當(dāng)歸干燥室設(shè)計(jì)及流場仿真分析

常瑞虎，劉柯楠

(1.蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)(2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西 咸陽 712100)

1 當(dāng)歸干燥工藝問題的提出

當(dāng)歸是最常用的中藥之一，具有補(bǔ)血和血、調(diào)經(jīng)止痛、潤燥滑腸、抗癌、抗衰老、免疫之功效。因產(chǎn)地不同有秦歸(甘肅產(chǎn))、云歸(云南產(chǎn))、川歸(四川產(chǎn))之分[1]。秦歸以岷縣“岷歸”最為有名。

據(jù)報(bào)道，2013年岷縣當(dāng)歸種植面積達(dá)15.12萬畝，產(chǎn)量2.93萬t，在種植面積不斷擴(kuò)大的同時(shí)，倉貯能力也在不斷增強(qiáng)，全縣藥材倉貯能力達(dá)3.83萬t[1]。在政府的大力引導(dǎo)、支持下當(dāng)歸種植面積不斷擴(kuò)大，已成為當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)產(chǎn)業(yè)并為農(nóng)民增加了收入。影響當(dāng)歸質(zhì)量的重要因素之一就是當(dāng)歸的加工，所以研究當(dāng)歸的加工方法及干燥工藝技術(shù)，可提高當(dāng)歸品質(zhì)，從而增加經(jīng)濟(jì)效益[2]。

2 干燥室的建模

熱風(fēng)由風(fēng)機(jī)送入送風(fēng)道后將沿著半弧形流道流經(jīng)物料表面帶走物料中的水分，再由排風(fēng)機(jī)排出。本文所設(shè)計(jì)的干燥室的特點(diǎn)有：1)熱風(fēng)進(jìn)口數(shù)大于1，盡量保證被干物料受熱的均勻性；2)進(jìn)出口在同一側(cè)，且將添加物料處放在干燥介質(zhì)出口處，保證干燥介質(zhì)質(zhì)量。

干燥室的尺寸設(shè)計(jì)為2 000mm×2 000mm×2 000mm，物料架的尺寸設(shè)計(jì)為1 600mm×2 000mm×1 200mm，物料架間距為120mm。

本文使用Pro/E軟件繪制干燥室的三維模型，如圖1所示。

圖1 三維模型

3 數(shù)值模擬

3.1 CFD數(shù)值模擬簡述

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)是以計(jì)算機(jī)為工具，應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法，對流體力學(xué)的各類問題進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬和分析研究流體的速度場、溫度場、壓力場等參數(shù)分布的方法[5-9]。模擬流程簡圖如圖2所示。

3.2 控制方程

根據(jù)流體力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，可知干燥室內(nèi)熱空氣為穩(wěn)態(tài)的黏性流動(dòng)，當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，密度變化很小可以忽略，這樣可以近似認(rèn)為氣體是不可壓縮的。因此，假設(shè)流體為不可壓縮流體，氣體黏性系數(shù)為常數(shù)，干燥室內(nèi)熱空氣流動(dòng)狀態(tài)滿足連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程。

圖2 模擬流程簡圖

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程為：

(2)

本文選用目前應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型。

湍流動(dòng)能方程為：

命題 4.2 μ, Μ(B,K)是Rd上正交測度框架測度且 令ν=(μ+ν1)°Sμ, 則ν為μ的近似對偶測度框架。

(3)

湍流動(dòng)能耗散率ε方程為：

(4)

式中：xi,xj,xk為坐標(biāo)分量；ρ為流體密度，kg/m3；ui，uj，uk為流體質(zhì)量，kg；p為流體微元上的壓力，N/m2；μ為流體動(dòng)力黏度，N·s/m2；μt為渦黏性系數(shù);Cb為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);Gb為渦運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù);δij為函數(shù)，當(dāng)i=j時(shí)，δij=1,當(dāng)i≠j時(shí)，δij=0；Sε為自定義項(xiàng);t為時(shí)間;G1ε,G2ε,G3ε,σε為湍流系數(shù),G1ε=1.44，G2ε=1.92，G3ε=0.09，σκ=1.0，σε=1.3。

3.3 劃分網(wǎng)格、設(shè)置邊界條件

本文應(yīng)用前置處理軟件GAMBIT對干燥室劃分網(wǎng)格，再把網(wǎng)格導(dǎo)入后置處理軟件FLUENT中進(jìn)行計(jì)算。邊界條件及參數(shù)設(shè)置見表1[5-14]。

表1 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

假設(shè)干燥室的物料架上堆滿了濕的當(dāng)歸，外部空氣經(jīng)加熱后達(dá)到當(dāng)歸的適宜干燥溫度45℃左右，送風(fēng)機(jī)以2.1m/s的速度將熱空氣送入送風(fēng)道。模擬過程中入口采用2.1m/s的速度進(jìn)入邊界，出口采用無回流的壓力出口邊界，所以假設(shè)出口表壓為0。

4 模擬結(jié)果及分析

圖3為45℃左右熱空氣進(jìn)入干燥室時(shí)干燥室內(nèi)氣流的溫度分布圖。從圖可以看出，物料層區(qū)溫度分布不均勻且在軸線附近出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。氣流經(jīng)過中間物料層附近溫度可達(dá)到43℃，靠近進(jìn)風(fēng)通道的物料層附近溫度要低一些，大約為39℃。

圖3 溫度場云圖

圖4為熱空氣以2.1m/s進(jìn)入干燥室時(shí)干燥室內(nèi)氣流的速度流場圖。從圖可以看出，空氣在進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，達(dá)到壁面后局部速度明顯減小且產(chǎn)生渦旋，在弧形壁面處速度達(dá)到最低(0.2m/s)，然后空氣以較快的速度流經(jīng)物料表面層。通過中間物料層的熱空氣速度比進(jìn)風(fēng)口速度大且達(dá)到4.2m/s；同時(shí)經(jīng)過上、下物料表面時(shí)風(fēng)速比進(jìn)風(fēng)口速度小，為0.5m/s。

圖4 速度場云圖

為了改善干燥室內(nèi)溫度、速度的分布效果，在與物料架平行的轉(zhuǎn)角處添加了導(dǎo)風(fēng)板。如表2所示，本文設(shè)計(jì)了3種導(dǎo)風(fēng)板的布置形式，分別是并排式、左傾式和右傾式，導(dǎo)風(fēng)板的設(shè)計(jì)尺寸為200mm×2 000mm×20mm。并排式即從上往下一字排開，左端距離干燥室壁面250mm，相鄰導(dǎo)風(fēng)板垂直距離為200mm(每種布置垂直距離保持不變)；左傾式是向左有一定傾角(傾角20°)；右傾式則相反?，F(xiàn)將設(shè)計(jì)好的導(dǎo)風(fēng)板加入到干燥室模型中，在FLUENT軟件中進(jìn)行模擬。右傾式導(dǎo)風(fēng)板加到干燥室模型中模擬效果較好，改善后溫度分布如圖5所示，從云圖可以看出，熱風(fēng)經(jīng)過物料層表面時(shí)溫度基本保持在40℃。

表2 導(dǎo)風(fēng)板的布置形式

圖5 改善后溫度場云圖

改善后速度分布云圖如圖6所示，從圖可以看出，熱空氣流經(jīng)物料層表面時(shí)速度在3m/s左右，說明添加導(dǎo)流板可以較好地改善熱空氣流經(jīng)物料層表面的速度、溫度的均勻性。

圖6 改善后速度場云圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了能夠合理分配室內(nèi)空氣氣流組織的氣流通道干燥室，運(yùn)用CFD數(shù)值模擬干燥室內(nèi)氣流場的分布。針對當(dāng)歸干燥過程中氣流的不均勻性，運(yùn)用導(dǎo)流板改善干燥室內(nèi)氣流的分布。由模擬結(jié)果可得，改善后干燥室內(nèi)氣流分布基本均勻，可以運(yùn)用在當(dāng)歸的熱風(fēng)干燥中,同時(shí)也為當(dāng)歸干燥室的設(shè)計(jì)提供一定參考。