基于FLUENT 的工業(yè)洗滌設備用烘干機流場仿真分析

張紀磊，伊廷剛，鄔士新，陸亞琳

（1.江蘇海獅機械股份有限公司，江蘇 張家港 215600；2.聯(lián)勤保障部隊供應局，湖北 武漢 430000）

0 引言

烘干機內(nèi)部壓力場、速度場和溫度場是影響烘干效率和烘干能耗的重要因素[1]，成為當前的研究熱點。于洋[2]采用FLUENT 軟件和正交實驗結合的方法，對烘干機內(nèi)部氣流場進行模擬分析，得出最佳參數(shù)組合；魏新龍[3]基于氣固傳熱理論，建立烘干裝置內(nèi)部熱流固耦合模型，并利用Fluent 進行二維和三維仿真分析，獲得烘干裝置內(nèi)部氣體溫度場的分布情況及變化規(guī)律；沈劍英[4]采用計算流體動力學軟件FLUENT 對食品烘干機進行仿真設計，優(yōu)化了干燥室的結構參數(shù)，使干燥室的溫度場更均勻，從而減少了能源的消耗，實現(xiàn)節(jié)能。開展烘干機內(nèi)部結構設計和內(nèi)部壓力場、速度場和溫度場變化對烘干效率影響研究。在烘干機外箱內(nèi)側進風口處設有擋風板，擋風板上設有向內(nèi)筒端面開口處內(nèi)折彎的導流部，采用FLUENT 軟件對烘干機流場進行數(shù)值求解，通過分析烘干機內(nèi)部壓力場、速度場和溫度場，判斷烘干機結構設計的正確性并研究不同進口速度和進口溫度的影響規(guī)律。

1 仿真模型建立

1.1 仿真試驗模型

烘干機在進風口處設有擋風板，擋風板上設有向內(nèi)筒端面開口處內(nèi)折彎的導流部，使氣體通過風機，讓烘干機內(nèi)部可以受熱均勻，并且可以循環(huán)受熱。圖1 為使用Solidworks 設計的烘干機三維模型。將設計好的模型導入到ICEM CFD 中進行網(wǎng)格的劃分[5]。圖2 為烘干機網(wǎng)格劃分模型。

圖1 烘干機三維模型

圖2 烘干機網(wǎng)格劃分模型

1.2 基于FLUENT 求解

將劃分好的網(wǎng)格導入FLUENT 軟件，在求解器上選擇三位雙精度，首先對導入的模型進行網(wǎng)格檢查，然后選擇壓力求解器和瞬態(tài)時間類型。由于流動介質(zhì)為熱空氣，因此不考慮重力設置。在能量方程選擇方面，選擇湍流標準模型，這樣具有更好的穩(wěn)定性和較高的計算精度[7]。進口條件設置為進氣速度20 m/s，溫度為333 K，其他條件保持默認。求解控制選擇SIMPLE，選擇標準初始化；在Number of Iterations 選項中輸入5000，單擊按鈕進行計算，直至最后完全收斂。

2 結果與討論

2.1 烘干機仿真結果分析

內(nèi)部流場的壓力分布如圖3 所示。從圖3 中可以看出滾筒內(nèi)部的壓力分布均勻，而排風管因為靠近出口所以隨著輸送的時間慢慢變長而壓力逐漸減小。

圖3 壓力云圖

烘干機內(nèi)部壓力矢量圖（圖4）。上部管壁由于靠近進口的原因，壓力較大，而內(nèi)部滾筒的壓力分布則較為均勻，使烘干效率增加，靠近出口的地方壓力小，矢量圖與圖3 的云圖對應一致。

圖4 壓力矢量

壓力隨時間變化曲線（圖5）。烘干機運行1.6 s后壓力漸漸達到穩(wěn)定值，內(nèi)部壓力分布較為均勻，流場壓力隨時間的變化而幾乎不發(fā)生變化，表明內(nèi)部循環(huán)速度快且已達穩(wěn)定，烘干穩(wěn)定工況開始時間短，烘干效率高。

圖5 壓力時間曲線

2.2 不同進口風速對烘干效率的影響

進口風速分別設置為15 m/s，20 m/s 和25 m/s。不同進口風速下烘干機內(nèi)部流場的速度云圖，如圖6所示。當進口風速為15 m/s 時，中心區(qū)域的回流速度很低，降低了內(nèi)部氣流的循環(huán)，不利于內(nèi)部衣物的烘干。當進口風速為20 m/s 時，回流區(qū)的區(qū)域得到減小，內(nèi)部氣流的速度也有了一定程度提升，內(nèi)部氣流的循環(huán)速度增加，進氣速度的增加使衣物的烘干蒸發(fā)效率也增加。當進口風速為25 m/s 時，內(nèi)部流場的回流區(qū)域也得到了減少，但速度過快，就會導致熱風的利用不充分，增大了能量的損耗。因此綜合考慮，進口風速為20 m/s 的效率更高且能量損失更小。

圖6 不同進口風速下烘干機內(nèi)部流場的速度云圖

2.3 不同進口溫度對烘干效率的影響

進口溫度分別設置為323 K，333 K 和343 K，其中入口風速均為20 m/s。圖7 顯示了三種不同進口溫度下烘干機內(nèi)部流場的溫度云圖。當進口溫度為323 K 時，內(nèi)部流場的溫度存在幾個明顯的回流區(qū)域，導致烘干機的效率下降以及能量損失的增加。當進口溫度為333 K 時，烘干機內(nèi)部溫度場分布均勻，這表明烘干機內(nèi)部的流場循環(huán)速度快，可以以更快的速度進行內(nèi)部熱風流場循環(huán)，節(jié)約烘干時間，烘干效率得到提升并且降低能耗損失。當設置進口溫度為343 K時，內(nèi)部流場的溫度分布不均勻，內(nèi)部熱量無法充分發(fā)生交換，增大了能耗。綜合考慮，設置進口速度為20 m/s，進口溫度為333 K 時，效率高且能耗最小。

圖7 不同進口溫度下烘干機內(nèi)部流場的溫度云圖

3 結論

建立了烘干機數(shù)值仿真計算模型，研究了不同進口速度和進口溫度的影響規(guī)律，結論如下：

（1）烘干機運行1.6 s 后，內(nèi)部壓力分布均勻為1100 Pa，烘干機內(nèi)部流場壓力分布均勻、合理。

（2）進口風速為20 m/s 時，內(nèi)部流場回流區(qū)域小，內(nèi)部蒸汽流速快，流場分布均勻，風干效率高。

（3）進口溫度設置為333 K 時內(nèi)部流場的溫度變化均勻，內(nèi)部換熱氣流循環(huán)速度快，烘干蒸發(fā)效率高，能量損耗小。