固定床烘干设备匀风系统结构优化与验证

王嘉麟，谢焕雄，李国鹏，颜建春，魏 海，吴惠昌

(农业部南京农业机械化研究所，南京 210014)

0 引言

固定床式干燥设备是花生干燥发展的热门方向之一[1-4]，相对于传统干燥设备具有一次处理量大、上卸料方便及干燥时间短等优点[5-9]；但随着处理量进一步增多、箱体增大，原有的风道结构已无法满足长箱体、大结构的花生干燥均匀性要求。因此，改变现有风道结构，优化风道内匀风系统，对未来大型固定床式烘干设备设计具有重要意义。

近年来，基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)技术被广泛应用于干燥的流场分析中。师建芳[10]等利用CFD模拟加装不同数量风机对隧道烘干窑内热风流场均匀性的影响，模拟结果表明：6风机方案隧道窑入口进风均匀，热风扩散距离最短。宁国鹏[11]等对苜蓿干燥与茎叶分离设备进行了CFD模拟，结果显示模拟流场内不存在明显的涡流现象满足设备的使用要求。任海伟[12]等利用CFD对太阳能干燥室内气流场进行模拟，结果表明：室内气流速度为6m/s时，干燥效果最好，气流分布更均匀。

本文运用SolidWorks软件建立烘干机的三维模型，将模型导入到ANSYS Fluent中进行CFD的相关数值模拟，得出烘干箱内气流场的分布与速度大小，对于烘干箱箱体下部风道气体流速低且分布不均匀的问题，提出了加装匀风机构的优化解决方案，并通过试验进行验证。

1 试验设备与方法

1.1 试验设备

本模拟中使用的烘干设备为自主研发的1台固定床干燥机。烘干机由3个箱体组成，每个箱体长2m、宽2.1m、高2m，由下风道、储料箱和上风道3个部分构成。烘干机箱体盖板采用电动推杆控制开启与闭合，箱体壁面采用55mm厚彩钢聚丙乙烯夹心板，上下风道的高度均为0.5m。工作时，风机产生风量由外部风道进入箱体上下风道(通过外部换向装置调节)，穿过花生荚果层实现干燥，如图1所示。供热采用1台具有8台压缩机的热泵装置，可有效提供的温度在40～60℃范围内。风机为1台高压离心风机，理论风量为21 000m3/h。

图1 烘干箱模型Fig.1 Drying box model

1.2 试验方法

1.出风口 2.1号箱体 3.2号箱体 4.3号箱体 5.测量点图2 气流速度测点布置简图Fig.2 Schematic diagram of airflow test locations

2 CFD建模与仿真

2.1 烘干机模型的建立

流体动力学基本方程组包括质量守恒方程、动量守恒方程、组分质量守恒方程、能量守恒方程、本构方程、状态方程及通用形式守恒方程[13-15]。本次模拟不考虑通风过程中的能量交换和组分变化，在烘干过程中取样口与卸料口处于闭合状态，故可将模型中的取样口和卸料口简化为壁面。运用SolidWorks软件建立与实际烘干箱的尺寸等模型，新鲜花生堆积高度为70cm，故在箱体内建立高度为70cm的多孔介质区域。实际几何模型与简化几何建立模型如图3所示。

(a) 实际模型

1.进风口 2.1号箱体花生域 3.2号箱体花生域 4.3号箱体花生域 5.下风道 6.上风道 7.出风口 (b) 简化模型图3 烘干箱模型Fig.3 Drying box model

2.2 多孔区域设置

实际模型中箱内堆有70cm厚的花生荚果，花生荚果与花生荚果之间存在大量的几何间隙，难以建立真实的几何模型。对于此类问题的研究，通常将模型进行简化，将多孔区域简化为增加了阻力源的流体区域。简化方式一般为在多孔区域提供一个与速度相关的动量汇，其表达形式为

(1)

其中，Si为(x,y,z)动量源项，为速度值；D、C分别是黏性阻力系数和惯性阻力系数；μ为动力粘性系数(N·s/m2)；ρ为流体密度(kg/m3)；νj为j向流速(m/s)。

对于相对均匀的多孔介质，可表示为

(2)

式中α—渗透率；

C2—惯性阻力系数。

她是不断开拓创新破解监管技术难题的带头人和实践者,她是河北食品安全检验的奠基人和排头兵。她叫王丽霞，河北省食品检验研究院院长，河北省食品安全专家指导委员会秘书长、全国环保产品标准化专家委员会委员、国家食品药品监管总局餐饮服务食品安全专家。

依据空气动力学特性，多孔介质内的惯性阻力系数与黏性阻力系数是模拟多孔介质的关键[16]，结合Dracy定律与Ergun方程[17-20]，得出在湍流模型中可用一个含有渗透率与惯性阻力系数的半经验公式模拟动量源项，即

(3)

式中Δp—压降(Pa)；

H—床层厚度(mm)；

Dρ—颗粒平均直径(mm)；

φ—孔隙率(%)。

结合上述式(2)、式(3)，求得多孔介质内黏性阻力系数与惯性阻力系数为

(4)

(5)

2.3 边界条件及参数设置

在ANSYS GM界面中使用Named Selection方法设定模型的区域条件(Cell zone conditions)及边界条件(Boundary conditions)[21-23]。将上风道与下风道的流体域定义为Fluid，在下风道的入口处设置速度入口(velocity-inlet)，在上风道的出口处设置为压力出口(pressure-outlet)，存放花生域设置为多孔介质(porous)。模拟参数均为现场实际测量所得。下风道入口风速测量方法：在风道入口处横向均匀布置4个测点，纵向均匀布置3个测点，共计12个测点；每个测点采用手持式SMART风速仪测速3次取平均值作为该点风速，最终以12个测点风速的平均值作为下风道的入口速度，具体参数设置如表1所示。

2.4 网格划分

在ANSYS Meshing中设置物理偏好为CFD，网格疏密程度设置为100，整个模型网格的最大边长为0.14m，箱体周围壁面建立膨胀层边界(Inflated Boundary)，平滑比率设置为0.272，最大层数设置为5层，生长速率(Growth Rate)为1.2，网格划分方法采用六面体网格划分方法(Hex Dominant)。优化时，对匀风板边界进行加密处理。对网格质量进行检查，发现网格质量Element Quality接近1的比率占90%以上，表明网格质量良好,满足仿真要求。

表1 模拟参数表Table 1 Parameters of simulation

3 仿真结果与验证

3.1 风道内速度分布情况

本次仿真模拟采用稳态方法求解控制方程，动量方程采用二阶迎风格式，湍流脉动能量和湍流耗散率也均采用二阶迎风格式[24-26]，各项松弛因子系统默认；采用SIMPLE算法，送代采用自适应步长，经由184个时间步长达到稳定，导入CFD-Post中进行后处理。其中，Y为距烘干箱下底面的高度；Z为距箱体左壁面的距离，计算结果如图4所示。

图4(a)、(b)为烘干箱内2个不同高度Y的速度场分布云图，分别为Y=0.2m和Y=1.7m。对比两个不同截面的速度分布云图发现：箱体内由于压差的影响，越靠近风道的进出口速度越大，且随着箱体距离进出口位移的增大风速逐渐降低，各个箱体间风速差异明显。由图4(a)可知：下风道内1号箱体下的风速在6～8m/s之间，3号箱体风速基本在2m/s以下，箱体间风速差异明显；花生烘干主要靠流经荚果表面的风带走水分，风量的不均性必然影响干燥均匀性。

图5(c)为烘干箱内的纵向速度场分布云图，作用位置z=1m。从图5(c)观察得知：1号与2号烘干箱下风道风速纵向变化范围不大，3号箱体下风道垂直方向速度变化差异明显，靠近花生的区域速度较大，而在上风道则相反，靠近花生区域的风速较小；在箱体后半部分风速较小，与前半部分存在较为明显的差异，不足以满足花生烘干均匀性的要求。

(a) Y=0.2m

(b) Y=1.7m

(c) Z=1m图4 烘干箱内不同截面气流速度场模拟仿真图Fig.4 Simulation air velocity contours of different sections in a drying box

3.2 CFD模型验证

为确定模拟效果与实际测得数据的区别，必须进行CFD模型的验证，将模拟所得数据与实际数据对比。图5为实测值与仿真值的对比结果。其各点模拟值与实测值的均方根误差为0.163m/s，最大绝对误差为0.46m/s，模拟值与实际值存在一定误差；但是真题趋势大致相同，说明本次模拟要求适用于烘干箱流场的模拟，可为后续对流场的改造提供结构优化。

图5 测点实测值与仿真值对比Fig.5 Comparison of measured and simulated values at each measurement points

4 增强风道匀风效果的新型构造

4.1 匀风挡板机构

固定床烘干设备箱体内风道过长，当风从风道进入时，会在压差作用下发生偏移，风量多集中于箱体的前半部分，使得箱体后半部分风量过小，造成风道内风量分布不均匀。针对这一问题，为提高新鲜花生的烘干效率与烘干品质，在现有风道基础上加装的一种匀风机构，如图6所示。此匀风机构可以固定在箱体的风道上，由多块匀风挡板组成，挡板可以通过电动推杆进行不同角度的调节。当烘干箱进行干燥作业时，可以使用控制按钮控制挡板升起与下降，也可对每一块挡板进行单独控制，通过匀风板改变风道内气流的分布情况，让每个箱体流经的风量尽量地均匀。

1.前摇杆 2.挡板 3.后摇杆 4.固定端图6 匀风板Fig.6 Air distribution plate

4.2 优化设计方案

本次优化设计以1台固定床换向通风干燥机为例，其干燥区域包含3个箱体，计划通过在箱体的下风道处通过添加1个、3个和6个3种个数的匀风挡板来考虑通过增加匀风挡板个数的不同对于阻挡风道内气流流向的影响。模拟仿真发现：匀风挡板的板间距及挡板与风道入口的距离以及每个挡板间的距离的不同也会对风道内气流的稳定性及均匀性产生影响，考虑到每个箱体的长为2m，总计3个箱体总长为6m，故将匀风挡板的板间距定义为0.6、0.8、1m共3个档位进行模拟对比研究。考虑到风场均匀性的影响，匀风挡板的高度与角度定义为可以将风道的高度均匀划分，确保了流经每个挡板的风量是相等的。除此以外，考虑到匀风挡板的导流影响，故挡板的长度不同对风量导流的影响也会不同，即匀风板长影响风量至新鲜花层的导流区间。考虑到风道的高度为0.5m，匀风挡板要将风道均匀划分，故考虑板长分别为1、0.9、0.8m共3种不同的板长来影响对风道内匀风效果的影响。综上所述，本次优化设计根据增加匀风导板的个数、匀风挡板安装的板间距和匀风导板的导风距离即板长3种因素的不同取值，共计分出3×3×3种组合方案模拟研究箱体风道内气流分布情况，从中对比选择最优方案。

4.3 优化模拟分析

由图4可知：气流从下风道入口处进入，受到来自上风道外部压差作用，气流发生偏移，穿过花生荚果层。由于风道相对过长，导致前方气流流失过大，后方气流供应不足。故通过在风道内加装匀风挡板阻止箱体内风道前端风量的流失，提高风量分布均匀程度，提高干燥均匀性。本次模拟参照民用建筑气流分布均匀性的标准，采用式(1)、式(2)表示气流的不均匀系数，即

(6)

(7)

其中，Vh为高度为h平面上的平均气流流速(m/s)；Vi为第i个测速点气流速度(m/s)；n为测速点数；Jh为高度为h平面上的气流不均匀系数，Jh值越小，气流分布均匀性越好。

通过表2所示的27组不同风道内匀风机构构造下的仿真试验，提取如图2位置处的27个测点的气流不均匀系数J0.5，可见不同构造的匀风机构对气流影响差异较大。

表2 不同构造组合Table 2 Combination of different configurations

在箱体下风道0.5m处，板间距为1m，匀风距离为1m，分别加装2块、4块及6块匀风板的气流分布情况(w表示匀风板个数)，如图7所示。由图7可知：同常规烘干机风道的气流分布相比，增加匀风装置能有效地改变气流的分布情况，相比于加装2块、4块的匀风板数，加装6块匀风挡板使得气流的分布更加地均匀；结合表2所示的气体不均匀系数，得出最优方案为第21组方案，即匀风挡板个数为6块、板长为1m、板间距为1m时，匀风效果最好，气流分布更均匀。

w=2

w=4

w=6图7 改进后气流速度场仿真模拟图Fig.7 Improved simulation diagram of airflow velocity field after improvement

4.4 试验验证

根据上述仿真模拟的最优结果进行设计构造，在烘干箱下风道处加装含有6块匀风板的匀风机构，板长均为1m，板间距均调整为1m。采用四连杆机构对匀风板的高度与角度进行调整，动力装置采用6台电动推杆作为动力源，如图7所示。试验采用图3所示的27个测点进行测量，试验现场如图8所示。试验表明：加装匀风装置后，穿过花生荚果层的风量得到了均匀分布，箱内气流不均匀系数降低49.44%，表明匀风效果良好，保证了烘干的均匀性。试验结果如图9所示。

图8 试验现场图Fig.8 Field test

图9 改造后气体流速图Fig.9 Airflow speed after reconstruction

5 讨论

主要对如何改善烘干箱内流场的分布情况进行了研究，通过在烘干箱风道内加装匀风挡板，可有效改变箱内的气流分布情况。邓书辉[27]等在对牛舍进行流场分析与结构优化采用类似的结构，通过添加匀风板与对矮墙高度进行调整，改变了牛舍内流场分布；相比于未改进之前，改进后的牛舍内气流不均匀系数降低了41.8%，表明通过改变流场内结构来降低气流的不均匀系数的方法是可行的。

通过加装匀风挡板，保证了风道内流场的均匀性，本次模拟考虑了挡板的间距、数量及板长的影响，将整个挡板组当做一个整体；但未考虑单个匀风挡板的改变对整个流场的影响，在后续的研究中需要加强重视。

6 结论

1)运用SolidWorks软件建立了烘干箱的三维几何模型，导入Fluent中进行模拟仿真，通过比较模拟结果与实测数据可知：各点风速均方根误差0.163m/s，最大绝对误差0.46m/s，验证了模型的准确性。

2)通过加装匀风挡板的方式对烘干箱内匀风系统进行优化设计，提出了27组不同组合的优化方案。对比改装前后的箱体内风道的气体分布均匀程度，同常规烘干箱风道相比，发现加装匀风挡板后的气体不均匀系数降低了49.44%。该优化设计保证了烘干箱内干燥的均匀性，可对未来固定床干燥设备风道均匀性的研究提供一定的参考。