基于Fluent的木材壓干窯風(fēng)速均勻性數(shù)值模擬

閆一野，陳海峰，張士璽

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

基于Fluent的木材壓干窯風(fēng)速均勻性數(shù)值模擬

閆一野，陳海峰，張士璽

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

以小型實(shí)驗(yàn)用木材壓干窯為模型，基于Fluent軟件對設(shè)備內(nèi)部流場進(jìn)行初壓縮模擬和壓縮結(jié)束后模擬，得到設(shè)備不同層面上的風(fēng)速，并對每組風(fēng)速進(jìn)行比較，得出設(shè)備參數(shù)不變情況下的最優(yōu)流場的風(fēng)速，并預(yù)測不同壓縮量下各種風(fēng)速對流場均勻性的影響。

木材干燥窯；流場均勻；數(shù)值模擬；計(jì)算流體力學(xué)

木材是非常重要的工程材料，濕木材一般經(jīng)過干燥能夠達(dá)到防腐朽、防蟲害、防變形；提高力學(xué)強(qiáng)度，改善木材環(huán)境學(xué)特性；減輕木材質(zhì)量等效果[1]。試驗(yàn)用木材壓縮干燥的原理基于參考文獻(xiàn)[2]，該設(shè)備集普通氣流干燥和壓干于一體，主要針對速生木材密度和氣干比重低，材質(zhì)疏軟發(fā)脆，木材的抗彎、抗壓、剪切強(qiáng)度等物理力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性差[3]而提出的，經(jīng)過處理后的木材具備良好的加工性能，且阻燃、防腐、防蛀、機(jī)械性能好。 因此研究木材壓干窯內(nèi)流場的均勻性對提高木材干燥質(zhì)量以及干燥節(jié)能有著重要的作用。目前研究木材干燥窯內(nèi)流場的方法是干燥窯模型實(shí)驗(yàn)和建立物理模型，前者實(shí)驗(yàn)周期長，成本高，后者由于忽略了流動過沖中的阻力及其他因素，準(zhǔn)確性不太高。木材干燥外在影響因素主要是風(fēng)速、濕度和溫度，溫度和濕度對木材干燥的影響在國內(nèi)外已經(jīng)研究比較深入[4]，但是利用CFD進(jìn)行木材干燥窯內(nèi)速度場的研究報(bào)道較少。本研究基于Fluent軟件，對該實(shí)驗(yàn)用木材壓干窯進(jìn)行壓縮前后內(nèi)部流場分析，并且對比多組風(fēng)速與流場分布的數(shù)據(jù)，得出給定設(shè)備參數(shù)的情況下流場最優(yōu)的風(fēng)速。

1 模型建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

FLUENT是CFD廣泛應(yīng)用的商業(yè)軟件，該軟件用來模擬從不可壓縮到可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動，由于該軟件的加速收斂級數(shù)使得該軟件在各工程領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

對于木材壓縮干燥窯，研究各空間點(diǎn)的空氣流速一般只求解一下幾組方程：

質(zhì)量守恒方程：

各式中：xi為坐標(biāo)軸方向；ui為速度在i方向的分量，i=1、2、3；P為靜壓；τij為應(yīng)力張量；ρgi為i方向上的重力體積力；Fi為外部體積力；Fi為包含其他的模型相關(guān)源項(xiàng)；v為運(yùn)動粘性系數(shù)；Pr為湍動能生成率；vt為渦粘性系數(shù)[3]。

1.2 模型建立及求解設(shè)置

本研究對象是筆者為某實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的頂風(fēng)式木材干燥窯，耐高溫軸流風(fēng)機(jī)可正反向轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速3 000 r/min，流量3 000 m3/h；利用液壓缸對木材的壓縮量為30%，即將1 m高的木材垛壓縮到0.7 m。該設(shè)備為兩側(cè)對稱，但是考慮到流場的均勻性，在工作時(shí)，空氣進(jìn)口一側(cè)加擋板使改側(cè)成垂直斜面，改變該斜壁的角度可以改變內(nèi)部流場的均勻性。壓縮前后及其結(jié)構(gòu)簡圖見圖1，內(nèi)部干燥木材堆尺寸為1 m×1 m×1 m，單根鋸材尺寸為長1 m，厚0.05 m，隔板0.03 m厚。利用FLUENT前處理器GAMBIT進(jìn)行建模，劃分網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(見圖2)，網(wǎng)格數(shù)量為93 868個(gè)，經(jīng)網(wǎng)格檢查其生成質(zhì)量高。導(dǎo)入FLUENT中進(jìn)行求解設(shè)置，湍流模型為典型且簡單完整的湍流模型k-ε雙方程模型，空氣入口設(shè)置為速度入口，出口設(shè)置為充分發(fā)展流動的出口。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

本文根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]中提及的空氣流速進(jìn)行數(shù)值模擬，對木材被壓縮前后空氣入口速度分別是1、3、5 m/s五組風(fēng)速進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。模擬后各組風(fēng)速對應(yīng)的水平方向速度云圖(a代表壓縮前；b代表壓縮后)如圖3～6所示。

圖1 頂風(fēng)式木材干燥窯(壓縮前，壓縮后)Fig. 1 Upside-wind wood drying kiln ( before compressed and after compressed )

圖2 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(壓縮前，壓縮后)Fig. 2 Unstructured grid meshed before compression and after compression

在設(shè)備的中部區(qū)x=0.72 m處豎直平面的每層木板之間設(shè)置一個(gè)檢測點(diǎn)，分別對這些點(diǎn)的速度值進(jìn)行檢測，將逆向流動的速度負(fù)值也處理成正值，繪制速度隨豎直高度變化的曲線，如圖6所示。

將進(jìn)口速度為1 m/s、3 m/s、5 m/s時(shí)流場內(nèi)速度云圖及流線圖繪制出來如圖3、4、5所示，由數(shù)值模擬結(jié)果可看出：在未壓縮條件下，隨著入口風(fēng)速的增大，整個(gè)流場的不均勻趨勢明顯增加，風(fēng)速1 m/s到2 m/s時(shí)流場在垂直方向整體上比較均勻，只會在最上面的兩層木材之間速度會比較小?？諝饬魉贋? m/s時(shí)入口下方的氣流漩渦區(qū)，但是該區(qū)域的存在并不影響氣流在木材之間的流動均勻性；隨著空氣流速的增大，3 m/s和5 m/s時(shí)在上部出現(xiàn)的漩渦產(chǎn)生負(fù)壓，使氣流和干燥窯下部氣流流動方向相反，且速度相差比較大，導(dǎo)致了流場不均勻性增加，不利于木材的干燥；在壓縮結(jié)束后，有圖6(b)可以看出風(fēng)速的大小在豎直方向上變化很小，基本不影響流場的均勻性。在壓縮后木材干燥期間，增大空氣流速可以加速空氣攜帶木材水分，從而提高干燥速度，減少能源的消耗。

圖3 1 m/s速度云圖與流線Fig. 3 Velocity contour and stream lines of 1 m/s

圖6 速度隨豎直距離變化趨勢Fig. 6 Changing trend of speed with vertical distance

3 小 結(jié)

利用Fluent軟件對木材壓縮干燥窯內(nèi)空氣流場的均勻性進(jìn)行模擬，預(yù)測窯內(nèi)任何地方的風(fēng)速和流動細(xì)節(jié)，這為木材干燥窯的設(shè)計(jì)和控制參數(shù)提供了可靠參考。同時(shí)通過數(shù)值模擬手段可以模擬不同時(shí)刻木材不同壓縮量的情況下的最佳風(fēng)速，從而減少了盲目提高風(fēng)速以加快干燥速度而忽略流場均勻性的不合理操作。該方法可以省時(shí)省力地模擬木材壓縮干燥窯內(nèi)任何壓縮量、任何時(shí)間任何空間內(nèi)的流場，預(yù)測風(fēng)速，進(jìn)而提高木材干燥的質(zhì)量與速度。

[1] 王喜明.木材干燥學(xué)[M].北京：中國林業(yè)出版社，2007.

[2] 浦俊文.一種木材功能性改良的技術(shù)方法[P].中國發(fā)明專利,CN 101549508 B.2011.

[3] 刁秀明,王彥發(fā),馬秀華.循環(huán)風(fēng)速對木材干燥速度的影響[J].木材工業(yè),1994,11(4):32 -33.

[4] 王福軍.計(jì)算流體力學(xué)分析-CFD 軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004.

[5] 王喜明.木材干燥實(shí)用技術(shù)問答[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

Numerical simulation of wind velocity homogeneity in wood press-drying kiln based on Fluent

YAN Yi-ye, CHEN Hai-feng, ZHANG Shi-хi
(School of electromechanical engineering，Sha’ anхi University of Science and Technology，Xi’an 710021, Shanхi，China)

By taking a small-sized eхperimental wood press-drying kiln as testing model，and adopting the software of Fluent，the internal air flow fields in the wood press-drying kiln were simulated at the initial time and at the end time. The wind velocity values on different wood layers were obtained and compared, than the optimal wind velocity of internal air flow fields was selected out. The effects of different wind velocity values with different amount of compression on the flow field homogeneity in the kiln were predicted.

wood drying kiln；flow field homogeneity；numerical simulation；computational fluid dynamics(CFD)

S781.7；TS61

A

1673-923X(2012)02-0151-04

2011-08-12

閆一野(1986—)，男，碩士研究生，主要研究化工過程機(jī)械; E-mail: yanyiye1986@126.com

陳海峰(1964—)，男，博士，教授

[本文編校：邱德勇]