果蔬干燥箱氣流分配室的數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王 健， 董繼先,， 王 棟， 劉育晟

(1.陜西科技大學 機電工程學院, 陜西 西安 710021; 2.陜西農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究院, 陜西 西安 710021)

0 引言

熱風干燥設(shè)備具有操作簡單、成本低、產(chǎn)量大等優(yōu)點，在食品干燥加工中的應(yīng)用非常廣泛.據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，市面90%的果蔬干制品均是采用熱風干燥加工方式獲得[1].但是熱風干燥過程中仍然存在干燥不均勻的缺陷.風速是影響物料干燥特性的重要因素，當熱風進入干燥箱分布不均時，物料受風受熱不均勻，極大的影響干燥箱的干燥質(zhì)量[2-4]，氣流分配裝置是熱風類干燥箱常用的氣體分流結(jié)構(gòu)，因此，模擬氣流分配室的氣流分配情況，優(yōu)化氣流分配室的結(jié)構(gòu)，對于提高熱風類干燥箱的干燥質(zhì)量具有重大意義.

計算流體動力學(CFD)是一種通過建立物理和數(shù)學模型，然后借助計算機模擬，可視化呈現(xiàn)出流體的速度場、溫度場、壓力場等參數(shù)分布的研究方法.比起傳統(tǒng)的設(shè)計、制造、再改進，明顯縮短了生產(chǎn)加工周期，節(jié)約了時間和成本[5-7].近年來，CFD軟件在食品、農(nóng)業(yè)機械設(shè)備等工程實際中的運用越來越廣泛.謝晶等[8]運用CFD軟件對冷藏庫內(nèi)流場做了數(shù)值模擬，表明拐角擋板、貨物等多個參數(shù)對冷藏庫內(nèi)流場有巨大影響，但并沒有進一步對冷藏庫結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計.田松濤等[9]使用Fluent軟件對氣體射流沖擊烤箱氣流分配室進行了模擬研究，但其只進行了兩種模型改進，優(yōu)化結(jié)果太單一，缺少對比.代建武等[10]運用Fluent軟件對氣體射流沖擊干燥機氣流分配室進行了流場模擬，改善了氣流分配室的均勻性，但是其設(shè)計的氣流分配室出風口采用105個噴管，成本高，難以推廣.本文使用Fluent15.0軟件對果蔬熱風干燥箱的氣流分配室進行模擬，主要對氣流分配腔室流場特征和條形出風口風速進行模擬，根據(jù)模擬情況對氣流分配室提出了4種優(yōu)化方法，然后分別對改進后的4種結(jié)構(gòu)進行模擬，并將模擬結(jié)果與原始結(jié)構(gòu)流場特征和速度分布進行對比分析，以期得到最佳的果蔬干燥箱氣流分配室結(jié)構(gòu)[11]，為類似熱風干燥箱均勻分配氣流提供一定的研究思路和參考.

1 果蔬干燥箱氣流分配室的數(shù)值模擬

1.1 原始模型的創(chuàng)建與網(wǎng)格劃分

根據(jù)CT-C I型熱風循環(huán)干燥箱，將其氣流分配室進行簡化.如圖1所示，氣流分配室由進風口、分配腔室、12排條形出風口組成，在熱風干燥過程中，熱風經(jīng)進風口進入氣流分配腔室，經(jīng)過氣流分配腔室的分配，從12排出風口排出.其中分配腔室呈長方體狀，長、寬、高分別為1100mm、300mm、1500mm，分配腔室正上方為正方形進風口，進風口大小為300mm×300mm，側(cè)邊有12排條形出風口，標定最上端為第1排出風口，依次至最下端為第12排出風口，條形出風口長與寬分別為1100mm和35mm，條形出風口之間間距為90mm，第12排出風口距離最下端為45mm，原始模型結(jié)構(gòu)簡圖如圖1(a)所示.

首先在Solid Works軟件中按照實際尺寸對干燥箱氣流分配室進行三維建模，然后導(dǎo)入Fluent軟件，使用Meshing模塊進行網(wǎng)格劃分，生成四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約為120萬個，網(wǎng)格示意圖如圖1(b)所示.本文設(shè)定氣流分配室沿著長度方向為X軸，寬度方向為Y軸，高度方向為Z軸，坐標原點為氣流分配腔室出風口一側(cè)外表面的幾何中心.

(a)原始模型結(jié)構(gòu)簡圖

(b)網(wǎng)格示意圖圖1 氣流分配室原始模型結(jié)構(gòu)簡圖及網(wǎng)格示意圖

1.2 邊界條件

進口邊界條件選擇速度入口邊界條件，入口速度設(shè)定為10m/s，進、出口熱風溫度均設(shè)置為323K(50℃)，出口邊界條件采用壓力出口邊界條件，設(shè)定大氣條件為壓力出口邊界值，固壁條件采用無滑移絕熱壁面邊界條件[12].

1.3 數(shù)值計算方法及數(shù)據(jù)處理

流體部分采用RNGk-ε湍流模型，控制方程采用有限容積法離散，壓力速度耦合計算采用SIMPLE算法，殘差精度設(shè)定為10-4來進行模擬計算[12].同時引入兩個評定指標來分別定量評價出風口的風速偏差程度和整體出風口速度分布的均勻性.速度偏差比E用來評價不同高度條形出風口熱風速度的偏差程度，速度不均勻系數(shù)M用來評價整體出風口速度分布的均勻性[13,14].

(1)

(2)

1.4 原始模型模擬計算結(jié)果及分析

如圖2(a)所示，在每排出風口平面等距離截取5個點位進行模擬測量風速值[15]，每排出風口的點位分別為X=500mm、X=250mm、X=0mm、X=-250mm、X=-500mm平面與各條形出風口中軸線的交點.根據(jù)模擬結(jié)果，由圖2(b)可以看出，熱風由進風口進入氣流分配室，由于自身運動慣性，氣流分配室中部形成高速風區(qū)，由于分配腔室下底板的阻擋，一部分熱風從出風口排出，一部分熱風向兩側(cè)回轉(zhuǎn)，軸線兩側(cè)形成兩個對稱的反向渦流區(qū)，導(dǎo)致風速沿高度方向梯度很大，中間小，兩端高.從圖2(c)各排出風口風速模擬結(jié)果可以看出，出風口風速值從第一排5.2m/s開始不斷降低至第7排2.9m/s，然后又逐漸增大至第12排9.3m/s，原始簡化模型的速度偏差比最大值高達109%，速度不均勻系數(shù)為42%，顯然不能滿足熱風干燥均勻性的要求，所以需要對原始模型進行改進優(yōu)化.

(a)風速模擬測量點

(b)垂直于Y軸平面風速矢量

(c)各排出風口平均速度模擬值分布圖圖2 氣流分配室原始簡化模型流場特征分布圖

2 模型改進與優(yōu)化

2.1 減小底板寬度

減小底板寬度，構(gòu)造一定傾角，利用斜面改善模型腔室內(nèi)氣流分布規(guī)律是常用的優(yōu)化設(shè)計思路[9].如圖3(a)所示，將原始氣流分配室底板寬度D分別縮短至50mm、100mm、150mm加以模擬分析比較，D=100mm的模型模擬結(jié)果如圖3(b)所示，可以看出，由于傾斜壁面的作用，渦流區(qū)有所縮小和上移，渦流區(qū)跟原始模型相似，但底部高速風區(qū)面積有所增大.由圖3(c)可以看出，3種情況，速度分布圖趨勢基本一致，底板寬度為150mm相對均勻效果最好，前8排出風口速度分布在4.4m/s至4.7m/s，速度趨于穩(wěn)定，波動不大，后面4排出風口風速從4.4m/s到8.5m/s不斷增大，均勻性較差，最大速度偏差比為57%，速度不均勻系數(shù)為31%，均勻性與原始模型相比有了一定的提高，但是整體氣流強弱之分依然明顯，因此，傾斜模型不能很好的保證各排出風口熱風的均勻性.

(a)傾斜模型結(jié)構(gòu)簡圖 (b)垂直于Y軸平面風速矢量

(c)各排出風口平均速度模擬值分布圖圖3 傾斜模型流場特征分布圖

2.2 劃分等寬流道

劃分獨立流道對流體流動方向與氣流分配均勻性能產(chǎn)生積極影響[16]，因此，將氣流分配室劃分為若干獨立流道，借助流道的導(dǎo)流作用來均布氣流.如圖4(a)所示，對氣流分配室沿寬度方向等分為若干間距為d的獨立流道，其中每個分流板呈L型，厚度為1mm，分流板的底板與上下兩流道鄰近的兩出風口中線齊平，即h等于氣流分配腔室總高度除以流道個數(shù)，豎直板高度與上一流道出風口一側(cè)中線齊平，即h1=1/2h.前期模擬發(fā)現(xiàn)當每一獨立流道內(nèi)出風口多于兩排時，氣流均勻性較差，甚至不如原始模型，予以排除.本文將氣流分配室進行了兩種獨立流道劃分，并加以模擬對比分析，兩種流道分別為，一排出風口一流道，兩排出風口一流道.

兩排出風口一流道的風速云圖如圖4(b)所示.結(jié)果表明，在每一獨立流道內(nèi)兩排出風口風速呈一小一大跳躍分布，同一流道內(nèi)下端出風口的風速大，上方出風口風速小.

兩排出風口一流道的風速矢量圖如圖4(c)所示，由于L型底板的擾流作用，在寬度方向上每個獨立流道內(nèi)的氣流沿中軸線兩邊形成了對稱的渦流區(qū)，中間的高速氣流向兩邊擾動擴散，對寬度方向上氣流的均勻性產(chǎn)生了積極影響.

如圖4(d)可以看出，一排出風口一流道，整體風速均勻性相對較好，但中間流道出風口風速大，兩邊流道風速小，分析認為由于流道劃分過多，每流道寬度值d過小，由于氣流自身慣性作用，大量氣流從中間流入，兩邊氣流不足，導(dǎo)致整體風速中間出風口風速大，兩端出風口風速小.兩排出風口一流道，風速呈一小一大跳躍分布，波動明顯，根據(jù)圖4(b)加以分析，是因為L型分流板的導(dǎo)流作用，絕大部分氣流沿著分流板直接從底口排出，少部分氣流向上回轉(zhuǎn)，上方區(qū)域氣流不足，導(dǎo)致上方出風口風速小，下方出風口風速大，其最大速度偏差比為67%，速度不均勻系數(shù)為35%.劃分等寬流道的較優(yōu)結(jié)構(gòu)為一排出風口一流道，其最大速度偏差比降為26%，速度不均勻系數(shù)降為17%，整體出風口速度均勻性有了很大提高，但是一排出風口一流道容易導(dǎo)致中間流道風速大，兩邊流道風速值小.

(a)流道模型結(jié)構(gòu)簡圖 (b)垂直于X軸平面風速云圖

(c)垂直于Y軸平面風速矢量圖

(d)各排出風口平均速度模擬值分布圖圖4 劃分流道模型流場特征分布圖

2.3 安裝擾流平板

研究表明，安裝多塊擾流平板能對氣流分配室的氣流均布起到積極作用[17].如圖5(a)所示，在氣流分配室出風口反向一側(cè)安裝四塊擾流平板，平板長度與氣流分配室等長，寬度為氣流分配室寬度的3/5，厚度為3mm，平板間距H為氣流分配室高度的1/4，分別選取第一塊擾流板與第一排出風口中線齊平、高于第一排出風口中線35mm(1倍條形出風口寬度)、低于第一排出風口中線35mm三種情況加以模擬對比分析[10].

如圖5(c)所示，熱風經(jīng)進風口進入氣流分配腔室，由于平板擾流作用，形成了兩側(cè)對稱、面積近似相等、位置均布的四層渦流區(qū)，氣流摻混融合更加均勻，對出風口的速度均布起到了非常積極的影響.

(a)平板模型結(jié)構(gòu)簡圖 (b)垂直于X軸平面風速云圖

(c)垂直于Y軸平面風速矢量圖

(d)各排出風口平均速度模擬值分布圖圖5 平板模型流場特征分布圖

如圖5(d)所示，3種情況速度分布曲線走勢近似一致，高于第一排出風口中線35mm均勻性最好，根據(jù)圖5(b)加以分析，由于受到靠近入口擾流板的突然擾流作用，一部分氣流從前幾排出口直接流出，一部分氣流進入氣流分配室形成漩渦，導(dǎo)致氣流第1排出風口的速度值偏大，前3排出風口風速值變化明顯，風速從7.6m/s降至4.3m/s，其余位置速度較為均勻，穩(wěn)定在4.3m/s至5.3m/s.該模型最大速度偏差比為48%，速度不均勻系數(shù)為20%，表明安裝擾流平板能夠提高氣流分配室整體風速的均勻性，但受靠近入口擾流板的擾流作用，第一排出風口風速偏大，導(dǎo)致局部風速偏差比很大.

2.4 劃分流道與安裝擾流平板結(jié)合

由上述模擬發(fā)現(xiàn)，劃分流道和安裝擾流平板均能對氣流的均布產(chǎn)生一定的積極影響，本文嘗試將兩種方式進行組合.如圖6(a)所示，在兩排出風口一等寬流道的基礎(chǔ)上，在每一流道底部安裝擾流平板，前期模擬發(fā)現(xiàn)，在獨立流道內(nèi)，平板安裝位置低于兩出風口中線1/3條形出風口寬度效果最佳，即L2等于1/3條形出風口寬度，因此以此限定平板安裝位置，選擇等寬流道(d值相等)，L1=3/5L、等寬流道，L1=4/5L、兩側(cè)流道加寬，L1=4/5L三種情況加以模擬對比.

兩側(cè)流道加寬模型風速云圖模擬結(jié)果如圖6(b)所示，可以看出熱風經(jīng)進風口進入氣流分配腔室，由于分流板的分流作用，氣流分散進入各個流道，在每個獨立的流道內(nèi)，由于平板的擾流作用氣流被分隔成上下兩個渦流區(qū)，兩側(cè)流道加寬模型風速矢量模擬結(jié)果如圖6(c)所示，可以看出由于氣流運動慣性，中間氣流集中，風速較大，經(jīng)過平板和壁面擾流的同時，熱風向兩端氣流不足的地方擴散，沿氣流分配室長度方向也形成大面積渦流區(qū)，使得氣流摻混融合更加均勻.

根據(jù)圖6(d)速度分布圖可以看出，兩側(cè)流道加寬，L1=4/5L模型均勻性最好.如圖6(a)所示，兩側(cè)加寬的具體尺寸為，從左至右6個流道的寬度值d依次為60mm、50mm、40mm、40mm、40mm、70mm.該結(jié)構(gòu)所有出風口風速穩(wěn)定在4.8m/s至6.3m/s，速度偏差比最大值由原始模型109%降為15%，速度不均勻系數(shù)由42%降為7%，表明各個出風口風速偏差很小，很好的提高了氣流分配室氣流分配的均勻性，為類似熱風干燥箱均勻分配氣流提供了研究思路和參考.

(a)組合模型結(jié)構(gòu)簡圖 (b)垂直于X軸平面風速云圖

(c)垂直于Y軸平面風速矢量圖

(d)各排出風口平均速度模擬值分布圖圖6 組合模型流場特征分布圖

3 結(jié)論

(1)CT-C I型熱風循環(huán)干燥箱原始簡化的氣流分配室出風口風速值從上至下呈先減小后增大的趨勢，速度偏差比最大值高達109%，速度不均勻系數(shù)為42%，不能滿足熱風干燥的均勻性要求.減小氣流分配室底板寬度，雖然熱風均勻性與原始模型相比有了很大提高，但各排出風口氣流強弱之分依然明顯，不能解決熱風干燥的均勻性問題.

(2)劃分等寬流道能夠提高氣流分配室風速的整體均勻性，當每一獨立流道內(nèi)出風口排數(shù)越少整體均勻性越好，當每一獨立流道內(nèi)兩排出風口時，每一獨立流道內(nèi)風速值呈跳躍性分布，下排出風口的風速值大，上排出風口風速值小.一排出風口一獨立流道的結(jié)構(gòu)均勻性相對較好，但會導(dǎo)致中間流道出風口風速值大，兩側(cè)流道出風口風速值小.安裝多塊擾流平板能對氣流分配室的氣流均布起到積極作用，但是受入口擾流板的影響第一排出風口的速度值會偏大，影響整體風速的均勻性.

(3)劃分流道與安裝擾流平板的組合結(jié)構(gòu)，對氣流的均勻分配能起到積極作用，在設(shè)計工況條件下，兩側(cè)流道加寬，同時L1=4/5L時(兩側(cè)加寬的具體尺寸為，從左至右6個流道的寬度值d依次為60mm、50mm、40mm、40mm、40mm、70mm)，均勻效果最好，速度偏差比最大值由原始模型109%降為15%，速度不均勻系數(shù)由42%降為7%，顯示各個出風口風速偏差很小，很好的提高了氣流分配室氣流分配的均勻性，為類似熱風干燥箱均勻分配氣流提供了研究思路和參考.