單板太陽能干燥室內部風場的模擬與優(yōu)化1)

丁宇 張靜 何正斌 伊松林

(北京林業(yè)大學，北京，100083)

太陽能是一種綠色可再生資源，通過太陽能干燥室利用太陽能資源對木材單板進行加工，能加快單板干燥速度，提高干燥質量，在一定程度上可以替代常規(guī)能源，減少木材加工過程中的污染氣體排放[1]。國內外的一些研究表明，單板太陽能干燥室中，由于單板的尺寸及含水率特性，干燥窯內單板的干燥速度及干燥質量，與干燥介質的濕度和溫度的均勻度及分布情況緊密相關；同時，干燥室內溫度、濕度這些特性受到干燥窯內介質風速場的直接影響[2-3]。干燥窯內風速場的均勻性會影響到材堆整體的干燥速度、干燥質量、干燥均勻程度，因此，對干燥窯內風速場均勻性的探究十分必要[4]。

干燥窯內風速場的均勻性與介質的循環(huán)風速、干燥室的具體構造等因素有關[5-6]。在實際生產過程中探究出干燥室內的最佳風速條件，需要調整循環(huán)風速及干燥室內的構造，再對干燥室內的干燥介質條件進行實地測量，工作量很大，且存在誤差及很多不確定因素[7]。根據(jù)現(xiàn)有的干燥室條件，選擇合適的循環(huán)風速、材堆與側墻的距離，可以改善干燥室內風速場的均勻性，對提高干燥產品質量、節(jié)約能源有重要的意義[8-9]。因此，可以將計算流體力學引入木材室內流場的研究中。計算流體力學是一種計算機輔助軟件，通過建立數(shù)學模型和物理模型，利用計算機對其進行仿真模擬求解[10-11]。通過計算流體力學軟件模擬出來的結果其真實性可以達到90%以上，與傳統(tǒng)的實際測量方法相比，節(jié)省了更多的時間和經(jīng)費[12]。

筆者以山東濰坊富順節(jié)能科技有限公司小型的頂風式太陽能木材干燥室為模型，使用計算流體力學軟件對干燥室的實際尺寸進行建模和數(shù)值模擬，改變初始邊界條件和干燥室內部結構，根據(jù)不同循環(huán)風速、材堆與側墻的距離，對干燥室內風速場的均勻度進行分析，得出適合該干燥室的最優(yōu)風速、材堆與側墻的距離。之后按照模擬得出的最優(yōu)流場條件進行實驗，接著對模擬結果的準確性及真實性進行驗證，確認模擬結果的精確度。本實驗可以為不同干燥室的最佳參數(shù)的設定提供參考。

1 材料與方法

1.1 干燥室

小型頂風式木材太陽能干燥室，尺寸為長4.2 m、寬3 m、前方高2.25 m、后方高2.55 m，干燥室頂棚的寬度為2 m，距離地面的高度為1.7 m。干燥間的容積為4.0 m×2.8 m×1.6 m，一次可裝載4～5 m3的木材；外壁除了后墻外均采用鋁合金框架貼附10 mm厚的4層中空PC陽光板制成。干燥室頂部安裝有兩臺額電功率為0.55 kW的YTW801-4型軸流風機，風機的直徑為0.5 m，干燥室前后均設有進排氣道，通過控制氣道的開啟與關閉，調節(jié)干燥室內干燥介質的溫濕度狀態(tài)。

1.2 材堆與單板

材堆的尺寸為長1.3 m、寬0.7 m、高1.5 m，材堆的底部距離地面0.1 m，隔條的厚度為0.025 m，碼垛的單板層數(shù)為50層，單板的尺寸為1.25 m×0.65 m×0.003 m，材堆與干燥窯墻壁的距離可以自由調整。

1.3 方法

通過對頂風式木材干燥室進行建模和數(shù)值模擬，分析在特定風速條件下和不同材堆到側墻距離時，干燥窯內部風速場的均勻性，選出最優(yōu)組合，并按照最優(yōu)的組合條件對其經(jīng)行驗證。首先，將材堆與干燥窯墻壁的距離設定為0.5 m，風速分別設為3、5、7 m/s，通過比較干燥窯內介質流體的分布情況及干燥介質進出材堆的情況，探究出該條件下最均勻的初始風速。之后，在材堆到側墻的距離分別為20、30、40、50、60 cm的設置中，從實驗得出的頂風風機的最優(yōu)風速里選出風速最均勻的一組。按照模擬結果中風速場分布最均勻的一組條件進行實際驗證。

1.4 干燥室內部流場的數(shù)值模擬原理及過程

采用計算流體力學軟件對干燥室進行模擬和分析，對太陽能干燥室建模及參數(shù)設置過程如下。

1.4.1 建立模型及劃分網(wǎng)格

根據(jù)太陽能干燥室的真實尺寸，按照1∶1的比例創(chuàng)建模型。建模完成后需要對計算區(qū)域進行離散化，即經(jīng)行網(wǎng)格的劃分。本研究直接對面(或者體)進行網(wǎng)格劃分，2D網(wǎng)格劃分的數(shù)量為6萬個，3D網(wǎng)格的數(shù)量約為50萬個，2D結果如圖1。

1.4.2 邊界條件類型的指定

頂部風機按照逆時針的順序進行送風，因此將左側進氣口的邊界條件定義為速度入口邊界條件，風速的大小可以進行調節(jié)，湍流動能設置為0.4 m2/s2，湍流耗散率設置為0.1 m2/s2，空氣介質的初始溫度設置為330 K。指定右邊出口邊界條件為充分發(fā)展，出口設定為1個標準大氣壓，干燥室內壁和木材表面選擇壁面邊界條件，設定為無滑移的靜壁面，采用對流換熱方式進行熱交換，初始溫度300 K。

圖1 干燥窯模型的建立與網(wǎng)格的劃分

1.4.3 計算流體力學軟件求解過程

(1)求解器的定義。采用壓力隱式求解器，壓力基求解器可以按照順序依次求解動量方程、壓力修正方程、能量方程和組分方程及其他標量方程(例如湍流方程)等。

(2)數(shù)學計算模型的選擇。本研究模擬過程中需用到以下的控制方程。

質量守恒定律：

(1)

動量守恒定律：

(2)

能量守恒定律：

(3)

模擬過程中用到的湍流模型為Realizableκ-ε模型：

(4)

(5)

式中：U為室內空氣流速(m/s)；ρ為室內流體密度(kg/m3)；μ為動力黏度(Pa·s)；ui、uj分別為xi、xj方向的時均速度；xi為直角坐標系的3個坐標軸；σk=1.05，σε=1.25，經(jīng)驗常數(shù)C1=1.44，C2=1.92；f為單位質量流體所收到的質量力；e為內能；q為單位質量流體內熱源單位時間內的發(fā)熱量；T為溫度；E為時均張力。

1.4.4 計算結果的輸出

在軟件中設置相關參數(shù)及初始化流場，對模型進行迭代計算，計算過程中的殘差動態(tài)顯示見圖2，橫坐標表示迭代次數(shù)，縱坐標表示殘差值?？梢钥闯?，大概經(jīng)過2 200步左右的迭代計算后，各個方程計算結果的殘差都已經(jīng)小于10-6，計算收斂，模擬結束，可以導出計算結果。

圖2 計算過程中殘差動態(tài)顯示圖

1.5 模擬結果的實際驗證與分析

將干燥室內氣流分布的速度場云圖通過圖形可視化的方法輸出，并繪制需要得到的測點位置的XY散點圖，通過不同情況時干燥窯內氣流分布情況，得出最優(yōu)條件。根據(jù)模擬得出的最優(yōu)條件進行試驗，在干燥室內進行實際風速的測量，對比分析模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)之間的精確度，驗證該模擬過程的準確性和可行性。

2 結果與分析

2.1 干燥室內部最佳循環(huán)風速

材堆與墻壁之間的距離為0.5 m，風機的循環(huán)風速分別為3、5、7 m/s時，計算機軟件模擬干燥室內風速場分布云圖如圖3所示。干燥窯寬度方向為X軸，高度方向為Y軸，長度方向為Z軸。圖中不同的顏色代表的風速值不同，紅色代表該點風速值較大，藍色代表該點風數(shù)值較小。

對風速場的模擬結果進行分析可以看到，不同初始風速條件下，模擬圖中顏色分布規(guī)律基本相同，材堆進風側(X=0.5 m)及出風側(X=2.5 m)的風速變化情況大致相同，干燥介質在干燥窯內部沿著干燥窯長軸的中心平面(Z=2.1 m)呈對稱分布，同時長軸中心平面(Z=2.1 m)兩邊的區(qū)域又分別對于頂部兩個風機的中心平面(Z=1.05 m、Z=3.15 m)呈對稱分布。從出風口開始，顏色逐漸從紅色變?yōu)樗{色，進風側平面的風速在高度方向(Y軸)呈現(xiàn)先減小再增加的趨勢，同時沿著兩側風機中心所在的平面(Z=1.05 m、Z=3.15 m)，向兩側也呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢。這是因為當干燥介質從風機頂部的出風口流向干燥窯內部時，氣流與干燥窯內壁及頂部的擋板產生碰撞，并且向四周發(fā)散，產生了一部分能量損失，氣體的速度減小。當流體與干燥窯內壁發(fā)生碰撞，改變方向向下流動時，由于重力的作用，流體的速度增加，氣流抵達材堆的下部時，速度增大。之后，氣流再與干燥窯底部發(fā)生碰撞改變方向，同時繼續(xù)損失一部分能量。所以在干燥窯的寬度方向(X軸)，流體每改變一次方向，流體的速度就會減少一部分，由于氣流的相互作用，干燥窯壁面及角落附近的流速都較低。

對比不同風速條件下的風速云圖可以看出，進風側平面整體的風速大于出風側，并且當頂部風速增大時，干燥介質整體上在干燥窯長軸方向的分布規(guī)律相似，材堆進風側與出風側的風速分布都比較均勻，差異值較小。由于干燥介質速度的大小會直接影響物料與干燥介質之間的能量交換，從而影響干燥速率，干燥室內流經(jīng)材堆氣流速度應為1～3 m/s，且在一定范圍內干燥速度隨著干燥介質流速的增加而增加；同時風速過大時，能量利用率降低[13]。當頂部風機風速降低至3 m/s時，材堆進風側的風速下降至1 m/s以下，流速過緩，影響干燥速度，降低物料的干燥速率。當頂部風機風速增加至7 m/s時，材堆進風側部分位置的風速已經(jīng)超過3 m/s，風速過大時，單板與介質之間的能量交換效率降低；并且此時頂風風機的風速較大，消耗的電能也更大。同時從縱向(Z軸方向)兩個材堆之間的通道中流過的氣流的流速增大，這些未與單板進行熱量交換的無用氣流(即風量損耗)的量增加。而當頂部風機風速為5 m/s時，此時進風側的風速均勻，速度大小合適，能滿足干燥過程中風速的基本要求，所以選擇5 m/s為實驗中干燥時的最佳風速。

2.2 干燥室內部材堆到側墻最佳的距離

根據(jù)前文頂部風機不同風速時的模擬結果可以看出，干燥窯內的氣流分布在不同的方向呈現(xiàn)一定的規(guī)律。因此，通過計算流體力學軟件模擬材堆到側墻距離為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 m的情況后，選擇最有代表性的截面(頂風風機的對稱面)對干燥室內的氣體流場分布情況進行分析，材堆進出風側風速分布云圖及風速值散點圖見圖4?？梢钥吹?，改變材堆到干燥窯側墻距離，氣流從風機出風口流出后沿著擋風板水平流過頂部的風機間，與干燥窯窯壁發(fā)生碰撞后改變氣流的方向；之后沿著干燥室內壁與材堆之間的垂直氣道向下流動，接著氣流與干燥窯壁發(fā)生碰撞擴散后橫向通過材堆，加熱試材帶走水分后，完成一個循環(huán)。在這整個循環(huán)的過程中，干燥窯左右兩側及底部的氣體流速較大，干燥窯材堆之間的中心區(qū)域風速較小。氣體經(jīng)過擋板與干燥室內壁之間的轉角進入干燥室內時，風速先增大后減小；氣流橫向經(jīng)過材堆時，材堆上部的風速較小，下部的風速較大。這是因為在風速和重力的作用下，氣流從風機沿著頂部擋板從風機室流入干燥室時，氣道距離變窄，氣體流速先變大。氣流會與靠近材堆中上部和干燥窯內壁發(fā)生碰撞，碰撞后氣流紊亂堆積形成湍流，湍流的大小受氣流速度和氣道寬度的影響，材堆進風口的風速整體上會呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。受渦流的影響，大部分氣流進入干燥室下部，而只有少部分氣流能夠沿水平方向，流入材堆間的水平氣道，最終導致材堆間沿高度方向各層板材的干燥速率不一致，終含水率不均勻，因此需要對比不同距時材堆高度方向的氣流分布情況。

圖3 干燥室內風速場分布云圖

圖4 不同材堆與側墻距離的風速分布云圖

對比不同距離時干燥窯內的風速云圖可知，隨著材堆與側墻距離的增加，干燥室內左側材堆進風側的速度逐漸減小，材堆之間形成的渦流區(qū)域減少。同時，不同高度之間速度的差值逐漸減少，氣流的紊亂程度逐漸降低。

通過計算流體力學軟件模擬出材堆與墻壁不同距離時的風速云圖后，選取不同距離X，導出材堆進出端口處的風速值散點圖，黑色、紅色散點分別代表進風側、出風側的風速值，結果如圖5所示?？梢钥闯?，材堆進風側與出風側的風速沿著材堆高度方向，從上往下，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。隨著距離的增加，材堆進風側與出風側風速的差值逐漸減小。

a.材堆與側墻距離為0.2 m;b.材堆與側墻距離為0.3 m;c.材堆與側墻距離為0.4 m;d.材堆與側墻距離為0.5 m;e.材堆與側墻距離為0.6 m。

為了直觀地進行對比分析，表示出干燥窯內風速的分布情況，對不同模擬條件的進風側和出風側風速的平均值、極差、方差進行計算分析，結果見表1。

表1 風速的平均值、極差、方差

可以看出，當頂風風機風速為5 m/s，距離為0.4 m時，材堆兩側的平均風速最均勻，距離為0.2 m時，介質進出材堆時風速平均值的差異值最大。左側材堆進風側的平均風處于2～4 m/s的區(qū)間。當材堆與干燥室內壁的距離增加時，左側材堆進風側的平均速度逐漸減小；同時，進風側與出風側的平均風速差值隨著距離的增大，差異值也逐漸減小。當距離增大時，進入材堆的平均風速逐漸減少，說明風速損耗逐漸增大，介質的有效利用率逐漸降低。同時，平均風速的差異值隨著距離的增加，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

隨著距離的增加，進出材堆的干燥介質速度差值也呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。當距離為0.4 m時材堆測點的速度差異值最小，當距離為0.2、0.6 m時，差異值都較大。可見增大干燥室中的通氣道可以減少局部氣流過于激烈的變化，從而減少局部干燥缺陷的產生，但是當距離過大時反而對整體干燥介質的均勻性有一定的負面影響。

從不同測點干燥介質的方差可以看出，左側材堆進風側各點的風速離散性較高，在材堆高度方向上，各點的風速分布的差異性較大；當距離為0.4 m時，進風側風速的離散性較低，風速波動較小，這樣就說明此時材堆上部和下部的干燥介質流速差異性較小，有利于干燥的均勻進行。同時對比其他測點的方差也可以看出，距離為0.4 m時，干燥介質的速度相對于其他條件時也比較均勻。

綜合所有模擬的結果來看，當頂部風速為5 m/s，側墻與材堆的距離為0.4 m時，干燥介質的均勻性最好。

2.3 模擬結果與實測結果的對比

為了驗證干燥室內風速場模擬結果的準確性，將計算流體力學軟件模擬的最優(yōu)結果與實際測量的結果進行比較。通過對比測點與模擬值的偏差來判定模擬結果的準確性。測點沿著材堆進風口高度上中下3個分布，每個高度分別選擇2個測點。實測風速值與模擬風速值的對比如表2所示?？梢钥吹?，采用計算流體力學軟件對單板干燥窯內的風速場模擬的準確度較高，模擬的結果與實際情況誤差較小，由于在實際測量過程中的一些誤差，導致部分測點的誤差接近于10%，但是大部分測點的誤差都處于6%以下，在誤差允許的范圍之內。所以，運用計算流體力學軟件對干燥室內部分風速場進行模擬和優(yōu)化是可取的，對實際的生產具有指導意義。

表2 進風側風速實測值與模擬值及百分偏差

3 結論

本研究的頂風式單板干燥窯中，當風機的風速為5 m/s，材堆與側墻的距離為0.4 m時，干燥窯內的干燥介質流場分布最為合理。采用計算流體力學軟件對干燥窯內不同情況時的風速場進行模擬，精確度較高，誤差值在10%以下，可以確定一定條件下的最優(yōu)化干燥工藝，節(jié)省人力物力，同時提高能量利用效率。對干燥窯模型劃分的網(wǎng)格大小還可以進一步精細，增加模擬計算的精確度。