郭子文,張曉勤,王志琴,王光輝,王德成,孫慶運
(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,北京 100083;2. 山東省農(nóng)業(yè)機械科學(xué)研究院,濟南 250100)
苜蓿以“牧草之王”著稱,不僅產(chǎn)量高,且草質(zhì)優(yōu)良,各種畜禽均喜食。苜蓿收后存儲過程中,因其含水率高(大于70%wb),易導(dǎo)致內(nèi)部霉變、呼吸作用旺盛,造成營養(yǎng)物質(zhì)流失并產(chǎn)生有毒代謝[1]。因此,苜蓿收獲后經(jīng)干燥處理調(diào)制成青干草,是保持飼草品質(zhì)的重要工藝。生產(chǎn)中,一般采用自然晾曬和熱風(fēng)干燥[2-3]的方式,相比自然晾曬,熱風(fēng)干燥工藝能夠比較全面地保持飼草營養(yǎng)成分,而如何降低其干燥能耗,是需要研究人員考慮的問題。在熱風(fēng)干燥中加入紅外輻射輔助干燥可以有效提高干燥效率,降低能耗[4]。在苜蓿的熱風(fēng)干燥中,氣流的均勻性是保證干燥效果的重要因素,均勻的氣流不僅能減少干燥時間,還可以提升苜蓿干燥后的品質(zhì)[5]。因此,設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)、獲得均勻的流場分布,對提升干燥效果至關(guān)重要。
計算流體力學(xué)(簡稱CFD,Computational Fluid Dynamics)應(yīng)用離散化的數(shù)學(xué)方法,可以代替實際試驗對流體力學(xué)問題進行數(shù)值模擬,并有效獲得速度、溫度和壓力等參數(shù)在時間和空間上的分布,研究人員已將其應(yīng)用于干燥設(shè)備和流體機械的溫度和流場分析[6-7]。李研等人[8]對氣流下降式烘烤機仿真分析表明:均風(fēng)板孔徑和間距越大,保壓效果越差,均風(fēng)效果越不明顯。李海亮等人[9]研究發(fā)現(xiàn):氣流分配室結(jié)構(gòu)影響流場均勻性,且以配氣腔體厚度最為關(guān)鍵。王永維等人[10]在授粉管的仿真研究中發(fā)現(xiàn),采用吹嘴式出風(fēng)口結(jié)構(gòu)可以減小氣流的射流極角。Wells等人[11]對溫室空氣分配系統(tǒng)研究表明:孔徑比大于1.5時,氣流射流將出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象,孔徑比過小會導(dǎo)致入口靜壓增大,1.0左右為最佳值,這一結(jié)果被廣泛使用[12]。合理的結(jié)構(gòu)是保證出風(fēng)均勻的關(guān)鍵因素,需要根據(jù)應(yīng)用場景開展建模與參數(shù)研究,從而達到最佳應(yīng)用效果。
為此,筆者通過設(shè)計熱風(fēng)紅外聯(lián)合干燥裝置,對均風(fēng)結(jié)構(gòu)進行CFD數(shù)值計算,設(shè)計并優(yōu)化干燥裝置均風(fēng)板部件,確定了最佳的均風(fēng)板結(jié)構(gòu)參數(shù),并通過試驗驗證了仿真均風(fēng)效果的一致性程度。
為提升干燥效率和干燥品質(zhì),設(shè)計了一臺自帶熱循環(huán)系統(tǒng)的熱風(fēng)紅外聯(lián)合干燥裝置[13],主要由干燥室、空氣循環(huán)加熱系統(tǒng)、紅外加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成,如圖1所示。干燥室右側(cè)壁面開排濕孔。空氣循環(huán)加熱系統(tǒng)包括離心風(fēng)機、空氣加熱器和均風(fēng)板等,且均風(fēng)板是影響干燥室流場均勻性的關(guān)鍵部件;紅外加熱系統(tǒng)包括遠紅外發(fā)熱板、高度調(diào)控滑臺和步進電機;控制系統(tǒng)由PLC控制器、溫度傳感器及觸摸屏等組成,通過溫度傳感器實時反饋控制繼電器開合,實現(xiàn)熱風(fēng)溫度、紅外功率和空氣流量調(diào)節(jié)。

1.物料盤 2.均風(fēng)板 3.氣配室 4.電子天平 5.支撐架 6.密封墊 7.觀察窗 8.門 9.后回風(fēng)道 10.上回風(fēng)道 11.離心風(fēng)機 12.電機 13.空氣加熱器 14.滑塊支架 15.控制柜 16.觸摸屏 17.紅外發(fā)熱板 18.滑臺圖1 熱風(fēng)紅外聯(lián)合干燥裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of hot air infrared combined drying device
干燥裝置工作時,通過控制系統(tǒng)設(shè)定空氣溫度、速度和紅外功率。在PLC的控制下風(fēng)機工作,同時空氣加熱器和紅外板制熱,提供干燥熱源。干燥室內(nèi)氣體通過頂部出風(fēng)口由離心風(fēng)機吸入加熱管,經(jīng)空氣加熱器對流加熱后排入后回風(fēng)道,經(jīng)均風(fēng)板分配后由底部進入干燥室,對物料盤上的物料進行干燥;經(jīng)過一次利用后的熱空氣,在頂部離心風(fēng)機作用下,向上流動進入出風(fēng)口開始二次循環(huán),重復(fù)利用剩余的熱量,從而進一步降低能耗。布置于干燥室內(nèi)的溫度傳感器實時監(jiān)測內(nèi)部空氣溫度,溫度值反饋至PLC控制器,通過PID算法將空氣溫度值穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)。在裝置的外側(cè)底部配置電子天平,通過輕質(zhì)圓柱支撐物料盤,實時測量物料的質(zhì)量變化,并在均風(fēng)板中心開孔,便于圓柱穿過。
熱風(fēng)紅外聯(lián)合干燥裝置采用空氣加熱器和紅外板組合,可快速調(diào)節(jié)空氣溫度,其外形尺寸為560mm × 610mm × 1580mm,物料盤尺寸為450mm × 450mm,溫度調(diào)節(jié)范圍為30 ~ 80°C,空氣流速調(diào)節(jié)范圍為0.5 ~ 4m/s,總功率為3.4kW。
一級均風(fēng)板、二級均風(fēng)板示意圖分別如圖2(a)、2(b)所示,結(jié)構(gòu)模型如圖2(c)所示。其主要由氣配室、均風(fēng)板和干燥室3部分組成。矩形進風(fēng)口位于氣配室最左端。因物料放置于干燥室底部、均風(fēng)板上方的物料盤上,故取干燥室底部與均風(fēng)板相鄰的區(qū)域建立仿真模型。
為了提高仿真準(zhǔn)確度,對均風(fēng)板模型進行簡化處理。由于模型為左右對稱結(jié)構(gòu),故只對一半模型進行網(wǎng)格劃分,并采用對稱邊界進行計算;二級均風(fēng)板開孔率較高,采用多孔階躍邊界進行計算。模型使用ICEM CFD進行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分,劃分后的網(wǎng)格約為6.5×105個,如圖2(d)所示。


1.出口 2.二級均風(fēng)板 3.一級均風(fēng)板 4.進風(fēng)口 5.氣配室 (c)均風(fēng)板模型

(d)網(wǎng)格劃分圖圖2 均風(fēng)板模型簡圖及網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Schematic diagram and grid graph of the uniform outflow plate model
2.2.1 方程與模型
由于氣配室內(nèi)的溫度和空氣流速較低,可假設(shè)氣體不可壓縮,控制方程采用有限體積法離散,壓力-速度耦合采用半隱式SIMPLE算法,湍流模型采用應(yīng)用范圍更廣泛的SST k-omega模型[14]。不可壓縮粘性流體的整體平均連續(xù)性方程、動量守恒方程和求解所需的Boussinesq假設(shè),表達式為
(1)

(2)
(3)
式中t—時間(s);
ρ—流體密度(kg/m3);
p—流體的時均壓力(N/m2);
μ—流體動力黏度(N·s/m2);
μt—湍流黏性系數(shù)(kg/m·s);
k—湍流動能(m2/s2);
ui、uj、uk—各時均速度分量(m/s);

xi、xj、xk—各坐標(biāo)分量(m);
δij—函數(shù),i=j時,δij=1;i≠j時,δij=0。
對于SST k-omega雙方程模型,需要再求解湍動能和比耗散率,用來描述湍流黏性系數(shù)μt,表達式為
(4)
(5)
(6)
式中ω—比耗散率(1/s);
Γk、Γω—k和ω的有效擴散系數(shù);
Gk、Yk—k的產(chǎn)生項和耗散項;
Gω、Yω—ω的產(chǎn)生項和耗散項;
Dω—交叉擴散項;
α*—湍流黏性阻尼系數(shù);
S—應(yīng)變率幅值(1/s);
F2—混合函數(shù);
α1—模型附加常數(shù),取α1=0.31。
2.2.2 邊界條件設(shè)置
氣配室進風(fēng)口設(shè)置為質(zhì)量流量入口,采用湍流強度和水力直徑條件[15]。假定氣流方向垂直于邊界、均勻分布,根據(jù)風(fēng)機參數(shù)設(shè)定流量值為0.082kg/s;干燥室上部設(shè)置為壓力出口,出口處為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,壁面采用無滑移壁面;由于模型結(jié)構(gòu)對稱,設(shè)定中間面為對稱邊界;二級均風(fēng)板所在的面設(shè)置為Porous Jump。
2.2.3 多孔階躍模型設(shè)置
由于二級均風(fēng)板孔數(shù)較多,為減少建模網(wǎng)格量,提高計算效率,參考李瓊[16]和陶洪飛[17]等人的研究和應(yīng)用,使用FLUENT內(nèi)置的多孔階躍模型簡化計算。該模型是多孔介質(zhì)的二維簡化模型,通過在動量方程中增加一個動量源項模擬多孔介質(zhì)。動量源項由黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)組成,通過計算均風(fēng)板入口速度與進出口壓差之間的關(guān)系獲得,具有較高的計算精度和收斂性。多孔階躍模型的壓差計算公式為
(7)
式中 ΔP—進出口壓差(Pa);
v—入口速度(m/s);
Δm—多孔介質(zhì)厚度(m);
α—表面滲透系數(shù)(m2);
C2—慣性阻力系數(shù)(1/m)。
2.3.1 一級均風(fēng)板試驗設(shè)計
干燥箱采用側(cè)向進風(fēng)的熱風(fēng)自循環(huán)式設(shè)計,需通過均風(fēng)板來實現(xiàn)氣流的均勻配置。在側(cè)向進風(fēng)的情況中,影響出風(fēng)均勻性的因素主要為均風(fēng)板的孔徑與孔徑比[11,18]。其中,孔徑比是指開孔的總面積與進風(fēng)管道的截面積之比,通常取值小于1.5,該值常用于圓管側(cè)向出風(fēng)的相關(guān)研究中,適合的孔徑比可以有效提高圓管側(cè)向出風(fēng)的氣流均勻性。李中秋等人研究[19]表明,管道壁厚增大,射流極角會減小。此外,根據(jù)吳敏等人的研究[5],在采用兩級均風(fēng)板時,較大的一級均風(fēng)板孔徑可以得到更好的均風(fēng)效果。因此,參考相關(guān)研究,選擇厚度為5mm的均風(fēng)板,孔徑比為0.50、0.75、1.00、1.38、1.57,孔徑為8、12、16、20、24mm作為一級均風(fēng)板的試驗因素。
2.3.2 二級均風(fēng)板試驗設(shè)計
與一級均風(fēng)板的設(shè)計要求不同,二級均風(fēng)板主要解決經(jīng)過一級均風(fēng)板后的氣流如何分配均勻的問題,無需考慮側(cè)向進風(fēng)。二級均風(fēng)板需要較小的孔徑和較大的開孔率以提高進入干燥室氣流的整體均勻性。因此,設(shè)置兩級均風(fēng)板間距、開孔率和孔徑為3個試驗因素,并設(shè)計5個水平:兩級均風(fēng)板間距分別為10、20、30、40、50mm,開孔率分別為12.57%、15.21%、19.63%、24.63%、34.21%,孔徑分別為4、6、8、10、12mm。
2.3.3 評價指標(biāo)
為了分析均風(fēng)板出口處空氣流速的均勻性,采用變異系數(shù)Cv來評價速度分布的均勻性[20],其公式為
(8)
式中σv—標(biāo)準(zhǔn)差(m/s);
Va—不同點速度分布均值(m/s)。
3.1.1 網(wǎng)格無關(guān)性
針對孔徑20mm、孔徑比1.01的一級均風(fēng)板模型,將網(wǎng)格劃分為252 610、422 840、650 084和1 010 259進行數(shù)值模擬。在均風(fēng)板正上方30mm的截面處監(jiān)測速度,監(jiān)測點如圖3所示。圖4為不同網(wǎng)格數(shù)下的氣流速度分布。由圖4可看出:不同區(qū)域氣流速度趨勢相同;但在網(wǎng)格數(shù)為252 610時,中間區(qū)域氣流速度與其他網(wǎng)格相差較大,是由于流場中部存在圓柱繞流,氣流變化劇烈,造成較大差異;當(dāng)網(wǎng)格加密后,流場模擬速度趨勢相同,滿足仿真要求。綜合結(jié)果準(zhǔn)確性與計算成本,選擇網(wǎng)格數(shù)為650 084的網(wǎng)格尺寸進行仿真計算。

圖3 不同監(jiān)測點位置Fig.3 Airflow velocity measurement points
3.1.2 可靠性驗證
選取均風(fēng)板正上方30mm截面上不同監(jiān)測位置與試驗測量值對比分析,結(jié)果如圖5所示。
通過對比模擬和試驗測量數(shù)據(jù)的偏差,發(fā)現(xiàn)入口附近的偏差較大,其余位置偏差較小,且相對偏差在12%以內(nèi),滿足實際工程應(yīng)用小于20%的要求[21]。

圖4 不同網(wǎng)格數(shù)下的氣流速度分布Fig.4 Air velocity distribution under different grid numbers

圖5 仿真與試驗結(jié)果對比曲線Fig.5 Comparison between results of simulation and experiment
3.2.1 孔徑比對流場分布的影響
一級均風(fēng)板不同孔徑比下的氣流速度分布及均勻性如圖6所示。由圖6(a)知:隨著孔徑比增加,各出風(fēng)口變異系數(shù)持續(xù)增大;而當(dāng)孔徑比保持在0.75~1.38之間時,整體的變異系數(shù)相對較低。由圖6(b)、6(c)可以看出:由于氣配室中部圓柱繞流的影響,導(dǎo)致圓柱周圍的氣流速度較高,造成氣流分配的不均勻;且由于氣流具有與速度方向一致的動量,出風(fēng)口的氣流會向前傾斜,這種現(xiàn)象隨著孔徑比的增加不斷加劇,導(dǎo)致流場向前移動,與吳晨溶等人[18]的研究結(jié)果相同。因此,孔徑比在一定程度上可以保證一級均風(fēng)板上的出風(fēng)孔均勻出風(fēng),但較小的開孔率會導(dǎo)致整體均勻性降低。

(a)變異系數(shù)

(b)監(jiān)測點速度

(c)速度分布云圖圖6 一級均風(fēng)板不同孔徑比下的氣流速度分布及均勻性Fig.6 Air velocity distribution and uniformity of first-level uniform outflow plate with different aperture ratios
3.2.2 孔徑對流場分布的影響
一級均風(fēng)板不同孔徑下的氣流速度分布及均勻性如圖7所示。

(a)變異系數(shù)

(b)監(jiān)測點速度

(c)速度分布云圖圖7 一級均風(fēng)板不同孔徑下的氣流速度分布及均勻性Fig.7 Air velocity distribution and uniformity of first-level uniform outflow plate with different apertures
由圖7(a)知:均風(fēng)板出風(fēng)口和流場整體均勻性都隨孔徑增大先升高后降低,且在12mm孔徑處均勻性較好。結(jié)合圖7(b)、7(c)可知:在孔徑比恒定的情況下,過大的孔徑會導(dǎo)致出風(fēng)口壓強集中,加劇了圓柱繞流的影響;小孔徑可以降低氣配室后部渦流的影響,但會降低風(fēng)壓,導(dǎo)致氣流通過出風(fēng)孔后由四周向中間移動,加重整體出風(fēng)不均勻的情況。
3.3.1 均風(fēng)板多孔階躍參數(shù)計算
均風(fēng)板的流阻系數(shù)可以通過測量入口速度和進出口壓差進行計算,但直接測量不同均風(fēng)板的風(fēng)速和壓降難度較大。因此,工業(yè)上通常采用CFD模擬獲得不同風(fēng)速下孔板的壓降,進而計算多孔階躍條件所需的流阻系數(shù)。劉德釗[22]和Rong等人[23]的研究已經(jīng)證明,對多孔介質(zhì)區(qū)域進行模擬計算獲得的流阻系數(shù)有較小的相對偏差,可以作為多孔介質(zhì)的參數(shù)使用。因此,選取最小單元,采用FLUENT模擬實際均風(fēng)板進行計算,得到流阻系數(shù),結(jié)果如表1所示。

表1 均風(fēng)板流阻系數(shù)Table 1 Airflow resistance coefficient
3.3.2 兩級均風(fēng)板間距對流場分布的影響
兩級均風(fēng)板間距下的氣流速度分布及均勻性如圖8所示。由圖8(a)知:流場的整體均勻性隨間距的增大先提高后降低,且在間距20mm時均勻性較好。結(jié)合圖8(b)、8(c)發(fā)現(xiàn):隨著兩級均風(fēng)板間距增大,氣流沿入口方向的動量會導(dǎo)致靠近入口方向的流速降低,出現(xiàn)整體流場向前移動的現(xiàn)象,且間距過大會導(dǎo)致兩級均風(fēng)板間的湍流強度增加,進一步降低氣流的整體均勻性。

(a)變異系數(shù)

(b)監(jiān)測點速度

(c)速度分布云圖圖8 兩級均風(fēng)板不同間距下的氣流速度分布及均勻性Fig.8 Air velocity distribution and uniformity under different uniform outflow plate spacings
3.3.3 開孔率對流場分布的影響
二級均風(fēng)板不同開孔率下的氣流速度分布及均勻性如圖9所示。由圖9(a)知:流場的整體均勻性隨二級均風(fēng)板開孔率的增大先提高后降低,且在開孔率為15.21%時均勻性較好;結(jié)合表1可以看出,在孔徑不變的情況下,隨著均風(fēng)板的開孔率增大,流阻系數(shù)減小,意味著較大的開孔率會導(dǎo)致均風(fēng)板對氣流壓力的影響減小,進而降低對氣流的分配作用。由圖9(b)、9(c)看出:隨著開孔率的增加,流場明顯呈整體前移趨勢,且四周空氣流速相對中部明顯提高,導(dǎo)致流場整體均勻性下降。

(a)變異系數(shù)

(b)監(jiān)測點速度

(c)速度分布云圖圖9 二級均風(fēng)板不同開孔率下的氣流速度分布及均勻性Fig.9 Air velocity distribution and uniformity of second-level uniform outflow plate with different hole fraction
3.3.4 孔徑對流場分布的影響
二級均風(fēng)板不同孔徑下的氣流速度分布及均勻性變異系數(shù)如圖10所示。由圖10(a)知:流場的整體均勻性隨二級均風(fēng)板孔徑增大變化差異不顯著;結(jié)合表1可以看出,在開孔率不變的情況下,隨著均風(fēng)板孔徑增大,慣性阻力系數(shù)C2和表面滲透系數(shù)α的變化也較小,與圖10(b)、10(c)中顯示出相同結(jié)果。因此,可以確定二級均風(fēng)板的孔徑在試驗范圍內(nèi)對流場均勻性無顯著性影響。

(a)變異系數(shù)

(b)監(jiān)測點速度

(c)速度分布云圖圖10 二級均風(fēng)板不同孔徑下的氣流速度分布及均勻性Fig.10 Air velocity distribution and uniformity of second-level uniform outflow plate with different apertures
3.4.1 正交試驗設(shè)計
通過對一級均風(fēng)板和二級均風(fēng)板的前期試驗,將上述因素進行篩選,并選擇有代表性的部分水平開展正交試驗。不考慮各因素間交互作用的影響,以二級均風(fēng)板開孔率12.57%~19.63%、孔徑10~30mm、一級均風(fēng)板孔徑8~16mm、一級均風(fēng)板孔徑比0.75~1.38為試驗因素,設(shè)計4因素3水平正交試驗,以變異系數(shù)為試驗指標(biāo),利用正交表L9(34)安排試驗(見表2),分析均風(fēng)板結(jié)構(gòu)的最佳設(shè)計參數(shù)。

表2 正交試驗因素水平Table 2 Orthogonal experiment factors and levels
3.4.2 試驗結(jié)果與分析
根據(jù)正交表,仿真計算得到的試驗結(jié)果如表3所示。試驗結(jié)果及極差分析表明,影響變異系數(shù)的因素主次順序為C、A、D、B,變異系數(shù)較優(yōu)的方案為C2A1D1B2。
對試驗結(jié)果進行方差分析(見表4),將兩級均風(fēng)板間距視作誤差項,二級均風(fēng)板開孔率對變異系數(shù)影響顯著(p<0.05),一級均風(fēng)板孔徑對變異系數(shù)影響極顯著(p<0.01)。

表3 正交試驗方案與試驗結(jié)果Table 3 Orthogonal experiment schemes and experiment results

續(xù)表3

表4 正交試驗方差分析Table 4 Orthogonal experiment analysis of variance
3.4.3 最優(yōu)組合試驗與驗證
根據(jù)正交試驗結(jié)果選取最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù):一級均風(fēng)板孔徑12mm、孔徑比0.75、二級均風(fēng)板開孔率12.57%、兩級均風(fēng)板間距20mm,據(jù)此再進行一次仿真試驗,得到變異系數(shù)為6.15%。將結(jié)果與正交表各組試驗對比,可知設(shè)計能達到最優(yōu)效果。按照該參數(shù)加工均風(fēng)板(見圖11),進行驗證試驗。仿真所得試驗結(jié)果與實際驗證結(jié)果對比如圖12所示。

圖11 均風(fēng)板Fig.11 The picture of uniform outflow plate

圖12 仿真與試驗結(jié)果對比曲線Fig.12 Comparison between results of simulation and experiment
由圖12知:實測數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果之間的平均速度的相對偏差為4.92%,變異系數(shù)的相對偏差為1.12%。仿真試驗得到的結(jié)果與實際測量值高度吻合,說明仿真結(jié)果能較好地映試驗情況。
1)設(shè)計了一種紅外熱風(fēng)聯(lián)合干燥裝置的均風(fēng)板,并應(yīng)用CFD仿真對其結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。通過試驗驗證可得,測量數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)相近,最大相對偏差小于12%,能夠較好地模擬氣流的分布情況。
2)通過仿真計算,發(fā)現(xiàn)在側(cè)向進風(fēng)的均風(fēng)板設(shè)計中保持孔徑比在1.5以下可保證較好的出風(fēng)孔均勻性,但一級均風(fēng)板的整體流場均勻度較差;在兩級均風(fēng)板結(jié)構(gòu)中,一級均風(fēng)板的孔徑和二級均風(fēng)板的開孔率對流場均勻性的影響更為顯著。
3)通過正交試驗,確定了側(cè)向進風(fēng)的兩級均風(fēng)板最佳設(shè)計參數(shù)為一級均風(fēng)板孔徑12mm、孔徑比0.75、二級均風(fēng)板開孔率12.57%、兩級均風(fēng)板間距20mm,在此設(shè)計下,變異系數(shù)為6.15%,流場速度分布均勻。