肉蓯蓉種子紙加熱箱氣流組織仿真分析與試驗

馬衛彬，謝建華，岳 勇

（新疆農業大學機電工程學院，新疆　烏魯木齊　830052）

0　引言

種子紙法接種肉蓯蓉具有易操作、便于控制種子用量和位置、提高接種成功率的優點，接種成功率可達80%以上[1]。生產時，為了保證肉蓯蓉種子的生物活性，要求種子紙的烘干溫度不高于45℃。此外，肉蓯蓉種子紙干燥成品為連續大卷，采用流水線生產方式,為了保證設備的生產率，肉蓯蓉種子紙必須在進、出烘干箱這一短暫輸送時間段內均勻烘干，這就要求加熱箱提供高質量的熱空氣流。針對加熱箱樣機試驗中出現的出口熱空氣溫度分布不均勻現象，利用CFD軟件對箱內氣流運動進行仿真分析，采用了在風管內增設導流片的方法，將風管分為多個腔體，使各腔體通過的熱空氣流量相等，以實現加熱箱出口空氣溫度均勻分布。

1　加熱箱的結構特點及其工作原理

圖1所示是加熱箱的結構示意圖。加熱箱由進風管、箱體、空氣加熱器和出風管組成。進風管兩端截面尺寸由風機出口及箱體進風面尺寸決定，形狀呈方錐形；箱體為長方體，其垂直氣流方向的截面尺寸由所選用的翅片式PTC空氣加熱器尺寸決定；出風管出口為長條形，其長度略大于種子紙寬度。

圖1　加熱箱結構示意

工作時風機把氣流送入加熱箱，翅片式PTC空氣加熱器為熱源對空氣進行均勻加熱，熱風通過出風管進入烘干箱。加熱箱的出風口為長條形，可以提高氣流速度，實現射流沖擊方式烘干種子紙，從而提高烘干效率。

2　試驗結果及分析

制作圖1所示加熱箱并對出風口熱空氣進行測溫試驗，找出其溫度分布規律。如圖1b所示，在出風口中心線上，取出風管出口長度方向兩端為首末2個測點，然后在該線上均勻等距再取5個點，施加一定熱功率后，用探針式電子溫度計進行溫度測量，探針在每個測點保持30 s后讀取數據，測量結果見表1。

表1　加熱箱出口測點溫度

可見出風口溫度兩邊高、中間低，最大溫差達14.4℃，如此大的溫差肯定會造成肉蓯蓉種子紙烘干不均勻。高溫可能會破壞種子的生物活性，影響種子紙的烘干質量。而溫度較低的地方需要延長烘干時間才能實現充分烘干，進而影響種子紙的生產效率。

3　加熱箱內氣流組織CFD仿真分析與結構改進

3.1　加熱箱內氣流組織CFD仿真分析

為了探求氣流在加熱箱內的運動規律，進而分析、解決出風口溫度不均勻的現象。采用CFD軟件對箱體內的氣流組織進行仿真分析，可以獲得較為直觀的氣流速度分布圖。利用CFD后處理功能，選取加熱箱側視切片及出口平面測點，得到箱內側視氣流速度云圖及出口速度曲線圖，如圖2所示。

圖2　加熱箱出口氣流速度云圖及曲線

由側視速度云圖可以看出進風管與箱體連接處管壁、箱壁附近空氣流速很低，遠離箱壁的中間位置速度最高。由圖2速度曲線可以看出整個出口長度方向氣流速度呈“中間高，兩邊低”的拋物線狀分布。這是由于空氣屬于黏性流體，受箱壁粘附力作用，氣流速度在箱體橫截面上呈現出梯度分布[2]，距離箱壁越近速度越慢。空氣加熱器在整個氣流運動橫截面內均勻發熱，靠近管壁處的氣流速度很低，導致加熱器靠近箱壁部分熱量流失慢，從而造成加熱箱出風口兩端高溫現象；遠離管壁的中部氣流速度較高，可以較快的帶走熱量，使出風口中間溫度較低，這與表1中加熱箱出口溫度值“兩邊高、中間低”的分布結果相吻合。另外，加熱箱出口氣流最大速度僅為8.5 m/s左右，應進一步減小出風管出口寬度，以提高出口速度。

3.2　加熱箱結構改進及仿真分析

3.2.1加熱箱結構改進原理及方法

由氣體流動特性知，氣流速度小于聲速時，氣流速度變化與截面變化的關系為[3]：

式中 Ma—馬赫數；Ma=v/c；c —聲速，c=340 m/s；v—氣流速度。

試驗氣流速度遠小于聲速，則Ma-1≈-1，即dA/A=-dv/v，可見加熱箱內氣流速度與截面面積變化趨勢相反。據此可采用導流板將箱體進、出風管分成一定數量的分腔體，均勻輸送加熱塊產生的熱量，將加熱后的氣流等分通過出風管各腔體。安裝導流片時，先保證各分腔體出口面積一定，入口面積按照dA/A=-dv/v的規律劃分，應為“中間小，兩邊大”，據此調整導流片安裝角度，使通過各分腔體的熱空氣流量相等，達到勻化出風口氣流速度的目的，以實現種子紙均勻烘干。

3.2.2改進后氣流運動仿真分析

如圖3所示，按3.2.1所述方法在進、出風管加裝導流片，適當減小出風管出口寬度尺寸。

圖3　改進后的加熱箱結構示意

圖4　加熱箱改進結構及出口速度曲線

應用CFD軟件對改進后的結構進行仿真分析。建模時，被導流片分割的小塊氣體不必單獨建立，將加熱箱及導流片定義為固體，氣流定義為流體，軟件會根據物質屬性自動辨識分割效果。應用CFD的后處理功能，對加熱箱出風口選取截面、測點，生成出口氣流速度曲線見圖4。

可以看出，增設導流片后的加熱箱出口空氣流速在13 m/s附近波動，并有幅值上下突躍現象，這是由于所選取截面的測點到導流片的距離是不相等的。剛好處于兩導流片的正中央的測點顯示的速度會比較高，離導流片距離很近的點則顯示較低值，統計學觀點認為加熱箱出口氣流速度均勻分布，約為13m/s。

4　改進結構后試驗結果及分析

按3.2.1所述方式在進、出風管加裝導流片，縮小出風管口寬度對加熱箱結構進行改進，保持熱功率不變，然后按圖1（b）所示測點進行測溫試驗，結果見表2。

由上表中的測試結果可以看出加裝導流片后，出口溫度值最高為44.3℃，低于45℃的安全溫度極限值，保證了加工后肉蓯蓉種子的生物活性。最低溫度40.2℃，最大溫差為4.1℃，與改裝前的14.4℃相比，加熱箱出口氣流溫度的均勻程度有了大幅度的提高。

5　結論

（1）通過CFD仿真分析，可以直觀的看出氣流與箱壁間的粘附力對氣流運動產生明顯影響，使加熱箱出口氣流速度呈拋物線狀分布，進而造成出口溫度中間低、兩端高。最高溫度達50.3℃，超出了生產上限的45℃，嚴重影響肉蓯蓉種子的生物活性；最低溫僅為36.9℃，需要延長烘干時間，降低了設備的生產率。

（2）仿真分析結合試驗得出：減小出風管出口寬度可以提高加熱箱出口熱空氣流速；對加熱箱進、出風管安裝導流片，使各風管分腔體入口面積按照dA/A=-dv/v的規律劃分，出口面積相等，使得通過各分腔體的空氣流量相等，進而實現加熱箱出口熱空氣流速均勻，將出口溫差由改進前的14.4℃降低到4.1℃，實驗結果表明改進結構后的加熱箱能夠較好的滿足生產要求。

參考文獻：

[1]章堯想，高君亮，張格等.西部沙區肉蓯蓉人工種植技術［J］．廣東農業科學，2013（14）：38～40.

[2]吳雙群，趙丹平.風力機空氣動力學［M］．第 1版．北京：北京大學出版社出版社，2011：7.

[3]羅惕乾.流體力學［M］．第 3 版．北京：機械工業出版社，2008：218.