熱風干燥室流動傳熱數值模擬

霍 平，王亞州，劉俊帥，張富淋

（1.華北理工大學機械工程學院，河北 唐山063200；2.河北省工業機器人產業技術研究院，河北 唐山063210）

熱風干燥室是工業生產過程中的重要工具，合適的室內溫度和氣流速度對產品干燥的品質十分重要[1]。雖然國內外學者已經進行了大量的研究，但現有干燥室仍存在氣流組織不合理、局部溫度較大且分布不均的情況，嚴重影響了產品的質量[2]。因此，均勻合理的氣流組織是決定干燥質量和節能降耗的關鍵因素[3]。

近年來，國內外學者針對干燥室內的氣流組織的優化進行了大量研究。孟漢堃、蔣方樂對不同干燥室結構進行數值模擬，分析不同結構對氣流組織的影響[4]。李瑞雪、馮青對干燥室內集中和分散排風方式進行了模擬，分析了兩種排風方式對制品的升溫速度以及室內溫度均勻性的影響，發現分散排風方式要優于集中方式[5]。

本研究運用Fluent18.0軟件對6種熱風干燥室結構進行數值模擬，得到6種結構在相同工況下的氣體速度場和溫度場的分布，為干燥室的優化提供了理論依據。

1 數值模擬

1.1 模擬對象

干燥室基本結構如圖1所示，新設計方案如圖2所示。與原干燥室結構相比，方案1添加了額外的風口；方案2在干燥室中央增加了一臺循環風機，該設計方案與方案1的進風口數量相同，可加快干燥室內氣流的流動；方案3、4、5、6均在其上一方案基礎上等距離增設一臺循環風機。

圖1 熱風干燥室基本結構

圖2 熱風干燥室設計方案

1.2 模型的假設與簡化

1）干燥室內氣體為理想氣體，符合Boussinesq假設；

2）干燥室設為全封閉，忽略干燥室壁面的氣體泄漏；

3）氣體在干燥室壁面上無滑移；

4）忽略外部環境對干燥室內溫度場的影響。

1.3 邊界條件和模型設置

進風口1和進風口2設為速度入口邊界，進風口1風速為6 m/s，進風口2風速為4 m/s，溫度均為350 K，送風方向垂直于進風口平面，出口設為壓力出口邊界,循環風機以450 rpm旋轉。車廂壁面設為對流邊界條件，環境溫度設為常溫300 K。

2 數值模擬實驗結果與分析

采用Fluent進行迭代計算，計算過程為穩態過程，施加環境重力加速度9.81 kg/m2，考慮升浮力影響因素，對模擬結果進行分析。

2.1 速度云圖

6種干燥室的2個截面（y=2 000 mm）的速度分布云圖如圖3所示。

對比圖3中各方案速度云圖可知，方案1氣流主要集中在進風口區域，氣流較集中；方案2、方案3與方案4因循環風機轉動，干燥室的中部氣流流速升高，分流效果明顯，使均勻性得到部分提高；采用四臺、五臺循環風機的方案，相較采用三臺循環風機的干燥室方案4氣流均勻性未見較大提升。

圖3 y＝2 000 mm截面速度云圖

2.2 溫度云圖

6種干燥室的2個截面（y＝2 000 mm）的溫度分布云圖如圖4所示。

圖4 y＝2 000 mm截面溫度云圖

對比圖4中各方案溫度云圖可知，方案1溫度較低且不均勻；方案2干燥室中部工作區域的溫度得到提高，但低溫區域分布還較廣；方案4溫度值分布更為均勻，且室內工作區域溫度更接近進風口溫度；隨著循環風機的進一步增加，工作區域平均溫度和溫度均勻性效果提升較小。

3 均勻性對比分析

為了驗證設置了循環風機的干燥室對提高氣流速度場均勻性的效果，將6種干燥室進行對比；干燥室左到右設置15層平面，在各平面均勻設置6個監測點。

3.1 速度場均勻性對比處理分析

為更好體現干燥室氣流速度均勻性，對速度數據進行處理，以氣流變異系數為評價標準。變異系數表示數據離散程度的絕對值，變異系數越小，干燥室內的氣流分布均勻性越好。變異系數：

式中：σ為氣流速度均方差，μ為n個數據的平均值。

由公式（1）可以計算得到方案1～6的氣流變異系數，如圖5所示。由圖5可知，變異系數均因循環風機的采用而減小，但氣流變異系數在方案4后，并沒有明顯改變。由此得知，在三臺循環風機的基礎上，繼續增加循環風機數量，干燥室均勻性效果提升不明顯。

圖5 各方案氣流變異系數

3.2 溫度場均勻性對比處理分析

對各層氣流平均溫度數據進行處理，以溫度場不均勻系數為評價標準進行對比分析。不均勻系數表示空氣溫度的不均勻性，不均勻系數越小，干燥室內溫度分布越均勻。不均勻系數：

式中：n為數據的總數；ti為第i個數據，i=1,2,3,…,n；μ為n個數據的平均值。

由公式（2）可以計算得到方案1～6的氣流不均勻系數，如圖6所示。由圖6可知，干燥室內采用循環風機，使整體平均溫度得到升高，不均勻系數減小；但整體溫度場不均勻系數均在方案4后，折線趨于平穩，不均勻系數沒有較大變化。

圖6 各方案溫度場不均勻系數

4 結論

本研究建立了干燥室的三維模型，對6種不同結構下干燥室的速度場、溫度場進行模擬，模擬結果表明：

1）在相同工況條件下，方案1～6，溫度場不均勻系數分別為29.9%、19.8%、3.2%、2.4%、2.4%、2.1%。氣流變異系數為62.1%、59.7%、22.5%、22.6%、16.7%、16.5%。干燥室內循環風機旋轉，帶動室內氣體流動，使得干燥室氣流均勻，進風口氣流在干燥室內充分流動，提高干燥室各區域溫度，減小溫差，循環風機的增加對干燥室內的氣流循環有積極影響。

2）由于循環風機的存在，加強了分流作用，使氣流溫度更接近進風口溫度。同時，循環風機使氣流更加分散，氣流不均勻性明顯改善。但采用三臺以上循環風機的干燥室，相較采用三臺循環風機的干燥室，氣流平均溫度、溫度場不均勻系數、變異系數均未有明顯提升。由此，選擇采用三臺循環風機的干燥室方案4更為合適。