單側(cè)供熱汽車烘干房氣流組織數(shù)值模擬研究

李會知,侯孟言,邢金超

單側(cè)供熱汽車烘干房氣流組織數(shù)值模擬研究

李會知1,侯孟言1,邢金超2

1. 鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院, 河南 鄭州 450001 2. 鄭州力之天農(nóng)業(yè)科技有限公司, 河南 鄭州 450001

本文以一種新型的單側(cè)供熱的大型運豬汽車烘干房為研究對象，通過現(xiàn)場實測和Airpak數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究該烘干房的氣流組織，分析送風(fēng)口位置、送風(fēng)速度的不同對烘干房溫度場及烘干質(zhì)量的影響。研究表明送風(fēng)口1和送風(fēng)口2的位置分別為1=2.8 m、2=12.65 m，送風(fēng)速度1=4.5 m/s、2=5 m/s時，烘干房內(nèi)溫度不均勻系數(shù)最小，溫升時間最短，氣流組織最優(yōu)。在此基礎(chǔ)上分析了溫度和速度分布特征，為后續(xù)研究提供參考。

汽車; 烘干房; 氣流組織; 數(shù)值模擬

近期非洲豬瘟等病毒造成養(yǎng)豬場生豬批量死亡，說明豬場的生物安全極為重要，大型養(yǎng)豬場迫切需要更為嚴格的生物安全管理體系，運豬汽車作為養(yǎng)豬場內(nèi)運送生豬的唯一交通工具，是豬場生物安全的最大威脅之一[1-4]，需要對其進行徹底的清洗消毒，經(jīng)試驗研究表明在高溫環(huán)境下，絕大多數(shù)豬只病毒在高溫下能完全失活[5-7]，因此需要對清洗后的車輛進行高溫烘干，這樣既可以有效防止病菌的傳播，也能使車輛快速干燥，提高車輛利用率。鄭州力之天農(nóng)業(yè)科技有限公司和鄭州大學(xué)合作研發(fā)的運豬汽車烘干房結(jié)構(gòu)形式也在不斷改進，帶耳房形式的烘干房兩側(cè)墻面的熱風(fēng)出風(fēng)口速度較低，升溫時間較長，且在投入使用后，耳房內(nèi)的風(fēng)機持續(xù)在高溫條件下工作，易縮短使用壽命，降低了經(jīng)濟效益。因此后續(xù)研發(fā)了新的結(jié)構(gòu)形式的烘干房——單側(cè)供熱運豬汽車烘干房。

烘干房內(nèi)合理的送風(fēng)系統(tǒng)能形成比較均勻而穩(wěn)定的溫度場，有利于車身的快速烘干，提高烘干質(zhì)量。本文基于CFD方法，利用AIRPAK軟件，對一種新型的運豬汽車烘干房進行模擬研究，將模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行對比分析，通過改變烘干房送風(fēng)口的位置、送風(fēng)速度對烘干房室內(nèi)流場進行模擬，對各種工況下的溫度場和速度場進行對比分析，對烘干房結(jié)構(gòu)進行合理優(yōu)化，為后續(xù)運豬汽車烘干房的研究提供參考。

1 建立烘干房模型

1.1 烘干房實體模型及網(wǎng)格劃分

本文以一種新型的單側(cè)供熱的運豬汽車烘干房為研究對象，運豬車輛用烘干房由烘干房主體室和燃燒裝置設(shè)備間構(gòu)成，室外新風(fēng)進入設(shè)備間內(nèi)的燃燒室燃燒后，燃燒后的熱風(fēng)與烘干房內(nèi)回風(fēng)在設(shè)備間的混合室混合，混合后的熱風(fēng)由風(fēng)機通過送風(fēng)管道直接輸送到烘干室，運豬汽車的烘干在烘干室內(nèi)完成，烘干室的內(nèi)壁墻板進行保溫處理。本文僅研究烘干室內(nèi)氣流組織情況，將烘干房簡化后的模型如圖所示。

圖 1 烘干房的簡化模型

烘干房大小為（長×寬×高）16.5 m×5 m×5.2 m，其總建筑面積約為82.5 m2，此烘干房摒棄了之前帶耳房構(gòu)造的烘干房結(jié)構(gòu)形式，避免了熱風(fēng)在耳房內(nèi)二次散失熱量。對車身加熱方式主要方式為對流傳熱，對流傳熱按照送風(fēng)方式分類，一般可分為“下送上回”、“上送下回”、“側(cè)上送側(cè)下回”、“側(cè)下送側(cè)上回”等送風(fēng)方式[8-9]，由于運豬汽車體型較大，且汽車底盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易烘干，本實驗采用“側(cè)下送側(cè)上回”與“下送側(cè)上回”結(jié)合的送風(fēng)方式，并在此基礎(chǔ)上，在烘干房內(nèi)汽車尾部處加設(shè)六臺后置風(fēng)機，當(dāng)設(shè)備啟動后能加快室內(nèi)氣流循環(huán)，高效利用熱量，提高烘干效率。

圖 2 烘干房風(fēng)口布置圖

簡化后的模型左側(cè)墻兩端共有三個送風(fēng)口，右側(cè)墻上方有兩個排風(fēng)口（直徑為0.43 m），地面中心線均布八個出風(fēng)口，左側(cè)墻中部有兩個回風(fēng)口，其回風(fēng)在燃燒室內(nèi)和燃燒后的新風(fēng)混合以便再次送入室內(nèi)。送風(fēng)口1-3的中軸線距烘干房入口側(cè)邊界的距離分別為2.535 m、12.01 m、15.53 m，具體參數(shù)如下表所示。

表 1 風(fēng)口尺寸表

2 數(shù)學(xué)模型及參數(shù)設(shè)置

2.1 數(shù)學(xué)模型

在進行模擬時，烘干房內(nèi)熱空氣連續(xù)相的流動換熱是基于連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和計算湍流的方程進行數(shù)值模擬[10,11]。連續(xù)性方程如下式:

能量守恒方程：可描述為流體微團內(nèi)能變化率為流入微團的凈熱流量以及體積力和表面力對流體微團的做功功率的和。

動量守恒方程：當(dāng)方程的對流項均采用散度形式表示時，這種方程為守恒式的控制方程。

(4)

(5)

2.2 參數(shù)設(shè)置

在使用數(shù)值模擬軟件Airpak進行模擬時，假設(shè)烘干室壁面?zhèn)鳠岵捎迷O(shè)置熱流密度的邊界條件，忽略由流體黏性力做功引起的耗散熱，忽略室內(nèi)車身和墻壁之間的輻射作用，流體按連續(xù)介質(zhì)處理，將該傳熱過程視為非穩(wěn)態(tài)湍流傳熱問題，時間步長設(shè)置為3 s，每十個步驟保存一次，指定統(tǒng)一的時間步長，模擬時間為0~1800 s，根據(jù)測量結(jié)果設(shè)置模擬條件室外溫度為16.89 ℃，室內(nèi)設(shè)計溫度為70 ℃，經(jīng)實地測量得各送風(fēng)口風(fēng)速及溫度如下表所示。

表 2 送風(fēng)參數(shù)表

烘干房共計有六臺后置風(fēng)機在室內(nèi)循環(huán)送風(fēng)，經(jīng)實地測量得每個后置風(fēng)機入口處的風(fēng)速約為23 m/s，其循環(huán)風(fēng)量約為1.79 m3/s。地面出風(fēng)口每個風(fēng)口的循環(huán)風(fēng)量設(shè)置為0.36 m3/s，設(shè)置室內(nèi)初始溫度與外界環(huán)境溫度相同。車身材料以鋼為主，墻體為150 mm厚加芯復(fù)合聚苯板，外抹灰砂漿。建筑保溫材料的熱工設(shè)計計算應(yīng)當(dāng)采用計算值，參考現(xiàn)行的《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》（GB50176）得到烘干房墻體的保溫材料的傳熱系數(shù)，烘干房大門使用冷庫保溫門，以泡沫板為保溫層，兩側(cè)面板材料為彩鋼板，保溫門的門厚約150 mm。墻體材料傳熱系數(shù)如下表所示。

表 3 墻體傳熱系數(shù)表

對烘干房進行模擬時采用了標準-雙方程湍流模型，方程采用有限體積法進行離散，網(wǎng)格劃分采用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對流動復(fù)雜的地方（比如輪胎、后置風(fēng)機處）進行網(wǎng)格加密處理，劃分完網(wǎng)格數(shù)為660764，網(wǎng)格質(zhì)量良好。

3 測量方案及模擬分析

3.1 測量方案及評價指標

烘干房高溫烘干的目的之一在于滅殺車身上的病菌，防止疫病在豬群內(nèi)的傳播，在運送生豬時，兩側(cè)欄桿與生豬直接接觸，是最易傳播疫病的區(qū)域，因此本次實驗將測點布置車廂兩側(cè)欄桿和中間欄桿處，分三層布置，最底層和中間層每層布置九個測點，最頂層布置兩個測點于中軸線處，共計20個測點，第一層到第三層測點布置高度分別為1.4 m、2.4 m、3.8 m，從左到右欄桿距左墻的距離分別為1.3 m、2.5 m、3.7 m，測量方案布置如圖3，使用的測量儀器為精創(chuàng)溫濕度自記儀，測得烘干房內(nèi)初始平均溫度為16.89 ℃。

運豬汽車烘干房運行中，室內(nèi)風(fēng)速跟溫度較高，設(shè)備啟動時，人員不得停滯在烘干房內(nèi)，使用溫濕度自記儀記錄數(shù)據(jù)，設(shè)備設(shè)置為每隔三十秒記錄一次，要求所有的測點均能保持在70 ℃~80 ℃之間，且維持時間不少于20 min，才能有效滅殺大部分生豬易感染病菌[4]。

為客觀評價運豬汽車烘干房內(nèi)的氣流組織形式和分布特征，本文選取測點的溫度不均勻系數(shù)和速度不均勻系數(shù)作為主要參考指標，不均勻系數(shù)值越小，氣流分布越均勻[5]。不均勻系數(shù)公式如下：

3.2 模擬分析

將測點的模擬結(jié)果與測量結(jié)果的平均值進行對比，如圖4，發(fā)現(xiàn)不同位置的測點升到70攝氏度的溫升時間有差距，模擬溫升段達到70 ℃時需240 s，實驗測得溫升段達到70 ℃約500 s，這是由于烘干房剛開始運作時，燃燒機燃燒后的空氣進入設(shè)備間的混合室與冷空氣混合，首先加熱混合室內(nèi)的空氣，剛開始的幾分鐘內(nèi)烘干室的送風(fēng)口送風(fēng)溫度暫未達到90 ℃，在燃燒一段時間后，出風(fēng)口的送風(fēng)溫度才趨于穩(wěn)定狀態(tài)。用AIRPAK進行數(shù)值模擬時，模擬結(jié)果的各測點溫升時間比測量結(jié)果大大縮短，但室溫達到70攝氏度時，即室內(nèi)流場充分發(fā)展后的穩(wěn)定結(jié)果與測量結(jié)果準確度較高，在烘干室運行十分鐘到第三十分鐘內(nèi)，這二十分鐘內(nèi)模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)誤差在0.1%以內(nèi)，且滿足烘干房使用要求，可使用AIRPAK進行后續(xù)模擬研究及優(yōu)化。

圖 3 溫度測點布置圖

圖 4 模擬與實驗結(jié)果的對比曲線圖

根據(jù)模擬結(jié)果顯示，烘干房的溫度在達到70 ℃后，隨時間緩慢上升，車身欄桿的平均溫度在75~80攝氏度之間。室內(nèi)溫度場穩(wěn)定后，在烘干房運行穩(wěn)定后取=30 min時的不同高度的平面=1.4 m、=2.4 m，分析第一層測點所在平面=1.4 m和第二層測點所在平面=2.4 m溫度分布云圖，可以由圖5看出烘干室有送風(fēng)口側(cè)的整體溫度要高于另一側(cè)部分的溫度，隨著車身高度的增高，烘干房內(nèi)的整體溫度變大，靠近車籠欄桿處的溫差變小，整體溫度越均勻。

送風(fēng)口2的熱風(fēng)遇到由后置風(fēng)機向車身兩側(cè)流動的氣流就改變了送風(fēng)方向，沿著車身向車頭處流動，熱風(fēng)很難到達車身右側(cè)欄桿處，因此右側(cè)后方欄桿處溫度偏低?？捎蓤D5看出云圖上送風(fēng)口2旁一部分半圓形區(qū)域溫度較高，因此可以通過改變送風(fēng)口2的位置進行優(yōu)化，提高送風(fēng)口2的熱量利用率，使溫度更均勻。

圖 5 Y=1.4 m處平面溫度分布云圖

圖 6 Y=2.4 m處平面溫度分布云圖

送風(fēng)口1的熱風(fēng)射流到達后置風(fēng)機出風(fēng)口前部區(qū)域時受到強力風(fēng)作用，由車籠尾部向前部流動，由于兩排后置風(fēng)機風(fēng)速高，兩股氣流相互作用一邊向車頭位置流動一邊向兩側(cè)擴展，當(dāng)?shù)竭_車籠前板處向兩側(cè)流動（如圖7），與繞過車頭兩側(cè)氣流相遇，在車頭右側(cè)輪胎處形成小渦旋區(qū)；而靠近送風(fēng)口側(cè)氣流向車廂外流動于欄桿處遇到送風(fēng)口2的熱風(fēng)射流，因此送風(fēng)口2的熱氣流大部分都沿墻向車頭前部流動。

截取=2.5 m平面及=3 m平面的速度矢量圖分析烘干室內(nèi)氣流流動趨勢，可由圖6看出后置風(fēng)機前部出風(fēng)氣流由車尾向車前部流動，一部分與地面出風(fēng)口的氣流相遇，送風(fēng)口2和送風(fēng)口3的熱風(fēng)在后置風(fēng)機高速氣流作用下向車前部流動，車底氣流在壓強作用下向車尾部流動，與后置風(fēng)機的氣流在車尾底部形成對流；一部分吹向車籠內(nèi)部，遇到車籠前擋板便向車身兩側(cè)斜向流動（如圖7）；車前部的熱空氣又通過車頂上方向車尾流動，再流入后置風(fēng)機尾部風(fēng)口，通過風(fēng)機加速循環(huán)，自風(fēng)機前部出風(fēng)在烘干房內(nèi)部形成一個氣流循環(huán)。結(jié)合圖6及圖7的氣流循環(huán)圖可得室內(nèi)氣流組織較為合理，可針對送風(fēng)口的位置及送風(fēng)速度進行研究分析。

圖 7 Z=2.5 m平面的速度矢量圖

圖 8 Y=3 m平面的速度矢量圖

4 優(yōu)化設(shè)計

4.1 風(fēng)口位置的優(yōu)化分析

針對模擬結(jié)果，選擇改變送風(fēng)口1和送風(fēng)口2的位置作為優(yōu)化研究對象。烘干室燃燒裝置設(shè)備間有兩個燃燒室，間隔為1 m，最長對角為2.24 m，送風(fēng)口1中軸線的位置1=2.535 m，送風(fēng)口2中軸線的位置為2=12.01 m，考慮到回風(fēng)口及后置風(fēng)機的位置，設(shè)計24種工況將模擬結(jié)果分組進行對比分析，模擬工況參數(shù)如表4所示，其中工況3為原模擬結(jié)果。在烘干房室內(nèi)溫度場趨于穩(wěn)定后，取后20 min內(nèi)（即第600 s~1800 s內(nèi)）的測點數(shù)據(jù)，取每個測點在這20 min內(nèi)的平均溫度T，再計算20個測點的平均溫度和風(fēng)速的平均值和均方根偏差，求取不均勻系數(shù)。

表4 風(fēng)口位置優(yōu)化工況參數(shù)表

將25種工況分為五組進行對比，由圖8可觀察工況1~5、工況11~15、工況16~20這三組工況的平均溫度和不均勻系數(shù)趨勢圖，可看出當(dāng)1=2.535 m、1=2.8 m、1=3.8 m時，在指定范圍內(nèi)，送風(fēng)口2離入口處距離越遠，即2的值越大，在車欄桿處選取的測點的不均勻系數(shù)越小，而平均溫度T的值越來越大，趨勢呈相反狀態(tài)；將工況6~9進行對比，當(dāng)1=1.8 m時，2在10.45~12.65范圍內(nèi)，不均勻系數(shù)逐漸減小，平均溫度也大致呈下降趨勢；對比工況20~25平均溫度和不均勻系數(shù)，可看出當(dāng)1=4.8時，隨著送風(fēng)口中軸線2的值越大，不均勻系數(shù)先增大后減小，而平均溫度的值先增大，再減小而后增大，并且這組工況的不均勻系數(shù)與其他組相比都偏大，說明測點溫差較大，因此送風(fēng)口1的位置最好設(shè)置在車尾后，這樣車身溫度更為均勻。

由圖8可見工況4、工況5、工況12、工況14、工況15不均勻系數(shù)與工況3（原模擬結(jié)果）相比較低，工況2、工況13與工況3的不均勻系數(shù)較為接近，并且它們的平均溫度都較為接近。在烘干房運行后二十分鐘內(nèi)，室內(nèi)氣流組織穩(wěn)定時每層測點的平均溫度T和不均勻系數(shù)情況如圖9所示，工況1~10的一層溫度不均勻系數(shù)最大，三層不均勻系數(shù)最??；工況1~4的一層平均溫度最高，二、三層平均溫度較為接近；工況11~15的一層和二層的不均勻系數(shù)較為接近，且一層、二層和三層的平均溫度也較為接近；工況16~25的一至三層平均溫度差距較大，三層平均溫度最高，且工況20平均測點溫度差約為2.3 ℃。工況1~5、工況11~14每層的平均溫度最接近，且不均勻系數(shù)較低。

圖 9 不同方案下測點的平均溫度與不均勻系數(shù)

圖 10 不同方案下每層的平均溫度與不均勻系數(shù)

圖 11 不同區(qū)域的平均溫度與不均勻系數(shù)

由圖10分析不同工況下左側(cè)欄桿、中間欄桿和右側(cè)欄桿的平均溫度和不均勻系數(shù)，左、中、右欄桿處的平均溫度曲線較為穩(wěn)定，各工況間的平均溫度值相差不大；工況1~15的不均勻系數(shù)較低，其中1~5、工況11~15的右側(cè)不均勻系數(shù)最低，工況6和工況11~15的中間不均勻系數(shù)最低，工況2~4和工況12~14的左側(cè)不均勻系數(shù)最低。

結(jié)合圖8、圖9、圖10，分析得工況12、工況13、工況14的測點平均溫度更為接近，不均勻系數(shù)最小，室內(nèi)工作區(qū)溫度場更均勻。分析這三種工況下的升溫時間，工況14升到70 ℃時所需時間最短，因此，最佳優(yōu)化方案1=2.8 m，2=12.65 m時室內(nèi)溫度場更為均勻，溫升時間更短。

4.2 風(fēng)口風(fēng)速的優(yōu)化分析

在運豬車廂內(nèi)每層均勻選取6個測點，共計18個測點，研究在風(fēng)口位置不變的情況下，風(fēng)速變化對室內(nèi)溫度場及溫升時間的影響。送風(fēng)口1和送風(fēng)口2的風(fēng)速1、2分別取4 m/s、4.5 m/s、5 m/s進行對比分析。

表 5 風(fēng)口速度工況參數(shù)表

由圖11知，隨著送風(fēng)口1和送風(fēng)口2風(fēng)速的增大，室內(nèi)整體平均溫度也在增大，不均勻系數(shù)逐漸減小，第三層的溫度不均勻系數(shù)最小。

工況1~3中，平均溫度：第三層>第二層>第一層，不均勻系數(shù)：第一層>第二層>第三層；工況4~9中，平均溫度：第一層>第二層>第三層，不均勻系數(shù)：第二層>第一層>第三層。由圖12知，隨著風(fēng)速的增大，每層之間的平均溫度差也在不斷增大。工況1~6每層之間的平均溫差較小，其中工況3、工況6的第三層不均勻系數(shù)最小，工況6的第一、二層的不均勻系數(shù)最小。

圖 12 不同方案下測點的平均溫度和不均勻系數(shù)

圖 13 不同方案下每層的平均溫度與不均勻系數(shù)

圖 14 不同區(qū)域的平均溫度與不均勻系數(shù)

將運豬汽車的車廂分為左右兩個工作區(qū)，對比左、右區(qū)域的平均溫度和不均勻系數(shù)，如圖13。其中工況7、8、9的左右兩區(qū)域的不均勻系數(shù)相差較大，因此綜合比較分析，工況6的平均溫度既滿足條件，每層不均勻系數(shù)、左右不均勻系數(shù)又相對較小，相對溫差較小。

5 結(jié)論

本文通過Airpak數(shù)值模擬軟件研究單側(cè)供熱運豬汽車烘干房的氣流組織特征，探究了烘干房送風(fēng)口1和送風(fēng)口2的不同位置處、不同送風(fēng)速度下溫度與速度的分布規(guī)律，得到1=2.8 m，2=12.65 m處的位置，烘干房內(nèi)溫度不均勻系數(shù)最??；送風(fēng)速度1=4.5 m/s，2=5 m/s時，在最佳工況下，各測點的溫度均滿足烘干房的烘干要求，穩(wěn)定后平均溫度在78℃左右。

1）送風(fēng)口2的位置越靠近車頭位置，車廂前擋板處的溫度就越高。送風(fēng)口1的位置在后置風(fēng)機和車尾之間（1=1.8~4 m）溫度更均勻。

2）對車籠來講，層高越高，平均溫度越大，不均勻系數(shù)越小，測點最大溫差越小。

3）靠近送風(fēng)口側(cè)的左側(cè)欄桿不均勻系數(shù)>中間欄桿不均勻系數(shù)>右側(cè)欄桿不均勻系數(shù)。

4）送風(fēng)口1的位置在后置風(fēng)機和車尾之間溫度更均勻，其中軸線最佳位置1=2.8 m左右。

5）運行期間，送風(fēng)口速度越高，平均溫度越高，總不均勻系數(shù)越小，但每層車籠的溫差越大，左右區(qū)域的不均勻系數(shù)值差越大。

利用烘干房的熱風(fēng)烘干運豬車輛，使用智能化系統(tǒng)操作簡便，溫度和風(fēng)速可以進行智能調(diào)控，室內(nèi)熱空氣分布均勻，車輛干燥后即可直接投入下次使用，相比自然晾干車身的水分所需的時間大大減少。運豬汽車烘干房后續(xù)需要不斷地探索改進，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)市場的發(fā)展需求。

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Study on Numerical Simulation for Airflow Distribution in Automotive Baking Room with a Single Side Heating

LI Hui-zhi1, HOU Meng-yan1, XING Jin-chao2

1.450001,2.450001,

A new type of large pig truck drying room with one-side heating was used as the research object. By combining field measurement and Airpak numerical simulation, the air distribution of the drying room was studied, and the influence of different air inlet location and air supply velocity on the temperature field and drying quality of the drying room was analyzed.The study shows that when the positions of air inlet 1 and 2 are1=2.8 m and2=12.65 m, respectively, and the air inlet velocity1=4.5 m/s and2=5 m/s, the temperature non-uniformity coefficient in the drying room is the smallest, the temperature rise time is the shortest, and the air distribution is the best. On this basis, the characteristics of temperature and velocity distribution are analyzed to provide references for subsequent studies.

Automotive; baking room; air distribution; numerical simulation

TU834.3+3

A

1000-2324(2021)01-0084-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2021.01.015

2019-01-12

2019-02-11

李會知(1965-),男,博士,教授,主要從事于建筑環(huán)境控制研究. E-mail:Lhz6380@zzu.edu.cn

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