基于車輛表面溫度分布的烘干房氣流組織優(yōu)化

劉營芳 陳銀輝 黃子碩

1同濟大學建筑與城市規(guī)劃學院

2上海市建筑科學研究院

0 引言

畜禽運輸貨車車體的消殺是畜禽養(yǎng)殖場防疫的重要環(huán)節(jié)。若車體干燥不充分不完全，大部分消毒劑對豬繁殖與呼吸綜合征病毒（PRRSV）的滅活效果有限[1]，同時，車輛烘干效果和能耗直接影響?zhàn)B殖企業(yè)的防疫安全和運營成本。既有研究多為農副產品及飼料的干燥技術研究[2-3]，或結合具體案例對畜禽轉運車烘干房在不同氣流組織下的空氣溫度進行比較[4-5]，但烘干房內氣流組織設計仍缺乏可靠依循。

本研究將關注點回歸到被烘干車輛本身，分析烘干過程中車輛表面溫度的均勻性與最終烘干效果間的關聯(lián)關系，提出以車輛表面溫度分布不均勻系數作為評價烘干房氣流組織優(yōu)劣的依據，并結合第四代烘干房的現(xiàn)場實測和CFD模擬，對這一假設進行驗證。

1 車輛烘干過程的熱濕遷移過程及其評價指標

1.1 熱濕遷移過程

熱風干燥技術依據介質傳熱原理，烘干區(qū)域內的初始冷空氣首先被置換為熱空氣，然后與車輛表面產生溫度梯度和水分梯度，車輛表面與周圍熱空氣的傳熱傳質過程同時發(fā)生，方向相反，完成車輛的加熱脫濕。烘干過程中的熱濕遷移可分為三個階段，如圖 1所示：

圖1 烘干過程車體表面溫度與空氣濕度變化圖

在快速升溫期，熱空氣與車輛之間通過對流換熱的方式傳遞熱量，使得車輛表面水分受熱汽化，汽化的水蒸氣擴散到周圍空氣中，經循環(huán)系統(tǒng)排出室外。此過程中，車體表面溫度迅速上升至t1，室內空氣濕度先迅速上升至φ1，之后濕空氣開始排出室外，室內空氣濕度迅速下降。在穩(wěn)定除濕期，送入室內的熱風車輛表面水分的汽化潛熱，濕空氣不斷排出室外，而車體表面溫度基本不變，室內空氣濕度平穩(wěn)下降至φ2后基本保持不變。在烘干保證期，車輛表面水分基本被完全蒸發(fā)，部分區(qū)域存在少量水分，因此送風風速與溫度均下降，車輛表面溫度與室內空氣濕度均基本保持不變，繼續(xù)烘干保證車輛整體所有區(qū)域均達到烘干要求。

微生物學的研究表明，大多數病毒的耐受溫度不超過60℃[6]。因此，烘干房常以60℃作為烘干要求。經測量，快速升溫期為 5～10 min，穩(wěn)定除濕期約 15～ 20 min，烘干保證期約20 min。但研究表明，病毒處于55～60℃的溫度中，十幾分鐘內即可滅活[6]，這說明目前烘干房的設置烘干保證時間過長。根據調研發(fā)現(xiàn)，設置較長的烘干時長主要是由于被烘干車輛結構復雜，易出現(xiàn)烘干不均勻的現(xiàn)象。但與此同時容易出現(xiàn)部分區(qū)域過分烘干而損傷車體，并造成能源浪費。因此，本文的優(yōu)化目的為提高車輛烘干均勻性，確保車輛整體受熱均勻，同步烘干，避免出現(xiàn)部分區(qū)域溫度過低未達到烘干要求的情況，從而縮短烘干保證階段的時長，降低烘干能耗。

1.2 車體表面溫度分布均勻性指標

結合上述熱濕傳遞過程分析以及烘干殺菌的溫度要求兩個方面的因素，提出車輛表面溫度不均勻性作為烘干效果和烘干效率的指標。

為更好評價優(yōu)烘干房氣流組織的優(yōu)劣，引入不均勻系數[7]作為評價車體表面溫度不均勻性指標，該指標的計算方法如下：

式中：N為研究區(qū)域內測點數；Ti為各觀測點的溫度值，℃；為區(qū)域內觀測點溫度的算數平均值，℃ ；KT為區(qū)域內測點溫度的不均勻系數。

本研究中，結合既有研究的實測，將觀測點遍布車身的各個關鍵區(qū)域，包括欄桿(hl)，車廂(ca)，車頭(lo)，以及車輛底部（共18個）。保證覆蓋模型分析中溫度過高及過低的區(qū)域。各觀測點的具體分布如圖2所示。

圖2 車體表面溫度觀測點位置圖

2 烘干房的模型建立

CFD 仿真軟件已被大量用于探究各類烘干室的研究[8-9]。因此，本文結合實測結果，對烘干房內車輛烘干過程采用Airpak軟件進行模擬研究。

2.1 烘干房的幾何模型

本文測試的畜禽式貨車烘干房外觀如圖 3所示。通過現(xiàn)場測試與調研獲得烘干房的建筑物理信息（見表1）。

圖3 第四代烘干房

表1 烘干房主室建筑信息

烘干房主室作為建筑核心，是車輛烘干的主要場所。主室地面設有循環(huán)風口，位于側墻頂部的風機抽取主室上方的空氣經由風管輸送到地面風口，實現(xiàn)烘干房內空氣的上下流動。側墻上設有送風口與回風口，室外新風通過鼓風機送入燃燒機與烘干主室內回風混合后，在燃燒機內被加熱，然后由送風口送入烘干主室，對車體進行快速烘干并有效殺死車體所攜帶的病原體。

2.2 烘干房的物理模型

根據現(xiàn)場測量及工程設計圖紙，采用 Airpak軟件建立烘干房的物理模型。車輛模型依據車輛公司提供的具體參數進行建模，烘干過程中，車廂尾部后門向后打開，駕駛室車門打開。

烘干房整體結構復雜，忽略一些不顯著的影響因素，對烘干房的物理模型進行適當簡化（見圖4）。根據實際測量值，設置各邊界參數，見表2。

圖4 烘干房簡化物理模型

表2 參數設置

烘干房內空氣為低速、不可壓縮湍流流動氣體，其流動換熱過程基于連續(xù)性方程，動量方程，能量方程和計算湍流的方程進行計算[10-11]。分別由三大基本物理定律：質量守恒定律、牛頓第二定律、能量守恒定律，通過數學演繹得來。

采用六面體網格（Hexa cartesian）網格劃分器進行網格劃分，并對氣體流速梯度較大的各風口及后置風機進行局部加密。共生成網格1043052個，網格質量最低為0.92，滿足模擬計算要求。烘干房室內空氣流動同時包括自然對流與混合對流，是一種較為復雜的高雷諾數湍流流動，既有研究表明室內零方程模型較為適用描述該類問題。并選擇有限容積法作為控制方程離散化的方法，對各個網格上的節(jié)點建立離散的方程組。另外，設定流動方程的收斂值為0.001，能量方程的收斂值為1*10-6。

2.3 烘干房模型的驗證

現(xiàn)場測試采用已標定的可自動連續(xù)測量儀器設備（精創(chuàng)溫濕度自記儀、天健華儀溫濕度測量儀等）對烘干房中各風口的溫度（T）、風速（V），車體表面溫度以及車體表面空氣的溫濕度等關鍵點進行測試。具體的測點布置如圖5所示。由于烘干房送風口溫度最高可達200℃，因此，布置在送風口處的測點選用耐高溫的多通道熱工測量系統(tǒng)。

圖5 測點布置圖

模擬結果與實測對比如圖6所示。

圖6 實測與模擬測點對比圖

由圖 6 可知，模擬與實驗中各點的溫度分布與速度分布幾乎相同，溫度最大偏差小于 8%，風速最大偏差小于5%，可以認為本模型計算結果的誤差屬于可接受范圍內的誤差，數值模擬結果與實測結果一致性較高，本文建立的畜禽轉運車烘干房CFD 數值模型可用于車輛烘干過程的模擬仿真。

3 基于車體表面溫度分布的氣流組織優(yōu)化

首先對既有烘干房的烘干過程及車體表面溫度的分布進行模擬，基于車體溫度分布均勻性指標對烘干氣流組織進行優(yōu)化。

3.1 既有烘干房內被烘干車輛表面溫度分布及誘因

畜禽式貨車車體較大，各部分烘干效果通常存在一定差異，車體的表面溫度云圖可以直觀地看出車輛烘干的均勻性，如圖7所示。

圖7 車體表面溫度分布圖

由圖 7（a）可知，各層車廂的底部溫度分布均勻，且溫度均在60 ℃以上，說明車廂內的烘干效果良好。但由圖 7（b）、（c）可知，雖然車體外側80%以上的區(qū)域表面溫度可以達到60 ℃以上，但其溫度分布不均勻。其中一層車尾方向的欄桿外側以及底盤后掛箱的區(qū)域溫度較高，最高溫度分別可達 86.3 ℃和84.6 ℃，車頭下方溫度較低，最低溫度 52.7 ℃，不能達到烘干要求的60 ℃。根據觀測點計算車輛表面溫度分布的不均勻系數為0.142。

研究表明，在烘干房內放置風機有利于對室內熱空氣形成擾流作用，從而提高速度場與溫度場的均勻性[12-13]，但由圖8 送風口氣流軌跡可以看出，后置風機的循環(huán)風量過大，會導致后置風機循環(huán)風量產生的回流影響了送風氣流的射流，使熱空氣不易到達車體前側，造成車體表面溫度分布不均。如圖8所示，由于后置風機的循環(huán)風量過大，送風口送出的熱空氣射流最大距離僅3.4米，且大部分氣體在距離送風口1.5米處就已被后置風機吸走，這就造成了靠近車尾的欄桿外層直接接觸到大量的熱空氣而被加熱，而車頭區(qū)域沒有直接接觸到高溫空氣而溫度較低。

圖8 側墻送風口氣流軌跡圖

接下來的優(yōu)化將對后置風機以及送回風口進行調整，并以車體烘干的均勻性以及送風氣流的送達距離作為優(yōu)化目標。

3.2 后置風機位置與數量調整設計

對模型的分析發(fā)現(xiàn)，后置風機過多，射流相互干擾，對送風口的射流起到嚴重的阻礙作用。為節(jié)約改造成本，仍采用原型號的后置風機，僅調整風機的數量與空間位置，具體改進方案見表3。

表3 后置風機優(yōu)化方案

不同方案下，數值模擬結果如圖9所示。

圖9 車身表面溫度分布

由圖 9 可知，不同方案的模擬結果中，均為車輛左側欄桿的觀測點 hl3 溫度最高，變化范圍為91.4～95.80 ℃、方案3的hl3溫度最低。而車底的觀測點 bo3 溫度最低，變化范圍為 56.63～61.05 ℃，方案 3的bo3的溫度最高。另外由圖 10可知，隨著風機數量的減少，送風口的射流距離逐漸增加，溫度不均勻系數先下降后上升。以車身表面溫度不均勻系數為評價指標，選用車身表面溫度的不均勻系數最小，為 0.107，且送風射流距離達9.1 m的方案3作為后置風機的最優(yōu)設計方案。

圖10 溫度不均勻系數及送風射流距離

3.3 送回風口布局改進設計

在對后置風機的優(yōu)化結果中，左側欄桿 hl3測點溫度仍相對較高，而車輛底盤前側 bo3 以及車頭 lo2溫度較低，這是因為模型中送風口位于車輛后方，且回風口位于車頭側方，不利于熱空氣在車頭繞流。因此，在送回風口的優(yōu)化中，首先將回風口向車頭方向平移1.5 m至車頭前側，然后在側墻中部增設送風口，為保證烘干房的輸送熱量不變，將送風口大小減小為原尺寸一半，位置不變，另在房間中部增設同樣大小，同樣送風參數的送風口。具體優(yōu)化方案，如表4所示。

表4 送回風口優(yōu)化方案

根據數值模擬結果，不同方案下各觀測點溫度及車身表面溫度分布的不均勻系數，如圖11、12所示。

圖11 車身表面溫度分布

由圖11可知，各方案中車體的最高溫度測點hl3均有所降低，且溫度較低的測點bo3溫度明顯上升，但其中方案5存在溫度低于 60 ℃的測點，不滿足烘干要求。另外，由圖12可知，隨著中部送風口向回風口方向的移動，車身表面的平均溫度在逐漸下降，這是因為中部送風口送出的熱空氣被回風口吸入，未用于加熱車體。另外可以看出，各方案模擬結果計算所得車身表面溫度的不均勻系數呈 M 型，先下降后上升，其中方案 3的車身溫度不均勻系數最小，為 0.073，可作為送回風口的最優(yōu)設計方案。

圖12 溫度不均勻系數

綜上所述，烘干房的最終優(yōu)化方案為：首先調整后置風機數量為2個，有效減少了后置風機需要的循環(huán)風量，降低了對送風口射流的阻礙作用，從而增加送風口的射流距離，避免車身欄桿后側溫度過高，初步提高了車身表面溫度分布的均勻性。之后調整送回風口，將回風口前移 1.5 m，同時將拆分送風口至房間中部距離回風口 7 m 處，有效提高了車輛前側（車頭及底盤前側）的溫度，進一步提高了溫度分布的均勻性，從而縮短烘干保證期的時長，降低烘干能耗。

4 結論

畜禽轉運車烘干房的氣流組織對烘干效果和烘干效率具有重要影響。本研究采用車體表面溫度分布不均勻性系數作為衡量烘干房烘干效果和烘干效率的指標，并結合第四代烘干房的現(xiàn)場實測和 CFD 模擬，對這一假設進行了驗證。研究表明：

1）畜禽轉運車烘干房被烘干物體（車輛）體積與烘干房自身體積的比較大，烘干房內氣流速度梯度大，且烘干過程中車體表面溫度的上下限有較為嚴格的規(guī)定，對烘干房內氣流組織提出較高要求。相對于以烘干房內空氣溫度、流速作為氣流組織評價的依據，車體表面溫度的均勻性作為烘干房氣流組織評價的依據更為直接和準確。

2）現(xiàn)場實測和 CFD 模擬結果對比表明，采用CFD 方法可以對畜禽轉運車烘干房的氣流組織進行較為準確的模擬分析，支撐烘干房氣流組織設計。

3）案例分析表明，以車體表面溫度不均勻系數為優(yōu)化目標，對當前第四代烘干房的氣流組織進行優(yōu)化設計，可在減少風機數量的同時，提高烘干房內車輛烘干的效果，避免為保障車前側因熱風覆蓋不均勻而烘干較慢，從而延長烘干保證期時長造成的能源浪費問題，同時也避免了車輛輪胎、后方欄桿等部位因過度烘干造成的局部溫度過高而帶來的安全隱患。