基于CFD的黃姜熱泵干燥機干燥室熱流場分析及結構優化

摘要：

黃姜熱泵干燥機在干燥過程中存在熱流場分布不均勻等問題，使得干燥后的物料品質不均勻，同時局部風速和溫度過低使每批次的干燥時間增加，導致干燥效率低。為提高干燥物料品質均勻性和干燥效率，需要改善黃姜熱泵干燥機的熱流場均勻性。通過SolidWorks建模，提出基本假設，借助計算流體力學（CFD Fluent）仿真軟件對熱泵干燥機干燥室內熱流場進行數值模擬，分析熱流場分布不均勻問題，并通過改進干燥機內部結構來提高干燥物料品質和干燥效率。結果表明：初始設備的干燥室內部熱流場存在局部高溫高風速等情況，物料區域上下分布不均勻性較大，通過將進風口和出風口優化成矩形進風口和格柵形出風口后，干燥室熱流場明顯得到改善，均勻性大幅度提高，速度不均勻系數和溫度不均勻系數分別從66.5%、61.7%降低到40.5%、39.1%。取相同風速和溫度的一組試驗，品質得分由初始設備的6.16提高到優化改善后的8.32。

關鍵詞：熱泵干燥機；計算流體力學；熱流場；不均勻系數

中圖分類號：S229.3

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2025） 03-0133-07

收稿日期：2023年6月24日" 修回日期：2023年9月19日*

基金項目：廣東省省級鄉村振興戰略專項項目（2023KJ101）；湖北省重點研發計劃項目（2020BB063）

第一作者：康宏彬，男，1989年生，南昌人，博士，講師；研究方向為農產品加工技術與設備、農業機器人。E-mail： 676976716@qq.com

通訊作者：肖波，男，1987年生，湖北十堰人，博士，高級工程師；研究方向為農產品加工技術與設備。E-mail： bo.xiao@188.com

CFD-based thermal flow field analysis and structural optimization in the drying chamber

of a yellow ginger heat pump dryer

Kang Hongbin1， 2， 3， Chen Siqin1， 2，Hu Shuxu1， 2， Wang Lei1， 2， Xiao Bo4， Wang Benyi3

（1. College of Mechanical Engineering， Hubei University of Technology， Wuhan， 430068， China; 2. Hubei Agricultural

Machinery Engineering Research and Design Institute， Wuhan， 430068， China; 3. Hubei Dinar Technology Co.， Ltd.，

Ezhou， 436000， China； 4. Guangdong Modern Agricultural Equipment Research Institute， Guangzhou， 510630， China）

Abstract：

The uneven distribution of thermal flow fields in yellow ginger heat pump dryers during the drying process leads to inconsistent material quality and extended drying times due to localized low wind speed and temperature. These factors result in low drying efficiency. To enhance the uniformity of the dried material quality and improve the drying efficiency， the thermal flow field distribution of the ginger heat pump dryer needs to be optimized. Using SolidWorks for modeling， the basic assumptions are proposed. Numerical simulations of the thermal flow field inside the drying chamber of the heat pump dryer are conducted with the help of computational fluid dynamics （CFD Fluent） simulation software to analyze the non-uniformity in the distribution of the thermal flow fields and to improve the material quality and drying efficiency by modifying the internal structure. The results show that the initial equipment has localized high temperatures and high wind speeds， with significant non-uniformity in the material distribution within the chamber. By optimizing the air inlet and outlet into a rectangular air inlet and a gird-shaped outlet， the uniformity of the thermal flow fields is significantly enhanced， with the speed and temperature non-uniformity coefficients reduced from 66.5% and 61.7% to 40.5% and 39.1%， respectively. In a test with the same wind speed and temperature， the quality score of the dried material improved from 6.16 in the initial setup to 8.32 after optimization.

Keywords：

heat pump dryer; computational fluid dynamics; thermal flow fields; non-uniformity coefficient

0 引言

在生產過程中，大多數農產品的加工與儲存離不開除水干燥這一環節，目前應用較廣泛的熱泵干燥技術屬于其中之一。對于一些農產品使用熱泵干燥機不僅有較好的技術經濟性［1］，而且能夠提高農產品的干燥品質［2］。然而熱泵烘干機干燥腔內部熱流場的均勻性是影響物料干燥品質的重要因素，均勻性過低，既降低干燥品質又增加耗能［3，" 4］。熱泵干燥機的結構特點和使用技術存在一定差異，制造廠家在生產時大多數依據經驗來設計內部結構，實際應用于農產品干燥時具有很大的改善空間。

國內一些研究者對烘干機提出了一些優化方案，劉道奇［5］、楊雪［6］等為優化干燥機內部溫度場，在基于CFD的基礎上，對干燥機內部結構提出了改進建議。張航等［7，" 8］通過綜合分析物料堆積厚度、烘干室內部的溫度、風速和含濕率對檳榔的影響，提出在干燥機進風口處安裝導流板，提高物料整體的干燥品質。Zhang 等［9， 10］通過試驗探究了水產飼料在物料架上不同堆積厚度的情況下氣流的分布，最終得出結論，水產飼料厚度為40mm時，流場分布均勻性最好。

關于熱泵干燥機干燥物料提高熱流場均勻性的研究有很多，然而通過熱泵干燥機干燥黃姜來提高熱流場均勻性和黃姜品質的研究案例很少，在這方面有很大的探究空間。本文通過使用CFD Fluent軟件模擬干燥機干燥黃姜時干燥室內部的速度場和溫度場分布，探究干燥機的進出風口對熱流場的影響，得出優化方案，提高熱泵干燥機干燥室熱流場的均勻性，進而提高黃姜的干燥品質。

1 干燥機模型建立及流場分布模擬方法

1.1 模型建立及網格劃分

使用干燥設備是GHRH型系列熱泵干燥機，設備簡化模型如圖1所示。設備的主體主要包括庫體、主機、循環風機、物料架和電控系統。其中物料架有兩個，每個物料架有7個物料盤，每個物料架尺寸為950mm×750mm×1360mm，建模物料架時簡化層與層之間連接部分，所建物料架簡化模型如圖2所示。熱泵干燥機工作原理是由熱泵裝置先從蒸發器的空氣中吸取熱量，使空氣的溫度迅速下降到露點以下，熱泵裝置把空氣中吸取的熱量用來加熱被脫了水的空氣，使空氣成為載濕能力很強的干燥空氣，氣流通過待干燥的物料時，發生熱交換，完成脫水和加熱。熱泵烘干機的外形尺寸是3650mm×1250mm×2100mm，總裝機功率是11.5kW。

為有效開展模擬分析，在建模過程中進行適當簡化，保留干燥室主體部分， 將每層物料架與黃姜物料層合并處理，并設置為多孔介質區域，使用Fluent軟件中的Mesh模塊對所建模型進行網格劃分，采用結構化網格與非結構化網格相結合的網格劃分方法，劃分的網格數量是320萬，節點數是61萬，網格劃分模型如圖3所示。

1.2 模擬基本假設

根據熱泵干燥機的結構特點，為提高模擬的可行性與準確性，在干燥過程中提出基本假設：（1）流入干燥機的干燥介質熱空氣被認定為不可壓縮的理想氣體，并且其粘性系數為常數。（2）干燥機的墻體壁面視為絕熱壁面，不與自然界進行熱量交換。（3）物料層和物料架合并簡化為多孔介質模型。

1.2.1 多孔介質模型

根據黃姜物料特性，將黃姜物料層看作為各向同性多孔介質模型，根據Ergun公式，可以分別得出黃姜的粘性阻力系數與慣性阻力系數［11， 12］。

粘性阻力系數α計算如式（1）所示。

1α=150（1-φ2）Dρφ3

（1）

式中： Dρ——黃姜塊的當量直徑，mm；

φ——孔隙率，無量綱。

慣性阻力系數C2計算如式（2）所示。

C2=3.5（1-φ）Dρφ3

（2）

式中： C2——無量綱。

1.3 邊界條件設定及求解方法

將在Mesh模塊中處理的Mesh文件導入Fluent中進行求解計算，熱泵干燥機干燥室內流動介質是air，為使模擬仿真得到的云圖效果明顯，將進風口空氣溫度及風速設定為最大值，進風口空氣溫度設定為65℃，進風口設定為速度入口，風速為4m/s，湍流強度I＝0.038，水利直徑DH＝120mm。墻為固體且其材料為聚氨酯，聚氨酯的各項性能系數：導熱系數為0.052W/（m·K）、密度為350kg/m3、比熱為2370J/（kg·K），壁面邊界設定為無滑移絕熱壁面［15］。出風口設定為壓力出口，湍流強度I＝0.038，水利直徑DH＝154mm，出風口壓力為自然環境大氣壓0.1013MPa，干燥物料為鄖西黃姜，鄖西黃姜各項性能參數：導熱系數為0.5W/（m·K）、密度為550kg/m3、比熱為4380J/（kg·K），鄖西黃姜物料層設置為多孔介質，孔隙率為0.3［16］。

干燥機和干燥室采用瞬態模擬，在計算過程中，設定能量方程收斂標準是10-6，其他方程收斂標準是10-3，壓力、動量和能量方程使用二階離散方法，而對于k方程和ε方程使用一階離散方法，離散方程使用SIMPLEC算法求解，設定時間步長為0.01，時間步數為5000步。

1.4 評價指標

1.4.1 速度不均勻系數

對于流場的均勻性，不僅可以通過云圖評價流場均勻性，也可以通過不均勻系數進行評價，引入不均勻系數去作為評價標準，對于速度流場，引入速度不均勻系數M。在XY和XZ平面上截取干燥箱內部物料堆積處局部截面圖，在該局部截面圖上取均勻分布的監測點，通過計算得出M值，M值越小，表示速度場速度分布越均勻。

1.4.2 溫度不均勻系數

分析流場溫度的均勻性，引入溫度不均勻系數R，繼續使用上述速度不均勻系數所取的監測點，通過計算得出R值，R值越小，表示溫度場溫度分布越均勻。

1.4.3 黃姜品質評定

將干燥好的黃姜進行氣味、顏色、收縮程度等感官［17］評分，由5位試驗人員進行評分并給出具體分數，分數越高代表干燥品質越好，然后取其平均值，各項評定標準如表1所示。

2 熱泵干燥機熱流場模擬與分析

2.1 Fluent模擬可靠性

為驗證Fluent模擬干燥室熱流場的可靠性，選取壓力出口作為出口邊界條件進行試驗研究。取Z=0m處截面的速度云圖和溫度云圖進行分析，設置監測點，并與實際測量值對比，觀察其相對誤差。如圖4所示，熱空氣進入風道后，在風道拐角處產生低速區，之后經過導風板流入干燥室物料干燥區，熱空氣與物料干燥區的黃姜物料發生熱交換。在所選截面內隨機設置6個監測點，監測各點速度值與溫度值，表2、表3為監測點值與實際值對比。

綜合模擬云圖、監測點的模擬值與測量值分析，采用壓力出口邊界條件作為出口邊界，監測點的速度和溫度模擬值與測量值誤差較小，采用Fluent模擬干燥機熱流場具有較高的可靠性，可作為試驗模型進行結構優化。

2.2 初始設備熱流場模擬結果與分析

選取不同截面模擬結果分別進行分析，圖5（a）為Z=255mm時的速度模擬云圖，可以清楚地看到，在干燥室上層區域，局部風速較高，達到4m/s，而干燥室其他區域都遠小于這個風速。圖5（b）為Z=255mm時的溫度云圖，同樣可以看出，在干燥室上方存在局部溫度過高的現象，導致物料架上方的黃姜干燥過程先完成，而物料架中下方的黃姜塊還在干燥中，干燥過程不統一，影響干燥品質。在進行橫向觀察，選取Y=1270mm、Y=775mm、Y=280mm各處截面的溫度與速度云圖進行觀察，如圖6所示。結果表明，在物料架上層平面，左右兩側物料架風速差異非常大，中下區域總體可觀，在溫度方面，只有下層左右兩個物料架溫度分布較為均勻。根據在Z=255mm截面下選取的監測點，計算速度不均勻系數與溫度不均勻系數，結果分別為66.5%、61.7%。

2.3 設備進風口形狀對熱流場的影響與分析

干燥機初始進風口為雙圓孔形進風口，這樣設計進風量較少，為增大進風量，采用矩形進風口，模型如圖7所示。使用CFD Fluent軟件對更改后模型進行模擬仿真，并進行結果分析。圖8（a）為Z=255mm時的速度模擬云圖，圖8（b）為Z=255mm時的溫度模擬云圖。與雙圓形進風口相比，物料架上層風速場高風速區域明顯減少，總體趨于均勻，溫度場與未更改之前相比，高溫區域減少，物料架下層溫度有所提升，物料架區域總體溫度均勻性明顯提升。選取Y=1270mm、Y=775mm、Y=280mm各處截面的溫度與速度云圖觀察物料區域橫向變化，如圖9所示。結果表明，在物料架上層平面，左右兩側物料架風速差異不大，但總體風速不高，在溫度方面，中層區域溫度最高，呈遞減趨勢。根據在Z=255mm截面下選取的監測點，計算速度不均勻系數與溫度不均勻系數，結果分別（方案1）為52.4%、48.3%。

2.4 設備出風口形狀對熱流場的影響與分析

在基于矩形進風口的前提下，對干燥機的出風口進行優化，為使物料區域各層出風較為均勻，將出風口設計為格柵形出風口，模型如圖10所示。在進行模擬仿真后，進行結果分析，圖11（a）和圖11（b）是Z=255mm時速度模擬云圖和溫度模擬云圖，可以看出，對于速度場，局部高風速區域明顯減少，物料區域整體風速均勻性很高。對于溫度場，局部高溫區域減少，且物料下層的溫度也有所提升，使得物料區域整體溫度均勻，對黃姜干燥品質有著很大提升。選取Y=1270mm、Y=775mm、Y=280mm各處截面溫度與速度云圖觀察物料區域橫向變化，如圖12所示。結果表明，在物料架中間層溫度最高，上下層溫度相對低些，但溫度總體均勻性良好，在速度上除上層左右物料架風速差別較大，中下兩層速度大小和均勻性均表現良好。根據在Z=255mm截面下選取的監測點，計算的速度不均勻系數和溫度不均勻系數，結果（方案2）分別為40.5%、39.1%。

通過對監測點進行計算，得出各方案速度不均勻系數和溫度不均勻系數，如表4所示。初始設備的速度不均勻系數和溫度不均勻系數都較高，方案2都為最小，且結合云圖分布來看，方案2為最佳優化方案。

2.5 驗證優化模擬值

為驗證優化后模型在Fluent中的模擬值與實際設備運行時的試驗值是否具有高度吻合，在試驗基地再次使用設備進行試驗。按照所建模型設定好的尺寸，將絕熱材料提前切割和焊接好，將初始設備上的進風口板和出風口板拆卸下來，將已經焊接好的進風口板面和出風口板面裝在熱泵干燥機上。調整設備結構后，在黃姜熱泵干燥機烘干室內的物料架上隨機取6個點安裝溫度傳感器和風速傳感器，將切好的鄖西黃姜片均勻擺放至物料架上的托盤上，并覆蓋隨機選取的監測點，開啟設備，在控制面板上按照已設定的參數進行輸入，等到干燥機預熱結束后到穩定狀態開始測量數據，將所測數據記錄下來。重復測量3次，采集數據后，取每組的平均值與模擬值進行對比，計算誤差大小。

圖13是所測試點值與模擬值的對比，可以看出，實際溫度值和實際風速值與模擬結果相比，都非常接近，驗證2.1節中Fluent模擬可靠性，說明采用壓力出口邊界條件作為出口邊界進行研究對于模擬干燥機流場具有較高的可靠性，不會因為設備結構發生變化而失去準確性。因此，采用方案2的優化設計利于提高烘干室內部熱流場的均勻性。

2.6 黃姜品質驗證

依據黃姜品質評定標準，采用相同干燥溫度和風速的干燥條件，對相同布局和大小的兩組黃姜，分別進行優化前的設備干燥和優化后的設備干燥，干燥完成后，由5位試驗人員分別對兩組干燥后的黃姜給出品質評定得分，如表5、表6所示。可以看出，優化后的熱泵干燥機在干燥黃姜時，黃姜的氣味、顏色和收縮程度等各項品質均得到很大提升。因此，可以得出結論：優化后的黃姜熱泵干燥機在干燥過程中，干燥室內的熱流場均勻性得到明顯改善，并且由于改善熱流場均勻性，使得黃姜的干燥品質也有很大提升。

3 結論

1） 熱泵干燥機內部結構影響烘干室內熱流場的均勻性，通過對物料架和物料使用多孔介質模型，在使用計算流體力學（CFD）的基礎上對干燥機速度場和溫度場進行仿真模擬，能夠清楚地反映出烘干室內熱流場的分布情況。

2） 在觀察到烘干室內熱流場的分布情況后，在干燥室上層存在局部風速和溫度過高情況，且左右兩物料架溫度及風速相差過大，干燥過程中物料干燥時間不統一從而影響干燥品質，通過改變干燥機進風口和出風口結構，初始設備的雙圓形進風口進風量較少，優化為矩形進風口，為使出風均勻，將出風口優化為格柵形出風口，速度不均勻系數和溫度不均勻系數分別從66.5%、61.7%降低到40.5%、39.1%。采用方案2優化結構，干燥室內速度場和溫度場分布均勻性最好，鄖西黃姜的干燥品質也得到大幅度提升，品質得分由6.16提升至8.32。

參 考 文 獻

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