熱風(fēng)干燥室流動(dòng)傳熱數(shù)值模擬

霍 平，王亞州，劉俊帥，張富淋

（1.華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山063200；2.河北省工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 唐山063210）

熱風(fēng)干燥室是工業(yè)生產(chǎn)過程中的重要工具，合適的室內(nèi)溫度和氣流速度對(duì)產(chǎn)品干燥的品質(zhì)十分重要[1]。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，但現(xiàn)有干燥室仍存在氣流組織不合理、局部溫度較大且分布不均的情況，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的質(zhì)量[2]。因此，均勻合理的氣流組織是決定干燥質(zhì)量和節(jié)能降耗的關(guān)鍵因素[3]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)干燥室內(nèi)的氣流組織的優(yōu)化進(jìn)行了大量研究。孟漢堃、蔣方樂對(duì)不同干燥室結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同結(jié)構(gòu)對(duì)氣流組織的影響[4]。李瑞雪、馮青對(duì)干燥室內(nèi)集中和分散排風(fēng)方式進(jìn)行了模擬，分析了兩種排風(fēng)方式對(duì)制品的升溫速度以及室內(nèi)溫度均勻性的影響，發(fā)現(xiàn)分散排風(fēng)方式要優(yōu)于集中方式[5]。

本研究運(yùn)用Fluent18.0軟件對(duì)6種熱風(fēng)干燥室結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到6種結(jié)構(gòu)在相同工況下的氣體速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布，為干燥室的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬

1.1 模擬對(duì)象

干燥室基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，新設(shè)計(jì)方案如圖2所示。與原干燥室結(jié)構(gòu)相比，方案1添加了額外的風(fēng)口；方案2在干燥室中央增加了一臺(tái)循環(huán)風(fēng)機(jī)，該設(shè)計(jì)方案與方案1的進(jìn)風(fēng)口數(shù)量相同，可加快干燥室內(nèi)氣流的流動(dòng)；方案3、4、5、6均在其上一方案基礎(chǔ)上等距離增設(shè)一臺(tái)循環(huán)風(fēng)機(jī)。

圖1 熱風(fēng)干燥室基本結(jié)構(gòu)

圖2 熱風(fēng)干燥室設(shè)計(jì)方案

1.2 模型的假設(shè)與簡(jiǎn)化

1）干燥室內(nèi)氣體為理想氣體，符合Boussinesq假設(shè)；

2）干燥室設(shè)為全封閉，忽略干燥室壁面的氣體泄漏；

3）氣體在干燥室壁面上無(wú)滑移；

4）忽略外部環(huán)境對(duì)干燥室內(nèi)溫度場(chǎng)的影響。

1.3 邊界條件和模型設(shè)置

進(jìn)風(fēng)口1和進(jìn)風(fēng)口2設(shè)為速度入口邊界，進(jìn)風(fēng)口1風(fēng)速為6 m/s，進(jìn)風(fēng)口2風(fēng)速為4 m/s，溫度均為350 K，送風(fēng)方向垂直于進(jìn)風(fēng)口平面，出口設(shè)為壓力出口邊界,循環(huán)風(fēng)機(jī)以450 rpm旋轉(zhuǎn)。車廂壁面設(shè)為對(duì)流邊界條件，環(huán)境溫度設(shè)為常溫300 K。

2 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采用Fluent進(jìn)行迭代計(jì)算，計(jì)算過程為穩(wěn)態(tài)過程，施加環(huán)境重力加速度9.81 kg/m2，考慮升浮力影響因素，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 速度云圖

6種干燥室的2個(gè)截面（y=2 000 mm）的速度分布云圖如圖3所示。

對(duì)比圖3中各方案速度云圖可知，方案1氣流主要集中在進(jìn)風(fēng)口區(qū)域，氣流較集中；方案2、方案3與方案4因循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，干燥室的中部氣流流速升高，分流效果明顯，使均勻性得到部分提高；采用四臺(tái)、五臺(tái)循環(huán)風(fēng)機(jī)的方案，相較采用三臺(tái)循環(huán)風(fēng)機(jī)的干燥室方案4氣流均勻性未見較大提升。

圖3 y＝2 000 mm截面速度云圖

2.2 溫度云圖

6種干燥室的2個(gè)截面（y＝2 000 mm）的溫度分布云圖如圖4所示。

圖4 y＝2 000 mm截面溫度云圖

對(duì)比圖4中各方案溫度云圖可知，方案1溫度較低且不均勻；方案2干燥室中部工作區(qū)域的溫度得到提高，但低溫區(qū)域分布還較廣；方案4溫度值分布更為均勻，且室內(nèi)工作區(qū)域溫度更接近進(jìn)風(fēng)口溫度；隨著循環(huán)風(fēng)機(jī)的進(jìn)一步增加，工作區(qū)域平均溫度和溫度均勻性效果提升較小。

3 均勻性對(duì)比分析

為了驗(yàn)證設(shè)置了循環(huán)風(fēng)機(jī)的干燥室對(duì)提高氣流速度場(chǎng)均勻性的效果，將6種干燥室進(jìn)行對(duì)比；干燥室左到右設(shè)置15層平面，在各平面均勻設(shè)置6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3.1 速度場(chǎng)均勻性對(duì)比處理分析

為更好體現(xiàn)干燥室氣流速度均勻性，對(duì)速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以氣流變異系數(shù)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。變異系數(shù)表示數(shù)據(jù)離散程度的絕對(duì)值，變異系數(shù)越小，干燥室內(nèi)的氣流分布均勻性越好。變異系數(shù)：

式中：σ為氣流速度均方差，μ為n個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。

由公式（1）可以計(jì)算得到方案1～6的氣流變異系數(shù)，如圖5所示。由圖5可知，變異系數(shù)均因循環(huán)風(fēng)機(jī)的采用而減小，但氣流變異系數(shù)在方案4后，并沒有明顯改變。由此得知，在三臺(tái)循環(huán)風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)增加循環(huán)風(fēng)機(jī)數(shù)量，干燥室均勻性效果提升不明顯。

圖5 各方案氣流變異系數(shù)

3.2 溫度場(chǎng)均勻性對(duì)比處理分析

對(duì)各層氣流平均溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以溫度場(chǎng)不均勻系數(shù)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析。不均勻系數(shù)表示空氣溫度的不均勻性，不均勻系數(shù)越小，干燥室內(nèi)溫度分布越均勻。不均勻系數(shù)：

式中：n為數(shù)據(jù)的總數(shù)；ti為第i個(gè)數(shù)據(jù)，i=1,2,3,…,n；μ為n個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。

由公式（2）可以計(jì)算得到方案1～6的氣流不均勻系數(shù)，如圖6所示。由圖6可知，干燥室內(nèi)采用循環(huán)風(fēng)機(jī)，使整體平均溫度得到升高，不均勻系數(shù)減??；但整體溫度場(chǎng)不均勻系數(shù)均在方案4后，折線趨于平穩(wěn)，不均勻系數(shù)沒有較大變化。

圖6 各方案溫度場(chǎng)不均勻系數(shù)

4 結(jié)論

本研究建立了干燥室的三維模型，對(duì)6種不同結(jié)構(gòu)下干燥室的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果表明：

1）在相同工況條件下，方案1～6，溫度場(chǎng)不均勻系數(shù)分別為29.9%、19.8%、3.2%、2.4%、2.4%、2.1%。氣流變異系數(shù)為62.1%、59.7%、22.5%、22.6%、16.7%、16.5%。干燥室內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)室內(nèi)氣體流動(dòng)，使得干燥室氣流均勻，進(jìn)風(fēng)口氣流在干燥室內(nèi)充分流動(dòng)，提高干燥室各區(qū)域溫度，減小溫差，循環(huán)風(fēng)機(jī)的增加對(duì)干燥室內(nèi)的氣流循環(huán)有積極影響。

2）由于循環(huán)風(fēng)機(jī)的存在，加強(qiáng)了分流作用，使氣流溫度更接近進(jìn)風(fēng)口溫度。同時(shí)，循環(huán)風(fēng)機(jī)使氣流更加分散，氣流不均勻性明顯改善。但采用三臺(tái)以上循環(huán)風(fēng)機(jī)的干燥室，相較采用三臺(tái)循環(huán)風(fēng)機(jī)的干燥室，氣流平均溫度、溫度場(chǎng)不均勻系數(shù)、變異系數(shù)均未有明顯提升。由此，選擇采用三臺(tái)循環(huán)風(fēng)機(jī)的干燥室方案4更為合適。