基于Fluent的負壓式電加熱干燥機內部流場分析與機構參數優化

劉道奇 - 范傳輝 - 董慧鋒 - 李 赫

(河南農業大學機電工程學院，河南 鄭州 450002) (Electromechanic Engineering College, Henan Agricultural University, Zhengzhou, Henan 450002, China)

基于Fluent的負壓式電加熱干燥機內部流場分析與機構參數優化

劉道奇LIUDao-qi范傳輝FANChuan-hui董慧鋒DONGHui-feng李 赫LIHe

(河南農業大學機電工程學院，河南 鄭州 450002) (ElectromechanicEngineeringCollege,HenanAgriculturalUniversity,Zhengzhou,Henan450002,China)

針對負壓式電加熱干燥機存在內部流場不均勻、干燥效率低等問題，以Fluent為基礎對負壓式電加熱干燥機內部風速場、溫度場進行數值模擬，并采用SolidWorks對干燥機內部結構進行改進設計。結果表明：影響干燥機干燥效率的主要因素是工作參數和結構參數，通過改變工作參數和優化結構，可以達到干燥機內部流場均勻性最優。經SolidWorks優化設計后的干燥機內部流場均勻性相對于原有結構有明顯提高，優化后的結構參數滿足設計要求，且極大地提高了干燥機的熱利用率和工作效率。

負壓式；干燥機；Fluent；流場；均勻性

負壓式電加熱干燥機的結構參數和工況參數是影響干燥機實際工作性能的主要因素[1-2]。在實際生產中由于干燥機的結構參數設計不合理，經常出現加熱不均勻，從而影響產品的品質，降低了工作效率[3-4]。因此，干燥機結構參數以及相應的工況參數直接影響整個烘干過程的熱質傳遞特性[5]。通常依靠經驗和試驗相結合的方法進行干燥機的設計，過程繁瑣，誤差較大，且設計出來的干燥機往往不能達到要求的工作性能[6-7]。同時按照一維設計理論設計的干燥機也只能計算出干燥機的部分尺寸[5]，如風機進口直徑、出風口直徑等，而其它尺寸如熱風出口面積，出口間距都是由經驗得出，使得在實際工程應用中無法獲取最合適的結構布局和尺寸。本研究利用流體計算軟件Fluent進行干燥機內部流場的數值計算，采用三維建模軟件SolidWorks[5]進行結構參數的優化設計，并將優化結果與傳統設計結果進行比較，通過分析確定其結構及相應的工作參數較優的取值范圍。

1 試驗方法

1.1 試驗對象

本試驗選用的負壓式干燥機干燥室的內尺寸1.255 m×0.93 m×1.27 m，干燥機的結構見圖1。負壓式干燥機的分風裝置是采用在干燥機的干燥室兩側設置兩面通風墻體，在理想的狀態下，負壓風機可使空氣均勻穩定地進入干燥機內，熱風使物料中的水分不斷地蒸發，水蒸氣隨著壓力差在氣流的帶動下緩慢勻速地從出風口排出[8]。

1.2 試驗方法

為研究干燥室實際溫度分布情況，對干燥室內部各點進行溫度測試。取干燥室上、中、下3個參考面，每個面上分別均勻布置9個測點，見圖2。測試儀器采用常州市藍光電子有限公司的LK1048U多路溫度巡檢儀，每30 s記錄一次，測量范圍0～1 000 ℃，精度±(0.5%+1) ℃。

2 數值模擬

2.1 干燥機CFD模型的建立

目前研究干燥機內部流場特性的方法主要有試驗研究和利用CFD軟件進行數值模擬。試驗研究可靠性強，但試驗周期長、投資大，CFD軟件模擬具有投資小，方便快捷等優勢。因此CFD數值模擬被廣泛應用于干燥箱內部流場特性研究[9-10]。

本試驗對進風口的大小及其位置的排列分布、風機風壓的大小、導風板的結構等影響干燥機內部速度場、溫度場均勻性的因素進行研究，在此基礎上提出新的改進方案，并從數值模擬上進行對比驗證。

在SolidWorks三維建模軟件中以干燥機中心為原點建立模型。干燥室的物料床設置為10層，則物料床(多孔介質)在Z坐標軸上的區間為(0.465 0 m，0.782 5 m)。

在前處理軟件GAMBIT中,網格的劃分選用了六面體網格單元共有2.45×106個。網格劃分情況見圖3。同時干燥機內的流動為可壓縮流湍流，內部流場較為復雜，而Fluent提供的湍流模型中，雙方程k-ε模型系數和雷諾應力模型RSM都是針對高雷諾數的湍流計算模型，雙方程k-ε模型中的Reliaablizek-ε模型應用比較廣泛；因此本試驗采用雙方程模型中的Reliaablizek-ε模型[11-13]。

圖1 干燥機機構示意圖Figure 1 Sketch map of dryer mechanism

圖2 測點分布圖Figure 2 Measuring point distribution map

圖3 干燥機網格劃分模型Figure 3 Mesh model of dryer

選用壓力出口邊界條件，出口氣流的壓力為50 100 Pa，出口氣流的溫度為低于干燥室內部空氣介質20 ℃的溫度值。壁面并未出現平移或轉動，因此選用FLUENT缺省設置的壁面無滑移條件。由于系統內存在熱交換而需求解能量方程，還需在壁面定義熱力學邊界條件[10]，選用系統的缺省設置將壁面熱通量設為0，即假定壁面為絕熱壁面。

2.2 干燥機內流場仿真模擬

FLUENT仿真能夠直觀地表現出干燥機內部流場的分布特性[14]，可以全面地了解壓力場、速度場、溫度場、濃度場的變化情況，理解干燥機內熱質傳遞規律和影響因素。在模擬仿真中保持結構參數為常數。僅對影響干燥機烘烤性能的主要因素進行仿真分析，達到優化改進的目的。

2.2.1 縱向剖面分析 圖4為內部流場的流速分布云圖與溫度分布云圖，其中y=0.60 m是中心縱向剖面。

圖4 縱向剖面Figure 4 Longitudinal section

圖4(a)為y=0.05 m的剖面，靠近箱門，進風口在烘干室左右兩側內壁，故此剖面氣流整體較小。只有中間部分靠近負壓區以及右上部分形成2個高速區，速度在5～8 m/s；圖4(b)為y=0.60 m的剖面，該剖面處于y軸方向剖面的中心位置處，即為物料的x-z截面中心面上，該剖面整體流速從下往上依次增大，在負壓區流速顯著增高，達到8～10 m/s；圖4(c)為y=1.15 m的剖面，貼近烘干室的后端面，由于后端面上方有補風口，因此在負壓風機的作用下，出現一個明顯的高速區，但后端面整體氣流速度都較小，集中在0～5 m/s；圖4(a)、(b)、(c)相比，中心剖面的氣流速度整體略小于邊緣剖面的，但中心剖面氣流的速度較兩邊流速更均勻。圖4(d)為y=0.05 m的剖面，溫度集中在30～50 ℃，左側進風面溫度較為均勻，但中間部分偏左出現一條從下至上的低溫區，右邊3～7層物料層之間也出現類似的低溫區；中間剖面的溫度分區明顯，左右兩側進風區溫度較高，集中在50～55 ℃，而中間形成了明顯的低溫區，尤其在偏左第5～7層物料層附近出現了最低溫度區；靠近后端面的y=1.15 m剖面溫度分布較為均勻，在第3層物料層中間位置出現了低溫區。

2.2.2 橫向剖面分析 圖5為內部流場的流速分布云圖與溫度分布云圖。剖面z=0.110 m是最低層物料與烘干室下壁面中間的橫向剖面，剖面z=0.745 m是中間第6層物料的橫向剖面，z=1.380 m是第1層物料層之上的橫向剖面。剖面z=0.110 m與z=1.380 m是非常貼近物料層的橫向剖面，僅高于對應的物料層0.03 m。

圖5 橫向剖面Figure 5 Transverse section

圖5(a)為z=0.110 m的剖面，該剖面是貼近烘干室最底層第10層物料的近剖面，該層空氣流速集中在3 m/s以下，中間部分出現氣流速度死角區域，速度接近于0；圖5(b)為z=0.745 m剖面是第5～6層物料之間的橫截面，由此可以得出，中間物料層整體氣流速度不均勻，在干燥室左后部出現氣流死角，中間層物料氣流速度集中在5 m/s以下；圖5(c)為z=1.380 m剖面是第1層物料層的最近橫截面，在負壓風機抽氣作用下，整體氣流速度加快，中間位置處出現2處高速流域，由于前端面沒有熱風進風口，因此在前端面處氣流速度整體較小在3～6 m/s，只有中間部分靠近負壓區以及右上部分形成2個高速區，速度在5～8 m/s；通過對比可以發現一些相似之處：除負壓區域以外，其它橫向剖面氣流速度都是中間低四周略高，負壓區域在風機作用下，越貼近排濕口的空氣流速越高；沿著z軸正方向，隨著物料層高度的增加，氣流速度整體呈上升趨勢，是由于氣流從兩側進入干燥室，通過10層物料盤以及物料的阻礙再由負壓風機位置排出干燥室，因此干燥層越高，氣流速度受到的削弱越少，加上負壓抽風的作用越大，導致氣流速度隨著干燥層高度的增加而逐漸加快。

2.3 數值模擬檢驗與驗證

對干燥機原始結構內部溫度分布進行了實際測試，進而與數值模擬結果進行對比分析，由圖6可知，數值模擬的結果和實際測試溫度分布的規律基本保持一致。

圖6 模擬溫度和實測溫度對比Figure 6 Comparison of simulated temperature and measured temperature

3 干燥機機構改進與溫度場優化

3.1 調整進風口尺寸

原有干燥機干燥室兩側進風口風眼尺寸大小相同，等間距分布于干燥室兩側進風腔表層，由于加熱室輸送到兩側干燥腔的熱空氣在至上而下的移動過程中風壓會逐漸下降，進而導致不同高度層的熱風進風口進風量出現差異，使不同高度的物料受熱不均勻，嚴重影響干燥效果。因此，本方案僅對干燥腔兩側進風口孔眼尺寸作以調整，來解決不同高度層進風量差異的問題。整個計算區域網格選用非結構化網格生成，共計劃分4 690 528個，邊界條件設置及具體參數不變，數值模擬的結果見圖7、8。

更改干燥腔兩側進風口孔眼尺寸，兩側進風氣流速度呈現良好的規律性，優化后，3個縱向剖面的速度場均出現了明顯的分層現象，y=0.05 m、y=0.60 m、y=1.15 m 3個剖面的速度場呈現相似的分布情況，出現了3種速度流域，第1～4層氣流速度最快，集中在7 m/s左右，中間第5～8層氣流速度加快，達到2～6 m/s，第9～10層氣流速度最低，同時出現死角區域，即貼近第10層處氣流速度趨近于0。3個剖面氣流速度整體隨著高度的增加呈現加快的趨勢。氣流平均速度變大，只有貼近最底層物料的氣流速度趨近于0，其它流域速度分布較為均勻，兩側進風口出現明顯分層進風的現象，這是由于調整進風口風眼尺寸后，每層進風量趨于一致，各層氣流通過物料層后聚集到負壓風機口排出干燥室。優化后，3個縱向剖面的溫度場均出現了明顯變化，3個剖面整體上溫度分布出3個流域，第1個流域為兩側進風位置，進風口溫度達到58～60 ℃，第2部分為中間物料層部分，溫度集中在50 ℃左右，第3部分在負壓區域，由于該區域氣流速度大且有冷熱空氣交互作用，導致其溫度最低，達到45～48 ℃左右，y=0.05 m、y=1.15 m 2個剖面比y=1.15 m 剖面的溫度場較為均勻，而y=0.60 m剖面的溫度場由于受負壓區影響，中間部分出現了明顯的分層現象，最靠近負壓風機的部分溫度最低，集中在48 ℃，外部擴散區域形成了第2個溫度流域，溫度集中在50 ℃，第3部分溫度流域即為中間流場最外側部分，溫度達到54 ℃。

圖7 縱向剖面Figure 7 Longitudinal section

圖8 橫向剖面Figure 8 Transverse section

3.2 調整風機風壓

經試驗檢測可知，原有干燥機的負壓區最低壓力為50 100 Pa，試驗中發現干燥機的排濕效果不理想，排濕速度明顯達不到實際需求，為此調整風機來驗證增大負壓范圍對干燥機整體干燥效果的影響。Fluent流場模擬中，將重新選配的風機形成的負壓最低值設定為0.3 MPa，其它條件保持不變，結果見圖9、10。

調整負壓風機功率，使負壓風機抽風換氣作用更加顯著，從3個縱向剖面的分析結果可知，調整后的負壓區更加明顯，速度場最高區域集中在出風口處，但氣流速度的不均勻性并沒有改變，干燥室整體呈現上部分風速高，下部分風速低，同時在3個縱向剖面圖中，干燥室底部位置均出現速度死角區域。3個縱向剖面的溫度場也出現了相似的趨勢，即3個縱向剖面都呈現兩側進風口位置溫度高，越靠近中間位置溫度越低的現象，3個剖面中間位置均出現溫度最低區域，溫度最低值只有37 ℃。

圖9 縱向剖面Figure 9 Longitudinal section

圖10 橫向剖面Figure 10 Transverse section

3.3 增設導風板

由于同一層物料盤的左右端是敞開的，與兩側進風腔留有一定間距，氣流從兩端的空隙穿過，從物料床穿過流量減少，從而降低了干燥室內的烘干效率。通過在第1、5、10層物料層上方20 mm處各設置一個寬50 mm、厚度2 mm的矩形長條導流板，以此來避免氣流過多流向左右兩端。邊界條件及具體參數的設置不變，整個計算區域網格選用非結構化網格生成，共計劃分6 560 532個，其它條件不變，計算仿真結果見圖11、12。

圖11 縱向剖面Figure 11 Longitudinal section

圖12 橫向剖面Figure 12 Transverse section

在第1、5、10層物料層上方20 mm處各設置一個寬50 mm、厚度2 mm的矩形長條導流板，以此來避免氣流過多流向左右兩端。極大地減少了穿過縫隙的氣流，增加了通過物料床的氣體流量，提高了氣體在干燥室的存留時間。通過對比y=0.050 m和y=1.150 m 2個縱向剖面的氣流速度分布云圖可以發現，y=0.050 m剖面的速度云圖顯示除底層外氣體流速都明顯增大。對比y=0.745 m剖面的氣流速度云圖，在現有方法中氣體流速增大，穩定性下降，渦流現象增加；對比增設導流板前后縱向剖面的溫度場也可以發現，只有負壓區域存在明顯的低溫區，但同一縱向剖面的溫度差異與優化前相比已經很小，溫度場均勻性有明顯改善。

4 結論

利用計算流體力學軟件FLUENT對負壓式電加熱干燥機干燥室內流場分布進行了數值模擬，對模擬后的結果從橫縱截面3個梯度分別進行分析。

(1) 調整進風口尺寸對比發現，z=0.745 m剖面的氣流速度分布有所下降，其它2個橫向剖面的氣流速度分布均有所提高。中間剖面的氣流速度下降的原因是優化前風量大部分集中于中間剖面以上區域進入干燥室，而優化后，中間剖面以下部分進風量增加，導致中間部分進風量有所減少。從3個橫向剖面的溫度場分布云圖上也能看出這一變化，尤其要注意的是最上層剖面的溫度分布呈現出明顯的中間偏低四周偏高的現象，這一現象進一步解釋了負壓風機的抽風作用及冷熱風交互作用對負壓區干燥溫度的影響。與原有結構相比，調整進風口風眼尺寸的方法在均勻性上有明顯提高。

(2) 調整風機風壓對比發現，剖面z=0.110 m、z=0.745 m 的速度有微弱提高，z=1.380 m的整體速度變化不大，但比優化前更為均勻；調整風壓后，z=0.110 m剖面的氣流溫度反而比優化前有所下降，z=0.745 m、z=1.380 m剖面的溫度均明顯提高，是由于負壓風機作用更加明顯，使干燥室底層兩側進風口進入的熱空氣在底層停留時間變少，大部分熱空氣都通過干燥腔兩側縫隙流失，只有小部分熱空氣被負壓風機的作用快速帶入上層物料層中。調整負壓風機功率的方案在強度方面有微弱的提高，但在均勻性上都有明顯下降。

(3) 增設導風板對比發現，z=0.11 m、z=0.745 m和z=1.38 m 3個剖面的氣流速度分布云圖和原有設備基本一致，在流速、分布均勻性上也非常接近。對比增設導流板前后橫向剖面的溫度場也可以發現，同一橫向剖面的溫度差異很小，溫度場均勻性明顯提高。通過以上分析可知，與原有方案相比，增設導風板的方案在強度、均勻性方面都有明顯提高。

[1] 尤長靜. 果蔬在多層水平帶式干燥機中干燥過程的模型和模擬[D]. 北京: 中國農業大學, 2006: 1-3.

[2] KIRANOUDIS C T. Design and operational performance of conveyor-belt drying structures [J]. Chemical Engineering Journal 1998, 69(1): 27-38.

[3] 祁麗, 張軍, 黃冠星. 基于Fluent和Workbench的蒸汽噴射器流場分析和結構參數優化[J]. 流體機械, 2014, 42(5): 35-38.

[4] 趙金紅, 岳曉禹, 施娥娟, 等. 多層帶式干燥機風速場的CFD模擬及檢驗[J]. 干燥技術與設備, 2007(1): 15-21.

[5] 姚莉莉, 曹曦. 帶鋼干燥機工藝參數計算及結構設計[J]. 冶金設備, 2016(6): 28-32.

[6] 蘇全衛, 周航. 連續盤式熱風干燥器干燥盤結構設計與傳熱分析[J]. 食品與機械, 2017, 33(1): 97-100.

[7] 張宇, 謝潔飛. 批式循環糧食干燥機板式換熱器優化設計[J]. 食品與機械, 2016, 32(5): 98-100.

[8] 汪火良. 多孔介質傳熱傳質過程的數值模擬—煙葉烘烤過程模擬技術研究[D]. 昆明: 昆明理工大學, 2010: 2-4.

[9] 袁宏, 吳大轉, 秦世杰, 等. 強制對流烤箱溫度場特性及其優化研究[J]. 食品與機械, 2017, 33(6): 73-78.

[10] 顧思源, 劉東, 項琳琳. 影響烤箱內腔溫度場均勻性的關鍵因素分析[J]. 建筑熱能通風空調, 2015, 34(2): 54-58.

[11] 樊達宜, 欒秀春. 基于FLUENT的節流管式調節閥結構優化[J]. 哈爾濱商業大學學報: 自然科學版, 2012, 28(5): 587-590.

[12] 樊達宜. 基于FLUENT的節流管式調節閥結構優化設計[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2012: 15-17.

[13] 沈陽. 節流管式調節閥動態特性研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2012: 30-34.

[14] 李浩涌. 一種飼料烘干機的溫度控制研究及其流場分布數值模擬[D]. 杭州: 浙江大學, 2014: 34-40.

Analysisofinternalflowfieldandoptimizationofmechanismparametersofnegativepressureelectricheatingdryerbasedonfluent

The problems of uneven flow field and low drying efficiency in the negative pressure electric heating dryer were found and supposed to solve in this study. Based on Fluent, numerical simulation of wind velocity field and temperature field in negative pressure electric heating dryer was carried out. And by using the improved design of SolidWorks internal structure of the dryer, the main factors influencing the drying efficiency of the working parameter and structure parameter were tested. By using changing the working parameters and optimize the structure, the internal flow field uniformity of the optimal effect of dryer were achieved. The results showed that the SolidWorks optimization design of dryer internal flow field uniformity was obviously improved compared with the original structure, and the optimized structure parameters could meet the design requirements. Therefore, this method greatly improved the work efficiency of heat utilization of dryer.

negative pressure; dryer; fluent; flow field; uniformity

國家現代農業產業技術體系(編號：CARS-04-PS23)

劉道奇，男，河南農業大學在讀碩士研究生。

李赫(1972—)，男，河南農業大學副教授，碩士生導師，博士。E-mail：chungbuk@163.com

2017—06—05

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.09.020