基于EDEM-FLUENT耦合的脫水蔬菜烘干機(jī)內(nèi)部風(fēng)道仿真設(shè)計(jì)

摘要：為解決烘干機(jī)內(nèi)部熱風(fēng)氣流分布不均勻而導(dǎo)致烘干物料質(zhì)量不穩(wěn)定、熱風(fēng)利用率低等問題，以新型立式多層熱風(fēng)烘干機(jī)為研究對象，采用EDEM-FLUENT氣固兩相流耦合方法對不同結(jié)構(gòu)內(nèi)部風(fēng)道的氣流進(jìn)行仿真分析，研究烘干機(jī)內(nèi)腔不同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對熱風(fēng)風(fēng)速分布和烘干效率的影響，并以風(fēng)速分布和不均勻系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)對內(nèi)腔擋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過對比測試得到相對理想的設(shè)計(jì)方案。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)風(fēng)道豎直壁面傾斜角度、側(cè)壁傾斜角度和階梯間距可以有效提升氣流分布均勻性。風(fēng)道供氣速度范圍為8～12 m/s時(shí)，氣流分布相對均勻、不均勻系數(shù)波動(dòng)幅度最小。

關(guān)鍵詞：風(fēng)道設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；數(shù)值模擬；氣流分布；計(jì)算流體力學(xué)

中圖分類號(hào)：TS255.8; S126

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553（2024）12-0116-12收稿日期：2023年6月20日

修回日期：2023年8月24日

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（32172057）

第一作者：胡博，男，1994年生，湖北襄陽人，博士研究生；研究方向?yàn)閿?shù)值仿真、圖像識(shí)別控制算法。E-mail：2311142144@qq.com

通訊作者：張勇軍，男，1973年生，山東東營人，研究員，博導(dǎo)；研究方向?yàn)橄冗M(jìn)自動(dòng)控制算法及工業(yè)應(yīng)用。E-mail：zhangyj@ustb.edu.cn

Simulation design of internal air duct of dehydrated vegetable dryer based on EDEM-FLUENT coupling

Hu Bo¹， Liu Yao¹， Zhang Yongjun¹， Long Yan²

（1. Institute of Engineering Technology， University of Science and Technology Beijing， Beijing， 100083， China；2. School of Chemistry and Biological Engineering， University of Science and Technology Beijing， Research Center of Biology and Agriculture， Beijing， 100083， China）

Abstract： In order to solve the problems of unstable quality of drying materials and low utilization rate of hot air caused by uneven distribution of hot air flow inside the dryer， a new vertical multi-layer hot air dryer was taken as the research object， and the EDEM-FLUENT gas-solid two-phase flow coupling method was used to simulate and analyze the air flow inside the air duct of different structures. The influence of different design structures in the inner cavity of the dryer on the distribution of hot air speed and drying efficiency was studied， and the wind speed distribution and non-uniformity coefficient were used as evaluation indexes to optimize the baffle structure of the inner cavity. A relatively ideal design scheme was obtained through comparative testing. Simulation results show that improving vertical wall tilt Angle， side wall tilt Angle and step spacing can effectively improve air distribution uniformity. When the air supply velocity ranges from 8 to 12 m/s， the flow distribution is relatively uniform and the fluctuation of non-uniform coefficient is the smallest.

Keywords： air duct design; structural optimization; numerical simulation; airflow distribution; computational fluid dynamics

0 引言

中國是脫水蔬菜最主要的生產(chǎn)國和出口國，而且總量連續(xù)多年呈現(xiàn)增長趨勢^［1］。生產(chǎn)脫水蔬菜的干燥方法有熱風(fēng)干燥、真空冷凍干燥、紅外線干燥、微波干燥等多種，我國應(yīng)用最為廣泛的是熱風(fēng)干燥，目前采用熱風(fēng)干燥的蔬菜產(chǎn)品產(chǎn)量約占全部產(chǎn)量的90％^［2］。熱風(fēng)干燥法烘干蔬菜的過程中，蔬菜品質(zhì)受到溫度、濕度等因素的影響，烘干室內(nèi)溫度、濕度的分布和氣流的分布緊密相關(guān)，氣流分布越均勻，物料各處含水量越接近，蔬菜烘干的品質(zhì)就越好^［3］。

目前越來越多的烘干機(jī)應(yīng)用在生產(chǎn)加工中，烘干機(jī)的烘干質(zhì)量及能耗水平越來越受重視，但脫水蔬菜行業(yè)中還存在生產(chǎn)效率低、嚴(yán)重依賴人工、烘干能耗過大等突出問題^［4］，通過優(yōu)化烘干機(jī)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)提高烘干效果已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)^［5］。

計(jì)算流體力學(xué)是流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)相互融合的一門新興交叉學(xué)科，為工程設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了一種新的方法。模擬仿真可以清晰直觀地反映內(nèi)部風(fēng)道流場分布情況，對研究內(nèi)部風(fēng)道場分布均勻性情況具有成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，可簡化設(shè)計(jì)過程，大大降低研發(fā)成本和難度。于洋等^［5］采用CFD軟件FLUENT對枸杞烘干機(jī)烘干室內(nèi)流場進(jìn)行了研究，優(yōu)化熱風(fēng)式枸杞烘干機(jī)烘干室的設(shè)計(jì)研究提供了理論依據(jù)。心男^［6］、溫翔宇^［7］、吳昊^［8］等采用EDEM-Fluent方法對耦合顆粒開展了仿真研究。李立偉等^［9］使用CFD-EDM耦合方法模擬水稻側(cè)深施肥的肥料顆粒運(yùn)動(dòng)。楊凱等^［10］對茶葉烘干機(jī)干燥過程建立了數(shù)學(xué)模型?；舳?sup>［^11］對菊花烘干室內(nèi)氣流情況進(jìn)行模擬與優(yōu)化研究。劉道奇等^［12］采用Fluent對負(fù)壓式電加熱干燥機(jī)內(nèi)部流場開展仿真。牟國良^［13］、張學(xué)軍^［14］等對循環(huán)式干燥機(jī)和紅棗干燥設(shè)備進(jìn)行仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)。國外學(xué)者Demissie^［15］、Amanlou^［16］等使用CFD軟件對烘干設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文以空氣能為熱源的干燥設(shè)備為對象，借助EDEM、Fluent和SolidWorks軟件，采用EDEM-Fluent耦合仿真技術(shù)對內(nèi)部風(fēng)道結(jié)構(gòu)、物料顆粒以及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，討論物料顆粒和風(fēng)道結(jié)構(gòu)對氣流分布情況的影響，為烘干設(shè)備設(shè)計(jì)和制造提供參考。

1 內(nèi)部風(fēng)道模型建立及氣流分布模擬方法

1.1 建立內(nèi)部風(fēng)道模型

以某烘干設(shè)備制造企業(yè)正在研制的立式多層熱風(fēng)烘干機(jī)為原型，整體尺寸（長×寬×高）為15 m×6 m×9 m，分為內(nèi)外兩部分，外部主要包含上料傳送帶、風(fēng)機(jī)、加熱爐和熱交換器，內(nèi)部采用立式多層結(jié)構(gòu)，主要包含四條傳送帶和內(nèi)部風(fēng)道，如圖1（a）所示。熱風(fēng)需要穿過多層物料烘干，其間會(huì)有動(dòng)能和溫度損失，需要風(fēng)機(jī)及時(shí)補(bǔ)充風(fēng)動(dòng)能。為配合立式多層熱風(fēng)烘干機(jī)完成風(fēng)機(jī)補(bǔ)風(fēng)和余熱回收，內(nèi)部風(fēng)道需要同時(shí)具備供氣和回收兩種功能。

工作狀態(tài)下，烘干機(jī)需同時(shí)進(jìn)行供氣和回收工作，所以依據(jù)功能可將內(nèi)部風(fēng)道分成進(jìn)氣風(fēng)道和收集風(fēng)道兩部分。本文研究對象是內(nèi)部風(fēng)道的流場分布問題，為有效進(jìn)行仿真分析，對內(nèi)部風(fēng)道進(jìn)行簡化處理，選取內(nèi)部一條傳送帶與內(nèi)部風(fēng)道進(jìn)行幾何模型的構(gòu)建，把傳送帶、風(fēng)機(jī)與相應(yīng)連接處分別進(jìn)行簡化，如圖1（b）所示。

烘干熱氣需盡可能均勻分布在物料烘干區(qū)，考慮到加工難度、成本等因素，選取內(nèi)部風(fēng)道豎直壁面傾斜角度、側(cè)壁傾斜角度和階梯間距為主要研究內(nèi)容，研究三個(gè)變量對氣流場的影響。采用SolidWorks繪制改進(jìn)前內(nèi)部風(fēng)道三維模型如圖1（c）所示，具體參數(shù)如表1所示。

1.2 基本假設(shè)

根據(jù)內(nèi)部風(fēng)道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及熱風(fēng)干燥特性，對干燥過程中的一些物理量進(jìn)行合理假設(shè)。

1）采用熱風(fēng)對流方式加熱物料，進(jìn)風(fēng)速度恒定且均勻，可以忽略傳送帶和內(nèi)部風(fēng)道的熱傳導(dǎo)、熱輻射對物料的影響。

2）風(fēng)道采用外部包裹有專用保溫材料，熱風(fēng)在風(fēng)道內(nèi)對外部熱量損失較小，可視為絕熱。

3）物料干燥過程中，假設(shè)進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口風(fēng)機(jī)工作正常，排濕通風(fēng)情況良好，多余的熱空氣可順利地排除，且風(fēng)道內(nèi)未出現(xiàn)凝結(jié)為水或濕度過大的現(xiàn)象。

4）干燥開始后，烘房內(nèi)部氣流很快趨于穩(wěn)定，在不改變內(nèi)部條件下，對氣流的模擬采用穩(wěn)態(tài)求解。

5）干燥過程會(huì)伴隨水蒸氣的產(chǎn)生與傳遞，風(fēng)道內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)包含了水蒸氣與熱風(fēng)兩種。本文研究目標(biāo)是整個(gè)流場的分布變化，為此假設(shè)氣體為80 ℃的干熱空氣。

6）在達(dá)到物料懸浮速度之前，物料位于傳送帶上，風(fēng)道內(nèi)氣流分布與物料孔隙率和厚度相關(guān)，與物料種類相關(guān)性較小。為簡化建模過程，忽略物料種類和切分大小對仿真的影響，本文選用玉米顆粒作為研究對象。

1.3 玉米顆粒EDEM模型和參數(shù)

1.3.1 玉米顆粒物理模型和參數(shù)

試驗(yàn)選用玉米顆粒作為研究對象，通過查閱資料確定所選材料的密度、泊松比和物料的剪切模量，采用游標(biāo)卡尺測定玉米顆粒的直徑，得到玉米顆粒長度、寬度、厚度。材料基本參數(shù)如表2所示^{［18， 19］}。由于種子形狀多樣，根據(jù)現(xiàn)場樣本可分為扁平形、長扁形、類球形3類，如圖2所示。

通過顆粒懸浮狀態(tài)下的力學(xué)平衡公式推導(dǎo)玉米顆粒的自由懸浮速度，采用其適用粒徑法，根據(jù)物料等效直徑所在范圍確定阻力系數(shù)，將其代入顆粒的自由懸浮速度式求得玉米顆粒懸浮速度理論值?；贓DEM-Fluent氣固兩相流耦合仿真模擬玉米顆粒在傳送帶上干燥過程，得出熱風(fēng)流場分布和玉米顆粒懸浮速度。其中烘干熱風(fēng)風(fēng)速應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)，能夠穿透物料但不超過玉米顆粒的自由懸浮速度。

1.3.2 玉米顆粒懸浮速度理論計(jì)算

在物料懸浮狀態(tài)條件下，根據(jù)受力平衡原理和物料受力分析可知，物料豎直向下的重力等于物料在流體中豎直向上的浮力與豎直向上的阻力之和。在求解非球狀物料的懸浮速度時(shí)引入修正系數(shù)，采用懸浮速度分區(qū)計(jì)算法和等效粒徑法確定空氣阻力系數(shù)值，將物料和氣流特性參數(shù)代入受力平衡方程并計(jì)算懸浮速度，即獲取物料懸浮速度理論數(shù)值，計(jì)算如式（1）、式（2）所示。

式中：G——玉米重力，N；

F_a——空氣阻力，N；

F_f——空氣阻力，N；

C——阻力系數(shù)；

ρ_a——空氣密度，kg/m³；

ρ——物料密度，kg/m³；

S——迎風(fēng)面積，m²；

v_f——物料懸浮速度，m/s；

g——重力加速度，9.81 m/s²；

r₁——物料長度，m；

r₂——物料寬度，m；

r₃——物料高度，m。

對式（1）、式（2）整理，推導(dǎo)出物料懸浮速度計(jì)算如式（3）所示。

由于阻力系數(shù)C是顆粒雷諾數(shù)Ｒe的函數(shù)，不能直接求得物料顆粒懸浮速度，因此依據(jù)待測物料顆粒等效直徑所在范圍確定阻力系數(shù)。

式中：μ——空氣動(dòng)力粘度，Pa·s。

玉米密度為1 197 kg/m³，玉米顆粒等效直徑d約為5～10 mm、空氣密度ρ_a=1.293 kg/m³、空氣動(dòng)力粘度μ=1.82×10^-5 Pa·s，代入式（4）中，得出對應(yīng)阻力系數(shù)C的顆粒等效直徑范圍。

經(jīng)計(jì)算，玉米顆粒等效直徑均在式（4）其一范圍，因此將阻力系數(shù)C=0. 44代入式（3）計(jì)算得：玉米顆粒懸浮速度15.12～21.28 m/s。

1.4 數(shù)值模擬方法

在三維建模軟件SolidWorks中直接構(gòu)建流場域和玉米顆粒模型存為igs格式，導(dǎo)入ANSYS Workbench使用Mesh自動(dòng)網(wǎng)格劃分，同時(shí)設(shè)置流場域的進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口和壁面并導(dǎo)出網(wǎng)格存為msh格式，

分別導(dǎo)入ANSYS Fluent和EDEM軟件并設(shè)置參數(shù)。在EDEM種設(shè)置3種玉米顆粒模型數(shù)量總量為50 000顆，扁平形、長扁形、類球形比例為3∶1∶1，具體形狀如圖2所示；并設(shè)置玉米顆粒與傳送帶之間接觸特征參數(shù)，并設(shè)置重力加速度方向。玉米顆粒表面光滑幾乎無粘附力，玉米顆粒間、玉米顆粒與傳送帶間均采用Hertz-Mindlin無滑動(dòng)接觸模型，查閱文獻(xiàn)獲取物料仿真參數(shù)如表3所示^{［20， 21］}。

表3 仿真參數(shù)

Tab. 3 Simulation parameters類型/參數(shù)/數(shù)值玉米—玉米/碰撞恢復(fù)系數(shù)/0.43靜摩擦系數(shù)/0.27滾動(dòng)摩擦系數(shù)/0.05玉米—鋼板/碰撞恢復(fù)系數(shù)/0.66靜摩擦系數(shù)/0.38滾動(dòng)摩擦系數(shù)/0.04

本文研究的是低壓下的干熱氣體流動(dòng)問題，選擇壓力基求解器并確定壓強(qiáng)速度的關(guān)聯(lián)形式，選擇SIMPLE求解算法，確定插值方法為一階格式。仿真壓強(qiáng)設(shè)置為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，設(shè)置溫度為293.16 K，在豎直方向設(shè)置重力加速度為-9.81 m/s²，求解控制采用默認(rèn)設(shè)置，設(shè)置收斂精度為10^-4。

本試驗(yàn)流體屬于黏性湍流，所以在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，選用具有較好收斂性能及合理精度的k-ε模型^［25］，并假設(shè)近壁處的流動(dòng)符合標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，避免流體在壁面流動(dòng)時(shí)出現(xiàn)失真，更接近于實(shí)際烘烤狀況。因此，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型來模擬烘室內(nèi)空氣的流動(dòng)。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍動(dòng)能k和耗散率ε方程如式（6）～式（8）所示^{［23， 24］}。

湍動(dòng)能k方程

耗散率 ε 方程

式中：μ_l——層流黏性系數(shù)；

μ_t——湍流黏性系數(shù)；

ρ——流體密度；

t——時(shí)間；

x_i、x_j ——位移在i、j方向的分量；

u_i、u_j ——流體速度在i、j方向的分量；

G_k——層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；

G_b——浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；

C_μ——湍流常數(shù)，取0.09；

G_δε——湍流擴(kuò)散率；

σ_k——湍動(dòng)能的湍流普朗特?cái)?shù)，取1.0；

σ_ε——耗散率的湍流普朗特?cái)?shù)，取1.3；

C_1ε、C_2ε——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取1.44、1.92。

1.5 邊界條件設(shè)定

烘干機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)，物料均勻平鋪在內(nèi)部流水線上，熱氣通過外部風(fēng)機(jī)從進(jìn)風(fēng)口流送入進(jìn)氣內(nèi)部風(fēng)道，在穿過物料層時(shí)進(jìn)行熱交換以實(shí)現(xiàn)物料干燥，同時(shí)進(jìn)出風(fēng)口溫度及風(fēng)速保持恒定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果，確定氣流進(jìn)出口邊界條件和風(fēng)道壁面邊界條件。進(jìn)風(fēng)口選擇速度進(jìn)口邊界條件，速度設(shè)置為10 m/s；物料層上表面選擇壓力出口邊界條件作為出口邊界。內(nèi)部風(fēng)道壁面為固定壁面，不與外部進(jìn)行熱量交換，壁面溫度與常溫環(huán)境溫度保持一致，所以壁面邊界條件設(shè)置為固定壁面且忽略壁面粗糙程度、壁面溫度設(shè)置為293 K。

EDEM-Fluent氣固耦合模擬選用Lagrangian模型，氣流對固體顆粒的作用選取Free-stream模型；根據(jù)EDEM與Fluent耦合數(shù)據(jù)傳遞的時(shí)間匹配要求，玉米顆粒在EDEM中的時(shí)間步長分別設(shè)置為1×10^-6 s，在Fluent中的時(shí)間步長分別設(shè)置為1×10^-4 s；根據(jù)前期試驗(yàn)效果，設(shè)置入風(fēng)口風(fēng)速為10 m/s，運(yùn)行軟件并獲取玉米顆粒氣固耦合仿真結(jié)果。

1.6 評(píng)價(jià)指標(biāo)

為真實(shí)全面地反映模擬仿真后的內(nèi)部風(fēng)道流場均勻性情況及氣流分布特性，本文選取了平均速度、氣流分布云圖和不均勻系數(shù)3種評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)合3種指標(biāo)分析，可以精確直接得到內(nèi)部風(fēng)道及參數(shù)的變化。

1）平均速度。內(nèi)部風(fēng)道各參考面的平均風(fēng)速大小，反映了其氣流強(qiáng)度大小。平均風(fēng)速越大，越有利于氣流在內(nèi)部風(fēng)道的流動(dòng)，滯留在風(fēng)道內(nèi)的可能性越小^{［25， 26］}。

式中：V-——速度分布的總體均值，m/s；

n——選取的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)；

V_n——各監(jiān)測點(diǎn)速度，m/s。

2）氣流分布云圖。氣流分布云圖能夠直觀地反映出氣流的速度、溫度、壓力等分布情況，通過對氣流分布云圖的觀察和對比，可以挑選出較好的內(nèi)部風(fēng)道結(jié)構(gòu)，主要采用速度云圖^［26-29］。

3）速度不均勻系數(shù)M。為了內(nèi)部風(fēng)道各參考面風(fēng)速分布的均勻性進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，引入速度不均勻系數(shù)M^［30-32］，計(jì)算如式（11）所示。

式中：σ——平均速度標(biāo)準(zhǔn)差。

速度不均勻系數(shù)M越大，說明風(fēng)道內(nèi)部風(fēng)速分布越不均勻；M越小，代表風(fēng)速分布均勻性越好，表明干燥后的產(chǎn)品均勻性或品質(zhì)會(huì)越好。此外，在同一結(jié)構(gòu)不同監(jiān)測平面的速度不均勻系數(shù)M越接近，說明風(fēng)道內(nèi)部風(fēng)速分布越相似。

2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

改進(jìn)前內(nèi)部風(fēng)道網(wǎng)格劃分為108 863、203 291、570 321、1 150 422和2 234 706，共5種數(shù)目進(jìn)行數(shù)值模擬。坐標(biāo)系位置如圖3（a）所示，Y方向參考面位置如圖3（b）所示，選取內(nèi)部風(fēng)道（X=0，Z=0）沿Y方向，以及選取內(nèi)部風(fēng)道（X=0，Y=0）沿Z方向，兩個(gè)平面上風(fēng)速分布來表征網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量對熱風(fēng)運(yùn)動(dòng)的影響。風(fēng)道與玉米顆粒的耦合模型如圖3（c）所示，耦合模型氣流速度場分布如圖3（d）所示。

不同網(wǎng)格數(shù)氣流速度分布如圖4所示，可以看出氣流速度在不同位置點(diǎn)趨勢相同，但網(wǎng)格數(shù)為108 863與203 291時(shí)，在Y軸（0.18 m，0.55 m）間與Z軸（0.15 m，1.5 m）間截面風(fēng)速與其余3種網(wǎng)格相差較大。隨網(wǎng)格加密，仿真模擬結(jié)果間的截面風(fēng)速差值逐漸減小。這是由于此處氣流波動(dòng)大和湍流變化較劇烈，引起誤差增大。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增大后模擬速度趨勢相同，可以滿足仿真要求，選取網(wǎng)格數(shù)目為1 150 422進(jìn)行模擬仿真。改進(jìn)后的風(fēng)道結(jié)構(gòu)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證過程與上述一致，選取網(wǎng)格數(shù)目1.1×10⁶～1.3×10⁶的網(wǎng)格進(jìn)行仿真。

3 內(nèi)部風(fēng)道速度場模擬與分析

如圖5所示，氣流從左側(cè)進(jìn)風(fēng)口水平進(jìn)入，經(jīng)風(fēng)道的右側(cè)壁面偏移，沿豎直方向穿過物料流出。在此過程中，氣流會(huì)產(chǎn)生湍流、回流、滯留等不利于熱風(fēng)流出情況，為此本文通過調(diào)節(jié)右側(cè)壁面傾斜角度、前后側(cè)壁傾斜角度和階梯間距優(yōu)化風(fēng)道內(nèi)流場的分布情況。

3.1 五級(jí)壁面傾斜角度對速度場的影響

左側(cè)氣流接觸到右側(cè)壁面會(huì)產(chǎn)生回流和湍流，并在右側(cè)壁面五個(gè)夾角處會(huì)產(chǎn)生部分低流速區(qū)，導(dǎo)致熱風(fēng)滯留在風(fēng)道內(nèi)。調(diào)整內(nèi)部風(fēng)道五級(jí)壁面傾斜角度可減小回流和低流速區(qū)，將傾斜角分別設(shè)置為15°、30°、45°、60°，并進(jìn)行仿真測得最佳角度。選取Y-Z平面上的兩個(gè)截面（X=0 m，X=0.5 m）和物料層下表面所處截面（Y=0.58 m）進(jìn)行分析。

從圖5（a）～圖5（d）可以看出，氣流從左側(cè)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入風(fēng)道，在慣性作用下一直流動(dòng)到接觸豎直壁面，氣流開始向進(jìn)風(fēng)口遠(yuǎn)端上部和兩側(cè)低壓區(qū)擴(kuò)散，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)口近端上部和階梯壁面夾角處產(chǎn)生一定范圍的低速區(qū)。進(jìn)風(fēng)口近端上部低速區(qū)面積隨著傾斜角度增加而增加，這是由壁面傾斜對氣流阻礙減小，更多的氣流流入進(jìn)風(fēng)口遠(yuǎn)端上部所致。對比圖5（a）～圖5（h）可以看出，X=0.5 m平面比X=0 m平面氣流速度明顯減小，最大速度減小至9 m/s，進(jìn)風(fēng)口近端上部低速區(qū)面積增加。從圖5（i）～圖5（l）中可以看出，隨著傾斜角度增加，Y=0.58 m平面的氣流速度提升，兩側(cè)低速區(qū)域面積減小，中部高速區(qū)面積增大。傾斜角為30°時(shí)，氣流高速區(qū)面積最大。

為了更好地表現(xiàn)出風(fēng)道內(nèi)氣流的均勻分布情況，試驗(yàn)選取X-Z平面上的6個(gè)截面進(jìn)行分析，基本覆蓋了整個(gè)風(fēng)道空間。監(jiān)測的截面沿Y軸方向分布，分別為Y=0.18 m、Y=0.28 m、Y=0.38 m、Y=0.48 m、Y=0.58 m、Y=0.63 m。監(jiān)測截面各監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置如下：X 軸方向布置35 列，Z 軸方向根據(jù)長度分別設(shè)置為5行、14 行、23行、32行、41行。各監(jiān)測點(diǎn)間距50 mm，6個(gè)平面分別選取175、490、805、1 120、1 435、1 435個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)記錄各監(jiān)測面上監(jiān)測點(diǎn)的速度，計(jì)算平均速度和速度不均勻系數(shù)。

從圖6（a）可知，壁面傾角為0°、15°時(shí)，在監(jiān)測面0.28 m以下區(qū)域，平均速度逐漸增加；在監(jiān)測面0.28 m以上區(qū)域，隨著監(jiān)測面的高度增加平均速度逐漸減小。壁面傾角為30°、45°和60°時(shí)，平均速度隨監(jiān)測面的高度增加一直減小。由于壁面傾角的作用，使得垂直流向第一級(jí)階梯的氣流沿壁面向右上和左下流動(dòng)，壁面處湍流損耗降低，進(jìn)風(fēng)口近端氣流平均速度增加；而進(jìn)風(fēng)口遠(yuǎn)端氣流隨著壁面傾角增加，平均速度先增大后減小，其中30°時(shí)平均速度最大。

從圖6（b）可知，原始模型在0.18 m和0.28 m處不均勻系數(shù)最大，隨監(jiān)測面高度增加，不均勻系數(shù)整體趨勢是減小的，在0.58 m處稍有增加。壁面傾角從0°增加到60°，風(fēng)道底部不均勻系數(shù)逐漸降低，但0.28 m以上區(qū)域不均勻系數(shù)明顯增加；即底部氣流分布情況改善，但上部均勻性變差。經(jīng)綜合分析，壁面傾角為30°時(shí)，各監(jiān)測面不均勻系數(shù)較小且平均速度最大，其氣流均勻性優(yōu)于其他方案。

3.2 側(cè)壁傾斜角度對速度場的影響

氣流從進(jìn)風(fēng)口流入風(fēng)道，從高壓區(qū)進(jìn)入低壓區(qū)，氣壓減小氣流向四周擴(kuò)散。如圖7所示，在風(fēng)道底部低于進(jìn)風(fēng)口且沒有出風(fēng)口，左右兩側(cè)下部會(huì)產(chǎn)生低流速區(qū)和湍流，存在熱風(fēng)滯留情況。內(nèi)部風(fēng)道側(cè)壁向內(nèi)傾斜可減小湍流和低流速區(qū)，角度調(diào)整為15°、30°、45°，側(cè)壁上部保留85 mm垂直壁面用于安裝和固定使用，如圖7所示。

選取Y-Z平面上的兩個(gè)截面（X=0 m，X=0.5 m）和物料層下表面所處截面（Y=0.58 m）進(jìn)行分析。從圖8（a）～圖8（c）可以看出，隨著側(cè)壁角度增加，階梯壁面低速區(qū)面積逐漸減少。對比側(cè)壁角度15°、30°、45°時(shí)的速度云圖，可以發(fā)現(xiàn)角度越大，風(fēng)道中部氣流速度越大。如圖8（d）～圖8（f）所示，隨著側(cè)壁角度從15°增大到45°，

風(fēng)道中部的氣流速度同樣增加，氣流在慣性作用下一直運(yùn)動(dòng)到接觸豎直壁面，氣流才向進(jìn)風(fēng)口遠(yuǎn)端上部和側(cè)壁低壓區(qū)擴(kuò)散。側(cè)壁角度45°的模型底部空間小，氣流更多流向進(jìn)風(fēng)口遠(yuǎn)端，兩側(cè)氣流量減小，所以進(jìn)風(fēng)口近端上部氣流低速區(qū)比其他兩種模型大。從圖8（g）～圖8（i）可以看出，隨著側(cè)壁傾斜角度增加，風(fēng)速2～3 m/s區(qū)域面積減小并向中間集中，風(fēng)速4～7 m/s區(qū)域顯著增加。側(cè)壁角度45°速度云圖大于2 m/s的區(qū)域比其他兩種模型大于2 m/s的區(qū)域大，氣流更連續(xù)集中。通過分析風(fēng)道內(nèi)各截面的速度分布云圖，設(shè)置側(cè)壁傾斜45°時(shí)氣流分布均勻性較好。

為了更好地表現(xiàn)出風(fēng)道內(nèi)氣流的均勻分布情況，與3.1節(jié)一致，試驗(yàn)選取Y=0.18 m、Y=0.28 m、Y=0.38 m、Y=0.48 m、Y=0.58 m、Y=0.63 m，X軸方向布置35 列，Z軸方向根據(jù)長度分別設(shè)置為6行、15 行、24行、33行、42行。各監(jiān)測點(diǎn)間距50 mm，6個(gè)平面分別選取210、525、840、1 155、1 470、1 470個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，計(jì)算平均速度和速度不均勻系數(shù)。

從圖9（a）可知，側(cè)壁傾角為15°、30°、45°時(shí)，隨著監(jiān)測面的高度增加平均速度逐漸減小。在0.38 m和0.48 m處，側(cè)壁傾斜15°、30°模型平均速度小于原模型，其余參考面平均速度均大于原模型。而傾斜45°模型平均速度在各參考面均大于其他模型。

從圖9（b）可知，監(jiān)測面在小于0.38 m以下區(qū)域，改進(jìn)模型不均勻系數(shù)逐漸增加；監(jiān)測面在大于0.38 m區(qū)域，改進(jìn)模型不均勻系數(shù)波動(dòng)減小。由于側(cè)壁傾斜作用，改進(jìn)模型在0.28 m處的氣流更加集中，不均勻系數(shù)減??；而在0.38 m處氣流擴(kuò)散更廣，不均勻系數(shù)增加。與改進(jìn)模型對比，原始模型在0.18 m和0.28 m處不均勻系數(shù)最大，在0.38 m和0.58 m處不均勻系數(shù)最小。經(jīng)綜合分析，側(cè)壁傾角為45°時(shí)，各監(jiān)測面不均勻系數(shù)相對較小且平均速度最大，其氣流均勻性優(yōu)于其他方案。

3.3 階梯間距對速度場的影響

氣流從左側(cè)進(jìn)風(fēng)口流入，接觸到右側(cè)壁面會(huì)產(chǎn)生回流和湍流，適當(dāng)調(diào)整階梯間距可以減小湍流改善流場分布情況。為方便表述將進(jìn)風(fēng)口與最近垂直壁面之間距離記為間距1，按遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口方向?qū)⒋怪北诿骈g水平距離依次記為間距2、間距3、間距4、間距5。根據(jù)熱風(fēng)烘干機(jī)設(shè)計(jì)需要，間距1與外部結(jié)構(gòu)固定，需要保持300 mm不變，間距2、間距3、間距4和間距5的總長度為1 800 mm。由圖5和圖8可知，高流速區(qū)靠近進(jìn)風(fēng)口遠(yuǎn)端一側(cè)，適當(dāng)縮短間距2和3，并適當(dāng)增加間距4和間距5可改變高流速區(qū)位置。此外縮短間距2和間距3，可縮小風(fēng)道前部體積，降低湍流強(qiáng)度和氣流動(dòng)能損失。模型階梯間距參數(shù)設(shè)定如表4所示，方案五是對照組，增加間距2和3減小間距4和5。選取Y-Z平面上的兩個(gè)截面（X=0 m，X=0.5 m）和物料層下表面所處截面（Y=0.58 m）進(jìn)行分析。

從圖10（a）～圖10（h）可知，方案二中進(jìn)風(fēng)口近端上部低流速區(qū)面積最小，同時(shí)高流速區(qū)域面積最大且靠近中間。方案五中進(jìn)風(fēng)口近端上部低流速區(qū)面積最大，氣流集中在進(jìn)風(fēng)口遠(yuǎn)端，速度分布不均勻。從圖10（i）～圖10（l）中可以看出，隨著間距2和間距3的增加，高流速區(qū)氣流速度減小，并逐漸向進(jìn)風(fēng)口遠(yuǎn)端靠近。進(jìn)風(fēng)口近端低流速區(qū)面積增加，兩側(cè)壁面氣流速度減小。其中方案二中部氣流速度最大，進(jìn)風(fēng)口近端低速區(qū)分布集中。通過分析風(fēng)道內(nèi)各截面的速度分布云圖，認(rèn)為方案二氣流分布均勻性較好。

與3.1節(jié)一致，試驗(yàn)選取Y=0.18 m、Y=0.28 m、Y=0.38 m、Y=0.48 m、Y=0.58 m、Y=0.63 m，6個(gè)截面進(jìn)行分析，各面分別選取監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量如表5所示，統(tǒng)計(jì)記錄各監(jiān)測面上監(jiān)測點(diǎn)的速度，計(jì)算平均速度和速度不均勻系數(shù)。

從圖11（a）可知，隨著監(jiān)測面的高度增加，四種改進(jìn)方案平均速度逐漸減小。方案二、方案三、方案四平均速度情況好于原模型，其中方案二在0.38 m、0.48 m和0.58 m處平均速度明顯大于其他方案；方案五在0.18 m和0.28 m處速度大于原模型，其余參考面平均速度均小于原模型。

從圖11（b）可知，隨著監(jiān)測面的高度增加，四種改進(jìn)方案不均勻系數(shù)在0.4～0.6范圍內(nèi)波動(dòng)。間距2和間距3越小時(shí)，不均勻系數(shù)的波動(dòng)越小，其中方案五波動(dòng)最大，方案二波動(dòng)最小。經(jīng)綜合分析，方案二各監(jiān)測面不均勻系數(shù)波動(dòng)較小且平均速度最大，其氣流均勻性優(yōu)于其他方案。

3.4 優(yōu)化方案組合與對比分析

通過調(diào)整烘干機(jī)內(nèi)部風(fēng)道豎直壁面傾斜角度、側(cè)壁傾斜角度和階梯間距3種優(yōu)化方法進(jìn)行模擬分析，對比確定了每種優(yōu)化方法的最佳選擇：豎直壁面傾斜角度30°、側(cè)壁傾斜角度45°、階梯間距方案二，上述三種方案氣流分布均勻性最佳。為進(jìn)一步研究優(yōu)化方法結(jié)合效果，先選擇豎直壁面傾斜角度30°和側(cè)壁傾斜角度45°進(jìn)行組合設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合階梯間距方案二。

由圖12可知，兩種組合方案在X=0 m截面氣流分布情況相似，三種改進(jìn)結(jié)合方案在X=0.5 m截面氣流充分?jǐn)U散，進(jìn)風(fēng)口近端上部和階梯壁面低速區(qū)明顯減小，相比于豎直壁面30°與側(cè)壁45°組合方案，氣流均勻性得到改善。豎直壁面30°與側(cè)壁45°組合在Y=0.58 m截面氣流都集中在進(jìn)風(fēng)口遠(yuǎn)端，三種改進(jìn)結(jié)合方案近端和側(cè)壁邊沿區(qū)域有低速區(qū)面積更小，截面整體氣流均勻性更好。

從圖13（a）可知，隨著監(jiān)測面的高度增加，五種方案的平均速度逐漸減小，變化趨勢相同，其中三種改進(jìn)結(jié)合方案的平均速度最大。從圖13（b）可知，側(cè)壁45°和兩種組合方案不均勻系數(shù)變化趨勢相同，階梯間距和豎直壁面最優(yōu)方案不均勻系數(shù)在0.4～0.6之間波動(dòng)。側(cè)壁45°對0.18 m監(jiān)測面平均速度和不均勻系數(shù)提升明顯。三種改進(jìn)結(jié)合方案的不均勻系數(shù)除0.18 m面外，在其他監(jiān)測面均為最小，其中0.38 m和0.58 m明顯提升，各監(jiān)測面氣流均勻性有所提升。三種改進(jìn)結(jié)合方案的氣流均勻性優(yōu)于其他四種改進(jìn)方案，選擇三種改進(jìn)結(jié)合方案作為內(nèi)部風(fēng)道。

3.5 進(jìn)風(fēng)速度對內(nèi)部風(fēng)道速度場的影響

每個(gè)內(nèi)部風(fēng)道外設(shè)置一臺(tái)變頻風(fēng)機(jī)，用于輸送干燥熱風(fēng)的和回收干燥后廢氣。考慮變頻風(fēng)機(jī)供氣速度大小對內(nèi)部風(fēng)道速度場的影響，選擇4個(gè)風(fēng)速（4 m/s、6 m/s、8 m/s、12 m/s）與原始設(shè)置數(shù)值10 m/s時(shí)進(jìn)行對比分析。

選取Y-Z平面上的一個(gè)截面（X=0 m）進(jìn)行分析。

從圖14可以看出，隨著變頻風(fēng)機(jī)供氣速度的增加，各區(qū)域速度均勻性變化不大，進(jìn)風(fēng)口近端上部和遠(yuǎn)端低流速區(qū)有所減少。供風(fēng)速度為4 m/s、6 m/s時(shí)，階梯壁面夾角存在低流速區(qū)；供風(fēng)速度為8 m/s、10 m/s、12 m/s時(shí)，氣流分布情況相似，階梯壁面和進(jìn)風(fēng)口遠(yuǎn)端低流速區(qū)明顯減小。

從圖15（a）可知，變頻風(fēng)機(jī)供氣速度越大，則各監(jiān)測面的平均速度越大；在不同供氣速度下，各監(jiān)測面的平均速度變化趨勢相同。供氣速度為4 m/s、6 m/s時(shí)，平均速度變化平緩；供氣速度為8 m/s、10 m/s、12 m/s時(shí)，平均速度變化逐步增加，其中在（0.28 m，0.38 m）波動(dòng)幅度最大。從圖15（b）可知，供氣速度為4 m/s時(shí)，各監(jiān)測面不均勻系數(shù)均為最大；變頻風(fēng)機(jī)供氣速度為6 m/s、8 m/s、10 m/s、12 m/s時(shí)，各監(jiān)測面的不均勻系數(shù)變化趨勢相似。

4 結(jié)論

利用離散元EDEM軟件對玉米顆粒建立多物理模型，并與計(jì)算流體力學(xué)FLUENT軟件耦合，對不同風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，完成網(wǎng)格劃分及相應(yīng)邊界條件的設(shè)定，模擬出氣流在烘干單元中的分布情況。初步解決立式多層熱風(fēng)烘干機(jī)供氣系統(tǒng)實(shí)際需要，研究結(jié)果為立式多層熱風(fēng)烘干機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和后續(xù)內(nèi)部風(fēng)道改進(jìn)提供技術(shù)指導(dǎo)和理論支持。

1）在進(jìn)風(fēng)速度相同時(shí)，改進(jìn)風(fēng)道豎直壁面傾斜角度、側(cè)壁傾斜角度和階梯間距可以提升氣流分布均勻性。設(shè)置風(fēng)道豎直壁面傾斜角度30°時(shí)，風(fēng)道內(nèi)氣流分布性最好；設(shè)置側(cè)壁傾斜角度45°時(shí)氣流分布效果最好；階梯間距1至間距5分別設(shè)置為300 mm、300 mm、300 mm、500 mm、700 mm時(shí)，氣體流動(dòng)性最好。

2）在進(jìn)出風(fēng)口面積相同時(shí)，風(fēng)道豎直壁面傾斜角度、側(cè)壁傾斜角度和階梯間距組合方案的氣流均勻性優(yōu)于三種單一改進(jìn)方案，風(fēng)道內(nèi)氣流流動(dòng)強(qiáng)度提升明顯，氣流均勻性有很大改善。

3）風(fēng)機(jī)供氣速度為8～12 m/s時(shí)，在此速度區(qū)間各截面分布情況最為接近、不均勻系數(shù)波動(dòng)幅度最小，進(jìn)入物料層的氣流分布相對均勻，同時(shí)氣壓適中保證氣流穿過且不會(huì)吹飛物料。

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