初始溫度設為300 K。

使用Fluent16.0軟件，基于質量、動量及能量守恒方程，對熱空氣射流沖擊加熱果蔬片模型進行瞬態數值求解。假設空氣為三維不可壓縮湍流，333 K空氣的熱物性參數設置如下：ρ=1.06 kg/m3，cp=1005 J/(kg·K)，λ=0.029 W/(m·K),μ=2.01×10-5kg/(m·s)。

以蘋果為研究對象，物性參數如下：ρ=900 kg/m3，cp=4000 J/(kg·K)，λ=0.5 W/(m·K)。由于溫度變化不大，不考慮溫度變化導致的材料熱物性變化。忽略浮升力和熱輻射對傳熱的影響，采用二階迎風格式進行數值離散，壓力-速度耦合采用SIMPLEC方法，收斂的標準是各項殘差精度均<10-4，殘差曲線趨于平直。

首先，對計算模型進行了網格無關性分析。以H/d=2，Re=5000射流垂直沖擊果蔬片模型的網格無關性驗證為例，網格數分別選取3.1萬、9.8萬、18.9萬、26.2萬、44.6萬。圖2為網格數對駐點Nu的影響，當網格數增加至26.2萬之后，局部Nu基本不變。考慮到數值計算成本，選取26.2萬網格數。

圖2 網格無關性驗證

1.3 湍流模型和計算方法驗證

選擇GARDON R[7]等的圓形射流沖擊平板的實驗模型進行計算方法驗證。計算分別選取SSTk-ω、realizablek-ε、RNGk-ε湍流模型進行數值模擬。圖3為雷諾數5000、H/d=2時，沿徑向的平均Nu計算結果與實驗數據對比。可以看出在沖擊駐點區域，k-ε湍流模型都對換熱存在一定的高估，相比之下，SSTk-ω湍流模型最接近實驗值，總體誤差<10%。同時考慮到SSTk-ω模型已被大量學者用于射流沖擊換熱的研究，所以本文采用SSTk-ε湍流模型。

圖3 湍流模型驗證

1.4 參數定義

本次研究中通過以下方程對努塞爾特數Nu進行求解：

(1)

(2)

式中：λair代表空氣熱傳導率；T代表果蔬片上表面溫度；Tair代表空氣溫度；h代表對流換熱系數；d代表圓管直徑。此式求出的是局部h和Nu，平均h和Nu由面積加權平均獲得。

2 結果與分析

2.1 沖擊間距比對換熱特性的影響

國內外學者對2

圖4 不同H/d局部Nu在徑向方向的分布曲線

圖5是駐點Nu和面平均Nu隨H/d變化曲線。H/d=2左右兩邊有著不同的駐點Nu趨勢。當H/d<2時，隨著沖擊距離的減小，駐點Nu先緩慢增加，再大幅增加；而當H/d>2時，隨著沖擊距離增大，駐點Nu單調增加。H/d>2時，隨著H/d增加，駐點處的湍流水平增加，駐點Nu會達到一個最大值。以往學者研究最大駐點Nu值出現在6

圖5 駐點Nu和面平均Nu隨H/d變化曲線

圖6展示了H/d=2，加熱300 s時果蔬片內x-z截面溫度分布云圖。在熱導率很小的果蔬片內部存在很大的溫度梯度。

圖6 果蔬片內x-z截面溫度分布云圖

圖7是4種典型H/d下的x-z截面速度云圖。不同H/d下，駐點附近均出現了速度接近0的現象，使得豎直方向的溫度梯度很大，導致較薄的邊界層和更好的換熱效果。H/d=1時最大速度出現在圓管下游和壁面射流區的駐點區域外側，而H/d=0.4和H/d=0.2時，最大速度出現在駐點區域外側。這是因為圓管邊緣的高湍流強度，流體在駐點處產生了很大的徑向加速度。H/d=0.2時，壁面射流處的最大速度相對于圓管出口提升90%，這讓局部邊界層變得很薄，這也解釋了雙峰現象。H/d=8時，速度最大值只出現在射流核心區，流場結構的不同解釋了H/d=8與小沖擊間距下Nu的徑向變化曲線的不同。

圖7 不同H/d時的x-z截面速度云圖

2.2 沖擊角度對換熱特性的影響

針對垂直射流沖擊干燥設備存在裝料量小、干燥不均勻等問題，有學者提出一種傾斜料盤式射流沖擊干燥設備[10]，所以很有必要研究沖擊角度對換熱特性的影響。

圖8是H/d=1，沖擊角度θ分別為45°、60°、75°、90°，10 s時換熱面局部Nu在徑向方向的分布曲線。傾斜沖擊時，局部Nu分布曲線不對稱，峰值Nu在上游，且峰值Nu左側的局部Nu比右側的局部Nu下降得更快。隨著沖擊角度的減小，峰值Nu向上游偏移；隨著沖擊角度的減小，下游的局部Nu單調減小。

圖8 不同θ局部Nu在徑向方向的分布曲線

圖9是中心Nu、峰值Nu、面平均Nu隨沖擊角度的變化曲線。中心Nu和面平均Nu均隨著沖擊角度的增大而增大，峰值Nu隨著沖擊角度的增大先增大后減小，θ=60°時，峰值Nu最大。

圖9 各Nu隨θ變化曲線

圖10和圖11分別是不同沖擊角度下的換熱面Nu云圖和x-z截面速度云圖。局部Nu云圖形狀由圓環形變成了月牙形。隨著沖擊角度的減小，駐點向上游偏移，這也是導致峰值Nu向上游偏移的原因。沖擊角度越小，射流對周圍冷空氣的卷吸更強烈，導致更多能量的耗散，因此面平均Nu隨著沖擊角度的減小而減小。

圖10 不同θ換熱面Nu云圖

圖11 不同θ時的x-z截面速度云圖

3 實驗驗證研究

為了驗證仿真結果的正確性，以蘋果片為研究對象，搭建了沖擊加熱蘋果片試驗臺。圖12是實驗系統圖，該系統主要由熱風槍、蘋果片和溫度采集系統組成。熱風槍通過支架固定在蘋果片正上方，該工業級熱風槍可調節風速，智能控溫，風嘴直徑10 mm。將蘋果用水果刀切成40 mm×40 mm×6 mm，用保溫棉包圍，插入熱電偶。溫度采集系統采用型號為WRNK-191的K型1 mm探針熱電偶，在蘋果片中心位置(測點1)以及橫向中軸線上的兩個位置(測點2、3)布置溫度測點，圖13為實物圖。熱電偶與XMD-2000 A 31型溫度巡檢儀相連，再通過USB接口將數據在計算機上監控并儲存。實驗儀器誤差主要為：熱電偶0.4%，溫度巡檢儀0.2%。

圖12 沖擊加熱蘋果片系統圖

圖13 沖擊加熱蘋果片實物圖

將熱風槍溫度調至333 K，最小擋風速由皮托管風速儀測量為15.2 m/s，H/d選定為2。在常溫常壓下進行沖擊加熱蘋果片驗證實驗，加熱時間為300 s，每做完一次實驗后重新切好蘋果片，重復3次實驗取平均值。

圖14為Re=8000，射流溫度333 K，H/d=2時，沖擊加熱蘋果片實驗的3個測點溫度隨時間變化曲線與中心測點數值模擬的對比圖。中心測點的實驗值與數值模擬的最大誤差出現在132 s，為13.5%。分析原因如下：蘋果片在溫度上升過程中存在水分的蒸發，蒸發需要吸熱帶走熱量；蘋果片存在散熱，沒有完全做到四周絕熱。所以實驗值小于模擬值，但總體上吻合良好，該實驗驗證了仿真結果的準確性。中心測點溫度上升最快，測點2其次，測點3溫度上升最慢，也大致符合數值模擬的局部Nu分布規律。

圖14 溫度變化曲線對比圖

4 結語

采用數值模擬和實驗驗證結合的方法，研究了Re=5000時，沖擊間距比和沖擊角度對沖擊加熱換熱特性的影響規律。結果如下所述。

1)小沖擊間距比(H/d<2)時，局部Nu曲線呈雙峰值分布，峰值在偏離駐點x/d=0.55附近出現。H/d<0.4時局部Nu出現了很大的提升。

2)H/d越小，換熱面平均Nu越大。盡量減小沖擊間距，減少能量的耗散，提高整體換熱效率。H/d=2時，駐點附近的局部Nu最小。

3)傾斜沖擊H/d=1時，換熱面平均Nu隨著θ的增大而增大；θ=60°時，峰值Nu最大，比垂直沖擊時的峰值Nu提升29%。可以參考局部Nu分布規律采用傾斜射流沖擊得到最佳的局部換熱效果。