基于Comsol和BBD的折流板太陽能空氣集熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

樂嘉俊，陳子文，楊明金，楊玲，蒲應(yīng)俊，王教領(lǐng)

(1. 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)裝備重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶市，400715；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京市，210014)

0 引言

干燥是農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后加工過程中的重要環(huán)節(jié)[1]。干燥方法多種多樣，自然晾曬干燥所需時(shí)間長且晾曬過程中衛(wèi)生環(huán)境較差，易受灰塵影響；燃煤干燥所得農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量較差，運(yùn)行成本高，且污染環(huán)境[2]。太陽能集熱器可將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苡糜谳o助供暖[3]、生活用水加熱[4]、海水淡化[5]和航空航天[6]等多個(gè)領(lǐng)域，其中太陽能熱利用低溫區(qū)(313.15～338.15 K)與農(nóng)產(chǎn)品干燥所需溫度相匹配[7-8]，農(nóng)產(chǎn)品太陽能干燥具有成本低、質(zhì)量好、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，發(fā)展前景廣闊[9]。太陽能空氣集熱器是太陽能干燥系統(tǒng)的重要部件，其集熱性能直接影響干燥性能，其中折流板太陽能空氣集熱器的集熱效率是該領(lǐng)域重點(diǎn)研究問題之一。

為了提高集熱效率，Romdhane[10]提出了一種新型折流板太陽能空氣集熱器，其結(jié)構(gòu)簡單，易于維護(hù)。折流板太陽能空氣集熱器(以下簡稱折流板集熱器)是太陽能平板空氣集熱器中的一種，被加熱空氣可直接用于農(nóng)產(chǎn)品干燥，不需要中間熱交換器。與無折流板集熱器相比，前者能夠增加氣體在集熱器內(nèi)部的流程從而提高集熱效率；與傳熱介質(zhì)為液體的太陽能集熱器相比，前者結(jié)構(gòu)簡單，不存在冬季結(jié)冰等問題。目前，國內(nèi)外學(xué)者對于折流板集熱器進(jìn)行了大量研究，錢珊珠等[11]研究了不同折流板數(shù)量的折流板集熱器集熱性能，結(jié)果表明集熱效率不與折流板數(shù)量呈正相關(guān)，其集熱效率由集熱器的溫升和出口流速?zèng)Q定。胡建軍等[12]研究了開孔對折流板集熱器集熱效率的影響，結(jié)果表明開孔能夠減少渦流，集熱效率提高3.60%。張東等[13]在普通平板型雙流道太陽能空氣集熱器加入折流板，結(jié)果表明加入折流板的平板太陽能集熱器集熱效率提高19.48%。賈斌廣等[14]通過改變折流板布置，開發(fā)出一種渦旋形流道太陽能空氣集熱器，其集熱效率比常規(guī)太陽能空氣集熱器提高2.18%。Khanlari等[15]提出一種加號(hào)型折流板集熱器，在較高的入口風(fēng)速下集熱效率能達(dá)84.30%。Bensaci等[16]數(shù)值研究折流板位置對集熱效率的影響，發(fā)現(xiàn)折流板布置在集熱器前半部分可以更好提升集熱性能。

目前國內(nèi)外學(xué)者針對折流板傾斜角度對集熱器集熱性能影響的研究較少。針對太陽能空氣集熱器折流板的傾斜角度進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品干燥溫度使用要求，對比不同折流板布置和不同入口風(fēng)速條件下的集熱性能，并以此優(yōu)化集熱器設(shè)計(jì)，為集熱器集熱性能提升提供了一種新的方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

試驗(yàn)儀器：TBQ-2總輻射表(誤差±2%)、PC-2輻照度記錄儀、Pt100溫度傳感器(誤差±0.15 K)、16路DM-6210溫度采集器、SUMMIT-565熱線式風(fēng)速儀、太陽能模擬器(自制)、折流板太陽能空氣集熱器(自制)、計(jì)算機(jī)、可調(diào)速風(fēng)機(jī)等。試驗(yàn)地點(diǎn)：西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院(北緯29°48′56″，東經(jīng)106°25′23″)。

1.2 數(shù)值仿真模型

1.2.1 模型建立和網(wǎng)格劃分

折流板太陽能空氣集熱器實(shí)物如圖1所示，由PC(聚碳酸酯)蓋板、吸熱板、保溫層、外殼框架等組成。在集熱器的內(nèi)部流道中安裝有折流板，根據(jù)文獻(xiàn)[17]中的折流板間距、長度、數(shù)量對集熱效率的影響，本文設(shè)計(jì)了一款400 mm×400 mm方形集熱器，折流板長280 mm，間距80 mm，數(shù)量為4，將集熱器流道分成5個(gè)腔室。

集熱器流道內(nèi)部尺寸為400 mm×400 mm×70 mm，入口、出口直徑68 mm。根據(jù)實(shí)物尺寸構(gòu)建集熱器三維模型，運(yùn)用SolidWorks建模，忽略折流板厚度。將三維模型導(dǎo)入Comsol5.6中，并進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，如圖2所示，網(wǎng)格數(shù)量為6.4×105。

(a) 折流板集熱器

(b) 太陽能模擬器

圖2 折流板集熱器網(wǎng)格劃分

1.2.2 模型假設(shè)

為了更好研究集熱性能，對數(shù)值仿真模型作以下假定。

1) 側(cè)壁和底板保溫層不與外界環(huán)境進(jìn)行熱量交換。

2) 空氣在集熱器流道內(nèi)的流體傳熱過程為穩(wěn)態(tài)。

3) 流道中空氣為不可壓縮流體。

4) 在整個(gè)太陽能集熱器系統(tǒng)中，只有吸熱板吸收太陽輻射能量。

5) 在整個(gè)流動(dòng)換熱過程中，只有PC蓋板與環(huán)境進(jìn)行對流換熱和輻射換熱。

1.2.3 邊界條件及材料參數(shù)

集熱器內(nèi)部空氣流道近似為矩形管道流，流體流動(dòng)模型可分為層流模型和湍流模型。根據(jù)入口空氣流速計(jì)算得雷諾數(shù)大小，雷諾數(shù)小于2 000的采用層流模型計(jì)算，雷諾數(shù)大于2 000的采用湍流模型計(jì)算。由于集熱器流道內(nèi)的空氣雷諾數(shù)大于2 000，為湍流狀態(tài)，本文采用reliable-k-ε湍流模型。模型邊界條件和材料參數(shù)見表1。

表1 邊界條件及材料參數(shù)Tab. 1 Boundary conditions and material parameters

1.2.4 數(shù)學(xué)模型

基于質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒原理求解集熱器流道內(nèi)流體流動(dòng)和傳熱[18-19]。

1) 連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒方程)：單位時(shí)間內(nèi)流出流體微元質(zhì)量流量變化量等于流入該流體微元團(tuán)的質(zhì)量流量變化量。

(1)

式中：ρ——流體密度，kg/m3；

μi——流體在i方向的速度分量，m/s；

t——時(shí)間，s；

xi——空間三維坐標(biāo)，m。

2) 動(dòng)量守恒方程：流體微元中的流體動(dòng)量增加率等于作用在流體微元上的各種力之和。

(2)

式中：i、j——笛卡爾坐標(biāo)系中的方向；

p——微團(tuán)所處靜壓力，kPa；

Si——阻力引起的其他能源項(xiàng)，kJ；

ρgi——i方向重力分項(xiàng)，N；

τij——流體在沿著j方向作用i面上的粘性力，kPa。

3) 能量守恒方程：流體微元內(nèi)的熱力學(xué)能增加率等于進(jìn)入流體微元內(nèi)的凈熱流量與體積力與表面力對微團(tuán)所做的功。

(3)

式中：h——流體比焓，kJ；

λ——分子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的導(dǎo)熱系數(shù)；

λt——隨著時(shí)間t導(dǎo)熱系數(shù)的變化量；

T——溫度，K；

Sh——任何體積源，kJ。

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 BBD試驗(yàn)

為了研究折流板傾斜角度對折流板集熱性能的影響并得到最佳折流板角度組合，將集熱器分成5個(gè)集熱單元，如圖3所示。由折流板分隔相鄰集熱單元，將折流板靠近集熱單元空氣入口處設(shè)為旋轉(zhuǎn)中心，定義折流板角度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為負(fù)。將每折流板最大傾斜角度設(shè)置為10°。定義從集熱器入口到集熱器出口依次為折流板1、折流板2、折流板3和折流板4，其傾斜角度分別定義為θ1、θ2、θ3和θ4，利用Design-Expert12設(shè)計(jì)試驗(yàn)，各因子水平見表2。

圖3 折流板集熱器集熱單元

表2 BBD試驗(yàn)因子水平表Tab. 2 BBD test factor level table

1.3.2 單因素試驗(yàn)

為了更好研究入口風(fēng)速水平對集熱性能的影響，最大程度滿足農(nóng)產(chǎn)品對干燥溫度的需求，設(shè)置0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m/s共5個(gè)風(fēng)速水平，進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

1.4 性能評價(jià)

1.4.1 集熱效率

集熱效率，即光熱轉(zhuǎn)換效率，可定義為空氣在集熱器流道中經(jīng)吸熱板加熱后吸收的能量與太陽照射到集熱器表面的太陽能之比，如式(4)所示。

(4)

式中：m——空氣質(zhì)量流量，kg/s；

C0——空氣定壓比熱容，J/(kg·K)；

Ti——空氣入口溫度，K；

To——空氣出口溫度，K；

Ai——集熱面積，m2；

GT——集熱器吸收到的太陽輻射量熱，W/m2。

1.4.2 總熱損系數(shù)

太陽能空氣集熱器在工作中會(huì)與外界環(huán)境進(jìn)行對流換熱和輻射換熱，其間會(huì)有熱量損失在環(huán)境中，主要包括頂部熱量損失、底部熱量損失和邊緣熱量損失。頂部熱損系數(shù)Ut利用Klein提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[20]。

底部熱量損失由保溫材料熱傳導(dǎo)所致，可作為一維熱傳導(dǎo)計(jì)算，底部熱損系數(shù)

(5)

式中：k——保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

d——底部保溫材料厚度，m。

邊緣熱損系數(shù)

(6)

式中：Ae/Ac——集熱器側(cè)壁總保溫面積與集熱面積之比。

因而，總熱損系數(shù)

UL=Ut+Ub+Ue

(7)

1.4.3 熱遷移因子

熱遷移因子FR表示太陽能空氣集熱器實(shí)際輸出熱能與假定整個(gè)吸熱板處于入口空氣溫度輸出能量的比值，小于1，如式(8)所示。

(8)

式中：cp——比熱容，J/(kg·K)；

Ta——環(huán)境溫度，K；

Ae——吸熱板面積，m2；

S——單位面積集熱器吸收到的太陽輻射能，W。

2 結(jié)果與分析

2.1 網(wǎng)格無關(guān)性及模型可靠性驗(yàn)證

2.1.1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

以吸熱板表面平均溫度為衡量指標(biāo)進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。如圖4所示，根據(jù)表1的約束條件和材料參數(shù)，吸熱板表面平均溫度隨著網(wǎng)格數(shù)量的不斷增加而減少，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量超過6.4×105之后，平均溫度趨于平穩(wěn)，相關(guān)性變小。本文綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間的均衡，采用網(wǎng)格數(shù)量約6.4×105。

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

2.1.2 模型可靠性驗(yàn)證

利用太陽能模擬器產(chǎn)生不同強(qiáng)度的輻照度，通過輻照度記錄儀記錄當(dāng)前輻照度。利用計(jì)算機(jī)記錄溫度傳感器Pt100在不同輻照度強(qiáng)度下折流板集熱器入口、出口溫度數(shù)據(jù)，與模擬計(jì)算得到的結(jié)果相比較，進(jìn)行誤差分析。給吸熱板一個(gè)熱流密度來模擬吸熱板吸收的太陽能。吸熱板熱流密度通過太陽輻照度測量值乘以PC蓋板透過率和吸熱板吸收率得到。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，吸熱板熱流密度約為太陽輻照度測量值的0.81倍。

出口溫度試驗(yàn)值與模擬值隨輻照度的變化曲線如圖5所示。試驗(yàn)值與模擬值具有很好的一致性，相對誤差小于0.70%，模擬模型正確，可靠性高。

圖5 試驗(yàn)值與模擬值的比較

2.2 BBD試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 回歸分析與方差分析

BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果見表3。對試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析見表4。對表3中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到集熱器出口溫度的多元二次回歸方程

Reposeangle=333.88-0.360 8θ1+0.560 8θ2-

0.483 3θ3+0.601 7θ4-

0.047 5θ1θ2+0.29θ1θ3+

0.045θ1θ4+0.087 5θ2θ3-

0.202 5θ2θ4-0.132 5θ3θ4-

0.217 1θ12+0.160 4θ22-

0.165 8θ32-0.139 2θ42

(9)

由表4可知，折流板1、2、3、4的傾斜角度F值>1，P值<0.000 1，表明模型差異性極顯著，模型設(shè)計(jì)合理。θ1、θ2、θ3、θ4、θ1θ2表現(xiàn)為極顯著(P值<0.01)，θ1θ4、θ22表現(xiàn)為顯著(P值<0.05)，其他參數(shù)表現(xiàn)為不顯著。模型決定系數(shù)R2=94.95%，調(diào)整決定系數(shù)Radj2=89.91%，說明該模型能解釋89.91%因子變化，模型擬合度較好。模型信噪比(AdeqPrecosion)=15.071 0>4，說明模型信號(hào)充足，能很好指導(dǎo)預(yù)測。

表3 BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Tab. 3 BBD trial design and results

圖6為模型的殘差正態(tài)分布概率圖，圖中各點(diǎn)分布在直線附近，說明殘差呈正態(tài)分布。圖7為實(shí)際值與預(yù)測值的關(guān)系圖，二者相似度很高，說明此模型對實(shí)際情況的擬合能力強(qiáng)。圖8殘差與預(yù)測值的關(guān)系圖，圖中各點(diǎn)在空間內(nèi)隨機(jī)分布，表明模型適應(yīng)性好。

2.2.2 因子交互作用分析

通過Design-Expert導(dǎo)出響應(yīng)面和對應(yīng)等高線如圖9所示，通過響應(yīng)面圖和等高線圖分析各因子交互作用及其強(qiáng)弱。

由圖9(a)可知，隨著θ1減小和θ2的增加，響應(yīng)面先緩慢增高再快速增高，等高線趨于橢圓形，坡度變化大說明二者的交互作用影響極顯著。由圖9(c)可知，隨著θ1減小和θ2的增加，響應(yīng)面先緩慢增高再快速增高，坡度略小于圖9(a)，等高線趨于橢圓形，二者的交互作用影響較顯著。由圖9(b)、圖9(d)、圖9(e)、圖9(f)可知，隨著θ1和θ3、θ2和θ3、θ2和θ4、θ3和θ4這4組因子的變化，響應(yīng)面坡度變化不大，等高線趨于圓形，說明各組的交互作用影響均不顯著。

表4 回歸模型的方差分析Tab. 4 ANOVA for regression models

圖6 殘差正態(tài)分布概率圖

圖7 實(shí)際值與預(yù)測值

圖8 殘差預(yù)測圖

2.2.3 響應(yīng)面結(jié)果優(yōu)化及驗(yàn)證

為升高出口溫度，在Design-expert中進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。以出口溫度為評價(jià)指針，目標(biāo)及約束條件如式(9)所示。

(9)

在Design-expert導(dǎo)出的結(jié)果中選優(yōu)，得到最佳參數(shù)組合：折流板1傾斜角度為-10°，折流板2傾斜角度為10°，折流板3傾斜角度為-10°，折流板4傾斜角度為10°。定義此參數(shù)組合的集熱器為傾斜折流板集熱器。在該參數(shù)組合條件下進(jìn)行仿真試驗(yàn)，以驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果與模擬相符性。預(yù)測出口溫度為335.673 K，仿真出口溫度為335.51 K，相差0.163 K，相對誤差為0.05%，表明優(yōu)化預(yù)測結(jié)果與模擬結(jié)果相符合。

(a) θ1和θ2交互作用

(b) θ1和θ3交互作用

(c) θ1和θ4交互作用

(d) θ2和θ3交互作用

(e) θ2和θ4交互作用

(f) θ3和θ4交互作用

2.3 集熱性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.3.1 基礎(chǔ)折流板集熱器

對基礎(chǔ)折流板集熱器的集熱性能進(jìn)行Comsol數(shù)值模擬，約束條件和材料參數(shù)見表1。基礎(chǔ)折流板集熱器的各折流板的傾斜角度均為0。空氣從集熱器入口進(jìn)入，經(jīng)過吸熱板后會(huì)帶走吸熱板上的熱量從而達(dá)到加熱空氣的目的，但是仍有部分熱量未被帶走，從而在吸熱板上形成積熱，積熱會(huì)影響集熱器的集熱性能。

圖10為基礎(chǔ)折流板集熱器吸熱板溫度云圖和吸熱板表面空氣速度流線圖。

由圖10(a)可以看出，吸熱板在折流板背面和每塊折流板轉(zhuǎn)彎處存在明顯積熱。由圖10(b)可以看出，在吸熱板積熱比較集中的位置出現(xiàn)渦流，共7處。由于折流板導(dǎo)致空氣速度方向不斷改變從而形成渦流，渦流使空氣在此處滯留時(shí)間較長而被持續(xù)加熱，從而形成圖10(a)中的積熱。

根據(jù)數(shù)值模擬可知集熱器出口溫度為333.88 K。根據(jù)式(4)～式(8)可計(jì)算出集熱器在此工況下集熱性能：集熱效率為74.78%、熱損系數(shù)為3.771 W/m2、熱遷移因子為0.758、入口、出口壓力損失為1.806 Pa。

(a) 溫度云圖

(b) 速度流線

2.3.2 傾斜折流板集熱器數(shù)值模擬分析

對傾斜折流板集熱器的集熱性能進(jìn)行Comsol數(shù)值模擬，約束條件和材料參數(shù)見表1。傾斜折流板集熱器中折流板1、2、3、4的傾斜角度分別為-10°、10°、-10°、10°。圖11為傾斜折流板集熱器吸熱板溫度云圖和吸熱板表面空氣速度流線圖。

比較圖11(a)和圖10(a)可以看出，與基礎(chǔ)折流板集熱器相比，傾斜折流板集熱器吸熱板上的積熱區(qū)更加集中，主要集中在折流板1、2、3轉(zhuǎn)彎處，折流板與側(cè)壁處的積熱問題明顯改善。由圖11(b)可以看出，與基礎(chǔ)折流板集熱器相比，傾斜折流板集熱器吸熱板表面形成5個(gè)渦流，3個(gè)大渦、2個(gè)小渦，渦流數(shù)量減少2個(gè)，積熱面積有所改善。

根據(jù)數(shù)值模擬，集熱器出口溫度為335.51 K。根據(jù)式(4)～式(8)可計(jì)算出集熱器在此工況下集熱性能：集熱效率77.78%、熱損系數(shù)3.762 W/m2、熱遷移因子0.788、入口、出口壓力損失0.997 Pa。

與基礎(chǔ)折流板集熱器相比，傾斜折流板集熱器出口溫度升高1.63 K，集熱效率提升4.01%，入口、出口壓力損失降低44.80%，熱損系數(shù)變化不大。

(a) 溫度云圖

(b) 速度流線

2.3.3 開孔型傾斜折流板集熱器

為進(jìn)一步改善吸熱板上的積熱問題，在上述傾斜折流板集熱器的折流板上打孔，形成開孔型傾斜折流板集熱器。折流板的開孔方案為：折流板1、折流板4拐角處等距40 mm各打3個(gè)5 mm方孔，折流板2、折流板3拐角處和靠近側(cè)壁處等距40 mm各打2個(gè) 5 mm 方孔。圖12為開孔型折流板集熱器吸熱板溫度云圖和吸熱板表面空氣速度流線圖。

由圖12(a)可以看出，在折流板上開孔，可以產(chǎn)生流體旁通效應(yīng)，對各折流板，特別是折流板3，背側(cè)積熱問題起到一定的改善作用，從而使集熱器內(nèi)部氣流分布更加紊亂，有助于提高集熱效率。

根據(jù)數(shù)值模擬，集熱器出口溫度為335.91 K。根據(jù)式(4)～式(8)可計(jì)算出集熱器在此工況下集熱性能：集熱效率78.51%、熱損系數(shù)3.771 W/m2、熱遷移因子0.795、入口、出口壓力損失1.027 Pa。

與基礎(chǔ)折流板集熱器相比，開孔型傾斜折流板集熱器出口溫度升高2.03 K，集熱效率提升4.99%，入口、出口壓力損失降低43.13%，熱損系數(shù)變化不大。綜合比較，開孔型傾斜折流板集熱器的集熱性能更優(yōu)。

(a) 折流板開孔情況

(b) 溫度云圖

(c) 速度流線

2.4 入口風(fēng)速對集熱性能的影響

針對開孔型傾斜折流板集熱器，為分析不同入口風(fēng)速對集熱性能的影響來獲得實(shí)際農(nóng)產(chǎn)品干燥所需熱風(fēng)條件，分別設(shè)置入口風(fēng)速為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m/s(其余邊界條件和材料參數(shù)同表1)，對比分析不同入口風(fēng)速條件下的集熱性能，優(yōu)化入口風(fēng)速工作參數(shù)。根據(jù)數(shù)值模擬，得到不同入口風(fēng)速條件下的集熱性能參數(shù)(表5)，入口風(fēng)速與各性能參數(shù)之間的關(guān)系如圖13和圖14。

表5 入口風(fēng)速對集熱性能的影響Tab. 5 Influence of inlet wind speed on heat collection performance

圖13 熱損系數(shù)和熱遷移因子

圖14 壓力損失、出口溫度和集熱效率

由圖13可以看出，對于開孔型傾斜折流板集熱器，隨著入口風(fēng)速的增加，熱損系數(shù)逐漸降低，熱遷移因子逐漸增加，當(dāng)入口風(fēng)速大于1.5 m/s后，增加速度逐漸減緩。由圖14可以看出，隨著入口風(fēng)速的增加，集熱效率逐漸增加，出口溫度逐漸降低，減少速度逐漸減緩；隨著入口風(fēng)速的增加，入口、出口壓力損失逐漸增大，增加速度逐漸加快。

在入口風(fēng)速為2.5 m/s時(shí)，集熱效率最高，可達(dá)81.62%，但此時(shí)壓力損失可達(dá)26.301 Pa，此時(shí)入口風(fēng)機(jī)功率消耗較大。在入口風(fēng)速為0.5、1.0 m/s時(shí)，出口溫度分別為335.91 K、314.59 K，即62.76 ℃、41.44 ℃，可以滿足農(nóng)產(chǎn)品所需干燥溫度，此時(shí)入口、出口壓力損失較小，能夠有效減少空氣流動(dòng)阻力和風(fēng)機(jī)功耗。因此，當(dāng)采用開孔型傾斜折流板集熱器干燥農(nóng)產(chǎn)品時(shí)，適宜的入口風(fēng)速條件為0.5～1.0 m/s。

3 結(jié)論

將折流板傾斜角度作為試驗(yàn)因素將集熱器的出口溫度作為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，通過Comsol對BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，利用響應(yīng)面法對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到優(yōu)化結(jié)果，對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，得出折流板傾斜角度最佳參數(shù)組合。在折流板傾斜角度固定條件下對入口風(fēng)速進(jìn)行單因素試驗(yàn)，通過試驗(yàn)可知不同風(fēng)速對集熱器集熱性能的影響，得出適合農(nóng)副產(chǎn)品干燥的入口風(fēng)速。

1) 基于Comsol的reliable-k-ε湍流模型數(shù)值研究了基礎(chǔ)折流板集熱器的集熱性能，通過Comsol數(shù)值模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證，其出口溫度模擬值和試驗(yàn)值相對誤差小于0.70%，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的有效性和可靠性。

2) 基于BBD試驗(yàn)和響應(yīng)面法，利用響應(yīng)面法分析BBD試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到最佳參數(shù)組合：折流板1傾斜角度為-10°，折流板2傾斜角度為10°，折流板3傾斜角度為-10°，折流板4傾斜角度為10°，優(yōu)化了折流板布置；基于流體旁通效應(yīng)對折流板進(jìn)行開孔，優(yōu)化了折流板結(jié)構(gòu)。與基礎(chǔ)折流板集熱器相比，傾斜折流板集熱器、開孔型傾斜折流板集熱器的出口溫度分別升高1.63 K、2.03 K，集熱效率分別提升4.01%、4.99%，入口、出口壓力損失分別降低44.80%、43.13%。

3) 對入口風(fēng)速單因素試驗(yàn)結(jié)果分析，可知開孔型傾斜折流板集熱器較優(yōu)的入口風(fēng)速條件為0.5～1.0 m/s，可以滿足農(nóng)產(chǎn)品太陽能干燥需求。