菊花烘干室熱風(fēng)氣流流動規(guī)律仿真分析

陳家樂，汪洪峰，2

（1.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.黃山學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，安徽 黃山 245041）

1 引言

菊花具有豐富的營養(yǎng)價值，但新鮮的菊花不可直接使用，需進(jìn)行干燥處理，傳統(tǒng)的日曬方式效率低，且受環(huán)境影響極易造成霉變而無法使用[1]。為了提高菊花的干燥效率，常采用菊花烘干設(shè)備對其進(jìn)行干燥，目前市場上使用的菊花烘干機(jī)大多數(shù)存在中間烘得好，兩端出現(xiàn)烘不干的現(xiàn)象，往往為了實(shí)現(xiàn)整機(jī)中的菊花烘干就得延長烘干時間，不僅造成成本增加，且易造成中間部位的菊花過度烘干發(fā)生，嚴(yán)重影響了菊花的品質(zhì)[2]。近年來，為了保證菊花烘干機(jī)烘干菊花的品質(zhì)，國內(nèi)外學(xué)者均通過有限元模擬研究烘干中的熱風(fēng)氣流的流動規(guī)律，進(jìn)而進(jìn)一步優(yōu)化烘干機(jī)的結(jié)構(gòu)。如李赫[3]等人運(yùn)用CFD軟件對負(fù)壓式干燥機(jī)烘干室建立物理模型進(jìn)行求解，得到了烘干過程中烘干室內(nèi)速度場、溫度場和壓強(qiáng)場的分布規(guī)律；任海偉[4]等人針對不同氣流速度對于太陽能干燥室內(nèi)氣流組織均勻性影響的問題，運(yùn)用CFD 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明氣流速度為6m/s 時氣流組織分布最為均勻；T.A.G.Langrish[5]等人針對氣流入口產(chǎn)生的渦流對烘干室內(nèi)氣流組織穩(wěn)定性進(jìn)行研究，利用CFD 技術(shù)對烘干室氣體瞬時流動特性進(jìn)行模擬，很好地揭示了烘干機(jī)的烘干原理；Michael[6]等人利用SolidWorks 軟件對干燥室內(nèi)氣流速度、溫度分布和壓力場進(jìn)行數(shù)值模擬，該模型準(zhǔn)確地模擬了氣流組織在干燥室內(nèi)的流動過程。上述研究者研究的各類結(jié)構(gòu)熱泵烘干機(jī)都存在流場分布不均勻的問題，其均造成烘干機(jī)進(jìn)風(fēng)口區(qū)域的烘干速度和烘干效果都優(yōu)于離進(jìn)風(fēng)口較遠(yuǎn)的區(qū)域，烘干穩(wěn)定性差，烘干效果不理想[7]。本文基于菊花烘干機(jī)這種問題，開展菊花烘干室熱風(fēng)氣流分布規(guī)律模擬，找出熱風(fēng)氣流流動規(guī)律，優(yōu)化熱風(fēng)氣流流動速度等因素，獲得最佳的烘干效果，為實(shí)際工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

2 建模與網(wǎng)格劃分

2.1 物理模型

空氣源熱泵菊花烘干機(jī)主要由加熱系統(tǒng)、烘干室和控制系統(tǒng)組成。加熱系統(tǒng)是由空氣源熱泵和電加熱兩種加熱機(jī)構(gòu)共同組成。烘干室的熱風(fēng)入口位于菊花層的中間位置，上下均勻分布間距為30mm 的菊花托盤，而熱風(fēng)的兩出口與入口處于同一垂線上，分別位于烘干室的上下兩個頂端位置，同時，其還配備有循環(huán)風(fēng)機(jī)促進(jìn)加熱系統(tǒng)與烘干室的空氣流動，烘干室箱壁為保溫效果較好的聚氨酯材料，在進(jìn)行模擬時箱壁視為絕熱。烘干室的尺寸為3000×1800×1100mm，進(jìn)風(fēng)口尺寸為3000×300mm，上下兩個出風(fēng)口尺寸均為3000×200mm，菊花托盤一共15 層，每層尺寸均為3000×1100×70mm，如圖1所示。

圖1 烘干室三維模型

2.2 網(wǎng)格劃分

采用SolidWorks 軟件建立烘干室的三維模型，建模的同時對烘干室的結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡化，接著導(dǎo)入SCDM 軟件對流體區(qū)域進(jìn)行體積抽取，同時托盤區(qū)域進(jìn)行分割命名，最后將提取的流體區(qū)域?qū)隡ESH軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。進(jìn)行網(wǎng)格劃分時優(yōu)先考慮劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，劃結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠最大程度地節(jié)省計(jì)算資源，使模型的計(jì)算更快地達(dá)到收斂狀態(tài)，同時對于流動狀態(tài)復(fù)雜的物料層區(qū)域采用加密網(wǎng)格處理，最后劃分共計(jì)375291 個節(jié)點(diǎn)，359040 個網(wǎng)格單元。

2.3 控制方程

該模型求解采用的湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，該模型具有較好的穩(wěn)定性和較高的計(jì)算精度，廣泛應(yīng)用于湍流模型的數(shù)值模擬。菊花烘干過程流體的流動模擬基于3 個最基本的守恒方程：質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程[8]。

式中：ρ為流體密度，kgm3；t為流體流動時間，s；Sm為源項(xiàng)。

動量守恒方程：

式中：p為靜壓；τij為應(yīng)力張量；ui、uj時均速度分量，ms；xi、xj為x方向上的坐標(biāo)分量；gi為i方向上的重力體積力；Fi為i方向上的外部體積力。

能量守恒方程：

式中：cp為比熱容；T為溫度；k為流體的傳熱系數(shù)；ST為黏性耗散性。

2.4 模擬條件

菊花在托盤中呈無規(guī)則形狀擺放，并且每層的擺放厚度基本相當(dāng)，熱空氣沿菊花之間的空隙任意流動，因此菊花層簡化為多孔介質(zhì)模型進(jìn)行模擬[9]。多孔介質(zhì)簡化模型就是在流體區(qū)域增加了阻力源，即多孔區(qū)域添加1 個與速度相關(guān)的動量匯，其表達(dá)形式為[10]:

式中：Si為第（ix，y，z）方向的動量方程源項(xiàng)；C1為粘性阻力系數(shù)；C2為慣性阻力系數(shù)；μ為動力粘度；α為滲透率；vi為第（ix，y，z）方向的速度值；|v|為速度值。

烘干室的數(shù)值模型參數(shù)設(shè)置，如表1所示。

表1 邊界條件設(shè)置

3 模擬結(jié)果分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 模擬結(jié)果分析

通過對烘干室流場模擬結(jié)果進(jìn)行分析時，選取烘干室中心位置Z=1.5m 平面作為觀察截面，截取該平面上的速度場、壓力場和溫度場作為研究烘干室流場分布的分析對象，如圖2所示。

圖2 Z=1.5m平面熱風(fēng)的流場分布云圖

對速度場分析可知：熱風(fēng)以2m/s的速度吹入烘干室遇見狹縫熱風(fēng)開始聚集，此時風(fēng)速明顯增加，隨著水平距離的增加，風(fēng)速又呈現(xiàn)出梯級遞減的趨勢。在豎直方向上，由于存在菊花層的阻礙作用，熱風(fēng)速度呈現(xiàn)出分層現(xiàn)象，其中最小速度接近于0m/s，兩個出口位置氣流呈現(xiàn)聚集現(xiàn)象，風(fēng)速逐漸增大，導(dǎo)致位于進(jìn)口和出口位置的菊花干燥速率明顯高于其他位置。

對壓力場分析可知：烘干室壓力最大位置主要集中在熱風(fēng)入口處以及與其相對應(yīng)的后端空腔周圍，這是因?yàn)闊犸L(fēng)入口勻速進(jìn)入的熱空氣，突然遇到空氣流道急劇收縮，造成氣流堆積壓力升高。同時熱風(fēng)到達(dá)烘干室的后端空腔，在上下兩個方向的流動受阻氣流在此堆積，使該處氣壓升高。而其他區(qū)域壓力值分布差異不明顯，是因?yàn)榫栈▽訉饬鞯姆稚⒆饔盟鶎?dǎo)致。

對溫度場分析可知：烘干室溫度分布不均勻性較為明顯，入口處有持續(xù)不斷的溫度為60℃的熱風(fēng)輸入，使得熱風(fēng)入口周圍的菊花升溫較快，而其他區(qū)域溫度升高相對緩慢，同時熱風(fēng)在經(jīng)過菊花層時會與其進(jìn)行熱量交換并帶走菊花蒸發(fā)掉的水蒸氣，因此熱風(fēng)在向前流動的過程中溫度不斷降低，使得烘干室不同位置溫差明顯。

通過對菊花烘干室熱風(fēng)氣流速度場，壓力場和溫度場的分布情況的分析可知，烘干室內(nèi)熱風(fēng)氣流分布均勻性較差主要原因就是氣流整體流動性差，容易在局部形成氣流堆積，熱風(fēng)入口附近菊花層表面風(fēng)速過大，而其他區(qū)域由于菊花層的阻礙作用風(fēng)速值極低，這就導(dǎo)致了烘干室流場的速度和溫度分布不均，最終使不同位置菊花的干燥質(zhì)量呈現(xiàn)出明顯的差異。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對原模型存在的問題，在進(jìn)行菊花烘干室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時，應(yīng)以提高熱風(fēng)在各菊花托盤之間的流動性、速度和溫度分布均勻性作為烘干室結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)。同時優(yōu)先考慮改變熱風(fēng)出口方向，拓展菊花托盤前后空間，在入口位置設(shè)置導(dǎo)流板，用于提升整體熱風(fēng)的分布均勻性，最后通過對導(dǎo)流板不同設(shè)置角度以及改變托盤間距大小進(jìn)行對比分析，優(yōu)化出流場分布均勻性最佳的烘干室結(jié)構(gòu)。

3.2.1 導(dǎo)流板角度的影響

為提高整體流場分布均勻性，優(yōu)化模型設(shè)置了上中下3個大小相同且與原模型位置相反的熱風(fēng)出口，菊花托盤的間距設(shè)置為70mm，入口和出口距離菊花托盤200mm 的位置均設(shè)置為空腔，最后通過改變?nèi)肟趯?dǎo)流板的角度，找出烘干室速度和溫度的分布最均勻的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。導(dǎo)流板角度分為3組進(jìn)行設(shè)置，上下兩塊導(dǎo)流板的外觀尺寸均為3000×200×2mm。第一組上下導(dǎo)流板與水平方向之間的夾角分別為30°和45°；第二組上下導(dǎo)流板與水平方向之間的夾角分別為45°和60°；第三組上下導(dǎo)流板與水平方向之間的夾角分別為30°和60°。對優(yōu)化結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果分析時，選取Z=1.5m 平面作為觀察截面，各組的速度場和溫度場仿真結(jié)果，如圖3和圖4所示。

圖3 Z=1.5m平面熱風(fēng)的速度場分布云圖

圖4 Z=1.5m平面熱風(fēng)的溫度場分布云圖

由圖3 各組速度場仿真結(jié)果分析可知，第三組的優(yōu)化模型速度場的速度分布云圖相較于第一和第二組而言，速度場的速度分布均勻性最好，從圖4各組溫度場仿真結(jié)果分析可知，第三組的溫度度場在菊花托盤區(qū)域的均勻性最好，整體溫差相對較小，綜合來看第三組的流場分布均勻性要好于另外兩組。

3.2.2 托盤間距的影響

在前面優(yōu)化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，選擇第三組上下導(dǎo)流板與水平方向之間的夾角分別為30°和60°的烘干室結(jié)構(gòu)，重新設(shè)置3 組不同托盤間距的烘干室結(jié)構(gòu)。第四組托盤之間間距為70mm，即前面模型的第三組優(yōu)化結(jié)構(gòu)；第五組托盤之間間距為50mm；第六組托盤之間間距為30mm。對該優(yōu)化結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果分析時選取同樣位置截面，各組的速度場和溫度場仿真結(jié)果，如圖5和圖6所示。

由圖5 各組速度場仿真結(jié)果分析可知，隨著托盤間距的減小烘干室的速度的均勻性也在逐步提高，因此托盤之間間距為30mm的烘干室結(jié)構(gòu)，烘干室整體速度場分布最為均勻，托盤之間的熱風(fēng)速度差最小。由圖6 各組溫度場仿真結(jié)果分析可知，烘干室的溫度的均勻性也隨著托盤間距的減小在逐步提高，由此可得烘干室的最佳托盤間距為30mm。

圖5 Z=1.5m平面熱風(fēng)的速度場分布云圖

圖6 Z=1.5m平面熱風(fēng)的溫度場分布云圖

通過對比分析6組結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的烘干室流場仿真結(jié)果可知，優(yōu)化模型改變熱風(fēng)出口位置以及拓展菊花托盤前后空間，能夠有效提升熱風(fēng)的流通效率，烘干室風(fēng)速由原來的最大5.67m/s降低到了現(xiàn)在的3.95m/s 左右。同時在入口位置設(shè)置不同角度的導(dǎo)流板，其中上下導(dǎo)流板與水平方向之間的夾角分別為30°和60°以及托盤間距為30mm的烘干室結(jié)構(gòu)整體流場分布均勻性最好。

4 結(jié)論

1.通過對原模型菊花烘干室流場的分布情況的仿真分析可知，烘干室內(nèi)熱風(fēng)氣流分布均勻性較差主要原因是氣流整體流動較差，造成了烘干室溫度分布不均，使菊花的干燥質(zhì)量表現(xiàn)出明顯的差異。

2.針對原模型存在的問題，采用設(shè)置原模型位置相反的熱風(fēng)出口以及拓展菊花托盤前后位置空間，在入口位置設(shè)置導(dǎo)流板的方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最后得出上下導(dǎo)流板與水平方向之間的夾角分別為30°和60°的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，烘干室整體溫度場和速度場分布均勻性最好。

3.在得到最佳導(dǎo)流板角度結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，又分析了3 組不同菊花托盤間距的烘干室結(jié)構(gòu)，最后得到托盤間距為30mm 時，烘干室整體流場分布最為均勻。