干燥窯結構改進對風速流場均勻性的影響

朱伊楓，孫麗萍※，李季成,2

干燥窯結構改進對風速流場均勻性的影響

朱伊楓1，孫麗萍1※，李季成1,2

（1. 東北林業大學機電工程學院，哈爾濱 150040；2. 東北農業大學工程學院，哈爾濱 150030）

針對頂風機型木材干燥窯內部風速流場分布不均勻問題，該研究基于發明問題解決算法（Algorithm for Inventive-Problem Solving，ARIZ）對干燥窯從優化窯體結構、調整鋸材間隙、改善導流方式3個方向進行分組改進設計，每組包含4個方案，共得到了12個幾何方案模型；采用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真對比分析不同模型的風速流場，利用逐項耦合迭代法確定了調整鋸材間隙和增設導流板兩個改進方向能夠解決窯體內部風速流場分布不均勻問題；采用風速流場分布云圖、檢測點風速差值、平均速度、速度不均勻系數4項評價指標，對84個監測點風速數據進行數值計算和對比分析后迭代出將窯體結構的四角優化為曲面化設計，調整鋸材間隙為上寬下窄的非等距形式，并在預留氣道中增加3塊平面導流板來改善導流方式的綜合性改進設計方案為較優方案，該方案的風速差值為-0.058 m/s，更趨近于0，平均速度提升了15.60%，速度不均系數降低了72.70%；結果表明，采用ARIZ對干燥窯結構進行迭代改進設計的方法可有效解決窯體內部風速流場分布不均勻問題。

干燥；數值模擬；干燥窯；風速流場；發明問題解決算法

0 引 言

熱風干燥技術目前已廣泛應用于農產品、木材、糧食、食品加工及紡織行業中，熱風干燥系統干燥過程中的風速流場均勻性對被干燥產品的干燥品質穩定性和干燥效率有著直接的影響[1]，因此對風速流場均勻性的研究十分必要。王振文等[2]針對熱泵烘房干燥過程中存在的產品品質不穩定、干燥效率低等問題，通過改進熱風烘房結構及速度參數開展模擬仿真與分析，提高干燥效率。車剛等[3]針對干燥室風場不均勻性問題，通過改進角狀管的開孔結構來改善干燥室內部的風量分配關系。吳小華等[4]針對無法準確得到各干燥階段水分比的問題，通過進行多組一段式干燥試驗研究，驗證了所提出試驗方案的可行性。顏建春等[5]針對干燥機內部風場分布不均勻問題，采用導風板對穿過入風口的介質空氣分流引流，提高了水平方向上的通風和干燥均勻性。但前人對如何運用創新方法進行邏輯推導產生結構改進概念設計方案的研究不足。鑒于此，本文在前人研究的基礎上，將發明問題解決算法（Algorithm for Inventive-Problem Solving，ARIZ）用于對干燥窯風速流場分布不均問題進行系統化的邏輯推導，讓結構改進概念設計方案的求解過程更具科學性，為科研工作者減少探尋概念設計方案的時間成本，以及減少驗證方案可行性的經濟成本提供理論依據。

本文以熱風干燥窯系統為例，在可適用的多類農林產品干燥物料中選擇鋸材作為干燥對象。鋸材干燥過程是木材干燥領域的主要研究內容，而且木材干燥質量的好壞對木材利用率和木材產品質量有直接影響[6]。干燥窯內氣流分布的均勻性是影響干燥特性及品質優劣的重要因素。干燥窯結構和工作部件設計的合理性將影響內部氣流分布的均勻性，從而影響干燥質量和干燥效率，因此開展干燥窯結構改進優化至關重要。本文通過ARIZ算法對木材干燥窯進行結構改進設計，利用計算流體力學軟件對改進模型進行分析，得出木材干燥窯較優模型，并分析結構改進對窯內風速流場均勻性的影響，以期提高木材干燥設備性能。

1 改進干燥窯風速流場均勻性設計方法

1.1 基于ARIZ的木材干燥窯改進結構設計方法

針對頂風機型木材干燥窯[7-10]內部風速流場分布不均勻問題，提出了將ARIZ[11]與計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術聯合應用于干燥窯的改進設計方法。該方法的應用流程為：首先從初始問題的情境分析開始，依據分析結果建立初始問題的風速流場分布云圖；其次應用ARIZ算法對初始問題的分析結果進行改進設計方案求解；然后將所獲得的改進設計方案利用CFD技術進行仿真試驗模擬，并獲得改進設計方案的仿真試驗結果；最后將方案試驗結果與初始問題的風速流場分布云圖內的各項參數進行對比分析，以驗證改進設計方案的有效性，經綜合評估后獲得較優方案。基于ARIZ和CFD的干燥窯改進結構設計方法如圖1所示。

在對初始問題的分析結果和改進設計方案進行二維模擬時；均利用ICEM CFD軟件建立幾何模型及網格劃分；利用FLUENT軟件進行窯體內部風速流場數值模擬仿真實驗；利用CFD-Post軟件進行仿真結果的數據后處理。

1.2 ARIZ算法

ARIZ算法是由TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）理論創始人Genrich Altshuller于1956年提所出的，ARIZ算法通過程式化的解析流程，將模糊的初始問題逐步細化為可利用沖突模型表達的最小問題，實現對系統問題的逐步深入分析與轉化。ARIZ算法經過不斷改進優化，現已形成為ARIZ算法簇，可用于輔助科研人員融合應用TRIZ理論中的各項思維工具，針對復雜問題進行問題求解與改進設計。國內外已有許多學者應用ARIZ算法在不同領域進行創新性改進設計，并驗證了ARIZ算法解決問題的有效性[12-15]。本文選用融合了系統功能分析工具的ARIZ-91作為干燥窯系統的改進設計算法。運用ARIZ-91算法對初始問題分析結果進行改進設計方案求解的過程如下：

1）技術系統功能分析：針對存在內部風速流場分布不均問題的干燥窯建立功能模型圖，并將功能模型圖中系統沖突區域內的有害作用及不足作用作為問題求解的入手點，形成3個改進設計方向。

2）系統的問題模型分析：利用系統沖突區域中與有害作用相關的組件構建問題模型的技術矛盾組，通過技術矛盾求解過程中選定矛盾，參數轉化，查表求解3個子步驟獲得特定的發明原理，依據實際工況需求將篩選后的發明原理作為改進設計方案的原理解，建立4個改進設計方案，形成窯體結構優化方案組。

3）確定理想化最終結果（Ideal Final Result，IFR）和物理矛盾：利用IFR的求解過程并調用干燥窯子系統物質-場資源列表中IFR-X需求描述所對應的鋸材間隙元素，建立4個改進設計方案，形成調整鋸材間隙方案組。依據實際工況針對物理矛盾性質選用對應的分離方法和發明原理，建立4個改進設計方案，形成改善導流方式方案組。

4）系統的物質-場分析：建立問題的物質-場模型后，查找標準解系統獲得特定的標準解，用于建立其他的改進設計方案，也可以進一步形成改進設計方案組。

5）調用或轉變物質-場資源（Substance-Field Resources，SFR）：對各項系統層級中的可用物質-場資源進行分析及調用，可用于建立更多的改進設計方案，也可以進一步形成改進設計方案組。

6）重新定義初始問題：如進行到該步驟還無法獲得任何原理解或概念設計方案解，需要查看初始問題是否為多項子問題構成的復合問題，如果是則需進行問題拆分并重新描述子問題，返回第一步重復ARIZ-91的解題流程。

本文應用ARIZ-91算法的解題流程，如圖2所示。

1.3 CFD技術

CFD技術是通過建立反映物理問題本質的物理和數學模型，以及所研究流體的質量方程、動量方程、能量方程等，針對控制方程的數值離散化方法，用計算機技術求得其數值解，并用計算機可視化技術呈現流體的速度場、溫度場、壓力場的分布[16-18]。在近幾年的研究中，相關學者針對窯體內部風速流場分布不均勻問題，采用各種計算流體力學軟件進行了相關仿真試驗的分析與研究，驗證了計算機模擬方法對干燥窯內部風速流場進行數值模擬的可行性[19-21]。

2 干燥窯相關模型建立與初始問題情境分析

2.1 干燥窯相關模型建立

2.1.1 幾何模型

本文所研究的干燥窯類型為典型的實驗用頂風機型木材干燥窯[22-23]。窯體內部由假頂棚將窯體分成上下兩個部分，上部風機間內裝有3臺GKF型軸流風機，下部干燥間內裝有材堆，材堆內鋸材尺寸依據文獻數據[24-25]結合厚板木材試件干燥要求設計得出，窯內材堆堆積方法采用無隔條自墊堆積法（長短鋸材縱橫交叉堆積）即，縱向擺放的長鋸材依次平鋪不留間隔，橫向擺放的短鋸材交叉放置留有間隔（具有隔條功能），如此反復堆積到預定材堆高度。其中進氣口、排氣口高度數據依據實測情況將窯體壁厚考慮在內最終確定為70 mm。其他參數如表1所示。

圖3a為干燥窯結構示意圖。根據表1建立三維幾何結構模型，如圖3b所示。因二維模擬可兼顧一維和三維模擬的優點，其模擬速度快，模擬精度能滿足實際運用要求[26]，且假頂棚風機間內的氣流情況不在本研究范圍內，為簡化計算和降低仿真分析難度[27]，依據三維幾何結構模型軸方向（=1 050 mm）截面建立二維截面簡化模型，如圖3c所示。

2.1.2 數學模型

流動控制方程包括連續性方程、動量方程以及湍流動能輸運和耗散方程[28]，具體如下：

表1 干燥窯主要技術參數

1）連續方程

2）動量方程

式中u、u分別為x、x方向的時均速度，m/s；x為直角坐標系的3個軸坐標；為窯內空氣流速，m/s；為窯內空氣密度，kg/m3；為動力黏度，Pa·s；為空氣靜壓，Pa；g為重力加速度，kg/(m·s)2。x和x 為位移在、方向的分量，m。

3）湍動能和耗散率的輸運方程分別為

1.進氣口 2.假頂棚風機間 3.排氣口 4.材堆 5.干燥間

1.Air inlet 2.Fan room in false ceiling 3.Air outlet 4.Wood stack 5.Drying room

注：P1～P7為監測點。

Note: P1-P7 is the monitoring points.

圖3 干燥窯幾何模型

Fig.3 Geometric model of drying kiln

2.1.3 網格模型

采用ICEM CFD軟件對圖3c中的干燥窯二維截面簡化模型建立網格模型，網格劃分選用四邊形網格，總網格數量為72 060。

2.2 初始問題情境分析

2.2.1 干燥窯的邊界條件和風速流場數值模擬

1）邊界條件

問題情境為在等溫等濕條件下裝載量為1.198 m3的干燥窯內，空氣從左側頂部進氣口進入，流經鋸材間隙后，由右側頂部排氣口流出，窯內的溫度區間為60～110 ℃。本試驗采用常規干燥基準，在干燥中間處理階段木材內部結合水轉化為水蒸氣后的排濕環節，根據窯內空氣流動特性，將各項邊界條件設定如下：進、排氣口為全開狀態（進氣口初始風速為3 m/s，排氣口為自由出風）視窯內空氣流動為不可壓縮的湍流，采用標準模型構建湍流模型，利用隱式求解器及SIMPLE算法進行速度壓力耦合求解，空間離散化梯度為基于最小二乘法的單元。

2）風速流場數值模擬

在FLUENT中進行數值模擬后得到干燥窯內部風速流場分布云圖，如圖4所示。

通過圖4可見，常規木材干燥窯內部存在風速流場分布不均勻的情況，此種情況易導致鋸材在干燥過程中產生鋸材干燥不均勻的問題，且對干燥介質的有效利用率較低。

2.2.2 模型可靠性驗證

窯內監測點位置（P1～P7）分布情況，如圖3c所示。通過CFD-Post進行仿真結果的后處理，將所采集仿真結果中的模擬數據與實測數據進行對比分析，結果如表2所示。

表2 風速監測點采樣數據情況

表2中的模擬數據與實測數據差值范圍為±0.2m/s，屬于合理范圍，各項監測點（P1～P7）實測數據與模擬數據之間差值的平均值為0.071 m/s，且數值變化趨勢一致，表明了模型的可靠性，說明模擬結果與實際情況相符合。

2.2.3 方案改進設計的評價指標

為驗證所提出的基于ARIZ的木材干燥窯改進結構設計方法的可行性，并針對改進設計方案仿真試驗中風速流場均勻性的變化及分布特性進行科學性評價，本文選了4種評價指標[29-32]：

1）風速流場分布云圖：對改進設計方案進行CFD數值模擬，通過仿真試驗結果可以直觀觀測到每項方案的速度場分布云圖的對比結果。

2）檢測點風速差值：對改進設計方案進行窯內鋸材間隙定位監測點數據的差值運算，差值越小代表窯內頂端和底端的風速差值越小，其風速流場均勻性相對越好。

3）平均速度：二維數值模擬仿真試驗中監測點數據的氣流平均速度大小，代表了其氣流強度大小。平均速度越大，則其強度越大，越有利于氣流在干燥窯內部預留氣道及鋸材間隙的輸送，排濕也更加通暢。

4）速度不均勻系數：為了評價干燥窯內部速度分布的均勻性，引入速度不均勻系數，計算式為

速度不均勻系數越大，說明內部風速流場越不均勻；越小，則代表風速流場均勻性越好，也表明干燥后的產品均勻性或品質會越好。

利用以上4項評價指標對干燥窯初始問題中的監測點采樣數據進行計算，監測點風速差值為1.098 m/s，平均速度為1.114 m/s，速度不均系數為0.337。

以上各項數據將作為后續改進設計方案有效性評價的對比依據。為便于數據對比分析，速度不均系數采用小數形式表示。

3 應用ARIZ-91算法對木材干燥窯進行改進設計

3.1 技術系統功能分析

確定當前技術系統為干燥窯系統。按照TRIZ中對于功能的SVOP描述形式將其主要功能描述為干燥窯降低鋸材含水率，系統的作用對象為鋸材，對干燥窯系統進行組件分析，結果如表3所示。

根據表3進行組件之間的主要相互作用分析后繪制干燥窯系統功能模型，如圖5 所示。干燥窯系統功能模型的作用是根據圖中存在的有害作用和不足作用確定系統沖突區域，根據沖突區域中存在的問題數量進一步獲得干燥窯初始問題的改進設計方向。

表3 干燥窯系統組件分析

根據干燥窯系統系統功能模型圖當中發出有害作用及不足作用的組件劃定系統沖突區域，沖突區域內包含3對問題組件，分別為：熱空氣與鋸材、熱空氣與鋸材內水分、預留氣道與熱空氣。針對沖突區域中所存在的3個問題“預留氣道移動熱空氣的不足作用，流速快的熱空氣導致鋸材變形的有害作用，流速慢的熱空氣去除鋸材內水分的不足作用”將從優化窯體結構、調整鋸材間隙、改善導流方式3個改進方向入手，每個改進方向建立1個設計方案組，每個方案組由4個改進設計方案構成，3個方案組共計12個改進設計方案，用于解決窯體內部風速流場分布不均勻問題。在12個改進設計方案的仿真試驗結果中每項方案采集7個（P1～P7）監測數據，共計84個監測數據，用于進行后續各項改進設計方案之間的對比分析。

3.2 系統問題模型分析

3.2.1 問題模型的技術矛盾求解過程

依據干燥作業實際生產情況，結合沖突區域內的問題組件關系，構建最小問題模型的技術矛盾組，如圖6所示。

根據設計干燥窯系統所需的主要功能，將具有改善參數“去除鋸材內水分充分”的技術矛盾-1確定為待解決的技術矛盾。

技術矛盾的求解過程分為3步：選定矛盾，參數轉化，查表求解。

1）選定矛盾：根據技術矛盾的標準表達式（如果……，那么……，但是……），用圖6a建立技術矛盾-1的非標準文字表達形式為“如果（熱空氣流速快），那么（去除鋸材內水分充分），但是（易導致鋸材變形）”。

2）參數轉化：將非標準的文字表達轉化為標準的通用工程參數表達。通過查找39個通用工程參數對照表后，確定“那么（去除鋸材內水分充分）”對應的改善參數為“No.26物質或事物的數量”，確定“但是（易導致鋸材變形）”對應的惡化參數為“No.12形狀”。

3）查表求解：將改善參數和惡化參數輸入到技術矛盾求解矩陣表中，獲得查表結果為40個發明原理當中的兩項，分別為“35.物理或化學參數改變原理，14.曲面化原理”。

依據系統改進實際工況需求，對查表結果中的兩項發明原理進行篩選后，確定將“14.曲面化原理”作為窯體結構改進的概念設計原理解，用于形成窯體結構優化方案組。

3.2.2 窯體結構優化方案組的數值模擬及試驗結果分析

應用“14.曲面化原理”對干燥窯初始問題（圖4）進行改進設計，形成的4項改進設計方案分別為；未連通出風口的四角曲面化設計方案（圖7a），連通出風口的四角曲面化設計方案（圖7b），未連通出風口的頂角曲面化和底腳階梯曲面化設計方案（圖7c），連通出風口的頂角曲面化和底角階梯曲面化設計方案（圖7d），以上4項改進設計方案共同構成了窯體結構優化方案組。利用CFD技術對窯體結構優化方案組中的4項改進設計方案進行風速流場數值模擬仿真試驗，結果如圖 7所示。

采用CFD-Post在窯體結構優化方案組仿真結果中共采集28個監測點的風速數據，并利用評價標準中的式 （5）、式（6）、式（7）分別計算窯體結構優化方案組中4項設計方案各自的監測點風速差值、平均速度、速度不均系數，結果如表4所示。

表4 窯體結構優化方案組中4項設計方案之間的各項試驗結果對比分析

將表4中的各項方案進行對比可見，未連通出風口的四角曲面化設計方案的監測點風速差值及速度不均系數均為最小值，平均速度與干燥窯初始問題相差0.002，其值屬于允許范圍內。依據方案改進設計的評價指標可以確定未連通出風口的四角曲面化設計方案的改進效果較優，所以將未連通出風口的四角曲面化設計方案作為下一步迭代優化的基礎模型。

3.3 確定IFR和物理矛盾

3.3.1 IFR的求解過程

擬定IFR為在不改變窯體結構的情況下，鋸材本身可以調整氣流流經鋸材間隙的速度。設定對IFR-X元素需求為可消除鋸材變形的有害作用，并可完成系統去除鋸材內水分充分的主要功能，而不增加系統復雜程度，并且不產生任何有害作用。IFR-X元素的解為通過調用及改變干燥窯子系統物質-場資源中鋸材間隙的高度參數進行改進設計，根據窯內空氣流動特性，通過將原等距的鋸材間隙調整為非等距鋸材間隙的方法，減少不同鋸材間隙之間監測數據的風速差值，以提高窯內風速流場的分布均勻性。

3.3.2 調整鋸材間隙方案組的數值模擬及試驗結果分析

應用IFR-X元素對“未連通出風口的四角曲面化設計方案”進行迭代優化改進設計，形成的4項改進設計方案分別為；上窄下寬的非等距鋸材間隙設計方案（圖 8a），上寬下窄的非等距鋸材間隙設計方案（圖8b），上下寬中間窄的非等距鋸材間隙設計方案（圖8c），上下窄中間寬的非等距鋸材間隙設計方案（圖8d），以上4項改進設計方案共同構成了窯體結構優化方案組。窯體結構優化方案組中4項改進設計方案中的窄距間隙為40 mm，寬距間隙為80 mm。利用CFD技術對調整鋸材間隙方案組中的4項改進設計方案進行風速流場數值模擬仿真試驗，結果如圖8所示。

采用CFD-Post在調整鋸材間隙方案組仿真結果中共采集28個監測點的風速數據，并利用評價標準中的式（5）、式（6）、式（7）分別計算調整鋸材間隙方案組中4項設計方案各自的監測點風速差值、平均速度、速度不均系數，結果如表5所示。

表5 調整鋸材間隙方案組中4項設計方案之間的各項試驗結果對比分析

將表8中的各項方案進行對比可見，上寬下窄的非等距鋸材間隙設計方案的監測點風速差值為0.115 m/s，更趨于0，其速度不均系數為最小值，依據方案改進設計的評價指標可以確定上寬下窄的非等距鋸材間隙設計方案的改進效果最優，所以將上寬下窄的非等距鋸材間隙設計方案作為下一步迭代優化的基礎模型。

3.3.3 物理矛盾的求解過程

依據技術矛盾-1分析后獲得物理矛盾為：為滿足減少鋸材變形的需求，熱空氣的流向應為多向。為滿足去除鋸材內水分充分的需求，熱空氣的流向應為單向。因此，氣流的流向既需要是多向又需要是單向為物理矛盾。

3.3.4 改善導流方式方案組的數值模擬及試驗結果分析

應用基于系統級別分離方法以及該方法所對應的發明原理列表當中的“1.分割原理”對“上寬下窄的非等距鋸材間隙設計方案”進行迭代優化改進設計。在進口風速不變，窯體內部鋸材間隙一致的工況下，在左側預留氣道中通過對增設的平面導流板和曲面導流板進行不同形式的組合，形成了4改進設計方案，分別為；增加3塊平面導流板設計方案（圖9a），增加2塊平面導流板設計方案（圖9b），增加1塊直面導流板和1塊曲面導流板的設計方案（圖9c），增加一塊曲面導流板設計方案（圖9d），以上4項改進設計方案共同構成了改善導流方式方案組。利用CFD技術對改善導流方式方案組中的4項改進設計方案進行風速流場數值模擬仿真試驗，結果如圖9所示。

采用CFD-Post在改善導流方式方案組仿真結果中共采集28個監測點的風速數據，并利用評價標準中的式 （5）、式（6）、式（7）分別計算改善導流方式方案組中4項設計方案各自的監測點風速差值、平均速度、速度不均系數，結果如表7所示。

表6 改善導流方式方案組中4項設計方案之間的各項試驗結果對比分析

Tab.6 Comparative analysis of the test results between the four design schemes with improved diversion mode

將表6中的各項方案進行對比可見，增加3塊平面導流板設計方案與增加2塊平面導流板設計方案的監測點風速差均為最小且值相同，兩項差值數據共同趨于0。為進一步區分最優設計方案，通過對比速度不均系數可知，增加3塊平面導流板設計方案的值較增加2塊平面導流板設計方案的值減少了0.002。依據方案改進設計的評價指標可以確定增加3塊平面導流板設計方案的改進效果較優，所以將增加3塊平面導流板設計方案確定為較優設計方案。

3.4 系統的物質-場分析

針對系統問題模型分析技術矛盾組中的技術矛盾-2構建問題物質-場模型，如圖10a所示，按照不足作用的物質-場模型類別，查找對應的S2類標準解求解，篩選標準解S2.1.1鏈式物質-場模型獲得解題方案的物質-場模型。問題物質-場模型求解轉化后的鏈式物質-場模型，如圖10b所示。

改進設計方案：將常規木材干燥窯中換氣熱損失較大的開式氣流循環，改為經熱泵驅動的閉式氣流循環，熱泵干燥技術可產生具有很強吸濕和干燥能力的熱空氣，即使在相對低速流動的情況下也能較好的去除空氣中木材蒸發逸散的水分，將熱泵與增加3塊平面導流板設計方案構建成為聯合干燥形式，可進一步提高干燥效率及質量，并可降低干燥木材能耗。

3.5 調用或轉變SFR資源

通過對各項系統層級的逐級分析獲得干燥窯系統改進設計的可用物質-場資源，如表7所示。其中工具資源熱空氣的流速、流向以及子系統資源鋸材間隙的距離均可用于改進設計。本文僅從3個方面進行了改進設計，以后還可以通過對表7中的各項可用資源的設計或改變其他條件，來提高窯體內部的風速流場均勻性。

表7 干燥窯系統改進設計的物質-場資源

Table 8 Substance-field resources for improved design of drying kiln system

4 改進前后試驗結果分析

將改進前（干燥窯初始問題）與改進后（將窯體結構的四角優化為曲面化設計，調整鋸材間隙為上寬下窄的非等距形式，并在預留氣道中增加三塊平面導流板來改善導流方式的綜合性改進設計方案）兩項試驗結果中的各項參數進行對比，結果如表8所示。

表8 改進前與改進后的各項參數對比

根據表8可知，改進前與改進后之間的監測點風速差值從1.098下降至-0.058 m/s，更趨近于0，證明改進后設計方案的窯內頂端和底端之間的風速差值較小。改進后設計方案的平均速度較初始情況提升了15.60%，證明改進后設計方案的氣流在窯體內部預留氣道及鋸材間隙的輸送速度增強，利于窯體排濕通暢。改進后設計方案的速度不均系數較初始情況降低了72.70%，證明改進后設計方案的風速流場均勻性較好，利于提升木材干燥品質。

5 結 論

本文針對頂風機型干燥窯內部風速流場分布不均勻問題，應用發明問題解決算法ARIZ（Algorithm for Inventive-Problem Solving，ARIZ）的結構化解題過程從3個改進設計方向對木材干燥窯分別建立了優化窯體結構方案組，調整鋸材間隙方案組，改善導流方式方案組，每組含4個改進設計方案，共獲得了12項方案。通過3輪耦合迭代，最終形成了將窯體結構的四角優化為曲面化設計，調整鋸材間隙為上寬下窄的非等距形式，并在預留氣道中增加3塊平面導流板來改善導流方式的綜合性改進設計方案。

1）本文通過將仿真結果與實測結果進行數據比對驗證了模型的可靠性。在此基礎上基于ARIZ對干燥窯初始問題進行了結構改進設計，并模擬出了12項結構改進方案風速流場的空氣流動特性，依據試驗結果確定了改進結構可有效解決窯內風速流場分布不均問題。

2）將改進后設計方案與干燥窯初始問題進行對比可知，優化后的的窯內頂端與底端之間的監測點風速差值趨于0，鋸材間隙平均風速提升了15.60%，速度不均系數降低了72.70%，綜合指標證明改進后設計方案的風速流場分布更加均勻。

3）采用監測點風速差值、速度不均系數等4項評價指標，對12項設計方案共計采集的84個監測點風速數據進行計算處理和對比分析后發現，調整鋸材間隙和增設導流板兩項改進方法能夠解決窯體內部風速流場分布不均勻問題。

試驗結果表明，采用ARIZ進行迭代設計的干燥窯結構改進方法可有效解決窯體內部風速流場分布不均勻問題。相關數值模擬分析結果可為制定結構合理、節能增產的干燥窯設計方案提供參考。

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Influence of improved structure of drying kiln on the uniformity of wind velocity flow field

Zhu Yifeng1, Sun Liping1※, Li Jicheng1,2

(1.,,150040,; 2.,,150030,)

A uniform flow field means the fluid flowing into a wood drying kiln with equal wind velocity per unit area. The uniformity of the wind flow field can determine the drying quality and efficiency of sawn timber in piles. However, there is often uneven distribution of flow field of wind speed in the top drying kiln. In this study, an improved design was presented by the combined Algorithm for Inventive-Problem Solving (ARIZ) and Computational Fluid Dynamics (CFD) in a wood drying kiln. The ARIZ was applied to modify the structure of the kiln, and the CFD technology was to analyze the improved model. The optimal model of wood drying kiln was obtained after a comprehensive evaluation. The better performance of wood drying equipment was achieved to clarify the influence of the structural parameters on the uniformity of flow field of wind speed in the kiln. In the experiment, a conventional drying was adopted, where the type of drying kiln was a small top air one. In the drying intermediate stage, the moisture was removed after the combined water inside the wood was transformed into steam, according to the airflow characteristics in the kiln. In a two-dimensional CFD simulation, the inlet and exhaust ports were considered to be fully open, where the initial wind speed was 3 m/s at the air inlet, and the exhaust port was free air. The simulation data were then compared with the measured to verify the model. Three aspects were applied to improve the design of the kiln under the ARIZ: to optimize the kiln structure, to adjust the gap between sawdust, and improve the diversion mode. Four schemes were designed for each improved direction, further to obtain a total of 12 geometric models. The CFD simulation was then used to analyze the flow field of wind speed of different models. Two directions were determined to adjust the gap between saw blades and adding deflector in the kiln. Four evaluation indexes were selected, including the cloud diagram for the flow field of wind speed, the difference of wind speed between detection points, the average speed, and the coefficient of speed unevenness. The wind speed data of 84 monitoring points were evaluated to iterate an optimal scheme. It was found that the difference of wind speed at the monitoring point decreased from 1.098 m/s to -0.058 m/s, approaching 0 in the modified optimum scheme. There was a small difference in wind speed between the top and bottom of the kiln, where the average speed increased by 15.60%. The coefficient of speed unevenness was reduced by 72.70%. As such, the performance indexes all met the requirements of national standards. Consequently, the iterative design of structure using ARIZ can effectively improve the non-uniform distribution of flow field of wind speed inside the kiln. The numerical simulation can provide a strong reference to design the drying kiln with a reasonable structure for energy saving and higher production.

drying; numerical simulation; drying kiln; wind speed flow field; Algorithm for Inventive-Problem Solving (ARIZ)

2021-07-12

2021-12-12

國家林業局林業公益性行業科研專項（201304502）；中央高校基本科研業務費專項資金項目（2572017AB02）

朱伊楓，博士生，研究方向智能檢測與監控及創新設計理論。Email：zhuyifeng@nefu.edu.cn

孫麗萍，教授，博士生導師。研究方向智能檢測與監控。Email：zdhslp@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.036

TS652

A

1002-6819(2021)-24-0327-11

朱伊楓，孫麗萍，李季成. 干燥窯結構改進對風速流場均勻性的影響[J]. 農業工程學報，2021，37(24)：327-337. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.036 http://www.tcsae.org

Zhu Yifeng, Sun Liping, Li Jicheng. Influence of improved structure of drying kiln on the uniformity of wind velocity flow field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(24): 327-337. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.036 http://www.tcsae.org