雙向側風木材干燥窯內流場的數值模擬與優(yōu)化*

盧富明 范雪琪 丁雨晴 鄭曉紅 錢 華

（1. 東南大學能源與環(huán)境學院，江蘇 南京 210096；2. 上海船用柴油機研究所，上海 201108）

我國是全球最大的木材進口國，木材干燥耗能巨大，一次能源利用率低，能源消耗遠超發(fā)達國家[1-3]。近年來出現(xiàn)了海運干燥的新方法，即在遠洋貨輪上搭建大型軟膠囊代替常規(guī)干燥室，運輸過程中利用發(fā)動機余熱進行木材干燥，實現(xiàn)能源二次利用的同時節(jié)省了干燥時間和成本。然而，這種干燥設備受限于窯體強度，且為了安裝移動方便，采用側面送風，內部流場的均勻性相對較差。

干燥過程中干燥室氣流分布的均勻性至關重要，它決定產品的品質和干燥效率[4]。在水果干燥領域，Amanlou等[5]對比研究了7 種不同幾何形狀的機柜干燥器，以改進水果干燥設備的氣流均勻情況。Khaldi等[6]在柜式干燥器中添加了第二個進氣口以獲得更均勻的溫度。在木材干燥過程中，不均勻流場更易造成端裂等缺陷[7]。目前，國內外學者已經對木材干燥窯流場均勻性進行了大量研究[8-10]。Nijdam等[8]通過一維數值模擬與實驗對比，研究了窯體內木材堆的寬度及其與墻壁的距離對木材氣流分布不均勻的影響，發(fā)現(xiàn)干燥窯的幾何形狀與氣流均勻度存在密切關系。頂風型干燥窯是最常見的窯體類型，對于木材干燥窯流場的研究大多集中于此類型上，沙汀鷗等[9]對頂風式木材干燥室內部風速場進行模擬，得到最佳送風風速和干燥窯材堆至墻壁的最佳距離。朱伊楓等[10]將發(fā)明問題解決算法用于對干燥窯風速流場分布不均問題的系統(tǒng)化推導，再對干燥窯結構進行改進。這兩項研究表明，送風風速和干燥窯結構對頂風型干燥窯的流場均勻性影響很大。然而，頂風式干燥窯存在安裝困難、維修不便等問題，不適用于海運木材干燥。

在數據機房的送風布局研究中，雙側送風的流場均勻性和冷量利用率優(yōu)于單側送風[11]。海運干燥窯換熱器安裝在干燥窯內部，換熱器過于集中會導致附近區(qū)域的木材溫度過高，造成干燥缺陷。因此，本文提出采用雙向側風機型干燥窯，在確保安裝便捷性的同時改善流場的均勻性。然而，目前對于這種方式的干燥窯鮮有研究，內部流場尚不明確，在實際工程中干燥窯的搭建多憑經驗，無據可循，相關標準規(guī)范尚不完善。大型干燥窯流場試驗研究每次只能針對一種結構，且耗費人力物力財力。而運用計算流體動力學（CFD）研究干燥窯內部流場準確度高達90%[12-14]，與試驗結果十分接近，且省時省力，是有效模擬窯內流場的方法。對于干燥窯內的流場，部分研究將幾何模型簡化，通過簡單分層并在層間取監(jiān)測點的方法，研究等溫等濕條件下窯內的速度均勻性[15-16]。Zadin等[17]將木材堆簡化成一整個多孔介質區(qū)，利用多物理場耦合的方法研究干燥窯內的熱濕傳遞。然而，試塊之間存在間隙分流會改變流場，與簡化的模型存在差異，氣道的進出口也不能精確等同于各個試塊周圍的流場。本研究考慮了試塊間隙，將木材堆的幾何模型細化，提高了模擬結果的準確性。本文合理優(yōu)化了海運大型干燥窯的實際模型，利用CFD方法研究不同送風速度下窯體內的流場，發(fā)現(xiàn)雙側通風干燥窯的內部流場均勻性良好，適用于木材干燥，但仍存在小部分區(qū)域風速偏低的問題。鑒于此，通過改變木材堆到干燥窯體墻壁的距離，探究氣道寬度對流場的影響，對海運干燥窯作初步研究，以期為新興發(fā)展的海運干燥設備設計提供參考，降低我國木材干燥的能源成本。

1 模型與計算方法

1.1 物理模型

本文研究的海運木材干燥窯搭建在大型內河散貨船上，干燥窯長7.2 m，寬6.6 m，高3.4 m，其結構示意圖如圖1a所示。窯內共放置16 個木材堆，每個木材堆的尺寸為1 m×1 m × 3 m，上下用高為0.18 m的2 個大隔條隔開。木材堆間水平距離為0.15 m，外側木材堆到墻壁距離和干燥窯中間氣道均為0.2 m。每個木材堆的示意圖如圖1b所示，木材試件的尺寸為0.15 m × 0.04 m × 3 m，每個木材堆水平放置6 個試塊，垂直放置13 個試件，垂直方向用小隔條隔開。

圖1 干燥窯的幾何模型Fig.1 Geometric model of drying kiln

為了保證流場均勻性，同時避免靠近換熱器的木材溫度過高，本研究采用雙側送風的方法。在干燥窯兩端的地面上安裝風機組，干燥介質經過換熱器時吸收熱量轉變?yōu)闊犸L，兩股氣流在干燥窯中間匯聚并向上流動，之后在墻體的作用下通過水平和垂直運動形成兩個循環(huán)。在循環(huán)過程中不斷往材堆間隙分流并將熱量傳遞給木材塊并帶走試塊表面水分。

1.2 研究方法

本研究將干燥窯內流場視為穩(wěn)態(tài)，通過在試塊間隙中布置測點（圖1b中圓點為測點位置），更加全面精確地獲取各試塊表面的參數。由于幾何模型的對稱性，設置對稱面以減少計算量。將各個木材堆分別標號1～8（圖1a），以便對比不同木材堆的干燥參數。設置工況1 和2，其對應進口風速分別為8 m/s和12 m/s，研究送風速度對窯內流場的影響，分析雙向側風干燥窯是否滿足干燥要求。在此基礎上設置工況3～6，分別增大材堆到墻壁的距離0.1、0.3、0.5 m和0.7 m，研究氣道寬度對窯內風速場的影響，擇優(yōu)選擇流場更適合木材干燥的窯體結構。

1.3 數值仿真

1.3.1 數學模型

模擬的控制方程包括連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分輸運方程和湍流方程。湍流模型采用標準k-ε模型。

各個監(jiān)測點平均風速的大小代表氣流強度大小，平均速度越大，越有利于干燥。因此平均速度可用于評價干燥窯內的氣流強度，其表達式如下：

為對比不同木材堆的干燥參數，通過變異系數來研究流場的均勻性。變異系數的表達式如下：

式中：CV為變異系數，為速度標準差，m/s。

1.3.2 邊界條件與參數設置

如圖2 所示，對模型作對稱處理，圖中兩個陰影面為對稱面設置為symmetry，其余外壁設置為wall。根據現(xiàn)場測量的實際情況，外壁傳熱系數為0.335 W/(K·m2)，墻外側溫度為20 ℃，壁面水的質量分數為7.7%。進氣口設置為inlet-velocity；換熱器幾何形狀作簡化處理，設置為wall；表面?zhèn)鳠嵯禂翟O置為200 W/(K·m2)，換熱器內進出口熱水溫度分別為70 ℃和90 ℃，設置內部溫度為80 ℃。木材溫度為60 ℃，設置木材試塊表面?zhèn)鳠嵯禂禐?.8 W/(K·m2)，內部溫度為60 ℃；木材表面水的質量分數根據相對濕度換算設置為12.5%。模擬采用雙精度求解器，利用SIMPLE算法計算速度-壓力耦合。設置各方程殘差小于10-6時視為計算收斂。

圖2 干燥窯的邊界條件Fig.2 Boundary conditions of drying kiln

2 網格無關性驗證和模型驗證

為了使計算結果更加準確且高效，對試塊間隙、換熱器表面的網格適當加密。本研究分別采用239 萬、607 萬和841 萬網格數進行數值模擬，在干燥窯頂部選取沿x軸直線進行無關性驗證速度分布，如圖2 所示。從圖中可以得出利用607 萬網格進行計算即可在保證結果準確的前提下節(jié)省計算資源。

圖3 網格無關性驗證Fig.3 The verification of grid independence

已有研究通過在木材間隙內設置測點研究干燥窯內的速度場，采用相同的計算模型對試驗進行模擬[10]，結果如圖4 所示。模擬的結果和試驗[10]在風速變化趨勢上保持一致，測點吻合度高。模型較為準確，可以用于模擬分析干燥窯內的流場。

圖4 模型驗證Fig.4 The verification of model

3 結果與分析

3.1 干燥窯內風速場分析

本研究的干燥窯在寬度方向上（z軸方向）高度對稱，且已有研究表明干燥窯干燥缺陷差異主要出現(xiàn)在高度和長度方向上，寬度方向上相差不大[18]。為了更加明確地展示窯內流場，在干燥窯中心位置截取一個xy平面進行分析。圖5a和圖5b分別是在z=1.7 m處截取的進口速度為8 m/s和12 m/s的風速云圖。從圖5a可以看出，雙向側面通風型干燥窯中間層和循環(huán)末端風速偏低。在風機作用下，空氣流動至窯體中心，兩股氣流在此碰撞匯聚后急劇向上運動，并在向上運動的過程中通過試塊間隙向各層試塊分流。但由于氣道較小，湍流速度較快，氣流快速上升導致中間層的4～6 號材堆速度偏低，此現(xiàn)象在本文3.3 節(jié)中通過幾何優(yōu)化得到改善。在空氣流動過程中氣流速度不斷損耗，1號材堆處于循環(huán)末端，因此此處也會出現(xiàn)風速偏低的情況。如圖5b所示，當送風速度增大至12 m/s時，窯內整體風速上升。雖然部分區(qū)域的風速仍然偏低，但其偏離程度已明顯降低，各處風速大小更加接近。增大流速可以加速木材的干燥進程，增加流場的均勻性，更有利于木材干燥。

圖5 不同送風速度下z=1.7 m截面的風速云圖Fig.5 Velocity contour at z=1.7 m under diあerent air supply velocity

從圖5風速云圖中可以看出，材堆間隙的風速大于試塊間隙的風速，這是由于試塊會阻礙空氣的流動，在進出風口測得的風速并不能準確代表試塊表面的速度。為了更準確地直接比較兩種工況的風速差異，本研究在各個試塊間隙設置測點，將各個材堆的風速繪制成箱型圖（如圖6）。干燥窯內風速過低會降低干燥效率，風速過快則會造成能量利用率低，增加能耗，且容易造成干燥缺陷。研究表明，干燥窯內材堆間的氣流速度為1～3 m/s時更有利于干燥[9,19]。送風速度為8 m/s時（工況1），1、4、5、6號材堆試塊間會出現(xiàn)大量風速低于1 m/s的測點，部分材堆可能會出現(xiàn)干燥速度太慢導致干燥效率低下[20-21]。當送風風速為12 m/s時（工況2），各個材堆相對于工況1風速都有所提高，且基本所有材堆風速均在1～3 m/s這個理想區(qū)間。雖然極少數測點風速過高，但這是大型干燥窯進口風速太大造成的，難以避免?？傮w而言，當風速為12 m/s時，窯體內流場改善較為明顯，因此采用雙向側風的方式也能使流場的均勻性達到要求。

圖6 不同送風速度下各個木材堆風速分布圖Fig.6 Wind velocity distribution diagram of each wood pile under diあerent air supply velocity

為直觀對比兩種工況的流場，對各個材堆的風速平均值、標準差和變異系數進行計算并分析，結果如表1 所示。增大送風速度后，材堆風速平均值由1.13 m/s增至1.70 m/s，雖然風速標準差有小幅提升，但這是由于整體風速增加所致。而變異系數在送風速度增大后反而變小。送風速度為12 m/s時，窯體內風速達到了理想區(qū)間且均勻性小幅提升。

表1 工況1 ～2 風速分布情況Tab.1 Wind velocity distribution under working conditions 1～2

3.2 干燥窯內熱濕環(huán)境分析

溫度和含水率梯度是木材干燥的重要環(huán)境參數。一般而言，溫度越高，環(huán)境濕度越低，干燥速率越快[22]。圖7 是送風速度為8 m/s和12 m/s時z=1.7 m的xy截面的溫度云圖。從圖7a可以看出，中間的2、5、7 號材堆溫度較高，而兩邊的材堆溫度稍低，5、7 號材堆的部分位置溫度明顯高于其他位置，這是因為這部分材堆距離換熱器較近。熱空氣在擴散的過程中熱量漸漸被木材試塊吸收消耗，因此右側的三個材堆溫度稍低。而受到強迫對流的影響，熱氣流往窯體中心流動，導致左側的4 號材堆受熱較少，溫度較低。從圖7b可以看出，提高送風速度后，5、7 號材堆的高溫區(qū)域溫度下降，說明提高風速可以將熱量傳遞到更遠的位置，有利于溫度場更加均勻。

圖7 不同送風速度下z=1.7 m截面的溫度云圖Fig.7 Temperature contour at z=1.7 m under diあerent air supply velocity

圖8 是送風速度為8 m/s和12 m/s時z=1.7 m的xy截面水的質量分數云圖。對比圖8a和圖5a的速度云圖可以發(fā)現(xiàn)，風速較低的位置（1、4、5 號材堆）水的質量分數較大，這是因為低風速氣流帶走水分的能力較低。2、3 號材堆也出現(xiàn)了部分位置水的質量分數偏高的位置，這是因為水從木材表面擴散，在強迫對流和浮力等綜合影響下向上部移動。這些水分較大位置的試塊內外含水率梯度下降，木材干燥效率降低。從圖8b可以看出，送風速度變大后，干燥窯內高濕度的面積明顯變少，說明提高風速后，氣流能夠更高效地帶走木材試塊表面的水分，有利于加快木材干燥。

圖8 不同送風速度下z=1.7 m截面水的質量分數云圖Fig.8 Water mass fraction contour at z=1.7 m under diあerent air supply velocity

3.3 材堆與墻壁的間距對流場均勻性的影響

干燥窯的幾何形狀會影響窯體內的壓力、阻力等，從而影響流場的均勻性[23-25]。若墻體與材堆的間距太短，會在氣流未到達之前形成發(fā)散氣流，并與正常氣流形成碰撞，甚至形成擾流，氣流速度損耗加大[26]。若墻體與材堆的間距太長，氣流速度會在運動過程中碰撞消耗，阻礙氣流經過轉角進入垂直氣道，造成干燥室內速度偏低。為了進一步優(yōu)化干燥窯的流場均勻性，選取送風速度為12 m/s，工況3～6 時將木材干燥窯材堆到兩側的距離分別加大0.1、0.3、0.5 m和0.7 m，研究干燥窯內的流場變化。

圖9 為各個工況下各個木材堆的平均風速分布圖。由圖可見，隨著木材堆到墻壁的距離增加，整體上各個木材堆的平均風速均有所上升。隨著氣道加寬，中間層的5 號和6 號材堆風速明顯上升；且兩股氣流在中間擠壓后向上運動的摩擦碰撞阻力變小，更順利地流到上方的3 號材堆處，導致3 號材堆風速急劇上升；而1、4 號材堆在循環(huán)的末端，氣流通過任何氣道到達此處消耗都相差不大，因此這兩個材堆的平均速度變化不大。3 號材堆雖然出現(xiàn)風速過高，但由于該位置距離換熱器較遠，從上文分析中也可以看出，此處溫度較低，因此可以平衡高風速帶來的不均勻性。加寬氣道后，可以有效解決中間層材堆風速過低的問題，干燥窯內整體風速上升，有利于提高能源的利用效率，且對均勻性影響較小。

圖9 不同干燥窯結構下各個木材堆的風速平均值Fig.9 Average wind velocity of each wood pile under diあerent drying kiln structure

為直觀分析氣道對流場均勻性的影響，計算了各個工況下木材堆間隙的速度平均值、標準差和變異系數（表2）。從工況3～5 可以看出，風速平均值隨氣道寬度的增加而增大，說明這個區(qū)間內氣道越寬，干燥效率越高。從變異系數看，工況5 的變異系數比工況4 的小，這表明工況5 的流場均勻性會更好。相比于工況3，雖然工況5 變異系數略微升高，但是風速大幅度變大，且工況5 的變異系數增大的主要原因是3 號材堆風速過高，但該位置溫度較低，因此這兩種工況的變異系數變化可以大致抵消。工況5 和工況6 這兩組的各個數值基本維持不變，說明加寬一定距離后，氣道寬度已經可以有效避免擾流的產生，滿足氣體的正常流動，因此沒有再加寬氣道的必要。

表2 工況3～6 風速分布情況Tab.2 Velocity distribution of wind under working conditions 3～6

4 結論

由于海運干燥窯的搭建方式受限，因此本文提出的雙向側面通風干燥窯便于安裝和移動，同時可以避免局部溫度過高。通過對干燥窯內流場模擬驗證，得出以下結論：

1）干燥窯循環(huán)末端和中間段的材堆風速偏低，可以適當加寬這些位置的木材塊間隙，這也可以為不同含水率木材的碼垛和干燥時長的確定提供參考。

2）對比不同送風速度下窯體內的流場情況發(fā)現(xiàn)，當風機風速增加時，各個材堆的風速更為接近，溫度場和濕度場也更加均勻。當風機風速為12 m/s時，各個材堆的風速處于干燥理想區(qū)間內，解決了側風型干燥窯流場均勻度差的問題。

3）通過改善干燥窯結構，發(fā)現(xiàn)加寬氣道可以解決中間層材堆風速過低的問題。木材堆整體風速隨氣道寬度的增加而變大，但這種影響存在拐點，本研究中加寬0.5 m時為最佳工況，此時木材的流場均勻性和干燥速度最為理想。