基于熱流耦合的木材干燥窯風速溫度分布解算

孟兆新　于彪　李尚　陳廣元

摘要：為構(gòu)建木材干燥窯內(nèi)部循環(huán)風速和溫度合理分布，采用二維數(shù)值模擬方法，利用Fluent軟件對試驗型小型干燥窯進行仿真模擬，對比安裝導(dǎo)流板前后干燥窯內(nèi)溫度和分布情況。木材干燥窯的設(shè)計，風速、溫度分布是關(guān)鍵問題。首先利用ICEM CFD軟件對結(jié)構(gòu)簡化的試驗型小型干燥窯進行參數(shù)化建模，將簡化的模型進行網(wǎng)格劃分，利用Fluent軟件對木材干燥窯內(nèi)的流動與傳熱耦合環(huán)境進行數(shù)值模擬，得出風速分布云圖和溫度分布云圖，研究干燥窯內(nèi)熱流耦合系統(tǒng)，得出其內(nèi)部速度和溫度的具體狀態(tài)，通過導(dǎo)流板安裝前后數(shù)值對比，找到導(dǎo)流板合理性的參數(shù)。采用二維數(shù)值的模擬方法，不能代表實際干燥窯工作狀況，具有一定的局限性。

關(guān)鍵詞：木材干燥窯；導(dǎo)流板；熱流耦合；數(shù)值模擬

中圖分類號：S 782.3文獻標識碼：A文章編號：1001-005X（2015）01-0049-05

Calculation of Temperature and Wind Speed Distribution in

Wood Drying Kiln Based on the Heat Flow Coupling

Meng Zhaoxin1，Yu Biao1，Li Shang1，Chen Guangyuan2

（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040；

2.College of Material Science and Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040）

Abstract：To build reasonable circulation wind speed and temperature distribution inside the wood drying kiln，the 2d numerical simulation method was used and Fluent software was used to simulate the experimental small drying kilns and the changes of temperature and distribution before and after installing the guide plate were compared.The design of the wood drying kiln，wind speed and the temperature distribution are the key problems.First，the parameters of the experimental small drying kiln with simplified structure were modeled with ICEM CFD，and Fluent software was used for numerical simulation of flow and heat transfer coupling in the wood drying kiln environment.Then the velocity contour and temperature contour were obtained.Through the heat flow coupling system，the specific status of inner velocity and temperature can be obtained.By numerical comparison before and after the installation of guide plate，the reasonable parameters of guide plate can be determined.It is noted that 2d numerical simulation method does not represent the actual drying kiln working condition，therefore it has certain limitations.

Keywords： wood drying kiln；guide plate；heat and flow coupling；numerical simulation

收稿日期：2014-12-05

基金項目：黑龍江省自然科學(xué)基金資助項目（C201238）

第一作者簡介：孟兆新，博士，教授。研究方向：干燥窯耦合分析。Email：349325368@qq.com

引文格式：孟兆新，于彪，李尚，等.基于熱流耦合的木材干燥窯風速溫度分布解算[J].森林工程，2015，31（1）：49-53.木材干燥窯是通過通風和加熱設(shè)備來控制干燥窯內(nèi)部的溫度、濕度及氣流速度，利用窯內(nèi)空氣的流動和傳熱來完成對木材的干燥[1]。在木材干燥過程中，風速、溫度分布是最關(guān)鍵問題，干燥窯的結(jié)構(gòu)對木材干燥過程有極大的影響，合理的干燥窯結(jié)構(gòu)對提高木材利用率、降低能耗，提升木材干燥質(zhì)量有重要意義。木材干燥過程不僅是一個能量轉(zhuǎn)換過程，而且是一個改善木材物理力學(xué)性能的過程[4]。

木材干燥窯是一個復(fù)雜的強耦合非線性動力系統(tǒng)，其內(nèi)部流體流動極其復(fù)雜，很難建立反應(yīng)木材干燥性能的理想模型。由于流體動力學(xué)實驗成本高、精度低和穩(wěn)定性差，從理想模型和實驗分析兩個方向都很難精確分析木材干燥過程的動態(tài)特性[3]。本研究利用Fluent軟件進行木材干燥窯內(nèi)熱流耦合解算，對木材干燥窯進行參數(shù)化建模，利用Fluent軟件特性對干燥窯內(nèi)部耦合場進行數(shù)字化分析，力求為改善干燥窯性能提供理論依據(jù)。

1干燥窯模型建立

1.1干燥窯幾何尺寸

本文所模擬對象為試驗型小型干燥窯，其尺寸為2.0×1.08×1.08（m），所干燥木材為樺木板，材堆整體尺寸為1.8×0.6×0.68（m），窯內(nèi)共有10層木板。為使有限元分析和解算方便，對干燥窯結(jié)構(gòu)進行簡化，由三維問題簡化成二維問題。簡化后尺寸為1.08×1.08（m），材堆整體尺寸為0.6×0.68（m），并且假設(shè)干燥窯內(nèi)空氣不可壓縮，并且符合Boussinesq假設(shè)。

1.2干燥窯計算模型建立及網(wǎng)格劃分

在ICEM CFD軟件中對干燥窯簡化模型進行參數(shù)化建模（如圖1所示）。ICEM CFD作為有限元分析常用的前處理軟件，其具有獨特的網(wǎng)格劃分技術(shù)和網(wǎng)格編輯技術(shù)，幾乎滿足所有有限元分析軟件的求解器選擇。為在Fluent中進行數(shù)值分析和模型網(wǎng)格劃分提供方便，在劃分網(wǎng)格前需要對幾何模型每個部分創(chuàng)建部件（Create Part），并且對各個部件進行命名，分別為：INLET、OUTLET、WALL、CAIDUI，并且生成流體區(qū)域FLUID和固體區(qū)域SOLID。在ICEM中網(wǎng)格劃分的主要思想是塊（Block）的劃分，對于任何簡單或復(fù)雜的模型都可以劃分成不同的塊，然后進行點、線、面的關(guān)聯(lián)，由于本文幾何模型為二維幾何模型，所以只需要進行點和線的關(guān)聯(lián)。完成上述操作后，定義網(wǎng)格類型和尺寸，對模型進行網(wǎng)格劃分，然而這樣劃分出的網(wǎng)格并不能滿足分析要求。干燥窯內(nèi)空氣流動屬于湍流流動，非常不規(guī)則且不穩(wěn)定，造成網(wǎng)格劃分必須添加邊界層網(wǎng)格。在使用Fluent進行流體分析時，網(wǎng)格質(zhì)量好壞直接決定分析成敗或者收斂計算速度。經(jīng)過上述操作，得到木材干燥窯網(wǎng)格模型如圖2所示，共67 830個網(wǎng)格[4]。

第1期孟兆新等：基于熱流耦合的木材干燥窯風速溫度分布解算

森林工程第31卷

圖1木材干燥窯簡化模型

Fig.1 The simplified model of wood drying kiln圖2木材干燥窯網(wǎng)格模型

Fig.2 Wood drying kiln grid model

干燥窯內(nèi)空氣流動的基本控制方程為：連續(xù)方程、動量方程、k方程（湍流脈動動能方程）和ε方程（脈動動能的耗散率），具體如下[5]：

（1）連續(xù)方程：ui/xi=0。

（2）動量方程：（puiuj）xj=-Pxj+xjuuixj+ujxi-23xiμuixj+ρgi。

（3）k方程：ρkt+ρujkxi=xjμ+utσk-kxj+μtuixjuixj+xjxi-ρε。

（4）ε方程：ρεt+ρujεxj=xjμ+utσε-εxj+c1εkμtuixjuixj+xjxi-c2ρε2k。

式中：u為動力黏度（pa·s）；P為空氣靜壓（Pa）；g為重力加速度（kg/ms2）；σk和σε為常數(shù)，取值分別為1.0和1.3；c1和c2為系數(shù)，取值分別為1.44和1.92。

1.3數(shù)值計算參數(shù)設(shè)置

根據(jù)干燥窯實際情況，流體區(qū)域介質(zhì)為空氣（木材干燥窯內(nèi)干燥介質(zhì)為濕空氣，在研究中視為理想氣體處理[6]），固體區(qū)域材料按對應(yīng)木材標準設(shè)置；入口邊界條件設(shè)置為速度入口，忽略重力場影響，速度分選取1、2和3 m/s，溫度為350K，湍流定義方法選擇湍流強度百分比和水力直徑；出口采用自由出口邊界條件；為計算方便忽略干燥窯內(nèi)壁對窯外傳熱，故將其設(shè)定為絕熱邊界條件；木材加熱是流體對固體加熱，是一個耦合傳熱的過程，F(xiàn)luent軟件在讀入干燥窯模型時，定義為Wall流固交界面會自動生成 Wallshadow，這樣就形成了一對耦合面，邊界條件設(shè)置是將材料設(shè)置為對應(yīng)木材，交界面設(shè)置為coupled，這樣系統(tǒng)就會自動完成流體區(qū)域?qū)腆w區(qū)域的傳熱[7-8]。

在求解設(shè)置中采用基于壓力求解器、2D、雙精度、steady（定常流動）和絕對速度；因模型中涉及到傳熱計算，需要打開能量方程。

通過來流入口條件，計算出其雷諾數(shù)[9]：

Re=ρvdμ=1.008 7 ×1×0.241.89×10-512 809.03>10 000。

干燥窯內(nèi)氣體流動為湍流流動。因此湍流模型選擇標準的kε模型，其它保持默認設(shè)置；控制方程的離散采用二階迎風格式，松弛因子保持默認設(shè)置，速度與壓力的耦合采用SIMPLE算法。

2數(shù)值模擬及結(jié)果分析

入口速度為1、2、3 m/s時速度云圖如圖3～圖5所示。

圖3風速1 m/s時速度云圖

Fig.3 Velocity contour at

wind speed of 1 m/s圖4風速2 m/s時速度云圖

Fig.4 Velocity contour at

wind speed of 2 m/s圖5風速3 m/s時速度云圖

Fig.5 Velocity contour at

wind speed of 3 m/s

由圖可以看出，由于固體區(qū)域木材和干燥窯內(nèi)壁的存在，將整個流體分成不同區(qū)域，造成干燥窯內(nèi)速度分布并不不均勻。且受干燥窯模型自身影響，在干燥窯左下部位置均形成不同程度流動“死區(qū)”，這些“死區(qū)”沒有隨著進口風速的增加而消減，在一定程度上會增加能耗，這將是干燥窯內(nèi)部改進的關(guān)鍵位置。在每塊木材右側(cè)端部，該區(qū)域流速較低，造成木材局部換熱效果差，形成不同大小的“死區(qū)”，且“死區(qū)”大小隨著風速增強而增大，由于實際木材干燥過程伴隨著水分遷移，這些“死區(qū)”的形成會極大阻礙木材干燥均勻性，增長干燥時間，降低干燥效率[10]。在干燥窯左側(cè)中部，風速1 m/s時，形成一個較小渦旋，風速增加到2 m/s時，渦旋明顯增大，當風速增加到3 m/s時，渦旋增大到明顯影響木材板之前的空氣流動。渦旋的出現(xiàn)在干燥窯干燥過程中是需要盡量避免的，這種渦旋是由于湍流運動不穩(wěn)定造成的，將導(dǎo)致干燥過程熱流浪費，增加能耗。

3種速度進口所對應(yīng)溫度分布云圖，如圖6～8所示。

圖6風速為1 m/s時溫度云圖

Fig.6 Temperature contour at

wind speed of 1 m/s圖7風速為2 m/s時溫度云圖

Fig.7 Temperature contour at

wind speed of 2 m/s圖8風速為3 m/s時溫度云圖

Fig.8 Temperature contour at

wind speed of 3 m/s由圖可以看出，高溫區(qū)主要集中在進口和耦合傳熱達到穩(wěn)態(tài)時的木材上部。干燥窯左右兩個底角溫度較低，最高溫差達到30K，這是由于“死區(qū)”出現(xiàn)，影響底部空氣風速進而影響溫度，且最底端兩塊木材均在不同程度上與上部八塊木材溫度不同，溫差為10～20K左右。通過三個溫度分布云圖對比，進口速度變化在不同程度上對干燥窯內(nèi)溫度分布均勻性有不同程度影響，并非是氣流風速增加溫度分布就均勻。

在干燥窯內(nèi)部安置導(dǎo)流板，三塊導(dǎo)流板合理分布在干燥窯進風口下方，其安裝角度為20°。導(dǎo)流板為金屬鋁板，在實際干燥過程中，熱量吸收較低，假設(shè)為絕熱板。當進口風速為1、2、3 m/s，溫度為350K時，3種速度進口所對應(yīng)速度分布云圖，如圖9～11所示。

圖9風速為1 m/s時速度云圖

Fig.9 Velocity contour at

wind speed of 1 m/s圖10風速為2 m/s時速度云圖

Fig.10 Velocity contour at

wind speed of 2 m/s圖11風速為3 m/s時速度云圖

Fig.11 Velocity contour at

wind speed of 3 m/s

由圖可以看出，安裝導(dǎo)流板后，在每塊導(dǎo)流板周圍均出現(xiàn)不同程度的低風速區(qū)域，這些低風速區(qū)域隨著風速由1 m/s提升到3 m/s時，區(qū)域面積變小。這些低風速區(qū)域的出現(xiàn)對木堆板材之間風速均勻性有一定影響，在進口下方并未形成像圖3～5所出現(xiàn)渦旋，在木堆板材之間空隙中，風速分布和未安裝導(dǎo)流板時相比，均勻性得到很大的提高。

裝有導(dǎo)流板時，3種速度進口所對應(yīng)溫度分布云圖，如圖12～14所示。

圖12風速為1 m/s時溫度云圖

Fig.12 Temperature contour at

wind speed of 1 m/s圖13風速為2 m/s時溫度云圖

Fig.13 Temperature contour at

wind speed of 2 m/s圖14風速為3 m/s時溫度云圖

Fig.14 Temperature contour at

wind speed of 3 m/s

圖12～14和圖9～11進行對比可以發(fā)現(xiàn)，安裝導(dǎo)流板后，導(dǎo)流板對進口氣流進行分流，進口處風速高速區(qū)明顯減少，且干燥窯左側(cè)“死區(qū)”和渦旋得到明顯改善。由于導(dǎo)流板影響干燥窯內(nèi)空氣流動的走向，增強木材板之間空氣流動，改善了干燥窯內(nèi)溫度分布均勻性，其分布較未安裝導(dǎo)流板的干燥窯更為合理。雖然此導(dǎo)流板的位置和放置角度未進行嚴格的設(shè)計和合理的優(yōu)化，但通過數(shù)值分析圖已能較直觀的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流板的安裝可以提高干燥窯內(nèi)空氣流動的均勻性，對提高木材干燥效率和質(zhì)量有顯著影響[7-8]。木材干燥過程是一個階梯式加熱方式，在這個過程中，進口風速和溫度在不同時間段會有不同的對應(yīng)數(shù)值，通過數(shù)值模擬分析，將兩者并行考慮，可得出一個較合理的干燥窯內(nèi)部宏觀狀態(tài)。

3結(jié)論

本研究通過ICEM CFD和Fluent相結(jié)合，建立木材干燥窯簡化模型，采用二維和定長流動的方式進行分析解算，得出如下結(jié)論。

（1）對解算結(jié)果進行流動和傳熱耦合分析，得出合理的速度分布和溫度分布情況。

（2）通過分析得出合理的干燥窯內(nèi)部風速和溫度分布情況，可以認為采用數(shù)值分析的方法對木材干燥窯內(nèi)部情況進行分析是可行的。

（3）通過對安裝導(dǎo)流板計算模型數(shù)值模擬，確認導(dǎo)流板規(guī)劃對干燥窯內(nèi)部流場均勻性有較大影響，這將為干燥窯結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供數(shù)值依據(jù)

鑒于二維數(shù)值模擬多具有的局限性，其并不能完全代表干燥窯實際工作狀況，但明顯表達出干燥窯內(nèi)部放置導(dǎo)流板后對風速和溫度均勻性的重要影響，在一定程度上顯示出計算的合理性和準確性，可為木材干燥窯設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造提供參考和重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。

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[責任編輯：胡建偉]