基于FIuent的多功能烤房流場分析及結構優化

關鍵詞：Fluent；多功能烤房；流場；結構優化中圖分類號：TS441 文獻標識碼：A文章編號：0439-8114（2025）07-0171-07DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2025.07.02開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：：

Flowfield analysisand structural optimization of the multi-functionalcuringbarnbasedonFluent

LIFengla，RAO Zhi² ，TANHuala，WEIJun-ganglb，CHENLi-mengla，RENTingla，FAN Zi-lingla，LI Xian-qiula （a.Collged;dadalUi; 2.Hongyun Honghe Tobacco（Group） Co.，Ltd.，Kunming 650231，China）

Abstract：Takingthemulti-functionalcuringbarnastheresearchobject，numerical simulationresearchwasconductedusingFluent software based on the standard turbulence model theory.The influences of key parameters such as air inlet width，distance between thetrayandthesidewallof hecuringbarn，anddeflectoriclinationangleontheflowfieldweresystematicallyanalyzd，erifying theregulatoryefectsofdiferentstructuralschemesonthestabilityoftheinteralflowfieldofthecuringban.Theresultsshowedtat theoptimalcombinationofstructuralparametersforthemulti-functionalcuringbarnwasanairinletwidthof2.7mandadistancof 300 mmbetwenthetrayandthesidewall.Aftertesting thedeflectorsystemwithawidthof3O0mmandaspacingof2Omm，itwas found that when the deflector inclination angle was 45^° ，the uniformityof the internal flow fieldof the curing barn reached its optimal state，allowing airflow to act uniformly on the material surfaceand significantly improving the drying effect.

KeyWords：Fluent；multi-functional curingbarn；flow field；structural optimization

煙草是中國種植規模最大的非食用經濟作物之一，產業競爭力強，社會影響廣泛而深遠。隨著現代化密集烤房的推廣，各地區政府、企業投入高成本建設基礎設施和烘烤設備，使煙葉的烘烤效率得到提升，但傳統烤房的烘烤周期短，導致烤房有 70% 左右的時間處于閑置狀態[]。發展多功能烤房，既有助于提高烤房利用率、推動農業經濟多元化發展，又能助力煙農持續增收，防范規模性返貧，符合現代農業發展趨勢。

烤房內的氣流與溫度分布直接影響煙葉烘烤品質，是決定煙農收益的關鍵因素。烤房烘烤過程存在熱-流-固（THM）多物理場耦合現象，關鍵參數難以精準監測，導致試驗驗證成本顯著增加。采用數值模擬技術，通過計算機仿真和數字化建模，建立烤房烘烤過程的數值模型2，模擬和分析氣流分布特性，優化關鍵工藝參數，為多功能烤房的優化設計提供科學依據。

陳子民等3利用Fluent動網格數值仿真，提出勻速 + 停滯復合運動的可控移動導風板機構，優化頂風式熱泵干燥箱的氣流場。陳家樂等4采用Flu-ent軟件對烘干室內部熱風流場進行模擬，通過優化結構托盤間距及導風板方向，解決局部氣流堆積問題。于洋等[5基于Fluent軟件模擬烤房溫度場分布，通過優化換熱板流道結構參數（高度、寬度、間距）有效提高了枸杞干燥效率。Odewole等[發現氣流速度、溫度及托盤的排列方式均對干燥材料的水分去除速度產生顯著影響。Kumar等基于COM-SOLMultiphysics軟件，采用有限元法（FEM）建立了蘋果干燥過程的多相多孔介質傳輸模型，結果表明，樣品表面及近表面區域液態水與水蒸汽的飽和度較低，而內部區域飽和度較高，該模型可優化蘋果干燥工藝。Cao等8基于多孔介質熱質傳遞理論建立了烤房內熱質傳遞過程的三維數值模型，研究表明，墻體保溫性能和循環空氣量顯著影響煙葉干燥效率。Sakamoto等通過數值模擬研究了煙草切絲在不同烘烤條件下的干燥過程，建立的模型與試驗數據吻合，可準確預測煙草干燥過程中的溫度和水分變化規律。針對當前烘干設備普遍存在的流場不均勻問題，采用數值模擬方法分析烤房氣流分布特性，通過優化結構布局改變氣流流動規律，為多功能烤房設計提供優化方案與技術參考。

1模型建立

1.1 物理模型

多功能烤房由加熱系統、控制系統和智能化系統3個主要部分組成。其中，加熱系統采用太陽能光伏光熱系統與熱泵系統相結合的方式，以熱泵系統作為主要熱源，太陽能系統作為輔助熱源。控制系統包含人機交互界面（HMI）遠程監控功能及預警保護機制。智能化系統則主要由數據采集模塊和通信模塊構成。烤房內部結構嚴格遵循國煙辦綜[2009]418號文件的技術規范，其主體尺寸為 8.0m （長） ×2.7m （寬） ×3.5m （高）。根據文件要求，進風口設計尺寸為 2.7m （寬） ×0.5m （高），出風口尺寸為2.7m （寬） ×0.4m （高）。多功能烤房三維模型如圖1所示。

1.2 網格劃分

考慮到烤房內部結構復雜，為提高計算效率并確保結果可靠性，對模型進行簡化，簡化后的模型導入SCDM軟件后，執行烤房內部流體域的幾何抽取操作，并對關鍵區域進行命名，將進風口命名為inlet，出風口命名為outlet。在網格劃分階段，為提高計算收斂性，優先采用Fluent軟件的結構化網格進行離散，最終生成的網格單元總數為3175834個，平均網格質量達0.89，滿足計算要求。

圖1多功能烤房三維模型

1.3 控制方程

采用標準 k-ε 湍流模型對多功能烤房內流場特性進行數值模擬分析。該模型作為工程領域廣泛應用的湍流模型，通過求解湍流動能（和湍流耗散率來表征湍流特性，其中k方程描述湍流脈動動能輸運過程，方程表征湍流能量耗散機制，二者共同構成了完整的湍流動力學描述體系。該模型具備精確模擬邊界層流動、自由剪切流動及回流區流動等湍流現象的能力，同時保持計算效率與穩定性。烤房內氣體流動過程受控于質量守恒、動量守恒和能量守恒三大守恒定律。

1）質量守恒。

式中， u，v，w 分別為流體在 x，y，z 方向上的速度分量： _;ρ 為流體密度。

2）動量守恒。動量守恒方程是從受力角度來描述流體的流動。

式中， uU，vU，wU 分別表示熱空氣流在 x，y，z3 個方向上的速度張量； p 為靜壓; τ 為熱空氣流的應力張量； F 為單位體積流體受到的外力； Φ_t 為時間。

3）能量守恒。

式中， T 為流體熱力學溫度； k 為流體傳熱系數；C_ρ 為流體比熱； S_T 為黏性耗散項。

1.4 模擬條件

在烘烤過程中，烤房與外部環境存在明顯溫差，導致持續的熱交換現象。其圍護結構采用復合保溫設計，總厚度為 50mm ，其中主體為 48mm 厚的聚氨酯保溫層，兩側各覆 1mm 厚的彩鋼板作為保護層。根據實測數據，烤房運行期間室外溫度為 24^9C ，初始加熱階段室內溫度達 47^°C 。基于傅里葉傳熱定律，通過計算復合圍護結構各層材料的熱阻得到單位面積傳熱量，計算式如下。

式中， Q 為單位面積傳熱量； Δt 為內外表面溫差； t₁ 為壁面內表面溫度； t₀ 為壁面外表面溫度； α 為表面傳熱系數； α_i 為壁面內表面傳熱系數； α₀ 為壁面外表面傳熱系數； δ₁，δ₃ 為兩側彩鋼板厚度； δ₂ 為中間層聚氨酯保溫層厚度； λ₁，λ₃ 為兩側彩鋼板導熱系數； λ₂ 為聚氨酯保溫層導熱系數。

烤房進出口邊界條件設定如表1所示。

表1烤房進出口邊界條件設定

1.5 評價指標

為量化烤房結構優化后的流場特性差異，采用氣流速度、不均勻系數和云圖變化3個評價指標進行評估[10.11]

1云圖變化直觀反映烤房內的溫度、氣流速度、壓力及流向分布情況。通過云圖顏色變化識別烤房內部的氣流狀況，以便進行結構優化。

2）平均氣流速度定量表征氣流強度，計算式如下。

式中， v_i 表示流場中各高度層 （0.7，1.4，2.1，2.8m） 中心線上第 i 個測點的氣流速度； 為氣流速度平均值， m/s 。

3）不均勻系數用于分析氣流速度分布的均勻性，計算式如下。

式中， M 為不均勻系數； σ_ν 為氣流速度的標準差， m/s 。在CDF-Post仿真分析中，選取每層托盤之間的區域作為研究對象，并在托盤兩端的中線位置均勻取15個采樣點，獲取氣流速度數據并進一步分析。不均勻系數越小，表明該平面的氣流速度分布越均勻。合理的氣流速度分布既可以保證各托盤層間熱傳遞的均勻性，又能消除因氣流速度差異導致的烘烤物料上下層含水率梯度，從而顯著抑制分層現象的發生。

2 模擬結果與分析

基于初始烤房流場模擬結果，選取 z=1.35m 水平截面作為觀測平面，分析該截面壓力場、溫度場及氣流速度場的分布特征。

由圖2可知，烤房內部壓力分布明顯不均勻，流場后端頂部區域的壓力較大，達 30.37Pa ，而左下角區域壓力較小，其他區域壓力分布較均勻。由于托盤對氣流產生局部阻力，其孔隙率及布置方式影響了流動特性，導致氣流穿過托盤時速度降低并均勻擴散，促使不同層間的流場逐漸趨于平衡。然而，當高壓熱空氣從進風口進入烤房后，直接沖擊后壁面，并在急劇收縮的流動過程中發生氣流堆積，形成局部滯止區，使得該區域靜壓力顯著升高。

由圖3可知，烤房溫度分布明顯不均勻，靠近進風口頂部區域溫度超過 319.00K ，越靠近出風口溫度越低，熱空氣進入烤房后，未能有效擴散而在入口上方區域堆積。托盤結構顯著改變了熱空氣的流動路徑，導致局部流動受阻。近壁面區域因氣流滯留效應溫度較高；靠近出風口的區域由于氣流速度衰減及熱傳遞不足，溫度較低；整體熱空氣循環效率受結構限制而下降，進一步加劇了溫度分布的不均勻性。

由圖4可知，烤房頂部、底部區域氣流速度較快，而烤房中部區域氣流速度明顯衰減，形成局部低速區甚至流動滯止區，造成流場連續性中斷。圖5展示了烤房截面（ ?y=1.75m 的氣流速度分布情況從 x 軸方向來看，氣流速度向裝煙室后側逐漸增大。由于裝煙室內部空間較大且托盤結構對氣流擴散形成阻礙，中部區域出現明顯的氣流滯留和速度衰減現象。相比之下，兩側區域氣流速度較快，這種不均勻分布可能與進風口寬度不足導致的氣流分配不均有關。分別在每層托盤取一條中心線分析， x 軸方向的氣流速度分布如圖6所示，烤房內氣流速度分布呈現明顯梯度變化，其最大值可達 2.20m/s ，最小值僅為 0.10m/s 。沿 x 軸方向，氣流速度先增大后減小。中間層區域的氣流速度整體偏低，可能與裝煙室結構對氣流的阻礙作用有關。

圖2初始烤房壓力分布 ）

圖3初始烤房溫度分布 一

圖4初始烤房氣流速度分布 ζ_z=1.35m ）

圖5初始烤房氣流速度分布 γ_y=1.75=m

圖6不同高度截面沿 x 軸方向氣流速度分布

通過壓力場、溫度場、氣流速度場可知，整個烤房內的氣流分布并不均勻，特別在后壁面及四周邊角處存在氣流強度不夠的現象。同時受到托盤阻力的影響，熱氣流難以充分覆蓋烤房的所有區域。這種氣流分布不均勻和強度不足的現象會影響到作物的烘干質量，導致烘干效果不理想。

3 烤房結構優化

初始烤房存在流場分布不合理的問題，不僅影響作物的烘干效率，還影響烘烤品質，造成資源浪費和能耗增加。通過優化進風口寬度、調整托盤間距、合理布置導風板并優化其傾角等措施，能夠有效改善流場分布，減少渦流產生，進而提高烘烤均勻性和能源利用效率。

3.1 進風口寬度對氣流的影響

在保持進風口高度不變的情況下，通過調整進風口寬度（ 1.8、2.2、2.7m 進行數值模擬，圖7展示了不同進風口寬度條件下烤房內部氣流速度的分布特征。相較于處理1和處理2，處理3的氣流速度分布更為均勻。隨著進風口寬度的增加，低氣流速度區域逐漸減少，室內滯留區和死區范圍也相應減少。較窄的進風口會限制氣流的流入量，導致氣流集中在烤房頂部，難以均勻擴散至整個內部空間；而擴大進風口寬度后，氣流能夠充分滲透至各區域，并有效通過托盤間隙，從而改善整體流場分布。

圖8為 x=0.5m 水平截面上沿 x 軸方向各測點的氣流速度分布情況，進風口寬度為 1.8，2.2，2.7m 時的平均氣流速度分別為 1.33，1.54，1.98m/s ，相應的氣流速度不均勻系數為0.25、0.31、0.21。氣流速度的提升增強了烤房內的氣流強度，延長熱空氣與作物的接觸時間，從而優化了烘干效果。進風口寬度為 2.7m 時，烤房內的平均氣流速度最大，且氣流速度不均勻系數最小，這與氣流速度分布圖的結果基本一致。

a.處理1（寬度 1.8m ）

b.處理2（寬度 2.2m ）

圖7不同進風口寬度對烤房氣流速度的影響（ σ_z=1.35m ）

3.2托盤與側壁的間距對氣流的影響

以 2.7m （寬） ×0.5m （高）的進風口為基準，設置3組間距（托盤與烤房側壁之間的距離），分別為100，200，300mm ，在保持其他參數不變的條件下進行仿真模擬。

圖9為不同間距對烤房氣流速度的影響，中間區域大部分為深藍色，代表此處氣流流速較低，表明氣流存在較明顯的阻礙現象。間距為 100mm 時，氣流在中間層存在較多的滯流區域，導致熱傳遞效率下降，局部濕度較高，降低烘干效果。隨著間距的增加，氣流均勻性有所改善。

a.間距為 100mm

由圖10可知，托盤與烤房側壁之間的距離為100，200，300mm 時的平均氣流速度分別為 0.6，0.9 1.1m/s ，相應的氣流速度不均勻系數分別為0.65、0.34，0.28 。綜合分析表明， 300mm 的間距設計在保證設備空間利用效率的同時，氣流能夠更均勻地穿過整個干燥區域。

圖10不同托盤間距在烤房 x 軸方向的氣流速度（z=1.35m）

3.3 導風板對氣流的影響

為改善烤房內氣流均勻性，建議在地面（氣流上升式）或屋頂（氣流下降式）適當位置增加導風板。該措施能有效減少四周邊角區域的氣流紊流現象，從而優化烤房整體氣流分布。基于文獻[11的研究結果，設置寬度 300mm 、間距 200mm 的導風板系統，如圖11所示。分別在烤房各托盤層沿 x 軸方向等間距設置100個測點，系統測量不同導風板傾角（45^°，60^°，90^° 工況下的氣流速度場分布特性。通過與無導風板基準工況的對比分析，建立定量評價指標體系，深入揭示了導風板結構參數對烤房流場均勻性的調控機制。

圖11裝煙室內增設導風板示意圖

由圖12可知，烤房增設導風板后，導風板對氣流起到引導作用，烤房后壁邊角得到改善，當導風板的傾角增大時，室內氣流雖然被合理擴散，但進風口中間層及后壁氣流速度降低，熱效率有所下降，這是由于氣流受到導風板的阻礙，使沿 x 軸運動變成沿 y 軸垂直向下運動，僅在導風板下方形成局部高速區域，其他區域則充斥低速甚至靜滯氣流，干燥室整體流場變得高度不均勻，因此 45^° 傾角引導的氣流在整個空間的均勻性達到最佳，使其覆蓋整個烤房，同時降低氣流速度，確保干燥室內氣流分布更加均勻，促進物料表面水分蒸發，從而加快干燥速度，縮短干燥時間。

a.未調整導風板傾角

氣流速度//m/s

c.導風板傾角為 60^°

b.導風板傾角為 45^°

圖12不同導風板傾角對烤房氣流速度分布的影響（z=1.35m）

圖13和圖14分別展示了不同導風板傾角條件下沿 y 軸方向的氣流速度和不均勻系數分布。結果表明，當導風板未設置傾角時，氣流分布均勻性最差。該工況下的平均氣流速度明顯高于其他傾角，表明無傾角導風板會導致氣流紊亂和能量損耗增加。

圖13不同導風板傾角在烤房 y 軸方向的平均氣流速度（z=1.35m）

圖14不同導風板傾角在烤房 y 軸方向的不均勻系數（z=1.35m）

隨著導風板傾角從 45^° 增大至 90^° ，烤房內氣流速度不均勻系數呈上升趨勢。在 y=0.7m 高度區域，不同傾角條件下的不均勻系數差異不明顯；而在 y= 2.1m.y=2.8m 區域，不同傾角條件下的不均勻系數差異明顯，氣流分布均勻性表現為 45^°gt;60^°gt;90^° 。較大傾角的導風板會導致烤房上部空間氣流分布均勻性顯著降低。基于氣流組織性能和能耗效率的綜合評估，確定 45^° 為最佳導風板傾角，該配置可使烤房內氣流分布均勻，同時確保最佳的烘烤效果。

本研究通過優化進風口寬度（ 2.7m ）、托盤與側壁間距（ 300mm， 和導風板傾角 （45^° ）等關鍵參數，顯著提升了烤房氣流的均勻性。與初始設計相比，優化后的烤房模型表現出以下改進特征：平均氣流速度提升至 1.04m/s ，不均勻系數降至0.37，有效解決了初始設計中存在的流通不暢問題。

4小結與展望

4.1 小結

基于Fluent軟件的流場模擬結果表明，初始設計的烤房內部存在明顯的流場分布不均勻問題。烤房內的壓力、溫度和氣流速度分布不均，導致各托盤區域的濕度和熱量傳遞不一致，顯著影響物料烘干效果。采取以下改進措施對烤房結構進行優化設計，將進風口寬度擴大至 2.7m ，調整托盤與側壁間距至 300mm ，并設置寬度 300mm 、間距 200mm 的導風板系統。經測試，當導風板傾角為 45^° 時，烤房內部流場均勻性達到最優狀態，氣流能夠均勻作用于物料表面，顯著改善烘干效果。多功能烤房能有效提升設備利用率，幫助煙農增收，帶動鄉村相關產業發展[]。這種創新模式促進了農業經濟良性循環，既推動了產業升級，又助力鄉村振興。

4.2 展望

將光伏發電系統（清潔可再生能源）與多功能烤房相結合可實現雙重效益，一方面，光伏發電可降低烤房能源成本[13]；另一方面，多功能設計提升了烤房利用率，顯著降低設備閑置成本。這種集成系統不僅能夠有效實現農業生產降本增效，還能促進農村可再生能源應用和光伏產業發展。通過在傳統烤房設計中整合先進傳感模塊和自動控制單元，實現烤房運行狀態的實時監測與精準調控。基于物聯網架構的智能烤房系統能夠自動優化烘烤工藝參數，顯著提升設備運行效率。這種融合現代信息技術的智能化改造代表著農業裝備升級的重要發展方向。

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（責任編輯雷霄飛）