肉苁蓉种子纸加热箱气流组织仿真分析与试验

马卫彬，谢建华，岳 勇

（新疆农业大学机电工程学院，新疆　乌鲁木齐　830052）

0　引言

种子纸法接种肉苁蓉具有易操作、便于控制种子用量和位置、提高接种成功率的优点，接种成功率可达80%以上[1]。生产时，为了保证肉苁蓉种子的生物活性，要求种子纸的烘干温度不高于45℃。此外，肉苁蓉种子纸干燥成品为连续大卷，采用流水线生产方式,为了保证设备的生产率，肉苁蓉种子纸必须在进、出烘干箱这一短暂输送时间段内均匀烘干，这就要求加热箱提供高质量的热空气流。针对加热箱样机试验中出现的出口热空气温度分布不均匀现象，利用CFD软件对箱内气流运动进行仿真分析，采用了在风管内增设导流片的方法，将风管分为多个腔体，使各腔体通过的热空气流量相等，以实现加热箱出口空气温度均匀分布。

1　加热箱的结构特点及其工作原理

图1所示是加热箱的结构示意图。加热箱由进风管、箱体、空气加热器和出风管组成。进风管两端截面尺寸由风机出口及箱体进风面尺寸决定，形状呈方锥形；箱体为长方体，其垂直气流方向的截面尺寸由所选用的翅片式PTC空气加热器尺寸决定；出风管出口为长条形，其长度略大于种子纸宽度。

图1　加热箱结构示意

工作时风机把气流送入加热箱，翅片式PTC空气加热器为热源对空气进行均匀加热，热风通过出风管进入烘干箱。加热箱的出风口为长条形，可以提高气流速度，实现射流冲击方式烘干种子纸，从而提高烘干效率。

2　试验结果及分析

制作图1所示加热箱并对出风口热空气进行测温试验，找出其温度分布规律。如图1b所示，在出风口中心线上，取出风管出口长度方向两端为首末2个测点，然后在该线上均匀等距再取5个点，施加一定热功率后，用探针式电子温度计进行温度测量，探针在每个测点保持30 s后读取数据，测量结果见表1。

表1　加热箱出口测点温度

可见出风口温度两边高、中间低，最大温差达14.4℃，如此大的温差肯定会造成肉苁蓉种子纸烘干不均匀。高温可能会破坏种子的生物活性，影响种子纸的烘干质量。而温度较低的地方需要延长烘干时间才能实现充分烘干，进而影响种子纸的生产效率。

3　加热箱内气流组织CFD仿真分析与结构改进

3.1　加热箱内气流组织CFD仿真分析

为了探求气流在加热箱内的运动规律，进而分析、解决出风口温度不均匀的现象。采用CFD软件对箱体内的气流组织进行仿真分析，可以获得较为直观的气流速度分布图。利用CFD后处理功能，选取加热箱侧视切片及出口平面测点，得到箱内侧视气流速度云图及出口速度曲线图，如图2所示。

图2　加热箱出口气流速度云图及曲线

由侧视速度云图可以看出进风管与箱体连接处管壁、箱壁附近空气流速很低，远离箱壁的中间位置速度最高。由图2速度曲线可以看出整个出口长度方向气流速度呈“中间高，两边低”的抛物线状分布。这是由于空气属于黏性流体，受箱壁粘附力作用，气流速度在箱体横截面上呈现出梯度分布[2]，距离箱壁越近速度越慢。空气加热器在整个气流运动横截面内均匀发热，靠近管壁处的气流速度很低，导致加热器靠近箱壁部分热量流失慢，从而造成加热箱出风口两端高温现象；远离管壁的中部气流速度较高，可以较快的带走热量，使出风口中间温度较低，这与表1中加热箱出口温度值“两边高、中间低”的分布结果相吻合。另外，加热箱出口气流最大速度仅为8.5 m/s左右，应进一步减小出风管出口宽度，以提高出口速度。

3.2　加热箱结构改进及仿真分析

3.2.1加热箱结构改进原理及方法

由气体流动特性知，气流速度小于声速时，气流速度变化与截面变化的关系为[3]：

式中 Ma—马赫数；Ma=v/c；c —声速，c=340 m/s；v—气流速度。

试验气流速度远小于声速，则Ma-1≈-1，即dA/A=-dv/v，可见加热箱内气流速度与截面面积变化趋势相反。据此可采用导流板将箱体进、出风管分成一定数量的分腔体，均匀输送加热块产生的热量，将加热后的气流等分通过出风管各腔体。安装导流片时，先保证各分腔体出口面积一定，入口面积按照dA/A=-dv/v的规律划分，应为“中间小，两边大”，据此调整导流片安装角度，使通过各分腔体的热空气流量相等，达到匀化出风口气流速度的目的，以实现种子纸均匀烘干。

3.2.2改进后气流运动仿真分析

如图3所示，按3.2.1所述方法在进、出风管加装导流片，适当减小出风管出口宽度尺寸。

图3　改进后的加热箱结构示意

图4　加热箱改进结构及出口速度曲线

应用CFD软件对改进后的结构进行仿真分析。建模时，被导流片分割的小块气体不必单独建立，将加热箱及导流片定义为固体，气流定义为流体，软件会根据物质属性自动辨识分割效果。应用CFD的后处理功能，对加热箱出风口选取截面、测点，生成出口气流速度曲线见图4。

可以看出，增设导流片后的加热箱出口空气流速在13 m/s附近波动，并有幅值上下突跃现象，这是由于所选取截面的测点到导流片的距离是不相等的。刚好处于两导流片的正中央的测点显示的速度会比较高，离导流片距离很近的点则显示较低值，统计学观点认为加热箱出口气流速度均匀分布，约为13m/s。

4　改进结构后试验结果及分析

按3.2.1所述方式在进、出风管加装导流片，缩小出风管口宽度对加热箱结构进行改进，保持热功率不变，然后按图1（b）所示测点进行测温试验，结果见表2。

由上表中的测试结果可以看出加装导流片后，出口温度值最高为44.3℃，低于45℃的安全温度极限值，保证了加工后肉苁蓉种子的生物活性。最低温度40.2℃，最大温差为4.1℃，与改装前的14.4℃相比，加热箱出口气流温度的均匀程度有了大幅度的提高。

5　结论

（1）通过CFD仿真分析，可以直观的看出气流与箱壁间的粘附力对气流运动产生明显影响，使加热箱出口气流速度呈抛物线状分布，进而造成出口温度中间低、两端高。最高温度达50.3℃，超出了生产上限的45℃，严重影响肉苁蓉种子的生物活性；最低温仅为36.9℃，需要延长烘干时间，降低了设备的生产率。

（2）仿真分析结合试验得出：减小出风管出口宽度可以提高加热箱出口热空气流速；对加热箱进、出风管安装导流片，使各风管分腔体入口面积按照dA/A=-dv/v的规律划分，出口面积相等，使得通过各分腔体的空气流量相等，进而实现加热箱出口热空气流速均匀，将出口温差由改进前的14.4℃降低到4.1℃，实验结果表明改进结构后的加热箱能够较好的满足生产要求。

参考文献：

[1]章尧想，高君亮，张格等.西部沙区肉苁蓉人工种植技术［J］．广东农业科学，2013（14）：38～40.

[2]吴双群，赵丹平.风力机空气动力学［M］．第 1版．北京：北京大学出版社出版社，2011：7.

[3]罗惕乾.流体力学［M］．第 3 版．北京：机械工业出版社，2008：218.