糧食烘干機干燥段流場數(shù)值模擬分析與優(yōu)化

隨著我國工業(yè)化水平的快速發(fā)展，大多數(shù)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式已被現(xiàn)代化機械所替代[1-2]。傳統(tǒng)的糧食收儲模式存在著收儲周期長、產(chǎn)后損失嚴(yán)重以及糧食質(zhì)量較低等問題，不能滿足現(xiàn)代化需求[3]。糧食烘干作為收儲過程的重要一環(huán)，對于糧食產(chǎn)后收儲減損有著至關(guān)重要的作用。于洋等[4]采用Fluent對烘干機烘干室的氣流分布進行分析，解決了枸杞烘干過程中存在的粘黏問題。于省元等[5]針對烘干機的排糧機構(gòu)進行創(chuàng)新優(yōu)化，解決了烘干機排糧時存在的混糧混種現(xiàn)象。王曉明等[6]設(shè)計了塔式烘干機的氣力輸送系統(tǒng)，實現(xiàn)了谷物的定量供給和防擠壓破碎。本文對烘干塔干燥段進行分析，為后續(xù)烘干裝置的優(yōu)化分析提供參考。

1 干燥段流場數(shù)值模擬設(shè)計方案

1.1 干燥段物理模型及仿真參數(shù)

烘干塔干燥段物理模型如圖1所示。熱風(fēng)從進風(fēng)口以一定風(fēng)速充入進風(fēng)空腔內(nèi)，熱空氣沿進風(fēng)角狀盒逐漸充滿整個干燥段物料層，最后從出風(fēng)角狀盒到出風(fēng)口流出。

圖1 烘干塔干燥段物理模型圖

烘干塔的干燥效率與其內(nèi)溫度場和速度場均勻度有很大關(guān)系，為對干燥段內(nèi)溫度和速度分布進行量化分析，并評價干燥段內(nèi)溫度場和速度場分布的均勻度，在每個角狀盒內(nèi)選擇從進口處到出口處間隔200 mm的8個監(jiān)測點（計算域內(nèi)共88個監(jiān)測點），監(jiān)測點分布如圖2所示，其中in1～in11分別表示角狀盒進氣口編號，in1距離干燥段進氣口最近，in11距離干燥段進氣口最遠。

圖2 監(jiān)測點分布圖

1.2 模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分

利用SolidWorks三維建模軟件對干燥段外殼進行建模并在Space Claim中抽取內(nèi)部流場空間，在FLUENT Meshing中進行網(wǎng)格劃分后導(dǎo)入ANSYS FLUENT中進行仿真模擬計算。干燥段尺寸和進出風(fēng)角狀盒尺寸如圖3所示。干燥段內(nèi)流場網(wǎng)格的劃分如圖4所示。因模型較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格效果欠佳，故采用擁有更高的質(zhì)量和計算精度的poly網(wǎng)格。

圖3 干燥段主視圖與進出風(fēng)角狀盒尺寸圖

圖4 網(wǎng)格劃分示意圖

1.3 仿真參數(shù)設(shè)計

為了探究干燥段內(nèi)溫度場和速度場分布的影響因素，針對不同進風(fēng)風(fēng)速和不同模型結(jié)構(gòu)進行仿真分析。在原始模型的基礎(chǔ)上，改變進風(fēng)風(fēng)速為10 m·s-1、15 m·s-1、20 m·s-1、30 m·s-1和40 m·s-1進行數(shù)值模擬分析。

2 原始模型仿真模擬結(jié)果及分析

2.1 干燥段內(nèi)溫度場和速度場的分布

如圖5（a）所示，在進口風(fēng)速為20 m·s-1時，空氣在進風(fēng)空腔和兩側(cè)進氣角狀盒內(nèi)溫度高于周圍物料層部分，且隨著熱風(fēng)的充入，距離進風(fēng)空腔越遠的位置溫度越低。將溫度監(jiān)測點選取在進風(fēng)口左側(cè)干燥段，比較各角狀盒內(nèi)溫度，如圖5（b）所示。由圖可知角狀盒in1內(nèi)的溫度低于其他角狀盒，且溫度不均勻度為4.66%，高于其他角狀盒的溫度不均勻度。

圖5 干燥段內(nèi)部溫度分布變化情況圖

（a）Z=820 mm剖面的溫度分布云圖

如圖6（a）所示，在進口風(fēng)速為20 m·s-1時，進風(fēng)口處和角狀盒內(nèi)的速度高于周圍物料層的速度，且距離進風(fēng)空腔越遠，角狀盒內(nèi)的風(fēng)速越低。圖6（b）給出不同角狀盒內(nèi)各監(jiān)測點的速度變化曲線圖。從圖中可以看出，對于除in1以外的其他角狀盒，監(jiān)測點7的速度均低于角狀盒內(nèi)的其他監(jiān)測點，且角狀盒in1的速度低于其他角狀盒。通過分析干燥段內(nèi)速度分布情況，可以解釋其溫度分布情況。因角狀盒in1內(nèi)的風(fēng)速較低，導(dǎo)致干燥段內(nèi)熱風(fēng)流動不充分，溫度場和速度場不均勻，且不均勻位置位于角狀盒in1和監(jiān)測點7。

圖6 干燥段內(nèi)部速度分布變化情況圖

2.2 進口風(fēng)速對溫度場和速度場的影響

不同風(fēng)速下的角狀盒in1內(nèi)各監(jiān)測點和監(jiān)測點7的溫度變化曲線圖如圖7、圖8所示。

圖7 不同風(fēng)速下角狀盒in1內(nèi)各監(jiān)測點溫度變化曲線圖

圖8 不同風(fēng)速下監(jiān)測點7溫度變化曲線圖

由圖7可知，在進口風(fēng)速為10 m·s-1的情況下，角狀盒in1內(nèi)溫度最低，在進口風(fēng)速為30 m·s-1的情況下，角狀盒in1內(nèi)的溫度升高，不均勻度從4.35%降低到4%。表明改變進口風(fēng)速能改進角狀盒in1內(nèi)溫度的不均勻性，在進口風(fēng)速30 m·s-1時效果最好，溫度增幅量在3 ℃左右，不均勻度降幅0.35%。

由圖8可知，增大進口風(fēng)速在大部分角狀盒內(nèi)監(jiān)測點7位置都能提升溫度，最大溫度增幅達到4 ℃。在進口風(fēng)速為40 m·s-1的情況下，除了in6、in7以外，監(jiān)測點7的溫度都高于其他低進口風(fēng)速。因此，改變進口風(fēng)速在一定程度上能改善監(jiān)測點7處溫度較低的情況，但對提升監(jiān)測點6的溫度效果不明顯。在進口風(fēng)速為40 m·/s-1時，不均勻度降低至4%。

干燥段內(nèi)流場的平均溫度如圖9所示。由圖9可知，隨著進口風(fēng)速的增加，干燥段內(nèi)流場的平均溫度逐漸上升，從進口風(fēng)速10 m·s-1到40 m·s-1，平均溫度增幅達到3 ℃。這說明，增大進口風(fēng)速可提高干燥段內(nèi)的平均溫度。

結(jié)合圖7～圖9可知，增大進口風(fēng)速能對干燥段內(nèi)的不均勻區(qū)域包括角狀盒in1和監(jiān)測點7進行改善，在進口風(fēng)速為40 m·s-1時，不均勻度降低至4%。

圖9 不同進口風(fēng)速下干燥段內(nèi)流場的平均溫度圖

3 改進模型仿真模擬結(jié)果及分析

3.1 改進模型

本文主要采用3種改進模型同原始模型N進行對比，改進模型分別為BISO模型、SIBO模型和CROS模型，分別表示增大角狀盒進口減小角狀盒出口、減小角狀盒進口增大角狀盒出口和大小角狀盒分布排列，3種改進模型的形狀變化示意圖如圖10所示。

圖10 改進模型結(jié)構(gòu)示意圖

通過前文對不同進口風(fēng)速下干燥段內(nèi)部溫度場和速度場的分析可知，在進口風(fēng)速為40 m·s-1時，干燥段內(nèi)不利區(qū)域的改進效果最好，因此以上3種改進模型均在進口風(fēng)速為40 m·s-1的條件下進行模擬仿真。通過在相同條件下的數(shù)值分析，得出改變角狀盒進出口大小對干燥段內(nèi)部溫度場和速度場的影響，從而分析改變干燥段結(jié)構(gòu)對其內(nèi)部流場不均勻度的影響。

3.2 不同模型的溫度場和速度場變化

圖11給出不同改進模型和原始模型N在角狀盒in1內(nèi)的溫度變化曲線圖。對比發(fā)現(xiàn)，3種改進模型能夠提升角狀盒in1內(nèi)部流場大部分監(jiān)測點的溫度，溫度增幅最低達到1 ℃。其中SIBO模型溫度提升效果最好，不均勻度從N模型的4.66%下降到4%。但CROS模型在監(jiān)測點6的位置溫度反而下降，導(dǎo)致in1角狀盒內(nèi)不均勻度增大。

圖11 不同模型在角狀盒in1內(nèi)的溫度變化曲線圖

圖12給出不同改進模型和原始模型N之間的干燥段內(nèi)平均溫度變化曲線圖。可以看出，3種改進模型的平均溫度均高于原始模型N的平均溫度，但溫度增幅在1 ℃以內(nèi)，說明改進模型對提高干燥段內(nèi)流場的平均溫度效果并不明顯。此外，由于改變角狀盒大小會造成干燥段內(nèi)糧食流動發(fā)生變化，在角狀盒大的部分糧食流動慢，角狀盒小的部分糧食流動快，導(dǎo)致糧食在干燥段內(nèi)可能出現(xiàn)受熱不均勻現(xiàn)象，反而會降低干燥段的干燥效率。

圖12 不同模型干燥段內(nèi)流場的平均溫度圖

綜上可知，3種改進模型在一定程度上確實能夠改善角狀盒in1的不利區(qū)域，提升其內(nèi)的溫度，降低其內(nèi)的溫度不均勻度。但3種改進模型對于監(jiān)測點7和流場內(nèi)平均溫度的改善效果存在一定限制，需依據(jù)角狀盒的改變而導(dǎo)致的糧食流動不均的問題進行進一步的分析，使其達到最佳干燥效果。

4 結(jié)論

本文借助ANSYS FLUENT軟件建立烘干塔干燥段的簡化模型，采用CFD的標(biāo)準(zhǔn)湍流模型和傳熱模型進行數(shù)值模擬，對干燥段內(nèi)溫度場和速度場進行分析，同時通過改變進口熱風(fēng)的風(fēng)速和角狀盒的大小來判斷影響流場內(nèi)溫度和速度及其不均勻度的因素，結(jié)果如下。

（1）原始模型溫度場和速度場的不均勻區(qū)域主要集中在角狀盒in1和監(jiān)測點7位置。角狀盒in1和監(jiān)測點7處速度相對其他角狀盒較低，熱空氣流動不充分，溫度場和速度場不均勻，導(dǎo)致周圍物料層受熱不充分，降低干燥段的運行效率。

（2）在原始模型的基礎(chǔ)上，通過改變進口風(fēng)速的大小，得到增加進口風(fēng)速能改善干燥段內(nèi)的不均勻區(qū)域。在進口風(fēng)速為40 m·s-1的情況下，相較于10 m·s-1的情況，角狀盒in1和監(jiān)測點7的溫度增幅達到3 ℃左右，不均勻度從4.35%降低到4%。

（3）通過SIBO模型在提升角狀盒in1內(nèi)溫度來改善不均勻區(qū)域有一定的優(yōu)化效果，但結(jié)合監(jiān)測點7溫度變化和流場內(nèi)平均溫度和不均勻度變化，此方法存在一定的限制，因此后續(xù)可針對受熱均勻性、糧食流動均勻性以及進風(fēng)溫度之間的最佳配合比進行深入的研究分析。