基于CFD 的熱風干燥飼料過程內流場均勻性研究

李運會，任清長，沙學猛，金齊林，易克傳*

（1.安徽科技學院 機械工程學院，安徽 鳳陽 233100；2.蚌埠學院 應用技術學院，安徽 蚌埠 233010；3.安徽省鳳陽縣小溪河農機管理中心站，安徽 鳳陽 233100）

0 引言

我國是世界飼料生產大國，飼料工業已經成為支持國民經濟發展的重要基礎產業之一［1-2］。干燥是飼料加工過程中必不可少的環節，而熱風干燥作為一種環保且實用的干燥方式被廣泛應用［3-4］。該方式利用循環風機將熱風吹入干燥箱，加快內部空氣的流動從而帶走飼料中的水分，達到干燥的目的。因此，干燥箱內部流場分布的均勻性是得到干燥更均勻的飼料、降低干燥時間、減少干燥過程中能耗的關鍵［5］。

計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）技術是目前對干燥箱內部流場進行數值模擬計算的主要方法［6-7］，對于該技術的研究已取得較多成果。魏新龍等［8］對核桃烘干機進行設計，建立了烘干機內部熱流固耦合模型并進行仿真計算，優化了烘干室內部的壓力場和溫度場分布。張鵬飛等［9］和Zhang 等［10］對帶式烘干機不同飼料層厚度下的內部流場進行分析，根據結果選擇風速分布最均勻的飼料層厚度。李浩涌［11］和王健等［12］對干燥箱內部流場特性和出風口風速進行模擬，通過引入速度偏差和速度不均勻系數對速度均勻性進行評估。本文借助FLUENT軟件，以干燥箱進出風方式、進氣口風速以及飼料層厚度作為變量，以干燥箱湍流均勻性和風速均勻性為對象，對飼料干燥箱內部流場均勻性進行分析，研究不同因素對飼料干燥箱內部流場分布的影響。

1 基于CFD 的有限元仿真模型的建立

1.1 干燥箱幾何參數和網格劃分

建立干燥箱簡化模型如圖1 所示。干燥箱長× 寬× 高為800 mm×400 mm×600 mm，進風口和出風口尺寸均為300 mm×120 mm。熱風通過左壁面下方的進風口進入干燥箱，干燥箱中部設有物料層，用于堆積飼料。熱風穿過物料層從位于干燥箱右壁面上方的出風口流出，通過空氣流動帶走飼料中的水分從而對飼料進行干燥。為了對干燥箱內部流場進行分析，將干燥箱內部空間作為計算域，基于非結構化網格的強適用性對計算域進行六面體網格劃分［13］。為了更好地模擬干燥物料的特性，選用多孔介質模型，并對物料層進行局部網格加密處理。劃分好的干燥箱整個計算域網格模型包含422 567 個節點和2 101 398 個單元。對網格質量進行檢查，以歪斜率（Skewness）和正交質量（Orthogonal Quality）作為評價指標，其中，Skewness 大多趨于0，Orthogonal Quality 大多趨于1，表示網格質量較好［6］。本文模型網格Skewness 平均值為0.19，Orthogonal Quality 平均值為0.8，說明網格質量較好，可滿足計算要求。

圖1 干燥箱簡化模型Fig.1 Simplified model of drying oven

1.2 邊界條件

在飼料烘干過程中，干燥箱內部介質為空氣，假設空氣為不可壓縮的流體。選擇速度入口作為進氣口邊界條件，風速方向垂直于進氣口平面進入干燥箱。壓力出口作為排氣口邊界條件，出口壓強為標準大氣壓。湍流模型選擇工程上常用的Standardk-ε模型，其中，水力直徑和湍流強度計算公式［13-14］為

式中，DH為水力直徑，mm；A，B分別為進氣口截面的長和寬，mm；I為湍流強度，m2/s2；v為平均風速，m/s；μ參考相關文獻取值為1.789 4×10-5。

將飼料層看作為多孔介質，經過多次實驗測量，本文飼料平均直徑為4 mm，孔隙率為0.31，根據相關公式計算得到慣性阻力和滲透性分別為19 927 m-1和1.45×108m-2。

2 飼料干燥箱內流場仿真方案設計

2.1 湍流分布狀況仿真

湍流分布區域位置以及湍流值存在差異是流場分布不均勻的體現之一，形成的湍流差值越大，內部流場越不均勻［4］。干燥箱在干燥飼料的過程中由于氣體的流動會在內部形成明顯的湍流區域，從而使熱風集中在湍流區域。因此，使湍流分布區域更廣且降低湍流分布差異是提高干燥均勻性的有效措施之一。將干燥過程中熱風的進出風方式作為變量，分別對采用同側進出風和對側進出風兩種進出風方式下的干燥箱內部流場湍流分布狀況進行仿真分析。不同進出風方式示意圖如圖2 所示。將建立好的飼料干燥箱模型導入FLUENT，設置進氣口風速為5 m/s，飼料層厚度為25 mm，仿真計算殘差值為1×10-6。定義飼料層中間平面為監控截面，設置完成后進行仿真計算。

圖2 不同進出風方式示意圖Fig.2 Schematic diagram of different inlet and outlet air modes

2.2 風速分布狀況仿真

將干燥過程中進氣口風速和飼料層厚度作為變量，對不同工況下干燥箱內部風速分布狀況進行分析。將建立好的飼料干燥箱模型導入FLUENT，分別設計進氣口風速為5、7、9 m/s，飼料層厚度為25、40、55 mm 的雙因素全面試驗，仿真計算殘差值為1×10-6。為了對飼料干燥箱內部流場特性進行分析，在計算域設置監控，取飼料層上表面和下表面為監控截面，并分別在上下表面上等距定義9 個采樣點。定義流場風速均勻性指標為

式中，ε為風速均勻度；n為采樣點個數；vi為第i個采樣點的風速，m/s；為第j個截面的平均風速，m/s。

3 飼料干燥箱內流場仿真結果分析

3.1 湍流分布狀況分析

圖3 為兩種不同進出風方式下截面湍流分布云圖，表1 為不同進出風方式下湍流結果對比。可以看出，不同進出風方式下所產生的湍流區域基本相同。當同側進出風時，湍流強度最大差值達到2.208，且分級明顯。因此，該種進出風方式下在湍流強度較大的地方會產生回風，從而使熱風分布不均，影響飼料干燥效果。當對側進出風時，湍流強度最大差值較同側進出風減小了42.5%，湍流分布更加均勻，從而使飼料干燥更加均勻。

表1 不同進出風方式下湍流結果對比Tab.1 Comparison of turbulence results of different inlet and outlet modes

圖3 不同進出風方式下截面湍流分布Fig.3 Cross-section turbulence distribution under different inlet and outlet air modes

3.2 風速分布狀況分析

當飼料層厚度為25 mm時，不同風速下截面各采樣點風速值如圖4所示。當進氣口風速為5 m/s時，不同飼料層厚度下截面各采樣點風速值如圖5所示。

圖4 不同進口風速下關鍵截面各點風速對比Fig.4 Comparison of wind speed at each point of key section under different inlet wind speed

圖5 不同飼料層厚度下截面各點風速對比Fig.5 Comparison of wind speed at each point of cross-section under different feed thickness

對不同工況下風速均勻性進行計算，結果見表2。結果表明，當風速不變時，由于氣流穿越飼料層受阻力影響，同一進氣口風速下上表面風速平均值小于下表面風速平均值；隨著飼料層厚度增大，阻力越大，飼料層上表面風速平均值也隨之減小。對比各采樣點風速模擬值發現，上表面3、6、9 三個采樣點的風速值較大，三個點的位置主要分布在干燥箱右上邊，由于此處靠近出風口，氣流穿過飼料層后從此處流出，因此風速逐漸增大；下表面2、5、8 三個采樣點的風速值較大，三個點的位置主要分布在干燥箱中部區域，由于氣流到達飼料層遇到阻力，在此處形成渦流，導致風速增大。從風速均勻度分析，上表面風速均勻度隨著飼料層厚度的增加而增大，下表面風速均勻度隨著飼料層厚度的增加而減小。當飼料層厚度不變時，隨著進氣口風速的增大，飼料層表面風速平均值也隨之增大。但是，隨著風速的增加會使得飼料層表面風速均勻度逐漸降低。從各采樣點風速模擬值發現，上表面風速較大值出現在3、6、9 三個采樣點，下表面風速較大值出現在2、5、8三個采樣點，與上述分析結果基本一致。

表2 不同進口風速和飼料層厚度下截面風速特征值Tab.2 The characteristic value of cross-section wind speed under different inlet wind speeds and feed thickness

4 結論

通過研究不同因素對飼料干燥箱內部流場均勻性分布的影響，結論如下：

1）對側進出風能加快干燥箱內部空氣流動，相對于同側進出風方式來說，可明顯降低干燥箱湍流強度和湍流分布差異，提高流場均勻性。

2）飼料層上表面右邊緣區域風速明顯較大，主要由于此處靠近出風口，氣流穿過飼料層后從此處流出，因此風速逐漸增大；飼料層下表面中部區域風速明顯較大，主要由于氣流到達飼料層遇到阻力，在此形成渦流，導致風速增大。

3）當風速不變時，飼料層上表面風速均勻度與飼料層厚度成正比，飼料層上表面風速平均值與飼料層厚度成反比，下表面風速均勻度與飼料層厚度成反比；當飼料層厚度不變時，飼料層表面風速均勻度與進氣口風速成反比，表面風速平均值與進氣口風速成正比。