极板快速干燥机风道流场的数值模拟和优化

马力辉，齐明君，侯晓华，臧扬扬，孙辉

(1.河北大学 质量技术监督学院，河北 保定 071000；2.河北大学 低碳研究院，河北 保定 071000； 3.保定市质量技术监督局 特种设备监督检验所，河北 保定 071000)

在铅酸蓄电池生产中，固化好坏至关重要.固化前，对涂膏板栅进行快速干燥使附着的铅膏含水量由11%下降到8%左右是重要的工艺之一.极板快速干燥机就是此过程的专业设备.其由窑体、风道、加热循环风系统、输送系统、排湿系统等组成，如图1所示.涂膏板栅沿极板运输平面水平通过干燥机窑体，热空气以循环风机为动力，通过风道导向，最终由出风风道(上、下风道)出风口吹出，对板栅上下表面进行快速干燥，达到失水3%的目的.在干燥机的设计中，降低热气流在风道内流动的损失、提高热气流流速的均匀性对提高干燥性能至关重要[1-5].由于空气的流动难以预测，对设备结构的反复实验成本高、效率低[6-7]，本文采用Solidworks对干燥机中出风风道进行三维建模，依靠Flow Simulation插件对干燥机风道内热空气如何流动进行模拟，为风道结构的合理优化提供宝贵依据.

图1 极板快速干燥机结构 Fig.1 Structure of fast plate dryer

1 几何计算模型

干燥机风道的流场十分复杂，结构稍有改变流场随即发生变化[8].针对传统风道为简单的长方形风道及风道内导流板简单安放的问题，分别对出风风道形状、出风风道不同导流板位置建立模型.出风风道形状主要研究出风风道由矩形转变为变截面的梯形形状后对出风口风速的影响.出风风道不同导流板位置主要研究出风风道中导流板不同位置对出风口的风速及均匀性的影响.上风道与下风道结构相似，模型以下风道为模拟对象，风道进风口位置由干燥机与风道相关结构综合考虑确定，出风口缝隙为30 mm，共有102个，分为2排，每排相邻出风口间隔100 mm，如图2所示.

a.出风风道形状的几何计算模型;b.出风风道不同导流板位置的几何计算模型.
图2 几何计算模型
Fig.2 Geometric model

2 数值模拟与结果

2.1 模拟方案设置

出风风道形状、出风风道不同导流板位置模拟方案示意如图3所示.出风风道形状方案中，风道进风口位置及大小已确定，利用调节梯形底部长度(L)来改变风道两侧变截面长度及角度，共有5组方案：1 600方案(L=1 600 mm)，1 800方案(L=1 800 mm)，2 000方案(L=2 000 mm)，2 200方案(L=2 200 mm)，矩形方案(L=6 650 mm). 出风风道的导流板不同位置方案设置有无导流板、1对导流板和2对导流板，共43组方案，方案参数设置见表1.用A1iB1j表示一对导流板参数，A1i表示深度参数(a1)，B1j表示位置参数(b1,b2)；A2mB2n表示2对导流板参数，A2m表示深度参数(a1,a2)，B2n表示导流板位置参数 [(b1,b2)(c1,c2)].如A12B12表示一对导流板200(150,500)方案，A23B23表示2对导流板(100,400)(100,700)(250,450)方案.

图3 风道模拟方案尺寸示意 Fig.3 Dimensions schematic of simulation program on the air duct

序号A1/mmB1/mm A2/mmB2/mm1100(150,350)(100,200)(100,500)(250,400)2200(150,500)(100,300)(100,600)(250,450)3300(150,650)(100,400)(100,700)(250,450)4400(250,450)(200,300)(100,700)(250,550)5(350,550)(200,400)(100,700)(350,550)6(300,400)(200,500)(300,400)7(200,600)(300,500)

2.2 出风风道形状模拟分析

图4 出风风道形状监测点素速度统计 Fig.4 Rate statistics of monitoring points in air duct

分别对5组方案进行计算机流场模拟.在条形出风口均匀选取监测点素，充分分析检测点素数据，监测点素位置选择应能充分表征出风风道速度规律.每个条形出风口上均匀选取8个监测点素，梯形较短一侧取20个条形出风口，梯形较长一侧取40个条形出风口.

由图4可知，风速10～12，12～14，14～16 m/s的监测点素数量均明显增加，其中12～14 m/s的增幅最大，提升56.41%～69.23%，10～12 m/s的提升比率为9.1%～10.2%，14～16 m/s的提升比率为37.5%～58.3%，16～18 m/s相差不大、基本相当，速度大于10 m/s的提升比率为31.1%～36.4%；风速较小的监测点素数量有所下降，其中小于5 m/s的下降比率为44.0%～56.0 %，5～10 m/s的下降比率为25.6%～29.5 %.梯形风道可以有效地增加两端出风口的风速，使出风口风速为10～16 m/s的速度有所提升、小于10 m/s的速度有所减少及大于16 m/s的速度基本不变.这样出风口风速就集中在中间比较高的风速范围内.

2.3 出风风道不同导流板位置模拟分析

由于方案多(一对导流板方案20组，2对导流板方案42组，无导流板方案1组)，经过分析选取监测点素速度大于10 m/s的数量、子区域速度大于10 m/s点素数量百分比及对比速度云图获得结果.

2.3.1 监测点素速度大于10 m/s的数量

统计风道出风口监测点素总数，速度大于10 m/s点素数量如图5所示.根据表1可确定各方案的具体参数.图中各方案均对应标有速度大于10 m/s点素数量，其中无导流板速度大于10 m/s点素数量为536，筛选出点素数量大于536的导流板方案：100(150,350)，100(150,500)，100(150,650)，100(250,450)，100(350,550)，200(250,450)，(100,400)(200,500)(300,400)，(200,300)(100,500)(250,400)，(200,300)(100,700)(250,450)，(200,400)(100,500)(250,400)，(200,400)(200,500)(300,400).这些方案通过添加导流板使速度大于10 m/s点素数量有所增加，提高风道出风口较大风速的区域范围，作为第1次筛选的结果.

图5 速度大于10 m/s的点素数量统计 Fig.5 Statistics of monitoring points which Speed is faster than 10 m/s

2.3.2 子区域速度大于10 m/s点素数量百分比

出风口划分为12个子区域，分析子区域出风口速度，如图6所示.子区域出风口速度对干燥效果的影响权重不同，子区域筛选权重为：A1^，A1，A2^，A2，B2^，B2，C1^，C1高于B1^，B1，C2^，C2.筛选原则：在高权重区域内，出现大于10 m/s点素数量百分比为0或很小(百分比小于0.3)的方案将去除；出现多个区域大于10 m/s点素百分比偏小的方案将去除；低权重区域内，出现大于10 m/s点素数量百分比为0将直接去除；出现大于10 m/s点素数量百分比很小(百分比小于0.3)时，综合考虑各区域情况后，决定是否去除.由图7可知，无导流板方案在A2^，B2^，C1^区域内大于10 m/s点素所占比例偏小(0.4285，0.2187和0.43758)，100(150,350) ，100(150,500)，100(250,450)，(100,400)(200,500)(300,400)方案在C1^区域内大于10 m/s点素所占比例为0，(200,400)(100,500)(250,400)方案在B2及A1区域内大于10 m/s点素所占比例均比较小(0.25和0.2321).筛选出出风口速度大、分布较均匀的方案：100(150,650)，100(350,550)，200(250,450)，(200,300)(100,500)(250,400)，(200,300)(100,700)(250,450)，(200,400)(200,500)(300,400).

图6 子区域划分 Fig.6 Divided sub-regions in air duct

图7 子区域大于10 m/s点素数量百分比雷达 Fig.7 Percentage of monitoring points which speed is faster than 10 m / s in sub-region

2.3.3 云图分析

对比以上筛选方案的出风口速度云图，直观的辨别出速度的均匀性，云图如图8所示.由图8可知，方案100(150，650)、100(350,550)在均匀性上较差：白色区域面积大即速度较小所占面积大；方案200(250,450)进风口附近出现大面积低速区域，极板在干燥过程中加热不均匀，容易出现一半已干燥另一半潮湿的现象；方案(200,300)(100,500)(250,400)相对于剩余2个方案，在云图上方白色区域较大，速度较低.方案(200,300)(100,700)(250,450)与方案(200,400)(200,500)(300,400)相比，前者黑色区域更深、范围更大即出风口速度更大和较大风速的区域更大，说明其在均匀性及速度大小上更好一些.

图8 出风风道侧进风筛选云图 Fig.8 Cloud chart of the air duct

3 结论

设置多组模拟方案，针对极板快速干燥机风道形状及风道内导流板位置，进行风道流场分析，结果表明：梯形风道与矩形风道相比，可以一定程度提高风道两侧末端出风口速度，较长一侧速度提升更为明显，在模拟方案中，综合考虑相关结构参数，1800方案稳定性好，适宜应用于实际生产；对出风风道导流板位置改变而设置的众多方案进行3次筛选，分别对监测点素速度大于10 m/s的数量、子区域速度大于10 m/s点素数量百分比、云图进行分析，说明合理的导流板位置可以提高出风风道出风口风速的均匀性及风速大小，在模拟方案中，方案(200,300)(100,700)(250,450)出风口风速的均匀性及大小效果更好，适宜应用于实际生产.

参 考 文 献:

[1] 陈卓如, 金朝铭, 王洪杰，等. 工程流体力学[M]. 北京：高等教育出版社，2004.

[2] 毕小平, 吕良栋, 周国印. 基于CFD分析的车辆冷却风道综合性能评价[J]. 内燃机工程, 2012, 33(3)：49-53.

BI Xiaoping, LU Liangdong, ZHOU Guoyin. Evaluation of cooling air duct comprehensive performance in vehicle based on CFD analysis[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2012, 33(3)：49-53.

[3] 陈作炳, 钟勇. 窑头四风道燃烧器冷态流场数值模拟[J]. 机械设计与制造, 2011(2)：206-208.

CHEN Zuobing, ZHONG Yong, Numberial simulation rearch on the cold flow state of the four-chanal kiln burner[J]. Machinery Design & Manufacture, 2011(2)：206-208.

[4] 谭磊, 曹树良，桂绍波，等. 带有前置导叶离心泵空化性能的试验及数值模拟[J]. 机械工程学报, 2010,46(18)：177-182.

TAN Lei, CAO Shuliang, GUI Shaobo,et al. Experiment and numerical simulation of cavitation performance for centrifugal pump with inlet guide vane[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2010,46(18)：177-182.

[5] 袁寿其, 吴登昊，任芸，等. 不同叶片数下管道泵内部流动及振动特性的数值及试验研究[J]. 机械工程学报, 2013, 49(20)：115-122.

YUAN Shouqi, WU Denghao, REN Yun, et al. Numerical and experimental study on flow and vibration characteristics of In-line circulator pumps with different blades numbers[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2013, 49(20)：115-122.

[6] 姚寿广,刘飞,熊正强. 船用发电机转子冷却风道内部流场的数值模拟[J].江苏科技大学学报：自然科学版, 2013,27(1):48-52.

YAO Shouguang,LIU Fei，XIONG Zhengqiang. Numerical analysis of flow field inside a cooling duct of a marine generator rotor[J]. Journal of Jiangsu University of Science and Technology：Natural Science Edition, 2013,27(1):48-52.

[7] 陈作钢，李金成，代燚，等. 多功能风洞及CFD优化设计[J]. 实验流体力学，2012,26(4):73-78.

CHEN Zuogang，LI Jincheng，DAI Yi，et al. Versatile wind tunnel and CFD-based optimal design[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2012,26(4):73-78.

[8] 黄小辉,毕小平. 计算流体力学在车辆冷却风道设计中的应用[J]. 兵工学报,2008,29(11):1281-1285.

HUANG Xiaohui, BI Xiaoping. The application of computational fluid dynamics in design of the vehicle cooling wind Tunnel[J]. Acta Armamen Tarii, 2008,29(11):1281-1285.