基于FLUENT的菊花熱風(fēng)干燥流場特性仿真分析

李 赫 張 志 任 源 張開飛

LI He ZHANG Zhi REN Yuan ZHANG Kai-fei

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

(College of Mechanical & Electrical Engineering of Henan Agricultural University, Zhengzhou, Henan 450002, China)

菊花屬于菊科多年生草本植物，具有豐富的藥用價值[1-2]。鮮菊花水分含量很高，采收后需要及時干燥，否則極易引起霉敗等變質(zhì)。菊花的干燥方式可分為自然晾曬、硫磺熏蒸、真空干燥[3]、遠(yuǎn)紅外干燥[4]、氣流干燥[5]、微波干燥[6]等，研究[7]表明采用微波-氣流組合干燥技術(shù)相比單一干燥方式可大大提高菊花干燥生產(chǎn)效益。在干燥過程中，結(jié)合干燥機的實際工作情況，干燥機內(nèi)部的流場分布嚴(yán)重影響菊花的干燥品質(zhì)[8]。目前，國內(nèi)外對菊花干燥過程中干燥室內(nèi)流場分析研究較少?；舳鈁9]通過分析菊花的物性參數(shù)和烘干室的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，應(yīng)用FLUENT軟件對菊花烘干室內(nèi)部氣流組織進(jìn)行模擬分析，通過改變烘干室的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高了烘干室內(nèi)氣流組織的均勻性，但并未分析菊花干燥過程中干燥室內(nèi)的流場特性及熱傳質(zhì)現(xiàn)象。本試驗擬以ZDG230型負(fù)壓式電加熱干燥機為試驗樣機，運用FLUENT軟件分析菊花烘干過程中干燥機內(nèi)部的流場分布特性，為今后優(yōu)化菊花干燥工藝、提高菊花干燥品質(zhì)提供參考。

1 計算模型

鮮菊花：采摘于濟源鴻潤苗木有限公司，經(jīng)測量得初始狀態(tài)下鮮菊花的含水率為84%、密度為465.6 kg/m3、孔隙率為54.51%，在干燥機內(nèi)每層菊花鋪放厚度為5 cm。

1.1 幾何建模和網(wǎng)格劃分

負(fù)壓式電加熱干燥機是利用電加熱管將外界輸送到加熱室的干冷空氣加熱。干燥室內(nèi)部風(fēng)機葉片快速旋轉(zhuǎn)使風(fēng)機附近空氣流速變大氣壓變小，使干燥室內(nèi)氣壓小于外界氣壓形成負(fù)壓，由于干燥室內(nèi)外壓差的作用使空氣由室外補償流入室內(nèi)[10-12]。ZDG230型負(fù)壓式干燥機干燥室的內(nèi)尺寸為125 cm(長)×93 cm(寬)×127 cm(高)，建模時默認(rèn)選用干燥機的中心為坐標(biāo)系的原點。干燥室的菊花層數(shù)設(shè)計為10層，則菊花堆積區(qū)域(多孔介質(zhì)區(qū)域)在Z坐標(biāo)軸上的對應(yīng)區(qū)間為(46.5 cm，78.2 cm)，干燥機的物理模型如圖(1)所示。

1. 熱交換管 2. 進(jìn)氣口 3. 排濕口 4. 風(fēng)機葉片 5. 風(fēng)機電機 6. 風(fēng)機變頻器 7. 自動控制器 8. 多空風(fēng)道 9. 多空盤 10. 門鎖夾 11. 多空突出盤 12. 托盤架 13. 托盤 14. 地輪 15. 門合頁 16. 托盤支架 17. 溫度傳感器 18. 門密封材料 19. 電加熱器固定臺 20. 電加熱器

圖1 干燥機物理模型示意圖

Figure 1 Schematic diagram of drying model

通過前處理軟件GAMBIT進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為兼顧計算精度和運算效率，采用六面體網(wǎng)格單元分塊劃分網(wǎng)格的方案。在干燥機的菊花堆積區(qū)域(多孔介質(zhì)區(qū)域)采用較密的網(wǎng)格劃分格式，而在其它區(qū)域則采用相對稀疏的網(wǎng)格劃分格式，共產(chǎn)生2.45×106個網(wǎng)格單元。

1.2 基本假設(shè)

根據(jù)負(fù)壓式電加熱干燥機兩側(cè)送風(fēng)的特點，認(rèn)為菊花干燥區(qū)域為多孔介質(zhì)區(qū)域，則濕菊花的熱風(fēng)干燥過程就是典型的多孔介質(zhì)熱質(zhì)傳遞過程，對傳熱過程做以下假設(shè)：

(1) 干燥機的干燥室內(nèi)分布有裝料門，從簡化數(shù)學(xué)模型的角度出發(fā)，認(rèn)為其物性參數(shù)和聚氨酯的物性參數(shù)是一致的。

(2) 干燥機內(nèi)空氣為不可壓縮的理想氣體。

(3) 菊花與菊花之間的熱傳導(dǎo)忽略不計。

(4) 由于熱空氣溫度不高，所以僅考慮對流換熱，不計輻射換熱。

(5) 干燥機的通風(fēng)排濕順暢。

(6) 干燥機的聚氨酯箱壁為絕熱體，其熱容量忽略不計。

1.3 計算模型建立

本試驗主要研究在菊花烘干過程中干燥機內(nèi)部流場分布及變化規(guī)律。質(zhì)量守恒方程又叫做連續(xù)性方程，任何流動問題都必須滿足連續(xù)性方程，式(1)為質(zhì)量守恒方程的表達(dá)式[13]。

(1)

引入矢量符號div(a)=?ax/?x+?ay/?ay+?az/?az，式(1)可寫為：

(2)

式中：

ρ——密度，kg/m3；

t——時間，s；

μ——速度矢量，s/m；

u、v、w——速度矢量μ在x、y和z方向的分量，s/m。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型是近些年應(yīng)用范圍最廣的湍流模型，它是由湍動能k方程和湍動耗散率ε的方程共同構(gòu)成的[14-15]。

(3)

(4)

式中：

Gb——由于浮力引起的湍動能k產(chǎn)生項；

Gk——由于平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項；

YM——代表可壓湍流中脈動擴張的貢獻(xiàn)，YM=0；

σk、σε——與湍動能k和耗散率ε對應(yīng)的Prandt1數(shù)，分別為1.0，1.3；

Sε、Sk——用戶自定義的源項；

C1ε、C2ε、C3ε——經(jīng)驗常數(shù)，分別為1.44，1.92，0.00。

1.4 邊界條件

在涉及到湍流的計算中，需要給定入口邊界上的湍流參數(shù)，通過給定湍流強度I、水力直徑DH、湍流動能k和湍流耗散率ε等來定義流場邊界上的湍流。本試驗選用的湍流參數(shù)為湍流強度I和水力直徑DH。根據(jù)流體力學(xué)的經(jīng)典理論，對于完全發(fā)展的管道中的流動，湍流強度I和水力直徑DH[16-17]，可由式(5)、(6)得到：

(5)

(6)

式中：

ReDH——以水力直徑DH為特征長度求出的雷諾數(shù)；

A——截面面積，mm2；

Pw——濕周，mm；

選用壓力出口邊界條件，出口氣流的壓力為50 100 Pa，出口氣流的溫度為實測溫度40 ℃干燥機壁面為絕熱壁面。

1.5 物理參數(shù)及相關(guān)參數(shù)

負(fù)壓式干燥機的干燥模型需要用到的物理屬性及相關(guān)參數(shù)如圖2所示。其中空氣的密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、黏度是取其在常溫下的熱物性值，并且假設(shè)干燥過程中菊花和箱壁的熱物性值為常數(shù)。

2 菊花干燥過程數(shù)值模擬結(jié)果及流場分析

2.1 速度場分析

圖3為y=0.6 m平面上的速度場分布圖。由圖3可知，干燥室內(nèi)熱氣流在分布上呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，整體上越接近上部風(fēng)機位置風(fēng)速越大。熱空氣從干燥機兩側(cè)進(jìn)入干燥機內(nèi)部，在風(fēng)機的抽力作用下，熱風(fēng)沿干燥機Z軸方向運動，運動過程中受到上方堆積菊花的阻礙作用，熱空氣流速緩慢增加，分層現(xiàn)象顯著，在出口處達(dá)到最大風(fēng)速。干燥機內(nèi)菊花放置區(qū)域物料間風(fēng)速大致在0.47～8.04 m/s呈梯度變化，層與層之間風(fēng)速較為均勻，能滿足排濕要求，且有利于同一層面上物料同步干燥。

圖2 物理屬性及相關(guān)參數(shù)

圖4(a)、(b)、(c)分別為Z在0.11，0.70，1.38 m平面上托盤內(nèi)物料的速度場分布圖。由圖4可知，不同高度層上菊花的速度場有明顯差別，且整體沿干燥機Z軸方面遞增。據(jù)此可以得出，放置菊花時，可以根據(jù)烤箱高度安排放置菊花的重量及層厚。即干燥時下層應(yīng)適當(dāng)減少菊花的攤?cè)~層厚，上層則應(yīng)適當(dāng)增加菊花的攤?cè)~厚度，這樣有利于物料的同步干燥，從而獲得較好的菊花質(zhì)量。

圖4 不同高度托盤內(nèi)物料的速度云場

2.2 壓力場分析

圖5為y=0.6 m平面上的壓力分布圖。由圖5可知，在熱氣流上升的過程中，由于受物料的阻礙作用，氣壓會有一定的損耗，表現(xiàn)為壓強沿干燥機Z軸方向不斷減小，并且在出口處有最小值。風(fēng)機的抽力以及干燥機內(nèi)部形成的壓力梯度成為流體流動的驅(qū)動力，保證了濕熱空氣是沿著干燥機Z軸方向運動，直至從風(fēng)機處流向干燥機外部，從而達(dá)到更有效的排濕效果。

圖5 干燥機內(nèi)部壓力場分布圖

圖6(a)、(b)、(c)分別為Z在0.11，0.70，1.38 m平面上托盤內(nèi)物料的壓力場分布圖。從圖6中可以看出，同一高度平面上各托盤內(nèi)物料壓力場分布較為均勻，不同高度平面上則區(qū)別明顯。熱氣流沿干燥機Z軸方向運動時，在干燥機底部接觸第一層物料前，由于途中沒有受到堆積菊花的阻礙作用，壓強基本沒有損失。當(dāng)進(jìn)入菊花堆積區(qū)后，受到物料的阻礙作用，壓強減小。

2.3 溫度場分布

雖然影響菊花干燥質(zhì)量的因素有很多，如干燥設(shè)備、物料裝載量、風(fēng)速、風(fēng)壓等情況，但其大部分因素是通過影響干燥機內(nèi)的溫度分布來影響菊花干燥質(zhì)量的。因此研究干燥機內(nèi)部的溫度分布情況對指導(dǎo)實際生產(chǎn)有重要意義[18]。

圖7為y=0.6 m平面上的溫度分布圖。由圖7可知，干燥過程中干燥機的垂直溫差為5～7 ℃，而菊花放置區(qū)域垂直溫差為3～5 ℃。干燥過程中菊花要不斷地從周圍環(huán)境中獲得熱能，其中一部分熱能用來提高菊花的溫度，另一部分則用于菊花水分的蒸發(fā)，因此熱氣流在通過菊花放置區(qū)域后，溫度有較為明顯的降低。從圖7中也可以發(fā)現(xiàn)，干燥機進(jìn)風(fēng)口兩側(cè)溫度較高，沿X軸接近中心處，溫度有所降低，但物料區(qū)整體溫度分布較為均勻。這是因為菊花在干燥過程中從環(huán)境吸熱，導(dǎo)致干燥機內(nèi)環(huán)境溫度低于初始進(jìn)風(fēng)口的熱風(fēng)溫度，隨后濕熱空氣在壓力梯度和風(fēng)機吸力的作用下向上運動，運動過程中不斷地帶走菊花水分，致使溫度出現(xiàn)小幅下降。

圖8(a)、(b)、(c)分別為Z在0.11，0.70，1.38 m平面上的托盤內(nèi)物料的溫度場分布圖。由圖8可知，在同一高度層面上，不同托盤的溫度場分布較為均勻，這有利于同一層面上菊花的同步干燥。此外，干燥機底部托盤溫度較高，沿Z軸方向上呈減小趨勢，不過減小幅度較小，底部至頂部溫差大致在4～6 ℃，保證了不同層菊花在相近的溫度下干燥，為菊花的干燥創(chuàng)造了良好的干燥環(huán)境。

圖8 不同高度托盤內(nèi)物料的溫度云場

2.3.1X-Z平面上干燥初期溫度云場圖 圖9分別顯示的是干燥時間為1，2，3 h時y=0.4 m平面上的溫度場。由圖9 可知，在干燥初始階段干燥機進(jìn)風(fēng)口兩側(cè)溫度較高，接近60 ℃。而中間區(qū)域溫度明顯較低，且底部溫度明顯高于干燥機上半部分溫度，干燥機內(nèi)最大溫差接近10 ℃。這是因為干燥初始階段，熱量在傳遞過程中，大部分熱量用于加熱物料，隨著熱空氣向干燥機中心和高度方向運動的過程，熱量不斷被消耗，致使溫度降低。隨著干燥時間的推移，雖然干燥機上部和底部仍存在溫差，但氣流在整個高度上的分布趨于均勻。為菊花的均勻干燥提供了有利條件。干燥進(jìn)行3 h 時，此時整個干燥機內(nèi)部溫度接近均勻狀態(tài)，此時菊花的失水速度和失水量較大，而蒸發(fā)需要從周圍環(huán)境中吸熱，導(dǎo)致整體環(huán)境溫度低于進(jìn)風(fēng)口溫度。

圖9 y=0.4 m平面上溫度云場圖

2.3.2X-Y平面上干燥初期溫度云場圖 圖10(a)、(b)、(c)分別為干燥1，2，3 h時Z=1.38 m平面上溫度云場圖。由圖10可以直觀看出，隨著干燥時間的延長，圖中低溫區(qū)域越來越小，溫度整體分布越來越均勻。干燥1 h時，該層面上溫度左右兩側(cè)高，中心處溫度低。這是因為熱風(fēng)從左右兩側(cè)通風(fēng)孔向中心運動時，受到物料的阻礙，熱量不斷地被消耗，再加上熱風(fēng)供應(yīng)時間較短，致使中心區(qū)域同壁面溫差較大。圖10(b)與圖10(a)相比提供的熱量增多，中心處同進(jìn)風(fēng)孔處溫差縮小。不過該層面上溫度分布仍不夠均勻。當(dāng)干燥進(jìn)行3 h時，整個層面溫度分布已比較均勻，只有在圖10(c)右下方靠近壁面位置處，出現(xiàn)溫度偏低情況，可能模擬物料干燥過程中，此處出現(xiàn)了渦流波動。但整體上干燥3 h時，該層面溫度分布基本已達(dá)到均勻狀態(tài)，整體溫差相差在5 ℃左右。

圖10 Z=1.38 m平面上溫度云場圖

圖11(a)、(b)、(c)分別為干燥1，2，3 h時Z=0.7 m平面上溫度云場圖。由圖11可得，干燥1 h時，該層面上四周溫差較小，低溫區(qū)域主要集中在整個平面的中心處。這是因為物料在干燥時，熱風(fēng)從左右兩側(cè)向中心處運動的過程中，也在向上運動，造成該層平面上傳遞到中心處的熱量較少，與此同時下層熱風(fēng)向上運動的過程中，由于蒸發(fā)吸熱，致使溫度較低，這也造成了中心處出現(xiàn)低溫區(qū)。從圖11還可以發(fā)現(xiàn)從兩側(cè)到中心處溫度均有所升高，這是因為隨干燥的進(jìn)行，熱量傳遞至中心處，使該處物料溫度上升并出現(xiàn)水分蒸發(fā)。當(dāng)干燥3 h時，該層最大溫差大致在4 ℃左右，基本達(dá)到了均勻狀態(tài)，且均勻性要優(yōu)于Z=1.38 m平面。

圖12(a)、(b)、(c)分別為干燥1，2，3 h時Z=0.11 m平面上溫度云場圖。由圖12可以看出，干燥時Z=0.11 m平面上達(dá)到均勻狀態(tài)較早。圖12(a)中，該平面在干燥1 h后，絕大部分區(qū)域溫差較小，基本達(dá)到了均勻狀態(tài)，僅中心點和上下邊框處相對周圍區(qū)域存在較大溫差。隨著干燥的進(jìn)行，溫度在該平面的分布相對越來越均勻，當(dāng)干燥進(jìn)行2～3 h后，圖中大部分區(qū)域溫度已經(jīng)達(dá)到56 ℃，區(qū)域間溫差在3 ℃左右。

圖11 Z=0.7 m平面上溫度云場圖

圖12 Z=0.11 m平面上溫度云場圖

對圖10～12進(jìn)行縱向比較，發(fā)現(xiàn)整體上越靠近烤箱底部，溫度達(dá)到均勻狀態(tài)越快。當(dāng)干燥時間一致時，從物料熱量變化上來看，Z=0.11 m平面>Z=0.70 m平面>Z=1.38 m 平面，這是因為熱氣流在沿干燥機中心方向和高度方向運動時，熱量不斷用于加熱物料和蒸發(fā)物料中的水分，因此越靠近頂部，物料溫度越低。

3 試驗驗證

3.1 監(jiān)測點布置

為驗證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，分別在干燥機內(nèi)的Z=0.11 m 平面、Z=0.70 m平面、Z=1.38 m平面布置溫度傳感器，每層平面布置16個，共計48個監(jiān)測點，每層監(jiān)測點布置如圖13所示。待干燥機運行穩(wěn)定后，測定各監(jiān)測點的溫度值，為方便列表分析，令每個托盤上4個監(jiān)測點測得溫度的平均值作為該托盤區(qū)域的平均溫度。

3.2 試驗及模擬結(jié)果統(tǒng)計

對試驗測量與模擬數(shù)據(jù)，按照干燥時間的順序進(jìn)行了劃分，如表1所示。

圖13 溫度監(jiān)測點布置圖

干燥時間/h平面層/m托盤1實測模擬托盤2實測模擬托盤3實測模擬托盤4實測模擬0.1153.355.153.155.353.855.653.555.410.7050.252.350.352.149.852.050.151.81.3848.650.549.751.550.352.149.150.80.1153.456.254.156.853.856.453.256.120.7051.554.750.853.951.154.352.254.81.3850.653.150.953.851.254.049.652.30.1155.857.156.157.655.157.254.957.330.7052.155.252.655.451.955.351.855.21.3850.954.551.354.951.154.850.554.1

3.3 檢測結(jié)果分析

分別對干燥1，2，3 h時，不同平面上各監(jiān)測點溫度的實測值和模擬值進(jìn)行對比分析，并計算出相應(yīng)的誤差情況。

(7)

式中：

ai——第i個監(jiān)測點實測值與模擬值之間的相對誤差；

Ei——第i個監(jiān)測點實測值；

Si——第i個監(jiān)測點模擬值，i=1、2、3、4。

因為每層的4個托盤均在同一平面上，故托盤均用1～4號來表示(見圖13)，利用式(7)來計算檢測結(jié)果的誤差情況，相對誤差如圖14所示。

對比結(jié)果分析：

(1) 通過對實測值和模擬值的比較，發(fā)現(xiàn)實測值略低于模擬值，主要原因可能是實際干燥中干燥機箱壁會造成部分熱量的散失，而模擬的模型為理想模型，因此會造成數(shù)據(jù)的誤差。

(2) 據(jù)圖(14)所示，各托盤監(jiān)測點的誤差值均<8%，所以可以認(rèn)為模擬計算結(jié)果能夠和實測結(jié)果較好吻合，證明通過FLUENT軟件進(jìn)行模擬計算是正確可行的。

4 結(jié)論

(1) 通過分析ZDG230型負(fù)壓式電加熱干燥機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，構(gòu)建了干燥機的幾何模型。采用六面體網(wǎng)格單元分塊劃分網(wǎng)格的方案及前處理軟件GAMBIT進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)負(fù)壓式電加熱干燥機兩側(cè)送風(fēng)，以及菊花干燥區(qū)域為多孔介質(zhì)區(qū)域的特點建立了CFD模型。

圖14 各托盤監(jiān)測點誤差圖

(2) 應(yīng)用FLUENT軟件對模型的求解計算實現(xiàn)了菊花熱風(fēng)干燥過程中流場分布的數(shù)值模擬，得到了菊花干燥過程中的速度場、壓力場及溫度場的分布規(guī)律。在菊花放置區(qū)域干燥機內(nèi)流場速度隨烤箱高度而增大，風(fēng)速大致在0.47～8.04 m/s 時呈梯度變化；干燥室內(nèi)壓力沿干燥機Z軸方向不斷減小，不同高度平面上差別明顯，在同一高度上各托盤內(nèi)物料壓力場分布較為均勻；在干燥初始階段菊花放置區(qū)域初期溫度場分布最大溫差接近10 ℃，且其溫度場分布在豎直軸心方向溫度較低，隨著干燥時間的推移，其溫度場分布逐漸趨于均勻。

(3) 為確保模擬結(jié)果的可信度，著重對干燥穩(wěn)定前1，2，3 h干燥機內(nèi)溫度場的分布情況進(jìn)行了模擬和驗證，驗證結(jié)果為各監(jiān)測點的誤差均在8%以內(nèi)，證明了模擬結(jié)果的可靠性。其結(jié)果表明利用FLUENT模擬分析方法對提高菊花干燥品質(zhì)具有一定的參考價值，對ZDG230型負(fù)壓式電加熱干燥機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造具有重要的指導(dǎo)意義。