基于FLUENT 的工業(yè)洗滌設(shè)備用烘干機流場仿真分析

張紀(jì)磊，伊廷剛，鄔士新，陸亞琳

（1.江蘇海獅機械股份有限公司，江蘇 張家港 215600；2.聯(lián)勤保障部隊供應(yīng)局，湖北 武漢 430000）

0 引言

烘干機內(nèi)部壓力場、速度場和溫度場是影響烘干效率和烘干能耗的重要因素[1]，成為當(dāng)前的研究熱點。于洋[2]采用FLUENT 軟件和正交實驗結(jié)合的方法，對烘干機內(nèi)部氣流場進(jìn)行模擬分析，得出最佳參數(shù)組合；魏新龍[3]基于氣固傳熱理論，建立烘干裝置內(nèi)部熱流固耦合模型，并利用Fluent 進(jìn)行二維和三維仿真分析，獲得烘干裝置內(nèi)部氣體溫度場的分布情況及變化規(guī)律；沈劍英[4]采用計算流體動力學(xué)軟件FLUENT 對食品烘干機進(jìn)行仿真設(shè)計，優(yōu)化了干燥室的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使干燥室的溫度場更均勻，從而減少了能源的消耗，實現(xiàn)節(jié)能。開展烘干機內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計和內(nèi)部壓力場、速度場和溫度場變化對烘干效率影響研究。在烘干機外箱內(nèi)側(cè)進(jìn)風(fēng)口處設(shè)有擋風(fēng)板，擋風(fēng)板上設(shè)有向內(nèi)筒端面開口處內(nèi)折彎的導(dǎo)流部，采用FLUENT 軟件對烘干機流場進(jìn)行數(shù)值求解，通過分析烘干機內(nèi)部壓力場、速度場和溫度場，判斷烘干機結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性并研究不同進(jìn)口速度和進(jìn)口溫度的影響規(guī)律。

1 仿真模型建立

1.1 仿真試驗?zāi)Ｐ?/h3>

烘干機在進(jìn)風(fēng)口處設(shè)有擋風(fēng)板，擋風(fēng)板上設(shè)有向內(nèi)筒端面開口處內(nèi)折彎的導(dǎo)流部，使氣體通過風(fēng)機，讓烘干機內(nèi)部可以受熱均勻，并且可以循環(huán)受熱。圖1 為使用Solidworks 設(shè)計的烘干機三維模型。將設(shè)計好的模型導(dǎo)入到ICEM CFD 中進(jìn)行網(wǎng)格的劃分[5]。圖2 為烘干機網(wǎng)格劃分模型。

圖1 烘干機三維模型

圖2 烘干機網(wǎng)格劃分模型

1.2 基于FLUENT 求解

將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT 軟件，在求解器上選擇三位雙精度，首先對導(dǎo)入的模型進(jìn)行網(wǎng)格檢查，然后選擇壓力求解器和瞬態(tài)時間類型。由于流動介質(zhì)為熱空氣，因此不考慮重力設(shè)置。在能量方程選擇方面，選擇湍流標(biāo)準(zhǔn)模型，這樣具有更好的穩(wěn)定性和較高的計算精度[7]。進(jìn)口條件設(shè)置為進(jìn)氣速度20 m/s，溫度為333 K，其他條件保持默認(rèn)。求解控制選擇SIMPLE，選擇標(biāo)準(zhǔn)初始化；在Number of Iterations 選項中輸入5000，單擊按鈕進(jìn)行計算，直至最后完全收斂。

2 結(jié)果與討論

2.1 烘干機仿真結(jié)果分析

內(nèi)部流場的壓力分布如圖3 所示。從圖3 中可以看出滾筒內(nèi)部的壓力分布均勻，而排風(fēng)管因為靠近出口所以隨著輸送的時間慢慢變長而壓力逐漸減小。

圖3 壓力云圖

烘干機內(nèi)部壓力矢量圖（圖4）。上部管壁由于靠近進(jìn)口的原因，壓力較大，而內(nèi)部滾筒的壓力分布則較為均勻，使烘干效率增加，靠近出口的地方壓力小，矢量圖與圖3 的云圖對應(yīng)一致。

圖4 壓力矢量

壓力隨時間變化曲線（圖5）。烘干機運行1.6 s后壓力漸漸達(dá)到穩(wěn)定值，內(nèi)部壓力分布較為均勻，流場壓力隨時間的變化而幾乎不發(fā)生變化，表明內(nèi)部循環(huán)速度快且已達(dá)穩(wěn)定，烘干穩(wěn)定工況開始時間短，烘干效率高。

圖5 壓力時間曲線

2.2 不同進(jìn)口風(fēng)速對烘干效率的影響

進(jìn)口風(fēng)速分別設(shè)置為15 m/s，20 m/s 和25 m/s。不同進(jìn)口風(fēng)速下烘干機內(nèi)部流場的速度云圖，如圖6所示。當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速為15 m/s 時，中心區(qū)域的回流速度很低，降低了內(nèi)部氣流的循環(huán)，不利于內(nèi)部衣物的烘干。當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速為20 m/s 時，回流區(qū)的區(qū)域得到減小，內(nèi)部氣流的速度也有了一定程度提升，內(nèi)部氣流的循環(huán)速度增加，進(jìn)氣速度的增加使衣物的烘干蒸發(fā)效率也增加。當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速為25 m/s 時，內(nèi)部流場的回流區(qū)域也得到了減少，但速度過快，就會導(dǎo)致熱風(fēng)的利用不充分，增大了能量的損耗。因此綜合考慮，進(jìn)口風(fēng)速為20 m/s 的效率更高且能量損失更小。

圖6 不同進(jìn)口風(fēng)速下烘干機內(nèi)部流場的速度云圖

2.3 不同進(jìn)口溫度對烘干效率的影響

進(jìn)口溫度分別設(shè)置為323 K，333 K 和343 K，其中入口風(fēng)速均為20 m/s。圖7 顯示了三種不同進(jìn)口溫度下烘干機內(nèi)部流場的溫度云圖。當(dāng)進(jìn)口溫度為323 K 時，內(nèi)部流場的溫度存在幾個明顯的回流區(qū)域，導(dǎo)致烘干機的效率下降以及能量損失的增加。當(dāng)進(jìn)口溫度為333 K 時，烘干機內(nèi)部溫度場分布均勻，這表明烘干機內(nèi)部的流場循環(huán)速度快，可以以更快的速度進(jìn)行內(nèi)部熱風(fēng)流場循環(huán)，節(jié)約烘干時間，烘干效率得到提升并且降低能耗損失。當(dāng)設(shè)置進(jìn)口溫度為343 K時，內(nèi)部流場的溫度分布不均勻，內(nèi)部熱量無法充分發(fā)生交換，增大了能耗。綜合考慮，設(shè)置進(jìn)口速度為20 m/s，進(jìn)口溫度為333 K 時，效率高且能耗最小。

圖7 不同進(jìn)口溫度下烘干機內(nèi)部流場的溫度云圖

3 結(jié)論

建立了烘干機數(shù)值仿真計算模型，研究了不同進(jìn)口速度和進(jìn)口溫度的影響規(guī)律，結(jié)論如下：

（1）烘干機運行1.6 s 后，內(nèi)部壓力分布均勻為1100 Pa，烘干機內(nèi)部流場壓力分布均勻、合理。

（2）進(jìn)口風(fēng)速為20 m/s 時，內(nèi)部流場回流區(qū)域小，內(nèi)部蒸汽流速快，流場分布均勻，風(fēng)干效率高。

（3）進(jìn)口溫度設(shè)置為333 K 時內(nèi)部流場的溫度變化均勻，內(nèi)部換熱氣流循環(huán)速度快，烘干蒸發(fā)效率高，能量損耗小。