新型粉絲烘干室流場模擬與結構優化

安兆元

師占群

(河北工業大學機械工程學院，天津 300401)

粉絲是中國的傳統主食之一，其制作步驟一般是原料處理、磨取漿粉、和面、漏粉、冷卻及干燥[1]。生產過程中干燥的溫度、濕度和風速是影響粉絲質量和生產效率的重要因素[2]。現有粉絲烘干室存在氣流分布不均勻、對熱空氣的流動利用率不高等問題。

計算流體力學(CFD)可以利用已有的流體力學理論，借助計算機工具，便捷、可靠地解決現實生活中的工程案例。利用CFD軟件進行仿真，可以節約時間、經濟成本，免于制造、試驗、驗證的流程，可實現對烘干設備流場仿真，獲得烘干空間內部流場情況，加以分析后可對其進行有針對性的結構優化。王振文等[3]分析了熱泵烘房內氣流分布，并對熱泵烘房結構進行了優化。李赫等[4]通過模型仿真分析了菊花干燥過程中干燥機內部的流場分布及變化規律，并驗證了結果的可靠性。還有大量學者[5-12]對烘干或加工設備進行了流場仿真和結構優化，說明數值仿真方法可以驗證流場內部情況，對烘干室結構進行優化可以提高烘干效率及產品品質。但現階段尚未發現對于速食粉絲的烘干室流場研究，且現有粉絲烘干室的熱空氣流速分布不均勻，能源利用效率較低。研究擬針對該問題，借助CFD模擬軟件仿真得到烘干部分的流場分布，并對烘干室結構進行優化設計，以求提高熱空氣流速的利用效率，旨在為企業提高生產效率、降低生產成本及創造更多商業價值提供依據。

1 烘干室流場模擬

1.1 粉絲烘干室

1. 切粉輸送機 2. 螺旋上料機 3. 鏈板烘干機圖1 新型粉絲烘干自動線Figure 1 Vermicelli drying automatic line

粉絲烘干室是新型粉絲烘干自動線(圖1)的核心結構，新型粉絲烘干自動線主要是將前序已加工好而尚未切斷的粉絲放置在該生產線上自主實現切割分離、成團上料、入盒烘干。現有的粉絲烘干室只在其頂部居中位置布置一個入口，未設置熱空氣出口，由鏈板烘干機粉絲前后兩個進出通道進行排氣。文中提出一種新的工藝，在烘干室中加入一個引流管道，熱空氣從側面進入引流管道，流經引流管道后，直吹需要被烘干的粉絲，再從頂部排出，在升溫度烘干的基礎上引入熱風烘干的模式，以提高熱空氣對粉絲烘干的作用效率。

1.2 數值模擬

應用CFD軟件Fluent對原始烘干室進行流場模擬，研究空氣在濕熱條件下的流動問題，故選擇基于壓力的求解器，關聯形式為壓力—速度，選擇SIMPLE算法，插值方法為二階迎風，其精度相對于一階迎風更為精確。熱空氣在烘干室中的運動為湍流，故采用湍流模型進行仿真模擬，模型選擇兼具穩定性、經濟型，計算精度比較高的標準k—?模型對烘干室內的流場進行仿真，該模型主要基于湍流動能k和擴散率?，方程如式(1)和式(2)所示[13]。

(1)

(2)

有效的黏性系數

μ=μl+μt，

(3)

(4)

式中：

μl——層流黏性系數；

μt——湍流黏性系數；

Gk——由層流速度梯度而產生的湍流動能；

Gb——由浮力產生的湍流動能；

C1ε、C2ε——經驗常數，分別取1.44，1.92；

C3ε——湍流擴散率；

σk——湍動能的湍流普朗特常數，取1.0；

σε——耗散率的湍流普朗特常數，取1.3；

Cμ——湍流常數，取0.09。

1.3 網格劃分

對廠家現有粉絲烘干室結構進行簡化建模與仿真，現有烘干室在箱體中部設置有一個熱風入口，未專門設置出口，通過粉絲的進出兩個通道進行排風。對模型進行簡化，去掉烘干鏈板，模擬熱空氣在空載箱體中的流場分布。

1.3.1 網格建立 利用Solidworks建立烘干室模型，箱內用于烘干的封閉尺寸(長×寬×高)為18 500 mm×560 mm×470 mm。應用SpaceClaim對模型進行處理并完成修復，抽取流體域，設置出入口后，導入Fluent Meshing中進行網格劃分，采用結構化網格和非結構化相結合的混合網格劃分方式，網格為六面體和多面體組合的形式，該組合可以在提高計算效率的情況下保證精度，并提高模型的局部計算精度。

1.3.2 網格無關性 為了確保仿真模擬運算的準確性，對簡化模型進行網格劃分，將模型網格數劃分為30 150，459 267，1 357 593，2 087 371，3 426 745，并對這些不同數量的網格模型進行模擬，將入口速度設置為4 m/s，在建立的烘干室模型中選取Y=0.16 m，Z=0 m延Z軸直線，對其風速進行監測，進行網格無關性檢測。

由圖2可知，當網格數為30 150時，在6～14 m區間內與其他網格數的模型所得結果差距較大，密度加大后，風速的趨勢、大小均趨于一致，可以滿足仿真要求。故選用網格數為2 087 371作為仿真模型進行仿真求解計算。

圖2 不同網格數下(Y=0.16 m，Z=0 m)的風速分布

1.4 邊界條件

設置重力加速度沿Y軸向下9.81 m/s2，烘干室入口位于箱體頂端，由外部風機鼓吹熱空氣進入箱體，入口選擇速度進口，入口速度設為6 m/s。出口與外界相通，故出口選擇壓力出口邊界條件。湍流定義方法選擇湍流強度和水力直徑，其中入口的水力直徑為244 mm，兩個出口的水力直徑為131 mm，烘干室的外壁材料為不銹鋼，在粉絲烘干過程中不會發生移動，該仿真只模擬空氣的流動，不涉及熱量交換，所以壁面邊界條件為無滑移，溫度固定。

1.5 模擬結果

仿真計算得到的結果如速度云圖(圖3)和流線圖(圖4)所示。由圖3可知，熱空氣從入口以初速度進入后，由于慣性向下移動，受出口位置的影響，中間與出口水平方向接近的位置空氣流速相對于豎直方向較快，在入口對應的箱體底部，由于受到壁面的阻擋，空氣速度沿底部向兩側延展，底部正對入口的地方流速比較低，呈現比豎直方向其他位置大的現象。箱體的絕大部分區域的空氣流速低于1 m/s。兩側的出口處，隨著水平位置越來越靠近出口，流速逐漸增大，最大可達10 m/s。由圖4可知，空氣先以較大速度進入箱體直到底部壁面，受到阻礙后又向上流動，反復波動之后逐漸向左右兩出口水平移動，接近出口時在豎直方向向出口位置聚攏，直到離開箱體。對于一個連續的粉絲烘干自動線，在同一水平面上熱空氣在烘干室內的流動速度變化較大，且絕大部分空間的空氣流速都很低，熱空氣利用效率較低，所以對烘干室結構進行優化是必要的。

圖3 烘干室Z=0 m截面速度云圖

圖4 烘干室流線圖Figure 4 Streamline diagram of drying room

2 模型優化與分析

2.1 仿真評價指標

對粉絲烘干自動線的原有烘干室結構進行優化，在烘干室內加入引流管道，使熱空氣通過管道引導到達粉絲烘干鏈板所在的位置。在對整體結構改進的前提下，對引流管道結構進行優化設計，對不同結構的烘干室進行流場仿真,得到各優化指標下的烘干效果。針對不同模型的仿真結果，需要建立評價標準，考察優化效果。

2.1.1 烘干熱風速度數據分析

(5)

式中：

n——選取的監測位置數；

Vn——不同監測位置的風速值，m/s。

(2) 風速不均勻系數M：用于評價分析整體風速分布的均勻性，其計算式為：

(2)

式中：

σv——標準偏差；

n——選取的監測位置數；

Vi——各點的速度，m/s。

2.1.2 速度云圖、流線圖 通過Fluent后處理軟件CFD-Post對Fluent的運算結果進行處理，得到烘干室內部截面的速度云圖和流線圖，通過速度云圖可以判斷熱空氣流速的分布情況，從而直觀地反映熱空氣的速度的利用效率；流線圖可以反映出一個質點從入口進入到烘干室中運動的整個過程，實現粒子運動路線模擬。以上兩種圖像可以更加具象地對烘干室內的流場分布進行分析，實現流場分布的可視化。

2.2 結構優化影響對比

2.2.1 烘干室整體優化方案與影響分析 保持原箱體規格，并在其中設置一個長18 m、直徑200 mm的圓形截面引流管道，管道入口接烘干室對外部的風機出口，入口水平布置，垂直于引流管道本體，置于烘干室側面，共設置90個管道出口，位于引流管道頂部，每間隔200 mm設有一個管道出口，使氣流的分布相較于原有烘干室更加有針對性且在輸入速度不變的情況下提升了局部流速。為保持進入箱體的空氣流量與原箱體一致，按照入口面積比例，將入口風速設置為8.68 m/s，其他設置保持不變。箱體空氣出口仍設置于箱體頂部，將其導入Fluent得到運算結果。

圖5 優化后烘干室Z=0 m截面速度云圖

圖6 優化后烘干室流線圖Figure 6 Streamline diagram of drying chamberafter optimization

圖7 原烘干室氣流路線示意圖

圖8 優化后烘干室氣流路線示意圖

2.2.2 引流管道截面影響分析 引流管道截面形狀為圓形，分別取管道直徑為150，200，250 mm進行仿真，結果如圖9和表1所示。在90個出口位置上方2 cm處，以相同間距取5個點并求得平均速度，其值隨直徑的減小而增大，可認為在圓形截面的條件下平均速度隨截面面積的減小而增大，受制于引流管道入口的限制，其直徑無法進一步減小，為探究平均速度和風速不均勻系數是否只與截面面積相關，將引流管道截面設置為長方形，選取截面規格為60 mm×200 mm，200 mm×200 mm，300 mm×200 mm并建立模型，模擬仿真結果見圖10和表2。平均速度也隨截面面積的減小而下降，但是其整體速度低于圓形截面，且風速不均勻系數有上升，風速不均勻系數的上升會導致各出風口間風速差距較大，不便于風速的統一設置和監控，結合圖10，雖然60 mm×200 mm的矩形截面引流管道的平均速度最高，但是單個出風管不同位置的風速差距較大，不同出風管道間的平均風速差距也較大。而200 mm×200 mm的矩形截面引流管道的平均速度與直徑為150 mm的圓形截面相似，比200 mm圓形截面的平均速度提升了19.2%，但風速不均勻系數較150 mm圓形截面下降了9.82%，較200 mm圓形截面下降了8.89%，所以200 mm×200 mm矩形截面的引流管道整體效果更好。由于烘干室空間和出入口直徑的限制，長寬不能過大或過小，故對長、寬均為180，220 mm的矩形截面進行仿真，其平均速度與邊長為200 mm截面的結果非常接近，邊長為180 mm的正方形截面風速不均勻系數增加了4.08%，邊長為220 mm的矩形截面與邊長為200 mm的矩形截面相差0.38%，綜合平均速度與風速不均勻系數考慮，200 mm×200 mm的矩形截面的效果最好。在同一形狀的條件下，平均速度隨橫截面積的縮小而增大，當橫截面積減小時，空氣在橫截面上的流動距離變短，速度損失更小。空氣在圓形截面的管道中流動接觸到壁面時，空氣會延圓弧切向運動，由于慣性無法從出口流出，矩形截面的管道受該影響較小，故在尺寸接近時，平均速度和風速不均勻系數兩方面的表現均優于圓形管道。

圖9 圓形截面烘干室Z=0 m截面速度云圖

表1 圓形截面90個出口處相同間距取5點速度數據

表2 矩形截面90個出口處相同間距取5點速度數據

圖10 圓形截面烘干室Z=0 m截面速度云圖

3 結論

通過CFD軟件模擬了原始烘干室內的流場情況，發現氣體流動對粉絲烘干的影響較大，對其進行優化，在新型烘干室內加入引流管道，氣流進入烘干室時，更具目標性地直接作用于需要烘干的粉絲上，在烘干鏈板位置處豎直方向的平均速度較原始烘干室的提升了120.83%。進一步優化引流管道橫截面的形狀和尺寸，最終選取效果最好的200 mm×200 mm的矩形截面的引流管道，在引流管道出口位置的平均速度較初始直徑200 mm圓形截面的提升了19.2%，風速不均勻系數下降了8.89%，提高熱空氣利用效率和粉絲烘干效率，達到節能減排。后續將結合粉絲烘干模型進行綜合分析，以求進一步提高粉絲自動線烘干效率及產品品質。