生豬運(yùn)輸車烘干房氣流組織模擬及優(yōu)化

郝文彬， 馮天玉， 朱望武， 黃世明， 程 捷

(1 湖北工業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)工程設(shè)計(jì)研究院， 湖北 武漢 430068； 2 武漢市紅之星智農(nóng)機(jī)械有限公司， 湖北 武漢 430000)

生豬轉(zhuǎn)運(yùn)車的烘干房在防疫環(huán)節(jié)占據(jù)著重要的位置。轉(zhuǎn)運(yùn)車在進(jìn)行運(yùn)輸工作前必須進(jìn)行清洗、消毒、烘干等一系列流程，其主要目的是消滅轉(zhuǎn)運(yùn)車上的病毒，切斷病毒傳播途徑[1]。 本文研究的對(duì)象是畜禽洗消中心的烘干房，研究其內(nèi)部存在的氣流組織流速較低和溫度場分布場不均勻的問題。若現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，必將耗費(fèi)大量的人力、物資，且時(shí)間周期長，做的無用功較多。所以采用CFD軟件進(jìn)行仿真測試，首先驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得出更為合理的烘干房結(jié)構(gòu)，形成較好的氣流組織和溫度場。

1 仿真模擬及驗(yàn)證

1.1 物理模型

初始烘干房由燃燒系統(tǒng)、熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)、烘干房房體和溫度控制系統(tǒng)等4個(gè)部分組成，烘干房采用側(cè)面送風(fēng)、側(cè)上部回風(fēng)的方式進(jìn)行熱風(fēng)循環(huán)。圖1是烘干房的物理模型，表1是烘干房模型參數(shù)。

1-汽車車身;2-送風(fēng)口;3-耳房;4-回風(fēng)口;5-烘干房房體圖 1 烘干房模型

表1 烘干房模型的參數(shù)

1.2 控制方程

烘干房內(nèi)的氣流流動(dòng)要遵守物理守恒定律[2]。控制方程是這些守恒定律的數(shù)學(xué)描述。

1)質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)

質(zhì)量守恒方程的形式為[3]:

(1)

式中：p為流體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；u、v、w為速度矢量在x、y、z方向上的分量。

2)動(dòng)量守恒方程(運(yùn)動(dòng)方程)

該定律可以導(dǎo)出x、y和z方向的動(dòng)量守恒方程:

(2)

(3)

(4)

式中：P是流體微元體的壓力；τxx、τxy和τxz是分子粘性作用產(chǎn)生的粘性應(yīng)力τ的分量；Fx、Fy和Fz是微元的體力，如果體力只含重力，而且Z軸豎直向上，則Fx=0，F(xiàn)y=0,Fz=-pg。此公式適用于任何流體均成立的動(dòng)量守恒方程。

3)能量守恒方程

能量守恒方程：

(5)

式中：T為溫度，K；k為流體的傳熱系數(shù)，W/(m2·K);cp為定壓比熱容，J/(kg·K);ST為粘性耗散項(xiàng)。

1.3 網(wǎng)格劃分

采用ICEM軟件對(duì)烘干房的物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。烘干房模型比較復(fù)雜，對(duì)四面體復(fù)雜模型進(jìn)行高效快速的網(wǎng)格劃分，同時(shí)對(duì)送分口和回風(fēng)口進(jìn)行局部加密處理。圖2為烘干房各坐標(biāo)軸網(wǎng)格劃分示意圖。

(a)X軸方向

(b)Y軸方向

(c)Z軸方向圖 2 網(wǎng)格劃分

1.4 數(shù)值方法

烘干房的氣流組織屬于高Re數(shù)紊流流動(dòng)且比較復(fù)雜，綜合考慮計(jì)算準(zhǔn)確性和計(jì)算機(jī)的性能，最終選用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型，采用有限體積法FVM為離散方法[4]，離散后選用分步法迭代求解[5]。根據(jù)烘干房的參數(shù)設(shè)置邊界條件，選擇離散輻射模型，求解器選用的是FLUENT5/6。

1.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

現(xiàn)場試驗(yàn)選取烘干房中心點(diǎn)位置為溫度測量點(diǎn)，速度測量點(diǎn)選擇在車身的側(cè)表面每間隔1 m的6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測,每20 s記錄溫度和數(shù)據(jù)，最終測得380 s的數(shù)據(jù)；速度點(diǎn)監(jiān)測也是每20 s進(jìn)行記錄，每個(gè)點(diǎn)在同一時(shí)間點(diǎn)平均值為該條線上在該時(shí)間點(diǎn)的數(shù)值。圖3是數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。

圖 3 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

2 烘干房氣流組織優(yōu)化

原始烘干房的氣流組織速度為0.5 m/s，整個(gè)烘干房的的氣流場速度較低，這不僅影響氣體熱量的交換速率，而且造成烘干房升溫時(shí)間比較長且能耗增多。影響烘干效果的房內(nèi)氣流組織因素主要在于送風(fēng)口及回風(fēng)口的數(shù)量和位置[6]。故在現(xiàn)有烘干房基礎(chǔ)上增加2個(gè)送風(fēng)口，每排增加1個(gè)。另外，根據(jù)送風(fēng)機(jī)的口面積等于回風(fēng)口的面積，回風(fēng)口的尺寸改為0.3 m×0.4 m的8個(gè)回風(fēng)口。改進(jìn)后的烘干房物理模型如圖4所示

1-烘干房房體； 2-回風(fēng)口； 3-送風(fēng)口； 4-汽車車身圖 4 優(yōu)化烘干房模型

再進(jìn)行模擬計(jì)算，得出的結(jié)果如圖5所示。

(a)溫度隨時(shí)間變化曲線

(b)z=2.78,y=0.6線上速度圖 5 優(yōu)化后烘干房的變化曲線

從圖5模擬結(jié)果來看，在不改變初速度情況下，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后整條線速度大約在0.9 m/s，相對(duì)于原始烘干房的0.5 m/s有一定的提高。與原始的烘干房相比較，升溫的時(shí)間比原有的380 s,縮短了50 s。優(yōu)化后烘干房能夠快速達(dá)到目標(biāo)溫度，大大增加了工作效率。

3 工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次優(yōu)化的目標(biāo)是一次性開機(jī)使溫度升到設(shè)定溫度所消耗成本。以結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的烘干房為對(duì)象進(jìn)行模擬分析，將入口初速度和入口溫度、環(huán)境的初始溫度作為優(yōu)化參數(shù)。

通過上述分析，選擇3個(gè)因素(入口的初速度、入口的溫度以及環(huán)境的初始溫度)，對(duì)于每1個(gè)因素選取3個(gè)水平，采用L9(33)正交試驗(yàn)表格[7-8]。因素與水平的取值見表2

表2 因素水平表的設(shè)置

3.2 能耗的分析

烘干房在不斷進(jìn)行加熱的過程，輸送到房體內(nèi)部的熱量使得氣溫升高，當(dāng)達(dá)到設(shè)定目標(biāo)溫度時(shí)，就不會(huì)再進(jìn)行加熱。在氣體溫度升高的過程中，有一部分熱量被烘干房內(nèi)壁吸收和外壁散失，所以在進(jìn)行計(jì)算烘干房總的能量消耗時(shí)，不僅要考慮烘干房內(nèi)部氣體溫度升高至設(shè)定值所消耗能，還應(yīng)考慮內(nèi)壁吸收和散失的熱量。故總的消耗熱量

Q=Q1+Q2+Q3

(6)

式中：Q為總消耗量;Q1為內(nèi)壁面升溫的消耗量；Q2為外壁面散失量；Q3為房內(nèi)溫度到設(shè)定值消耗的量。

1)內(nèi)壁面升溫的消耗量

Q1=M1+C1(Tt-T0)

(7)

式中：M1為壁面材料質(zhì)量，kg；c1為材料比熱容，kJ/(kg·K)；Tt為加熱至穩(wěn)定狀態(tài)的溫度，K；T0為初始溫度，K。

2)外壁面散失量

Q2=AK(Tt-Tw)t

(8)

式中：A為外壁的表面積，m2；K為換熱系數(shù)，kJ/(m2·h·K)；Tw為升溫過程外壁的平均溫度，K；t為一次升溫到設(shè)定溫度所需時(shí)間，h。

3)房內(nèi)溫度到設(shè)定值消耗的量Q3

烘干房從初始的溫度，不斷吸收熱量直至到達(dá)設(shè)定溫度，這段時(shí)間所吸收的熱量就是烘干房空間消耗的量。

Q3=CVρ(Tt-T0)

(9)

式中：C為空氣的比熱容，J/(kg·K)；V為空氣體積，m3；ρ為空氣的密度，1.29 kg/m3

4)提供升溫時(shí)間段提供的熱量需要消耗的燃油量

(10)

式中：Lg為燃燒消耗量，kg；Q為烘干房升溫消耗量，kJ；q1為液化石油氣的熱值，47000 kJ/kg；

5)送風(fēng)機(jī)消耗成本

送風(fēng)機(jī)主要輸送熱風(fēng)，其機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)靠電來維持，所以其消耗的成本是烘干房一次從初始溫度升高到設(shè)定溫度的時(shí)間內(nèi)的電能。風(fēng)機(jī)的功率

(11)

式中：Pw為風(fēng)機(jī)功率，kW；Q為送風(fēng)量，m3/h；P為風(fēng)機(jī)全壓，Pa；n0為內(nèi)效率；n1為機(jī)械效率。

消耗的電量

P=Pw·t

(12)

通過分析燃燒的液化石油氣的量和耗電量，以此計(jì)算烘干房的升溫成本。在市場液化石油氣和工業(yè)用電的價(jià)格基本保持不變的條件下，計(jì)算出不同參數(shù)下所消耗的成本，通過對(duì)比分析得出最優(yōu)工藝參數(shù)方案(表3)。

表3 烘干房能耗成本分析

從正交試驗(yàn)的結(jié)果來看，實(shí)驗(yàn)6對(duì)應(yīng)的參數(shù)入口溫度70℃、入口速度5 m/s、環(huán)境初始溫度20℃,所消耗的成本最少，成本消耗為48.1元。綜合考慮升溫時(shí)間和成本等因素，烘干房模型最終選用實(shí)驗(yàn)6對(duì)應(yīng)的參數(shù)。

4 結(jié)論

1)實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)與仿真值，兩者偏差并不大，驗(yàn)證了該方法對(duì)烘干房數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

2)經(jīng)過分析，對(duì)烘干房結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，增加送風(fēng)口和回風(fēng)口的數(shù)量，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，烘干房內(nèi)部氣流組織的速度提高到0.9 m/s，同時(shí)溫度上升到目標(biāo)溫度所需的時(shí)間減少了50 s。

3)在不同參數(shù)組合的情況下，利用正交試驗(yàn)的方法對(duì)優(yōu)化后的烘干房進(jìn)行仿真分析，以升溫時(shí)間和成本消耗為目標(biāo)，得到實(shí)驗(yàn)6方案(入口溫度為70℃、入口速度為5 m/s、環(huán)境的初始溫度為20℃時(shí))消耗的成本最低(48.1元)。

4)因?qū)娓煞磕Ｐ瓦M(jìn)行簡化處理，所以模擬仿真會(huì)有偏差。在以后的研究可以建立更加逼真的模型，還可從送風(fēng)口排布方式上展開進(jìn)一步研究。