基于計(jì)算流體力學(xué)的木材干燥窯內(nèi)三維流場(chǎng)的數(shù)值模擬1)

張楊吳哲曹軍

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

木材干燥是改善木材物理力學(xué)性能、合理使用木材、減少木材降等損失、提高木材利用率的重要技術(shù)措施，也是保障家具及其他木制品質(zhì)量的重要工序。木材干燥過程的研究對(duì)有效地利用有限的木材資源、降低能源消耗，提高木材制品質(zhì)量顯得尤為重要。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于干燥窯的特殊結(jié)構(gòu)，要保證窯內(nèi)的氣流分布均勻極為困難[1]。因此，為了提高木材干燥效率，應(yīng)該對(duì)干燥窯的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析，以改進(jìn)干燥窯的結(jié)構(gòu)。

利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)對(duì)木材干燥窯進(jìn)行數(shù)值模擬能夠獲得干燥窯內(nèi)的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)等，可以廣泛用于優(yōu)化木材干燥工程。文獻(xiàn)[2]利用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT對(duì)木材干燥窯建立三維穩(wěn)態(tài)的CFD模型，進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，預(yù)測(cè)了風(fēng)機(jī)給定不同氣流速度對(duì)干燥窯的氣流分布的影響。文獻(xiàn)[3]利用Fluent完成了6種不同干燥窯內(nèi)壁結(jié)構(gòu)下的干燥窯內(nèi)部流場(chǎng)的建模與仿真，對(duì)干燥窯壁進(jìn)行了改進(jìn)，獲得了較為均勻的干燥窯內(nèi)部流場(chǎng)。文獻(xiàn)[4]表明，在二維結(jié)構(gòu)下，導(dǎo)流擋板既可以提高窯內(nèi)不同木材堆間隙內(nèi)的速度分布均勻性，又可以顯著消除窯內(nèi)的回流低速區(qū)。從而可以較好地改善干燥窯內(nèi)的流場(chǎng)。而在真實(shí)干燥窯的三維結(jié)構(gòu)內(nèi)，多臺(tái)風(fēng)機(jī)布置在干燥窯頂部，木材堆進(jìn)口氣流速度并不均勻，而且三維空間內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。

因此為了進(jìn)一步研究導(dǎo)流擋板對(duì)改善干燥窯內(nèi)流場(chǎng)性能的作用，本研究進(jìn)行了窯內(nèi)流場(chǎng)的三維數(shù)值模擬，詳細(xì)對(duì)比了不同截面的速度分布，為導(dǎo)流擋板結(jié)構(gòu)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 幾何模型和數(shù)學(xué)模型的建立

筆者研究的是實(shí)驗(yàn)室用頂風(fēng)式木材干燥窯，干燥窯結(jié)構(gòu)為方形，長(zhǎng) 2.10 m、寬 1.40 m、高 1.50 m。干燥窯頂部安裝3臺(tái)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)直徑R=0.44 m。采用Gambit建立干燥窯三維計(jì)算模型，用混合網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)量160萬個(gè)左右。采用k－ε湍流模型，風(fēng)機(jī)進(jìn)口采用速度進(jìn)口，出口給定出風(fēng)速度。圖1分別給出了干燥窯的局部結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分，其中z為干燥窯長(zhǎng)度方向，y為高度方向，x為寬度方向。

筆者對(duì)等溫等濕條件下裝有木材堆的干燥窯內(nèi)空氣的流動(dòng)情況進(jìn)行研究。由于送風(fēng)速度較低，將窯內(nèi)空氣的流動(dòng)視為不可壓縮的湍流，密度為常數(shù)。采用隱式求解器，速度壓力耦合求解采用SIMPLE算法，湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型[5]。流動(dòng)控制方程包括連續(xù)方程、動(dòng)量方程以及湍流動(dòng)能輸運(yùn)和耗散方程，具體如下:

①連續(xù)方程:

②動(dòng)量方程:

式中:u為窯內(nèi)空氣流速(m·s－1);ρ為窯內(nèi)空氣密度(kg·m－3);μ為動(dòng)力黏度(Pa·s);P為空氣靜壓(Pa);g 為重力加速度(kg·m－1·s－2)。

③湍動(dòng)能k和耗散率ε的輸運(yùn)方程分別為:

式中:ui、uj分別為 xi、xj方向的時(shí)均速度;xi為直角坐標(biāo)系的3個(gè)軸坐標(biāo);μt為湍動(dòng)黏度(Pa/s);ν為運(yùn)動(dòng)黏度(m2·s－1);E 為時(shí)均應(yīng)變張力，c1=1.44，c2=1.92，σk=1.0，σε=1.2。

圖1 裝有弧形導(dǎo)流板的方形干燥窯的局部結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

本研究主要針對(duì)干燥窯內(nèi)部速度場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)分析，模擬結(jié)果為三維云圖，顏色的變化代表速度大小的變化，即分布趨勢(shì)。所以通過仿真模擬出的氣流分布云圖，可以直觀地觀察出干燥窯內(nèi)的氣流分布規(guī)律及均勻性情況。為了詳細(xì)對(duì)比兩種干燥窯內(nèi)的流場(chǎng)特性，取定進(jìn)口速度為3m/s，選取x分別為－0.40、－0.25、0.25、0.40 m，y 分別為 0.1、0.6、1.0 m，z分別為 0.10、0.45、0.75、1.05 m，共 11 個(gè)截面進(jìn)行詳細(xì)分析。各截面示意圖見圖2。

圖2 截面示意圖

2.1 x截面的速度分布圖

圖3給出了x=－0.4 m截面的速度分布。圖3a和圖3b中，由于無導(dǎo)流擋板，該截面頂部出風(fēng)口附近局部高速區(qū)比較集中，安裝導(dǎo)流擋板后，由于擋板對(duì)出口氣流的分流作用，頂部高速區(qū)消失，同時(shí)，擋板之間形成的流道內(nèi)部的氣流速度較為均勻。由圖4給出的x=－0.25 m截面的速度分布可知，無導(dǎo)流擋板時(shí)，干燥窯頂部高速區(qū)較為集中;而安裝導(dǎo)流擋板后，頂部氣流被明顯分成較為均勻的3股氣流，其中對(duì)應(yīng)出風(fēng)口附近的速度略大。圖5給出了x=0.25 m截面的速度分布。總體上看，由于頂部風(fēng)機(jī)的抽吸作用，在干燥窯進(jìn)口處出現(xiàn)相應(yīng)的3個(gè)高速區(qū)。圖6給出了x=0.4 m截面的速度分布。由圖6a可知，由于無擋板結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)的抽吸作用使風(fēng)機(jī)口附近速度較大;在正對(duì)風(fēng)機(jī)口下方，氣流速度較低，而在風(fēng)機(jī)之間的下部位置，卻形成了一個(gè)較為明顯的高速區(qū)。圖6b顯示了擋板對(duì)氣流的分流作用，擋板分開的各流道間對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)口位置的速度較大，同時(shí)風(fēng)機(jī)口下方的速度也較大;而且安裝導(dǎo)流擋板后風(fēng)機(jī)之間的下方位置也無圖6a中的低速區(qū)。

圖3 x=－0.4 m截面的速度分布

圖4 x=－0.25 m截面的速度分布

圖5 x=0.25 m截面的速度分布

圖6 x=0.4 m截面的速度分布

2.2 y截面的速度分布圖

為了研究干燥窯內(nèi)不同高度處木材堆間隙內(nèi)的流場(chǎng)均勻性，圖7至圖9分別給出了不同高度處的速度分布。由圖7可知，對(duì)于y=0.1 m截面，無導(dǎo)流擋板時(shí)，進(jìn)風(fēng)口一側(cè)形成了高速區(qū)和低速區(qū)交替分布的趨勢(shì);安裝導(dǎo)流擋板后，進(jìn)風(fēng)口一側(cè)高速區(qū)和低速區(qū)交替分布的現(xiàn)象稍微緩和一點(diǎn)，同時(shí)，該截面上木材間隙內(nèi)的速度顯著提高。干燥窯中部y=0.6 m截面(圖8)以及頂部y=0.1 m截面(圖9)速度分布也表明了安裝導(dǎo)流擋板后該截面上木材間隙內(nèi)速度增加，出風(fēng)口附近擋板內(nèi)的速度均勻性也得到顯著改善。圖9表明，安裝導(dǎo)流擋板結(jié)構(gòu)后，木材堆頂部間隙內(nèi)的速度分布均勻性顯著提高。圖9a表明，y=1.0 m截面上中部存在明顯的低速區(qū)，而圖9b表明，安裝導(dǎo)流擋板后，該截面中部的低速區(qū)消失，而在兩側(cè)出現(xiàn)了兩個(gè)對(duì)稱分布的低速區(qū)。

圖7 y=0.1 m截面的速度分布

圖8 y=0.6 m截面的速度分布

圖9 y=1.0 m截面的速度分布

2.3 z截面的速度分布圖

圖10至圖13給出了不同z向截面的速度分布，其中z=0.1 m為靠近干燥窯側(cè)壁的截面，z=0.45 m為經(jīng)過靠近壁面的風(fēng)機(jī)軸線截面，z=0.75 m為兩風(fēng)機(jī)間的中間截面，而z=1.05 m為整個(gè)干燥窯z向?qū)ΨQ面，該截面過中間風(fēng)機(jī)的軸線。圖10至圖13中，風(fēng)機(jī)送風(fēng)口在右側(cè)上方，出風(fēng)口在左側(cè)上方。由圖10可知，擋板結(jié)構(gòu)顯著提高了z=0.1 m截面的速度均勻性，消除了出風(fēng)口附近的高速區(qū)。而在z=0.45 m和z=0.75 m截面上，擋板起到了較好的導(dǎo)流作用，同時(shí)消除了干燥窯側(cè)壁附近的高速區(qū)。從圖13給出的對(duì)稱面的速度分布可知，在方形干燥窯內(nèi)，風(fēng)機(jī)吹動(dòng)形成的氣流沖擊著干燥窯的側(cè)壁(圖中右側(cè))，從而在側(cè)壁附近形成高速區(qū)，而在木材堆進(jìn)口形成了低速區(qū)。安裝導(dǎo)流擋板后，方形干燥窯木材堆最上方速度有所降低，這主要是由干燥窯頂部轉(zhuǎn)折的結(jié)構(gòu)所致;而在安裝導(dǎo)流擋板的圓弧形干燥窯內(nèi)，整個(gè)流場(chǎng)速度分布較為合理，沒有出現(xiàn)低速區(qū)或者回流區(qū)。

圖10 z=0.1 m截面的速度分布

圖11 z=0.45 m截面的速度分布

圖12 z=0.75 m截面的速度分布

圖13 z=1.05 m截面的速度分布

3 結(jié)束語

用GAMBIT建立了實(shí)驗(yàn)室用頂風(fēng)式木材干燥窯的三維幾何模型，并對(duì)該模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，然后利用FLUENT進(jìn)行了干燥窯內(nèi)空氣流動(dòng)的仿真計(jì)算。選取了 x分別為－0.40、－0.25、0.25、0.40 m，y分別為0.1、0.6、1.0 m，z分別為 0.10、0.45、0.75、1.05 m，共11個(gè)截面詳細(xì)分析了干燥窯內(nèi)的速度分布。結(jié)果顯示:無導(dǎo)流擋板時(shí)，送風(fēng)口附近速度較高，木材堆間隙內(nèi)沿橫向的速度均勻性較差，而安裝導(dǎo)流擋板后，從木材堆底部至頂部所有間隙內(nèi)沿橫向的速度均勻性顯著提高。由于擋板的導(dǎo)流作用，裝有弧形導(dǎo)流板的干燥窯內(nèi)流場(chǎng)比較均勻。分析證明該方法可以省時(shí)省力地模擬木材干燥窯內(nèi)任何時(shí)間任何空間內(nèi)的流場(chǎng)，預(yù)測(cè)風(fēng)速，進(jìn)而提高木材干燥的質(zhì)量。

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[4]張楊，吳哲，曹軍.木材干燥窯結(jié)構(gòu)對(duì)窯內(nèi)空氣流動(dòng)特性的影響[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，40(9):116－119.

[5]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.