仿真技術在真空冷凍干燥機設計中的應用

陳瑋+蘆宏斌+程鵬

[摘 要] 目的：探究仿真技術在真空冷凍干燥機設計過程中的應用。以先進設計方法，支持產品開發和基礎試驗，充實科學試驗和測試手段。方法：針對主要部件冷凍干燥箱和擱板進行CAD建模。借助CAE技術對冷凍干燥箱進行靜力學分析，根據變形和應力分布情況，為其形狀和尺寸優化目標提供可靠依據。對冷凍干燥箱進行模態分析，得到其固有頻率，為有效預估結構的振動特性提供依據。應用FLUENT軟件，采用SIMPLE算法和標準κ-ε湍流模型，分析其內部氣流流動特性、出口速度分布，為進氣口布局提供設計依據。對擱板內溫度場進行流-固耦合分析，獲得擱板溫度場和流場的分布圖，為進一步優化擱板結構提供依據。結果：對冷凍干燥箱內氣流模型和擱板溫度流場模型建立和計算方法進行嘗試，獲得了流場云圖和載荷數據等仿真結果，為其實際工程應用提供參考依據，提升了產品開發效費比。結論：仿真作為一種試驗技術，對于設計工作中提升產品性能、提高設計效率起到了積極推動作用。

[關鍵詞] CAD/CAE；流-固耦合；靜力學分析；模態分析；仿真分析；凍干技術；FLUENT中圖分類號：TB79 文獻標識碼：A 文章編號：2055-5200（2014）01-027-06

Doi：10.11876/mimt201401007

Application of Simulation Technology in the Design of Vacuum Freeze-drying Machine CHEN Wei， LU Hong-bin ，CHENG Peng

（Plant of Experimental Instrument，Academy of Military Medical Sciences ，PLA，Beijing 100850，China）

[Abstract] Objective：Research on application of simulation technique in the design of the vacuum freeze-drying machine. With the aid of the modern design method， the product development and the foundation experiment are supported， scientific experiments and test method were improved. Methods：According to design requirements of the freeze-drying machine，3D model of the vacuum freeze-drying case and the shelf were built.With CAE technology， the vacuum freeze-drying case were analysed，including statics analysis and modal analysis. Based on the result analysis which was achieved from the finite element model with considerations to constraint and boundary conditions， reliable basis datas for Structure optimization and dynamic characteristics were obtained. With FLUENT software， Using SIMPLE algorithms and standard κ-ε turbulence model analysed air flow field and outlet velocity distribution of the vacuum freeze-drying case in order to provide design datas of inlet channel. Fluid-solid coupling model of shelf temperature field was calculated， results were provided to further optimize the structure of shelf. Result：Flow field model and calculation method of the vacuum freeze-drying case and shelf were made the new attempt.The simulation results were obtained，which Provided the reference for engineering application and promoted effectiveness-cost ratio of development. Conclusion：Simulation as a scientific means of development is playing a positive role in promoting product performance and increasing design productivity.

1 引言

真空冷凍干燥技術在生物工程、醫藥工業、食品工業、材料科學和農副產品深加工等領域有著廣泛的應用。冷凍干燥技術用途廣，生產廠家較多，美國、英國、日本、德國等國的凍干機已經形成標準化、系列化的產品，其擱板面積從不到一平方米直至大到幾十平方米， 形成十幾種規格。

我國冷凍干燥機結構設計多采用材料力學簡化計算與經驗設計相結合的方法。這種設計方法具有一定可靠性，但存在諸多弊端：首先，采用這種方法設計周期長，進行計算后，再根據計算結果人工布置筋板結構，會耗費大量時間，設計準確性不易保證；其次，結構組件冗余，用材質量大，傳統設計在材料使用上偏于保守，比國外同種規格產品重量大，致使成本高、效益低，削弱了產品的競爭力。

國內外文獻中， 對如何將現代仿真技術應用到真空冷凍干燥機設計中的文章不多見。 本文探討仿真技術在真空冷凍干燥機主要組成部分設計中的運用。設計產品零件幾何形狀復雜，設計計算難度大，設計計算過程復雜，產品性能要求高時，需要經驗豐富的高水平技術人員結合產品仿真分析才能完成[1]。

2 冷凍干燥機設計與分析的關鍵

目前制備型真空冷凍干燥機主要由冷凍干燥箱、真空系統、制冷系統、加熱系統及自動控制系統幾大部分組成[2-3]。這幾大部分的搭配、取舍可構成不同的設計方案。

冷凍干燥箱是一個能夠制冷到-50℃左右，能夠加熱到+70℃左右的高低溫箱體，也是一個能夠抽成真空的密閉容器，它是凍干機的主要組成部件，其中的擱板是核心部件，它負責對制品的預冷、升溫、干燥。制品的品質在很大程度與擱板的制冷溫度、加熱溫度、干燥時的真空度三個主要參數緊密相關[4]。以上三個參數中，后兩個參數比較容易控制，原因是擱板加熱溫度一般由電加熱裝置提供熱量，硅油作為傳熱介質，電加熱裝置功率穩定可控，所以容易實現熱量大小的改變，干燥時真空度的控制雖然較為復雜，但還是能做到較精確控制。比較難于理想控制的是第一個參數：制冷溫度，這一參數主要通過擱板最低溫度、擱板降溫速率、擱板控溫精度來綜合評價。

基于以上原因，嘗試對冷凍干燥箱和擱板設計。首先，在具體結構上借助三維CAD技術，完成三維造型、虛擬組裝、工程圖生成等工作；其次，借助CAE技術對冷凍干燥箱進行靜強度及模態分析計算，通過FLUENT分析顯示冷凍干燥箱氣體流場軌跡和擱板內溫度場變化，發現存在問題，為設計提供參考，縮短研發周期，提高經濟效益[5]。

2.1 冷凍干燥箱靜力學分析

首先用Pro/ENGINEER做造型設計，然后利用其提供的數據接口把模型傳遞到ANSYS環境進行有限元計算，從而得到冷凍干燥箱的機械性能。

[C]—阻尼矩陣；

[K]—剛度系數矩陣；

{x}—位移矢量；

{F}—力矢量。

線性結構靜力分析中，所有與時間相關的量都被忽略。于是，從（2-1）式中得到以下方程式：

[K]{x}={F} （2-2）

根據設計要求，對冷凍干燥箱結構采取從局部到整體的造型方法建模，冷凍干燥箱是由若干零部件焊接裝配起來，用CAD軟件造型，可以從標準結構件開始將相關結構體拼合即可得到整體結構模型。

在進行有限元分析時，各結構件可按焊接成一個整體處理。設計初期采用經驗設計和材料力學簡化算法相結合的方式，得到設計參數的初始值，然后用Pro/ENGINEER進行輔助實體造型即可得到冷凍干燥箱體模型，整體完成后的分析用三維模型如圖1所示。

通過仿真分析可以發現設計上的一些不合理地方，如有些部位應力水平頗高。盡管其中有未考慮焊縫而引起的應力集中的因素存在，但即使去除該因素，應力分布的不均性也不可避免地導致各部分疲勞壽命的差異以及材料使用不合理。為此，應考慮調整筋板的布置方式，在應力水平過高處適當增加加強筋板；同時為降低振動頻率可調整布局方式。

2.3 冷凍干燥箱及擱板CFD分析

計算流體力學CFD（Computational Fluid Dynamics）是多種領域的交叉學科，因具有成本低和能模擬較復雜或較理想的過程等優點而在最近20年中得到了飛速發展[9]，它所涉及的學科有流體力學、偏微分方程的數學理論、計算幾何、數值分析、計算機科學等，而最終體現計算流體水平的是解決實際問題的能力[10]。隨著計算流體力學的發展，數值模擬已經成為了流體力學研究的重要手段[11-13]。

冷凍干燥機加熱系統的關鍵在于如何節省能源，提高熱效率。由于在真空狀態下傳熱主要靠輻射和傳導， 傳熱效率低， 所以近來出現了調壓升華法。調節氣壓有多種方式， 英國愛德華公司采用充入干燥無菌氣體的方法， 既提高了冷凍干燥箱的壓強， 又不致增加冷凝器負荷， 是一種比較好的方法。

借助CFD仿真技術可以預測冷凍干燥箱內不同配氣口充入干燥無菌氣體氣流分布詳細情況，從而指導設計工作。首先，構建凍干箱底部進氣和側壁四點均布進氣兩種氣流形式的三維分析模型，建立冷凍干燥箱內部氣體流場分布計算模型，具體如圖8、9。

由于FLUENT軟件可以相對準確地給出流體流動的細節，如：速度場、壓力場、溫度場、濃度場分布的時變特性，不僅可以準確預測流體產品的整體性能，而且很容易從對流暢的分析中發現產品或工程設計中的問題，據此提出的改進方案，只需計算一次就可以判斷改進是否有效果[14]，因此，利用FLUENT求解器對計算進行設置并進行求解。計算結果如圖12、13。圖12 底部進氣流場云圖 圖13 側壁進氣流場云圖

冷凍干燥箱結構合理可確保凍干過程的順利完成，擱板設計能力的水平將直接決定整機性能，擱板上換熱流路布局合理，用材合理，熱慣性小，即能大幅度降低控制系統、制冷系統、加熱系統等功耗負荷和故障率，又能實現一個最優的冷卻速率，獲得最高的細胞存活率、最好的產品物理形狀和溶解速度。

為了使本設計的擱板熱均勻性好，熱慣性小，在設計中采用CFD技術構建熱傳導模型，在Pro/ ENGINEER中建立三維模型，建模如圖14。構建流路有限元模型，如圖15。

3 結論

（1） 將CAD、CAE等先進計算機仿真設計手段應用于真空冷凍干燥機研發，可以縮短設計周期、保證設計質量、提高整體設計水平，減少開發成本；

（2） CAE技術可以在設計之初發現設計中存在的問題，基于有限元的優化分析能夠為設計提供改進的方向。通過數值仿真分析，得到應力應變分布情況，對關鍵結構尺寸予以調整，減小應力應變，以達到結構優化的目的。

（3） 本文研究流場中典型流動的一般原理，基于ANSYS Fluent軟件的模擬計算能夠較為準確的預測真空冷凍干燥機工作過程中氣體在冷凍干燥箱內的流動情況，為設計適宜的進配氣結構提供技術參考。

（4） 用ANSYS Fluent流體動力學軟件對真空冷凍干燥箱內氣流工況進行數值仿真，結果發現側壁四點均布進氣口設計方案有利于凍干箱內注入惰性氣體對加熱擱板的均勻包覆，實現無氧環境下的壓蓋封裝。其進氣方式優于底部單進氣口設計方式。所得結論為今后進一步的深入研究真空冷凍干燥技術的機理以及設計新型進配氣裝置具有重要指導意義。

（5） 用ANSYS Fluent流體動力學軟件對真空冷凍干燥機加熱擱板溫度分布情況進行了數值仿真，為擱板換熱流路設計提供了依據，為動力循環系統、制冷系統和控制系統的整體性能設計工作提供參考。

（6） CFD技術可以克服傳統方法中系統當量模型的簡化及模型中原始物理參數無法精確化的問題，并且可以得到較為直觀的結果，直接用來指導設計。設計中由單純經驗設計方法轉變為理論計算指導和經驗相結合的方法。

（7）借助于CFD的仿真分析，能夠有效地分析流體運動過程中的運動特性和規律。使得設計工程師從復雜的理論計算中解放出來，將更多的精力放在優化設計及結構設計上。

（8） 盡管CFD技術本身還存在著一定的局限性，比如對物理模型、經驗技巧有一定的依賴，然而，計算流體動力學（CFD） 是一種以流體為研究對象的數值模擬技術，相對于實驗流體動力學而言，它具有資金投入少、計算速度快、信息完備且不受模型尺寸限制等具有巨大優勢，在眾多領域內必然能發揮越來越多的作用。

參 考 文 獻

[1] 汪沙娜，劉夫云，匡兵，等.基于CAD/CAE集成的零件變型設計系統開發[J].機械設計與研究，2013，29（4）：64-67.

[2] 汪廷彩，蘇平，祝水蘭.真空冷凍干燥技術在食品加工中的應用及展望[J].糧油加工與食品機械，2002，（12）：31-34.

[3] 徐成海，張世偉，關奎之. 真空干燥[M]. 北京：化學工業出版社，2003：11.

[4] 史偉勤，樓唯.真空冷凍干燥機制品擱板制冷的優化[J].干燥技術與設備，2008，6（1）：45-48.

[5] 朱波，李保國，鄭效東，等.液氮輔助凍干機冷阱室內溫度場模擬與分析[J].低溫工程，2011，179（1）：65-68.

[6] 趙騰倫.ABAQUS6.6在機械工程中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2007：4.

[7] 張朝暉.ANSYS8.0結構分析及實例解析[M]，北京：機械工業出版社，2005：3.

[8] 舒斯潔.風扇葉片的模態分析[J].江西煤炭科技，2008，3：92-93.

[9] 唐家鵬.FLUENT14.0超級學習手冊[M]，北京：人民郵電出版社，2013：4.

[10] 韓占忠.FLUENT—流體工程仿真計算實例與分析[M]，北京：北京理工大學出版社，2009：8.

[11] PIANKO-OPRYCH P， JAWORSKI Z. Prediction of liquidliquid flow in an SMX static mixer using large eddy simulations[J]. Chem Pap，2010，64（2）：203-212.

[12] JAWORSKI Z， MURASIEWICZ H. LES and URANS modeling of turbulent liquid-liquid flow in a static mixer： turbulent kinetic energy and turbulence dissipation rate[J]. Chem Pap， 2010，64（2）：182-192.

[13] MAAB S， METZ F， REHM T， et al. Prediction of drop sizes for liquid-liquid systems in stirred slim reactors（I）： Single stage impellers[J]. Chemical Engineering Journal， 2010，162（2）：792-801.

[14] 劉榮，陶樂仁.Fluent數值模擬在制冷與空調領域中的應用[J].低溫與超導，2010，38（10）：78-80.

[15] 王澤鵬，張秀輝等.ANSYS12.0熱力學有限元分析[M].北京：機械工業出版社，2010：6.

（3） 本文研究流場中典型流動的一般原理，基于ANSYS Fluent軟件的模擬計算能夠較為準確的預測真空冷凍干燥機工作過程中氣體在冷凍干燥箱內的流動情況，為設計適宜的進配氣結構提供技術參考。

（4） 用ANSYS Fluent流體動力學軟件對真空冷凍干燥箱內氣流工況進行數值仿真，結果發現側壁四點均布進氣口設計方案有利于凍干箱內注入惰性氣體對加熱擱板的均勻包覆，實現無氧環境下的壓蓋封裝。其進氣方式優于底部單進氣口設計方式。所得結論為今后進一步的深入研究真空冷凍干燥技術的機理以及設計新型進配氣裝置具有重要指導意義。

（5） 用ANSYS Fluent流體動力學軟件對真空冷凍干燥機加熱擱板溫度分布情況進行了數值仿真，為擱板換熱流路設計提供了依據，為動力循環系統、制冷系統和控制系統的整體性能設計工作提供參考。

（6） CFD技術可以克服傳統方法中系統當量模型的簡化及模型中原始物理參數無法精確化的問題，并且可以得到較為直觀的結果，直接用來指導設計。設計中由單純經驗設計方法轉變為理論計算指導和經驗相結合的方法。

（7）借助于CFD的仿真分析，能夠有效地分析流體運動過程中的運動特性和規律。使得設計工程師從復雜的理論計算中解放出來，將更多的精力放在優化設計及結構設計上。

（8） 盡管CFD技術本身還存在著一定的局限性，比如對物理模型、經驗技巧有一定的依賴，然而，計算流體動力學（CFD） 是一種以流體為研究對象的數值模擬技術，相對于實驗流體動力學而言，它具有資金投入少、計算速度快、信息完備且不受模型尺寸限制等具有巨大優勢，在眾多領域內必然能發揮越來越多的作用。

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[8] 舒斯潔.風扇葉片的模態分析[J].江西煤炭科技，2008，3：92-93.

[9] 唐家鵬.FLUENT14.0超級學習手冊[M]，北京：人民郵電出版社，2013：4.

[10] 韓占忠.FLUENT—流體工程仿真計算實例與分析[M]，北京：北京理工大學出版社，2009：8.

[11] PIANKO-OPRYCH P， JAWORSKI Z. Prediction of liquidliquid flow in an SMX static mixer using large eddy simulations[J]. Chem Pap，2010，64（2）：203-212.

[12] JAWORSKI Z， MURASIEWICZ H. LES and URANS modeling of turbulent liquid-liquid flow in a static mixer： turbulent kinetic energy and turbulence dissipation rate[J]. Chem Pap， 2010，64（2）：182-192.

[13] MAAB S， METZ F， REHM T， et al. Prediction of drop sizes for liquid-liquid systems in stirred slim reactors（I）： Single stage impellers[J]. Chemical Engineering Journal， 2010，162（2）：792-801.

[14] 劉榮，陶樂仁.Fluent數值模擬在制冷與空調領域中的應用[J].低溫與超導，2010，38（10）：78-80.

[15] 王澤鵬，張秀輝等.ANSYS12.0熱力學有限元分析[M].北京：機械工業出版社，2010：6.

（3） 本文研究流場中典型流動的一般原理，基于ANSYS Fluent軟件的模擬計算能夠較為準確的預測真空冷凍干燥機工作過程中氣體在冷凍干燥箱內的流動情況，為設計適宜的進配氣結構提供技術參考。

（4） 用ANSYS Fluent流體動力學軟件對真空冷凍干燥箱內氣流工況進行數值仿真，結果發現側壁四點均布進氣口設計方案有利于凍干箱內注入惰性氣體對加熱擱板的均勻包覆，實現無氧環境下的壓蓋封裝。其進氣方式優于底部單進氣口設計方式。所得結論為今后進一步的深入研究真空冷凍干燥技術的機理以及設計新型進配氣裝置具有重要指導意義。

（5） 用ANSYS Fluent流體動力學軟件對真空冷凍干燥機加熱擱板溫度分布情況進行了數值仿真，為擱板換熱流路設計提供了依據，為動力循環系統、制冷系統和控制系統的整體性能設計工作提供參考。

（6） CFD技術可以克服傳統方法中系統當量模型的簡化及模型中原始物理參數無法精確化的問題，并且可以得到較為直觀的結果，直接用來指導設計。設計中由單純經驗設計方法轉變為理論計算指導和經驗相結合的方法。

（7）借助于CFD的仿真分析，能夠有效地分析流體運動過程中的運動特性和規律。使得設計工程師從復雜的理論計算中解放出來，將更多的精力放在優化設計及結構設計上。

（8） 盡管CFD技術本身還存在著一定的局限性，比如對物理模型、經驗技巧有一定的依賴，然而，計算流體動力學（CFD） 是一種以流體為研究對象的數值模擬技術，相對于實驗流體動力學而言，它具有資金投入少、計算速度快、信息完備且不受模型尺寸限制等具有巨大優勢，在眾多領域內必然能發揮越來越多的作用。

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[5] 朱波，李保國，鄭效東，等.液氮輔助凍干機冷阱室內溫度場模擬與分析[J].低溫工程，2011，179（1）：65-68.

[6] 趙騰倫.ABAQUS6.6在機械工程中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2007：4.

[7] 張朝暉.ANSYS8.0結構分析及實例解析[M]，北京：機械工業出版社，2005：3.

[8] 舒斯潔.風扇葉片的模態分析[J].江西煤炭科技，2008，3：92-93.

[9] 唐家鵬.FLUENT14.0超級學習手冊[M]，北京：人民郵電出版社，2013：4.

[10] 韓占忠.FLUENT—流體工程仿真計算實例與分析[M]，北京：北京理工大學出版社，2009：8.

[11] PIANKO-OPRYCH P， JAWORSKI Z. Prediction of liquidliquid flow in an SMX static mixer using large eddy simulations[J]. Chem Pap，2010，64（2）：203-212.

[12] JAWORSKI Z， MURASIEWICZ H. LES and URANS modeling of turbulent liquid-liquid flow in a static mixer： turbulent kinetic energy and turbulence dissipation rate[J]. Chem Pap， 2010，64（2）：182-192.

[13] MAAB S， METZ F， REHM T， et al. Prediction of drop sizes for liquid-liquid systems in stirred slim reactors（I）： Single stage impellers[J]. Chemical Engineering Journal， 2010，162（2）：792-801.

[14] 劉榮，陶樂仁.Fluent數值模擬在制冷與空調領域中的應用[J].低溫與超導，2010，38（10）：78-80.

[15] 王澤鵬，張秀輝等.ANSYS12.0熱力學有限元分析[M].北京：機械工業出版社，2010：6.