基于COMSOL的干燥箱物理場分析與結構優化

郭文斌，李瑤，黃長華，杜建強*，錢珊珠，何澤民，高晶晶

（1.內蒙古農業大學機電工程學院，呼和浩特 010018；2.內蒙古商貿職業學院，呼和浩特 010070）

新鮮草料收獲后含水率較高，不及時進行加工處理容易造成養分損失，甚至腐爛、發酵。為解決農業物料收獲后含水率高、易腐敗、不易儲藏的問題，科研人員嘗試了多種方法對其進行干燥，如紅外線干燥、微波干燥、高壓靜電場干燥、太陽能熱風干燥等。通過比較干燥效果，發現太陽能熱風干燥不僅具有能耗小、效率高、成本低的特點[1]，而且還可以在干燥過程中減少牧草、果蔬等農業物料葉片及嫩枝的脫落和營養物質的損失，保證其干燥品質[2]，因此被廣泛應用于中藥材、牧草、糧食等的干燥。太陽能熱風干燥以空氣作為傳熱介質，通過空氣集熱器加熱后，由鼓風機送入干燥箱內，利用流動的熱空氣帶走物料水分，完成干燥作業。

在太陽能熱風干燥過程中，熱空氣風速流動往往受干燥設備內部結構影響，呈現不均勻分布，導致物料干燥效果不佳。干燥箱是太陽能干燥系統的主要組成部件，其內部結構是影響熱風流動均勻性的關鍵因素之一，熱風干燥箱結構設計優化[3-5]及相關農業物料干燥性能的研究[6-8]成為關注的熱點。目前熱風干燥箱的設計優化主要針對箱體結構，如內部空間結構、物料承載裝置、進出風口結構、箱門及箱壁結構等[9-13]，一定程度上提高了物料干燥的效率，而通過物理場模擬分析完成干燥箱結構優化和物料干燥均勻性的研究較少。本文針對小型熱風干燥箱結構，在驗證分析的基礎上，基于COMSOL Multiphysics 物理場數值模擬方法，提出結構優化方案，以提高干燥均勻性和改善熱風干燥箱干燥性能。

1 材料與方法

1.1 試驗設備

為完成熱風干燥箱內物理場分布的測試與分析，搭建了太陽能熱風干燥系統試驗平臺，由熱風干燥箱、空氣集熱器、鼓風機、TBQ-2 型太陽能輻射記錄儀、PC-2WS 型多通道溫濕度記錄儀及SHT10 溫濕度傳感器、FL-J 風速傳感器等組成（圖1），傳感器及記錄儀均購自錦州陽光氣象科技有限公司。其中熱風干燥箱由帶有保溫夾層的側壁和箱門組成，內部設有進風口和出風口，進風口位于干燥箱底部，通過通風管與鼓風機和空氣集熱器連接，出風口位于箱體頂部與外界相通，進、出風口之間設置有承載物料的透風托盤。試驗時，除進、出風口外應保證干燥箱密閉，由鼓風機將集熱器內加熱的空氣從進風口送入干燥箱內，試驗期間溫度為（40±1）℃。完成測試后，空氣經出風口流出。

圖1 太陽能熱風干燥系統試驗平臺Fig.1 Solar hot-air drying system test-bed

通過在透風托盤上安裝風速傳感器和溫濕度傳感器，測得干燥箱體內各位置點處風速及溫度，每組試驗測試時間為30 min，試驗數據采集頻率為每分鐘1次。衡量干燥箱內風速場是否均勻時，引入不均勻系數（M）作為試驗指標[14]，M越大，各測點所在截面的風速分布越不均勻，其計算公式如下。

式中，Vi為干燥箱某截面上各測點風速，m·s-1；i為各個測點的數字編號；-V為同截面上各測點風速的均值，m·s-1；n為測點數。

通過調控鼓風機設置3 種干燥箱進風口處風速：5、7、10 m·s-1；干燥箱內部設置3 層透風托盤，自下而上依次為第1層、第2層、第3層，距離進風口截面的層高依次為150、450、750 mm（圖2），以每層托盤所在平面為計算風速不均勻系數M的截面，每層截面設計12 個測點，用于放置風速傳感器和溫濕度傳感器，測點編號及位置如圖3所示。

圖2 熱風干燥箱結構Fig.2 Structural of hot-air drying box

圖3 干燥箱內傳感器位置Fig.3 Positions of sensors drying box

干燥箱內溫度是否分布均勻主要通過溫度分布不均勻系數（Tv）進行描述，計算如公式（2）所示。Tv越小，各點的溫度值越接近于整體均值，當Tv＜2%時，表明溫度場分布較均勻[15-16]。

式中，Ti為各測點溫度，℃為各測點溫度平均值，℃。

1.2 干燥箱物理場的COMSOL模擬

為改善熱風干燥箱內風速場分布的均勻程度，基于計算流體力學完成其結構優化與改進，在COMSOL 環境下對干燥箱內風速場、溫度場進行模擬仿真，并與試驗所得物理場分布規律進行驗證，確定合適的仿真分析條件與參數設置方法。

考慮到物理場分布計算的復雜性，為提高COMSOL 仿真環境下的計算效率和準確程度，建立熱風干燥箱仿真模型時簡化如下[14]：將干燥箱箱壁視為絕熱體，且壁面無滑移；除進、出風口外，干燥箱其他位置視為密閉；將空氣視為不可壓縮的連續介質。

根據試驗時的條件和要求，對簡化后的干燥箱模型邊界條件參數進行設置（表1）。

表1 模型及邊界條件參數設置Table 1 Parameters of boundary conditions setting

在設置干燥箱內流場類型時，結合試驗所得熱風流動情況，選擇較為普遍的湍流流場[17]，模型類型為RANS（reynolds-averaged navier-stokes equations），采用k-ε模型模擬干燥箱內熱風流動過程，通過湍動能與耗散率方程得到湍流動能k、耗散率ε，如公式（3）和（4）所示。

式中，ρ為流體密度，kg·m-3；σk和σε分別為湍流動能和耗散率的普朗特數；u為平均速度，m·s-1；Pk為平均速度改變引起的湍動能生成項；μ為動力黏度，μT為湍流黏度，Pa·s；Cε1、Cε2為常數項；ρ=1.132，μT=17.9×10-6，Cε1=1.44，Cε2=1.92。

完成參數設置后，以COMSOL 中物理場控制的網格劃分方式對干燥箱簡化模型進行極粗化網格劃分，以完成其內物理場的數值模擬分析。

2 結果與分析

2.1 干燥箱風速場和溫度場分析

進風口風速為5 m·s-1時，3 層托盤上各測點風速分布如圖4 所示。可以看出，由于進、出風口分別位于箱體底面和頂面的中心，且處于正對位置，使得各層中心處測點5、測點8 的風速顯著高于周圍靠近箱壁處的其他測點。此外，受進風口下方聯接管位置、導向誤差的影響，箱壁附近其他測點的風速大小也略有差異。

圖4 干燥箱內各層風速分布Fig.4 Wind velocity distribution at different layers of drying box

各層風速場不均勻系數M如表2 所示，可以看出，不同進風口風速條件下，M介于63.31%～86.32%，表明所測試干燥箱的內部風速場分布均勻性較差。

從進風口風速為5、7、10 m·s-1時各層測點溫度（表2）可以看出，受環境溫度變化影響，3 種風速下的溫度盡管有所不同，但同一風速下，干燥箱內各層溫度分布的不均勻系數Tv均小于2%，說明干燥箱工作時，箱內各測點位置處溫度差異較小，溫度場分布比較均勻，并未受到風速場分布不均勻的影響。

表2 干燥箱內各層風速、溫度分布及其不均勻系數Table 2 Distribution of wind velocity and temperature and their non-uniformity coefficients in different layers of drying box

上述結果表明，受干燥箱結構影響，熱風從底部進入箱體內部后流速并不均勻，風速場呈現出中心高、四周低的分布規律，盡管該分布規律并未造成干燥箱內溫度場的分布不均勻，但不同位置熱風流速不同，單位時間內從待干燥物料中帶走的水分也不同，從而對熱風干燥箱的干燥性能產生影響，導致物料干燥效果較差。因此對干燥箱進行結構優化時需以風速場分布是否均勻為衡量指標。

2.2 模擬與驗證結果分析

對干燥箱內風速場進行COMSOL 模擬，得到各層托盤所在橫截面處的風速分布如圖5 所示，可以看出，在距進風口150 mm 的層高處，由于熱風剛進入干燥箱內，受進風口位置影響，流動較快的區域集中在靠近箱體中心的兩處對稱位置；而層高達到450 mm 時，與進風口位置對應的2 處熱風流速較快區域已逐漸從各自中心擴散、合并；當熱風流至層高750 mm 處，風速最高的區域由2 處合并為位于干燥箱中心的1 處。該分布規律表明，熱風從干燥箱底部進風口進入時風速最高、最集中，隨后向上流動，風速開始下降，并逐漸由箱體中心向四周緩慢擴散，流至層高750 mm 處時，由2 個進風口進入的熱風已逐漸擴散合并，到達出風口時沿出風口位置分離并流出。上述仿真風速場分布特點與試驗所得風速場分布特點相似，即現有干燥箱結構內部呈現中心風速高、四周風速低的規律。

圖5 干燥箱內橫向截面風速分布Fig.5 Distribution of wind velocity in the transverse section of drying box

為進一步驗證干燥箱內部風速場模擬的準確性，計算得到不同進風口風速下各層檢測點的風速不均勻系數M（表3），可以看出，模擬所得各層高度處的風速分布不均勻系數M均高達55%以上，即仿真條件下干燥箱各層的風速場分布均勻性均較差，與試驗所得結果一致。

表3 COMSOL環境下干燥箱各層風速場不均勻系數Table 3 Non-uniformity coefficient of wind velocity field of drying box under the COMSOL model

表4 展示了不同進風口風速條件下層高450 mm 處各測點風速的試驗實測值與仿真模擬值，可以看出，模擬所得風速分布規律與試驗所得結果相同，即中心測點5、8 處風速較高，其余測點風速相對較低。受箱體密封性的影響，測點3 的實測值與模擬值誤差相對較大，此外，其余測點的實測值與模擬值相對誤差均較小（平均誤差≤5.02%），因此模擬分析所得數據具有較高準確性。對干燥箱內溫度場分布進行模擬后發現，各測點處的溫度基本相同，溫度場分布較試驗所得結果更為均勻理想(Tv＜0.001%)，并未受到風速分布不均勻的影響，該結果與試驗測試結果一致。

表4 層高450 mm不同進風口風速下各測點風速實測值與模擬值對比Table 4 Comparison of measured and simulated wind velocities at different measurement points at 450 mm layer

上述模擬分析結果較準確地印證了試驗所得風速場、溫度場的分布規律。說明基于COMSOL仿真平臺進行熱風干燥箱內部風速場模擬能夠反映出干燥箱內物理場的分布特點。因此，在驗證該模擬分析方法的基礎上，將其用于改進結構后干燥箱風速場模擬，以降低干燥箱樣機生產和試驗測試帶來的研發成本、縮短設計周期。

2.3 干燥箱結構改進與風速場分析

針對熱風干燥箱作業時中心位置風速高、靠近箱壁位置風速低的特點，對箱體結構進行了重新設計與改進，并依托COMSOL 仿真平臺對結構改進后的風速場進行模擬分析，以提升箱體內風速場分布的均勻程度，改善干燥箱的干燥性能。

2.3.1 干燥箱結構改進設計方案 對試驗及模擬驗證結果的分析表明，由于進、出風口均位于干燥箱頂面和底面的中心位置，直接導致熱風進入干燥箱后，中心風速高、四周風速低；而且由于進風口下方空間有限，使得與其連接的通風管位置及導流方向容易對熱風流向造成干擾。鑒于以上原因，在進行干燥箱改進時，首先將進風口位置調整至干燥箱側壁底部，使熱風橫向進入箱體內部，進風口位置變化后箱體內風速場分布如圖6 所示，雖然干燥箱中心風速快的情況有所緩解，但箱體內風速場分布仍不均勻，出現了熱風沿著進風口對面箱壁向上流動較快的現象。

圖6 過進風口中心縱向截面風速分布Fig.6 Wind velocity distribution in the vertical section through inlet center

在改變進風口位置基礎上，繼續在干燥箱底部透風托盤下方正對進風口位置處增加3 層可調節帶孔擋流板，構建隔斷式氣室，結構如圖7 所示。在對擋流板間距、高度、開孔密度等逐一進行仿真模擬后，最終采用了設置等高度、等間隔擋流板的設計方案，該方案中相鄰擋流板上開有位置高度不同的兩排圓孔（孔徑110 mm，各擋流板開孔高度隨熱風流向依次增加30 mm），以便于熱風進入后能夠部分沿著擋流板向上流動、部分通過擋流板上圓孔進入下一間隔區域，最終將熱風分隔于各擋流板間區域，使其均勻向上流動，在干燥箱內獲得分布較為均勻的風速場。

圖7 含隔斷式氣室的干燥箱Fig.7 Drying box with a partition-type

2.3.2 改進后仿真結果分析 對改進設計后的具有隔斷式氣室的干燥箱進行內部風速場仿真模擬結果如圖8 和9 所示（進風口風速為5 m·s-1），熱風經干燥箱底部橫向進入后，一部分受到擋流板的阻擋向上流動，另一部分則從開孔位置流向下一層擋流板處，隨后再次被分流，最終熱風在擋流板作用下得到逐層分配，在箱體內形成了較為均勻的風速場。不同進風口風速條件下，擋流板上方區域各層橫截面的風速場分布不均勻系數如表5 所示，增加隔斷式氣室后干燥室內的風速場不均勻系數M較結構改進前（表3）明顯降低，且層高越高M值越小，其中層高在1 100 mm 之上時，M值降至10%以下。由此可見，帶孔擋流板的設置起到了很好的勻風作用，改善了干燥箱內部風速場的均勻性。

表5 不同進風口風速下各層截面風速場分布不均勻系數Table 5 Non-uniformity coefficients of wind velocity field under different inlet wind velocities

圖8 改進后干燥箱縱向截面風速分布Fig.8 Wind velocity distribution in the vertical section of improved drying box

3 討論

在試驗測試的基礎上，通過COMSOL 軟件完成了熱風干燥箱內風速場和溫度場的數值模擬，得到了風速和溫度的分布規律及不均勻系數，與試驗所得結果對比分析后，發現模擬所得結果與試驗一致，驗證了該數值模擬方法的準確性和可行性。

基于COMSOL 數值模擬仿真分析方法，以降低風速場分布不均勻系數為目標，提出了干燥箱結構優化與改進設計方案：改變進風口位置，實現側向進風；添加帶孔擋流板、構建隔斷式氣室，實現干燥箱內熱風流向和流速的調節。模擬結果顯示改進后干燥箱的風速場分布有了明顯改善，不均勻系數下降至了10%以內。該研究結果為熱風干燥箱的結構改進優化提供了新的技術手段和數據支撐，降低了新型干燥箱的研發成本。

圖9 改進后干燥箱橫向截面風速分布Fig.9 Wind velocity distribution in the transverse section of improved drying box