帶式烘干機中水產飼料料層厚度對其表面風速場分布的影響

張鵬飛，吳鵬鵬，張 琦※，陳 博，奚小波，張劍峰，張瑞宏

（1.揚州大學機械工程學院，揚州 225127； 2. 國家飼料加工裝備工程技術研究中心，江蘇牧羊控股有限公司，揚州 225120）

0 引 言

中國飼料工業起始于20世紀70年代中后期，經過30余年的發展，已成為中國國民經濟的重要基礎產業之一[1-2]。從2012年起，中國的飼料產量已經連續6年位居世界第一，是名副其實的世界第一大飼料生產國[3-4]。近年來，水產飼料市場發展更加迅速[5]。水產飼料經過膨化之后密度低、脂肪含量高，有利于魚類的飼養與增肥[6-8]。可是，水產飼料經過膨化之后含水率常高于20%，含水率過高將導致飼料易于發生霉變，不利于運輸和儲存[9-10]。因此，膨化之后的水產飼料需要進行烘干處理，之后通過噴涂得到所需要的產品[11-13]。

帶式烘干機廣泛應用于水產飼料的工業生產中[14]。帶式烘干機主要的工作原理是利用氣流穿透飼料，并且在此過程中降低飼料的含水率。料層厚度是飼料生產過程中的重要參數之一。一方面，增加料層厚度意味著提升烘干機單位時間產量，從而降低了烘干機生產的能耗。另一方面，料層厚度的增加將會影響烘干機內部的風速場分布，進而影響飼料的最終烘干水分。飼料烘干產量與飼料烘干后的水分均勻性是制約帶式烘干機進一步發展的2點關鍵因素。

計算流體力學（computational fluid dynamics）目前已經被廣泛地應用于烘干機內部氣流的模擬[15-22]。2010年，國外學者Amanlou等[23]針對柜式果蔬烘干機中氣流分布不均勻的現象，設計了 7種不同尺寸參數的烘干機。借助FLUENT軟件對7種烘干機的氣流場進行模擬，根據模擬結果選出 7種烘干機中氣流場分布最均勻的一種，并根據該烘干機的設計參數建立真實的烘干機進行試驗。Amanlou等通過變換烘干機的機械結構參數改善了烘干機內部氣流分布的均勻性。2013年，江西省農業機械研究所李奇[24]運用數學及有限元理論對平板烘干機內部熱傳導過程中溫度場的分布和熱能的利用效率進行計算分析，并用CFD有限元分析軟件進行模擬，成功模擬出平板烘干機中的溫度場和壓力場的分布。模擬結果對烘干機結構的改進有指導意義，對設計質量水平的提高有所幫助。同年，國外學者Martin等[25]提出，帶式烘干機中的氣流沿著輸送帶分布得不均勻是導致物料烘干不均勻的主要原因，并且導致帶式烘干機的能耗較高。模擬結果發現氣流分布得不均勻是由于可調節閥的角度不正確，當調節閥的角度調整到45°時，烘干機兩側的空氣流量是相等的。中南大學張航等[26]模擬了帶式烘干機中的氣流場，討論了物料層厚度、氣流速度、氣流溫度、氣流相對濕度 4個因素對于氣流場風速分布的影響。模擬結果顯示物料層厚度對氣流風速分布的影響最大，氣流速度其次，氣流溫度和氣流相對濕度影響最小。模擬結果顯示，當物料層厚度為 80 mm，氣流進口速度為1.5 m/s，溫度為70 ℃，氣流相對濕度為0.24時，烘干機中的氣流速度分布最佳。

文獻研究涉及到關于飼料層厚度的氣流數值模擬，但還沒有在夏季常溫條件下,研究料層厚度對帶式烘干機的輸送帶上氣流分布影響并進行分點測量。本文基于實際生產要求，借助國家飼料加工裝備工程技術研究中心搭建出烘干機試驗平臺，針對不同料層厚度進行氣流的CFD仿真模擬及試驗驗證。

1 模型的建立及網格劃分

本文中帶式烘干機模型基于實際的烘干機單箱體建立，由設計團隊設計和制造了試驗平臺。圖 1為烘干機的三維模型與實物圖對比。其中，烘干機主要包括循環風機，熱交換器，氣流出口，氣流進口與料層。

圖1 烘干機三維模型與實物圖Fig.1 Three-dimensional dryer model and physical map

烘干機中的氣流走向如圖 2所示，空氣通過氣流進口進入烘干機內部，在循環風機的作用下，依次通過熱交換器與循環風機，進入烘干機左側風道。隨后，一部分空氣向上穿透上層飼料，一部分空氣向下穿透下層飼料，部分氣流穿透料層之后進入烘干機右側風道。部分氣流通過氣流出口排出烘干機（該部分氣流用虛線箭頭表示），與此同時，部分新的氣流通過氣流進口進入烘干機，保持烘干機內部氣流總量恒定。

圖2 烘干機氣流走向預測Fig.2 Prediction of airflow direction inside dryer

按照實際生產需要，共計模擬研究了 3種不同料層厚度情況下的烘干機內部氣流，分別為料層厚度為 20、30、40 mm時。烘干機三維模型的網格劃分精度設定在0.05 m，網格劃分完畢之后，3種料層厚度的烘干機模型網格數量分別為1 243 442（料層厚度20 mm），1 238 442（料層厚度30 mm），1 235 218（料層厚度40 mm）。

氣流湍流模型為基于雷諾平均N-S方程組（RANS）的模型，氣流的控制方程為標準k-ε方程，如下[27-31]

式中ρ為流體密度，kg/m3；k為湍動能，J；t為時間，s；u為湍流速度，m/s；μ為動力黏度，Pa·s；μt渦黏性，kg/(m·s)；τij為偏應力張量的各分量，Pa；Sij平均速度應變率張量；ε湍流能量的黏性耗散率，%；σk、σε為湍流普朗特數，σk=1.0、σε=1.3；kφ、εφ為方程的壁面項，Pa；cε1、cε2經驗常數 cε1=1.45、cε2=1.92；f2近壁衰減函數。

設定邊界條件的包括以下幾點：循環風機參數，飼料參數，熱交換器參數，進風口參數，出風口參數。循環風機在模擬中被設定為壓強條件，通過循環風機性能曲線得出，當試驗平臺烘干機中的循環風機頻率設定為30 Hz時，循環風機壓強差為800 Pa。熱交換器在模擬中被設定為均勻多孔介質。其中，滲透性為9 233 m-2，慣性阻力系數為143 m-1，數值為國家飼料加工裝備工程技術研究中心研究人員提供。研究只考慮料層厚度對于烘干機內部氣流的分布影響，并不考慮烘干機熱交換器與內部氣流之間的熱交換。烘干機的氣流進口條件設定為壓強進口條件，數值為一個大氣壓強。當烘干機內部部分氣流排出烘干機之后，外部氣流則會通過烘干機氣流進口進入烘干機內部，保持烘干機內部氣流流速不變。烘干機的氣流出口條件設定為速度出口條件。在烘干機試驗平臺運行過程中，利用風速傳感器實時測出烘干機氣流出口處的氣流速度為6.6 m/s。模擬設定值與試驗值保持一致。

烘干機的飼料層設定為均勻多孔介質。通過試驗測出飼料顆粒的當量直徑Dd為3 mm，孔隙度φ為0.3。利用式（3）、（4）可求得飼料的滲透性1/α與慣性阻力系數C2[32]

經過計算，飼料滲透性為 9.375×107m-2，慣性阻力系數為10 937.5 m-1。

2 試驗過程

飼料為膨化性魚料3 t，運送并放置在測試中心里備用。重復 3次并每次稱樣本 10 g，用游標卡尺測量并得到當量直徑為（3±0.1）mm。將 10 g樣品使用小型粉碎機（九陽，型號 JYS-M01）經過 1 min粉碎成粉末。再使用水分測量儀（賽多利斯公司，型 MA45型）測定飼料粉末的含水率。該含水率即為飼料烘干試驗之后的含水率。在試驗前后分別對飼料含水率進行 3次測量，試驗前測得飼料含水率為（9.50%±0.13%）。

將飼料平均鋪入烘干機中，對 3種不同的料層厚度（20、30、40 mm）的風速場進行試驗。如圖3a所示，在飼料層表面上 9個點各自放置風速傳感器（西門子，型號QVM62.1）。飼料層的面積為2 m×3 m，風速傳感器擺放的9個點位置如圖3b所示。其中，邊界點距離飼料層邊界為0.3 m。在試驗過程中，每次試驗重復3次，每次試驗過程為1 min，每5 s記錄1次各個點的風速值。試驗在室內溫度為30 ℃時候進行。

圖3 風速傳感器擺放位置及示意圖Fig.3 Location and placement of airflow velocity sensors

3 結果分析

3.1 烘干機內部氣流矢量分析

3種不同的料層厚度（20、30、40 mm）的烘干機內部氣流的模擬矢量圖如圖4所示。

圖4 3種料層厚度下的烘干機氣流速度矢量圖Fig.4 Airflow velocity vector of dryer at three feed thickness

由圖4可知，烘干機內部氣流走向與圖2描述的氣流走向一致。氣流在循環風機的作用下，依次通過熱交換器與循環風機，進入烘干機左側風道。隨后，氣流進入烘干室，其中一部分氣流向上穿透上層飼料，一部分氣流向下穿透下層飼料，兩部分氣流穿透料層之后進入烘干機右側風道。氣流在右側風道匯集之后，實際生產中部分帶濕氣流通過氣流出口排出烘干機，與此同時，烘干機外部氣流通過氣流進口進入烘干機。

由圖 4可以看出，當氣流從左側風道進入烘干室，氣流速度達到最大值。當料層厚度為20 mm，氣流速度最大值為27.23 m/s；當料層厚度為30 mm，氣流速度最大值為30.66 m/s；當料層厚度為40 mm，氣流速度最大值為33.35 m/s。氣流速度的最大值隨著料層厚度的增加而增加。氣流速度最大值出現在氣流穿透飼料層之前，是由于氣流遇到料層阻力之后，無法直接穿透料層，而是在烘干室內部形成渦流，導致了氣流在穿透料層之前速度變大。

3.2 料層厚度對風速場的影響

3.2.1 料厚20 mm時風速場模擬與試驗結果

表1為料層厚度為20 mm時上下層飼料表面9個點的模擬值與試驗值數據。圖5為料層厚度為20 mm時上下層飼料表面9個點的模擬值與試驗值對比圖，圖5a為飼料上層，圖5b為飼料下層。

表1 料厚20 mm時9個點風速值Table 1 Airflow velocity values of nine points at 20 mm of feed thickness

圖5 20 mm料厚上下層9點風速模擬值與試驗值Fig.5 Simulated and experimental values of nine-point airflow velocity at 20 mm feed thickness for both layers

由圖5所示，當料層厚度為20 mm，料層表面上下9個點的風速模擬值與風速試驗值大小分布趨勢一致。對于上層飼料，模擬值的風速平均值為0.84 m/s，標準差為0.18，3次試驗值的風速平均值分別為0.67、0.66、0.66 m/s。風速模擬值的最大值在點7處，為1.2 m/s，風速試驗值的最大值同樣在點7處，為0.9 m/s。風速模擬值的最小值在點5處，為0.5 m/s，風速試驗值的最小值在點1、5、8處，為0.5 m/s。點7與點8的風速模擬值比試驗值大0.3 m/s，其余點的風速模擬值相比試驗值大0.1～0.2 m/s。

對于下層飼料，模擬值的風速平均值為 1.3 m/s，標準差為0.45，3次試驗值的風速平均值分別為1.0、0.96、0.98 m/s。風速模擬值的最大值在點8處，為2.0 m/s，風速試驗值的最大值在點1和點8處，為1.6 m/s。風速模擬值的最小值在點7處，為0.7 m/s，風速試驗值的最小值在點2處，為0.4 m/s。9個點的風速模擬值與風速試驗值分布趨勢一直，但是 9個點之間數值大小差異較大。其中，點6與點7處的風速模擬值與試驗值相差最小，為0.1 m/s，其余點相差較大。通過對比，9個點的風速模擬值普遍大于風速試驗值。

3.2.2 料厚30 mm速度值對比

表2為料層厚度為30 mm時上下層飼料表面9個點的模擬值與試驗值數據。圖6為料層厚度為30 mm時上下層飼料表面9個點的模擬值與試驗值對比圖，圖6a為飼料上層，圖6b為飼料下層。

表2 料厚30 mm上下層9個點風速Table 2 Airflow velocity of nine points at 30 mm of feed thickness

由圖6所示，當料層厚度為30 mm，料層上下表面9個點的風速模擬值與風速試驗值大小分布趨勢一致。對于上層飼料，9個點的風速模擬值的平均值為0.66 m/s，標準差為0.21，而9個點3次風速試驗值的平均值分別為0.53、0.52、0.53 m/s。風速模擬值的最大值出現在點7，為 1.0 m/s；而風速試驗值的最大值出現在點 9處，為1.0 m/s。風速模擬值的最小值出現在點 1、2、5處，為0.4 m/s，風速試驗值的最小值出現在點2和點5處，為0.3 m/s。9個點的風速模擬值普遍大于風速試驗值。其中，點7相差較大（0.4 m/s），其余點相差較小。

圖6 30 mm料厚上下層9點風速模擬值與試驗值Fig.6 Simulated and experimental values of nine-point airflow velocity at 30 mm feed thickness for both layers

對于下層飼料，9個點模擬值的平均值為0.92 m/s，標準差為 0.26，3次風速試驗值的平均值分別為 0.54、0.53、0.53 m/s。模擬值的最大值出現在點 1、2、4處，為 1.2 m/s，試驗值的最大值出現在點 4和點 5處，為0.7 m/s。模擬值的最小值出現在點7處，為0.4 m/s。風速試驗值的最小值出現在點7處，為0.3 m/s。通過對比，點7處的風速模擬值與風速試驗值相差最小，為0.1 m/s，點1和點2處的風速模擬值與試驗值相差最大，為0.6 m/s，其余點風速的模擬值與試驗值相差較大，為0.3～0.5 m/s。

3.2.3 料厚40mm速度值對比

表3為料層厚度為40 mm時上下層飼料表面9個點的模擬值與試驗值數據。圖7為料層厚度為40 mm時上下層飼料表面9個點的模擬值與試驗值對比圖，圖7a為飼料上層，圖7b為飼料下層。

表3 料厚40 mm上下層9個點風速值Table 3 Airflow velocity of nine points at 40 mm of feed thickness

圖7 40 mm料厚上下層9點風速模擬值與試驗值Fig.7 Simulated and experimental values of nine-point airflow velocity at 40 mm feed thickness for both layers

由圖7所示，當料層厚度為40 mm，料層表面9個點的風速模擬值與風速試驗值大小分布趨勢一致。對于上層飼料，9個點的模擬平均值為 0.71 m/s，標準差為0.18，3次風速試驗值平均值分別為0.47、0.48、0.48 m/s。模擬值的最大值在點7處，為1.0 m/s，風速試驗值的最大值出現在點8處，為0.7 m/s。模擬值的最小值在點2處，為0.4 m/s，風速試驗值的最小值出現在點6處，為0.3 m/s。通過對比，9個點的風速模擬值普遍大于風速試驗值。風速模擬值與風速試驗值在點3、點6和點7處相差最大，為0.4 m/s。其余點的風速模擬值與風速試驗值相差較小，為0～0.3 m/s。

對于下層飼料，9個點的風速模擬值平均值為0.77 m/s，標準差為0.13，3次風速試驗平均值分別為0.50、0.48、0.50 m/s。風速模擬值的最大值為1.0 m/s，位于點7處，試驗最大值為0.7 m/s，位于點7和點8處。風速模擬值的最小值為0.6 m/s，位于點1和點3處，風速試驗值的最小值為0.2 m/s，位于點6處。9個點的風速模擬值大于風速試驗值。通過對比，風速模擬值與風速試驗值相差最小為0.1 m/s，位于點3處，風速模擬值與風速試驗值相差最大為0.5 m/s，位于點6處，其余點的風速模擬值與風速試驗值相差較小，為0.2～0.4 m/s。

3.2.4 料層表面風速試驗值和模擬值誤差分析

當料層厚度分別為20、30、40 mm時，飼料層表面風速分布的模擬值與試驗值的趨勢展現出一致性,證明了試驗和模擬的可靠性。但是兩者還是存在差異的,料層表面9個點的風速模擬值均小于對應點位置的風速試驗值，且大部分點的風速模擬值與試驗值相差0.2～0.3 m/s，個別點的風速模擬值與試驗值相差0.4～0.5 m/s。這是由于在本文的仿真模擬過程中，烘干機三維模型是簡化模型,忽略烘干機試驗平臺中的部分零部件（如驅動前端上部和下部等），可能造成模擬中的計算出的風阻值小于風速試驗值，造成一定的誤差。因此，在今后的研究中嘗試烘干機的整體模型可能更加精確的擬合試驗值，從而預測料層表面風速值。

3.3 飼料水分變化

在實際生產中整個烘干過程為15 min左右（根據物料尺寸和厚度有所變化），下層設置出料口。基于本次試驗每次只有1 min，當料層厚度為20 mm，下層飼料的表面風速平均值為0.9～1.3 m/s，飼料的烘干之后含水率平均值為 8.15%，即水分降低 1.35%；當料層厚度為30 mm，下層飼料的表面風速平均值為0.53～0.92 m/s，飼料的烘干之后含水率平均值為 8.46%，即水分降低1.04%；當料層厚度為40 mm，下層飼料的表面風速平均值為 0.50～0.77 m/s。飼料的烘干之后含水率平均值為8.57%，即水分降低0.93%。由此可見，飼料的水分下降程度與飼料層厚度成反比，飼料表面的風速值成正比，這是由于飼料層厚度越大，風速阻力越大，飼料表面風速值越小，飼料的水分下降程度越低。

表4 烘干前后飼料水分Table 4 Feed moisture content before and after drying

4 結 論

本文通過模擬 3種料層厚度情況下的烘干機內部氣流風速值，進行試驗驗證后得出以下結論：

1）3種料層厚度情況下的料層表面9個點的風速模擬值與試驗值基本吻合。所產生的誤差可能源于模擬假設的一些參數設置。

2）當料層厚度增加，料層表面9個點的風速模擬值與風速試驗值減小，飼料的水分下降趨勢減小。料層厚度的增加，導致了烘干機內部氣流阻力的增加，在烘干機其余邊界條件不變的情況下，氣流阻力的增加會導致風速值的降低，從而導致水分下降趨勢的降低。

3）通過比較料層厚度分別為20、30、40 mm時的料層表面 9個點的風速模擬值與風速試驗值，當料層厚度為40 mm時，風速模擬值大小分布差異和風速試驗值大小分布差異較小，且風速模擬值與風速試驗值相差同樣較小。

4）對于當量直徑為3 mm、孔隙率為0.3的特定飼料，料層厚度為 40 mm最有利于料層表面風速分布的均勻性，同樣最有利于提高烘干機的時產量。

5）對于3種厚度的上層飼料，風速最大值常出現在距進風口較遠長邊處，最小值常出現在進風口左側 2測點及中間測點處，對于下層飼料，風速的最大值和最小值隨著料層厚度的變化而在不同的點出現。這是由于上層飼料的測速點為氣流穿過料層之后（氣流穩定），而下層的測速點為氣流穿過料層之前（氣流不穩定）。