角狀盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)值模擬及試驗(yàn)分析

黃 超，張曉波，甘華勝，江 慶，2

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，合肥 230036；2.安徽省智能農(nóng)機(jī)裝備工程實(shí)驗(yàn)室，合肥 230036）

0 引言

糧食干燥是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，與干燥過(guò)程參數(shù)、能量大小、熱交換和設(shè)備能力等參數(shù)息息相關(guān)，而糧食干燥最重要的部分是干燥機(jī)的烘干段［1］。干燥機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致氣流分布不均和存在干燥死角，影響糧食干燥后的品質(zhì)，因此諸多學(xué)者投入到研究中［2-3］。

此外，張開(kāi)興等［4］對(duì)茶葉復(fù)干機(jī)的關(guān)鍵部件重新設(shè)計(jì)，并通過(guò)CFD-DEM耦合仿真驗(yàn)證其復(fù)干效果。YUAN等采用CFD技術(shù)，通過(guò)對(duì)熱泵或干燥機(jī)的滾筒或干燥箱的風(fēng)管等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，改善內(nèi)部的流場(chǎng)分布不均、干燥效率低下、糧食破碎率高等情況［5-6］。YU等［7］研究含水率、干燥均勻度和外觀平滑度等參數(shù)對(duì)通風(fēng)式滾筒干燥機(jī)干燥性能的影響，并通過(guò)調(diào)整無(wú)量綱參數(shù)來(lái)優(yōu)化其干燥性能。BENHAMZA等［8］對(duì)干燥機(jī)的多個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)響應(yīng)面分析來(lái)確定最優(yōu)參數(shù)，得到更高的干燥效率。胡軍等［9］基于CFD技術(shù)，設(shè)計(jì)一種錐形陶瓷磨盤豆?jié){機(jī)，能夠使?jié){料研磨更均勻，提升研磨效率。劉文婧等［10］基于ANSYS對(duì)烘干機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以熱風(fēng)入口截面尺寸、流量和烘焙介質(zhì)厚度為設(shè)計(jì)變量，提高葵花籽烘干機(jī)的烘焙均勻度。

學(xué)者對(duì)干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和數(shù)值分析取得巨大成績(jī)，但是對(duì)混流式干燥機(jī)烘干段內(nèi)流場(chǎng)分布不均，導(dǎo)致糧食干燥后品質(zhì)較差研究較少。所以，本文采用CFD技術(shù)通過(guò)對(duì)角狀盒的橫截面尺寸優(yōu)化和擋風(fēng)板開(kāi)孔設(shè)計(jì)，改善烘干段流場(chǎng)分布不均勻和避免干燥死角，提升糧食干燥后品質(zhì)，為混流式干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 烘干段模型的建立與數(shù)值模擬

1.1 干燥段模型的建立

將12 t混流式谷物干燥機(jī)的烘干段在SolidWorks中創(chuàng)建三維模型［11-12］，外形尺寸大小為1 000 mm×1 000 mm×500 mm（長(zhǎng)×寬×高），共設(shè)置12個(gè)進(jìn)風(fēng)口，10個(gè)出風(fēng)口，如圖1所示。

圖1 烘干段三維結(jié)構(gòu)圖Fig.1 3D structure diagram of drying section

1.2 數(shù)值模擬分析

1.2.1 控制方程

根據(jù)流體力學(xué)的理論知識(shí)，假設(shè)流體是不可壓縮氣體，氣體黏性系數(shù)為常數(shù)，且忽略重力加速度的影響，在對(duì)干燥機(jī)的干燥段進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，主要控制方程是連續(xù)方程和能量方程。

連續(xù)方程：

式中 ρ——混合物的密度，kg/m3；

u——混合物的平均速度，m/s。

能量方程：

湍流模型標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程包括湍流能量耗散方程式（3）和耗散率方程式（4）［13］。

式中 k——湍流動(dòng)能，kg·m2/s2；

ε——湍流動(dòng)能的黏性耗散，m2/s2；

μ——流體動(dòng)力黏度，N·s/m2；

Γk=μ+μ/σk，σk=1.0；

Γε=μ+μ/σε，σε=1.3。

1.2.2 CFD模型建立與網(wǎng)格劃分

考慮仿真時(shí)模擬量計(jì)算的限制，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，選取中間上下2排各4個(gè)進(jìn)風(fēng)口，3個(gè)出風(fēng)口。為了便于對(duì)之后的干燥段結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，確定模型的尺寸為1 000 mm×500 mm×800 mm，在SolidWorks中建立干燥機(jī)烘干段三維模型；然后將其導(dǎo)入到ANSYS中，進(jìn)行CFD模型構(gòu)建［14］；最后對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

1.2.3 邊界條件與參數(shù)設(shè)置

由于干燥機(jī)的烘干段內(nèi)流場(chǎng)分布非常復(fù)雜，在選擇Fluent中的湍流模型時(shí)，采用Realizable k-ε模型來(lái)對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算分析。邊界條件的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 邊界條件的參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameter settings of boundary conditions

1.2.4 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

為了更好描述烘干段內(nèi)部的壓力、溫度和風(fēng)速分布情況，引入3個(gè)參數(shù)的不均勻系數(shù)分別是RP，RT，RV，計(jì)算見(jiàn)式（5）～（7），對(duì)烘干段內(nèi)角狀盒底部平面的壓力、溫度和風(fēng)速的均勻性進(jìn)行定量分析。值越小，表明烘干室內(nèi)氣流的均勻性分布越好。

式中 σp，σt，σv——分別是角狀盒底部平面全部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力、溫度和風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差；

p，T，V——分別是全部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力、溫度和風(fēng)速的平均值；

pi，Ti，vi——分別是第i個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力、溫度和風(fēng)速的值；

n——每個(gè)角狀盒底部平面監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

烘干段內(nèi)角狀盒監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示。

圖2 烘干段內(nèi)角狀盒監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布Fig.2 Distribution of monitoring points in the inner corner box in the drying section

1.3 方案設(shè)計(jì)

1.3.1 角狀盒截面尺寸設(shè)計(jì)

為解決氣流在烘干段分布不均勻的問(wèn)題，對(duì)烘干段角狀盒截面結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)尋找到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)降低氣流在烘干段的分布不均。不同角狀盒截面尺寸方案設(shè)計(jì)如圖3所示。采用最小二分算法或者遍歷每一個(gè)計(jì)劃方案，進(jìn)一步尋找最優(yōu)的設(shè)計(jì)尺寸。

圖3 角狀盒截面尺寸Fig.3 Sectional dimensions of the corner box

在固定體積和流量的情況下，流速與橫截面成反比，如下式：

以圖3（b）為參考，設(shè)置風(fēng)速為2 m/s，可以得到（a）和（c）角狀盒的風(fēng)速分別為2.51，1.66 m/s。風(fēng)溫都設(shè)置為75 ℃，壁厚為2 mm，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1.3.2 角狀盒擋風(fēng)板開(kāi)孔設(shè)計(jì)

為解決角狀盒附近氣流的不均，對(duì)其擋風(fēng)板進(jìn)行開(kāi)孔設(shè)計(jì)，使熱風(fēng)進(jìn)入角狀盒后，能通過(guò)擋風(fēng)板上面的小孔流向兩邊并沿著角狀盒的邊向上流動(dòng)。

考慮擋風(fēng)板尺寸的大小，對(duì)角狀盒開(kāi)孔尺寸主要設(shè)計(jì)2個(gè)方面：一個(gè)是開(kāi)孔個(gè)數(shù)，設(shè)計(jì)6，8，10共3種方案；另一個(gè)是開(kāi)孔的尺寸，設(shè)計(jì)3種方案，分別是50 mm×10 mm，80 mm×10 mm，100 mm×10 mm。通過(guò)對(duì)比分析得出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸。

2 結(jié)果與分析

2.1 橫截面尺寸優(yōu)化結(jié)果分析

通過(guò)Fluent軟件對(duì)3個(gè)方案分別進(jìn)行仿真分析，得到的結(jié)果如表2所示。

表2 不均勻度系數(shù)Tab.2 Uniformity coefficient %

風(fēng)速和溫度不均勻系數(shù)隨著角狀盒橫截面擋風(fēng)板尺寸的增加先增大后減小，而壓力不均勻系數(shù)隨著擋風(fēng)板尺寸的增加先減小后增大?？紤]到制造成本和角狀盒橫截面擋風(fēng)板的尺寸等影響因素，最優(yōu)的溫度和風(fēng)速不均勻系數(shù)在方案（a）和（b）之間，最優(yōu)的壓力不均勻系數(shù)在方案（b）附近，所以，可以得出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸在方案（a）和（b）之間。由于在方案（a）和（b）之間的結(jié)構(gòu)優(yōu)化尺寸范圍不大，采用枚舉法尋找最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸。

角狀盒橫截面擋風(fēng)板尺寸在方案（a）和（b）之間，高度為39～49 mm，共11個(gè)整數(shù)尺寸，從小到大對(duì)應(yīng)11個(gè)方案。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)方案建立不同的CFD模型，將得到的模型導(dǎo)入到Fluent軟件中進(jìn)行仿真計(jì)算，得到的結(jié)果如圖4所示。去除最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，壓力不均勻系數(shù)隨著角狀盒橫截面擋風(fēng)板尺寸的增加在2.5～4.0波動(dòng)，對(duì)干燥效果影響不大。除了在尺寸方案2，6，7，10處出現(xiàn)小的波動(dòng)外，溫度不均勻系數(shù)隨著擋風(fēng)板尺寸的增加呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，最優(yōu)的是方案2，其溫度不均勻系數(shù)是6.87%。除了在尺寸方案2，8，9處出現(xiàn)微小的波動(dòng)外，風(fēng)速不均勻系數(shù)隨著擋風(fēng)板尺寸的增加呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，其增長(zhǎng)幅度要明顯比溫度不均勻系數(shù)快，最優(yōu)的是尺寸方案2，其風(fēng)速不均勻系數(shù)是50.9%。綜上所述，角狀盒橫截面擋風(fēng)板尺寸優(yōu)化最優(yōu)的是尺寸方案2，其壓力不均勻系數(shù)是3.9%，溫度不均勻系數(shù)是6.87%，風(fēng)速不均勻系數(shù)是50.9%。

圖4 不同尺寸方案對(duì)應(yīng)的不均勻系數(shù)Fig.4 The coefficient of uniformity corresponding to different design schemes

2.2 角狀盒開(kāi)孔結(jié)果分析

在角狀盒擋風(fēng)板上進(jìn)行開(kāi)孔設(shè)計(jì)，主要包括開(kāi)孔的個(gè)數(shù)和尺寸2個(gè)方面，每個(gè)因素包括3個(gè)方面，總共有9種設(shè)計(jì)方案，如表3所示。由于角狀盒擋風(fēng)板的長(zhǎng)度是1 000 mm，而開(kāi)孔方案9孔的總長(zhǎng)＞擋風(fēng)板的長(zhǎng)度，所以開(kāi)孔方案9設(shè)計(jì)不合理，即共有8個(gè)開(kāi)孔方案。

表3 開(kāi)孔設(shè)計(jì)方案Tab.3 Opening design scheme

對(duì)8種開(kāi)孔方案進(jìn)行建模并導(dǎo)入到Fluent軟件中進(jìn)行流體仿真分析，得到的結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同開(kāi)孔方案對(duì)應(yīng)的不均勻系數(shù)Fig.5 The coefficient of uniformity corresponding to different design schemes

壓力不均勻系數(shù)在開(kāi)孔尺寸一定時(shí)，隨著開(kāi)孔個(gè)數(shù)的增加而增大。溫度不均勻系數(shù)在開(kāi)孔尺寸一定時(shí)，隨著開(kāi)孔個(gè)數(shù)的增加呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。風(fēng)速不均勻系數(shù)在開(kāi)孔尺寸一定時(shí)，隨著開(kāi)孔個(gè)數(shù)的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。干燥機(jī)進(jìn)行糧食烘干時(shí)，風(fēng)速對(duì)烘干段糧食干燥效果的影響最大，其次是溫度，最后是壓力。綜上所述，開(kāi)孔方案8的效果最好，其壓力不均勻系數(shù)是3.78%，溫度不均勻系數(shù)是8.18%，風(fēng)速不均勻系數(shù)是47.47%。

2.3 原模型與最終優(yōu)化模型對(duì)比

干燥機(jī)烘干段內(nèi)角狀盒優(yōu)化設(shè)計(jì)后的最終結(jié)構(gòu)如圖6所示。角狀盒擋風(fēng)板的高度為40 mm，在擋風(fēng)板上開(kāi)10個(gè)孔，每個(gè)孔的尺寸大小為80 mm×10 mm。

圖6 角狀盒優(yōu)化后結(jié)構(gòu)Fig.6 The optimized structure of the corner box

糧食在烘干時(shí)，主要是通過(guò)熱風(fēng)在烘干段內(nèi)循環(huán)來(lái)提高糧食的溫度和帶走糧食的水分，所以，風(fēng)速在烘干段內(nèi)分布是否均勻?qū)Z食干燥效果和干燥后的品質(zhì)影響最大。對(duì)烘干段角狀盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的速度云圖進(jìn)行對(duì)比，取角狀盒底部的2個(gè)平面，新模型取Y546，Y286，原模型取Y543，Y289，如圖7所示。由于新模型在角狀盒擋風(fēng)板進(jìn)行了開(kāi)孔設(shè)計(jì)，所以在兩邊擋風(fēng)板處可以進(jìn)出風(fēng)，明顯降低角狀盒周圍速度的不均勻性，使周圍的風(fēng)速提升且更加均勻。從圖7（a）和圖7（b）的圈內(nèi)可以看出，新模型的風(fēng)速明顯要比原模型的風(fēng)速更加均勻，從而緩解烘干段內(nèi)風(fēng)速不均的現(xiàn)象。從圖7（c）和圖7（d）可以看出，新模型的風(fēng)速在烘干段內(nèi)要比原模型分布更加均勻且比原模型的風(fēng)速更大，在平面的最上方和最底下邊緣，新模型的風(fēng)速的均勻性比原模型更好。

圖7 新模型與原模型的速度云圖Fig.7 Velocity cloud maps of the new model and the original model

圖8所示是烘干段橫截面Z=0的新模型與原模型的速度云圖。

圖8 新模型與原模型Z=0平面的速度云圖Fig.8 Velocity cloud maps of the new model and the original model on Z=0 plane

在圖中的小圈中可以看出，新模型角狀盒周圍的風(fēng)速比原模型更加均勻，這是因?yàn)樵趽躏L(fēng)板上開(kāi)孔，使得熱風(fēng)在通過(guò)角狀盒進(jìn)入烘干段時(shí)，通過(guò)擋風(fēng)板上的孔向四周散去，使角狀盒四周的干燥死角得到緩解。在圖中的大圈中，原模型角狀盒的側(cè)邊出現(xiàn)大面積的干燥死角，這是因?yàn)闊犸L(fēng)通過(guò)角狀盒進(jìn)入烘干段時(shí)，除了大部分熱風(fēng)向下流動(dòng)，還有小部分的熱風(fēng)會(huì)通過(guò)擋風(fēng)板向兩邊流動(dòng)和向上流動(dòng)；在新模型中，由于在擋風(fēng)板上開(kāi)孔，使得熱風(fēng)通過(guò)擋風(fēng)板上的孔向兩邊和上面流動(dòng)，使得角狀盒四周的風(fēng)速增加，降低周圍的風(fēng)速不均勻性。

2.4 試驗(yàn)分析

搭建簡(jiǎn)易試驗(yàn)臺(tái)架如圖9所示，采用Hot-Film Anemometer AR866A風(fēng)速傳感器進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量。

圖9 烘干段試驗(yàn)臺(tái)架Fig.9 Drying section test bench

為驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性，選取圖中上方中間2個(gè)和下方中間3個(gè)角狀盒，保證與模型中的位置和個(gè)數(shù)相同。在相同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)如表4所示。根據(jù)公式（7）可以計(jì)算出試驗(yàn)得到的風(fēng)速不均勻系數(shù)為53.39%，仿真得到的不均勻性系數(shù)為51.58%。仿真與試驗(yàn)得到的不均勻系數(shù)不同，是因?yàn)樵跍y(cè)試時(shí)，結(jié)構(gòu)密封性不好，導(dǎo)致熱風(fēng)通過(guò)角狀盒進(jìn)入烘干段內(nèi)時(shí)，從縫隙流出，風(fēng)速不斷減小，造成風(fēng)速在烘干段內(nèi)分布更加不均勻。

表4 在不同角狀盒相同測(cè)點(diǎn)的模擬值與試驗(yàn)值Tab.4 Simulation and test values of the same measurement points in different corner boxes

由表中數(shù)據(jù)可以看出，一方面每組的模擬值與試驗(yàn)值非常接近，差距都小于0.1，可以忽略不計(jì)，表明模擬值的準(zhǔn)確性；另一方面，由于模擬值與試驗(yàn)平均值的差值最大為0.03，且最大誤差都小于5%，證明模型的設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)糧食干燥機(jī)烘干段模型進(jìn)行Fluent流體仿真數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)角狀盒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，改善烘干段內(nèi)壓力、溫度和風(fēng)速的不均勻現(xiàn)象。

（1）對(duì)干燥機(jī)烘干段影響主要是風(fēng)速，其次是溫度，最后是壓力。原模型的壓力、溫度和風(fēng)速不均勻系數(shù)分別是3.08%，7.37%，51.58%，通過(guò)對(duì)烘干段角狀盒擋風(fēng)板進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化，并通過(guò)枚舉法確定方案后進(jìn)行仿真分析，得到新模型的結(jié)構(gòu)尺寸是擋風(fēng)板高度40 mm。通過(guò)對(duì)角狀盒擋風(fēng)板的高度進(jìn)行優(yōu)化，得到新模型的壓力、溫度和風(fēng)速不均勻系數(shù)分別是3.9%，6.87%，50.9%。

（2）在對(duì)擋風(fēng)板高度進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，通過(guò)在擋風(fēng)板上進(jìn)行開(kāi)孔設(shè)計(jì)，以避免角狀盒周圍存在干燥死角的情況。通過(guò)數(shù)值模擬分析，得到的最優(yōu)模型的開(kāi)孔方案是在每邊的擋風(fēng)板上開(kāi)10 個(gè)孔，每個(gè)孔的尺寸大小是80 mm×10 mm。得到的新模型的壓力、溫度和風(fēng)速不均勻系數(shù)分別是3.78%，8.18%，47.47%。

（3）通過(guò)新模型與原模型在Z=0平面的風(fēng)速云圖對(duì)比，可以看出優(yōu)化后得到的新模型明顯要比原模型的流場(chǎng)分布更加均勻，干燥效果更好，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性，可以為類似的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。