多层带式干燥机风速场的C FD 模拟及检验

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摘要: 多层带式干燥机箱内风速分布不均匀是导致干燥效率低、干燥不均匀的主要原因。对多层带式干燥机风速场进行了实验研究, 建立了多层带式干燥机箱的C FD 理论模型, 对其风速场进行了数值模拟, 并与实验测试结果进行对比, 认为用C FD 方法模拟多层带式干燥机箱内风速场是可行的。
    关键词: 多层带式干燥机; 风速场; C FD ; 检验

引言
    多层带式干燥机是一种用途广泛、适应性很强的连续自动干燥机, 具有占地面积小、干燥效率高等优点, 广泛应用于各种行业的片类、颗粒类、条类、块类、梗类、渣糟类等物料的干燥加工。然而多层带式干燥机普遍存在烘箱内风速分布不均匀的问题, 这既降低了干燥效率, 又影响干燥物的品质。产生这种现象的原因主要是干燥室结构不合理及物料堆放不均匀, 影响了气流在干燥室内的分布。此外, 尽管有些干燥机的设计是穿流型式, 但由于结构设计不合理, 或被干燥物料特性不适合, 并不一定能达到穿流干燥的效果[1]。
    如果想在干燥机工作状态下全面而准确地获得干燥机箱内速度分布数据是非常困难的, 因为必须在干燥机内各个位置和方向设置传感器。而计算流体力学( CFD ) 这一有效而经济的研究方法能解决这个问题。计算流体动力学( CFD ) 是利用计算机上的数值求解描述流体运动、传热和传质的三传偏微分方程组, 以便对上述现象进行过程模拟。CFD可以用来进行流体动力学的基础研究、复杂流动结构的工程设计、了解在燃烧过程中的化学反应、分析试验结果等[2]。运用CFD 技术, 求解空气在烘箱中流动的数学模型, 并对此运动进行过程模拟, 便可方便地得知烘箱中热风风速分布。
    本文应用CFD 模拟以及模拟试验, 对多层带式干燥机箱内风速场进行研究, 深入了解干燥机箱内流体动力状况, 分析其特点并给出解释。
1 多层带式干燥机风速场的实验测量
1.1 实验设备
    本实验的设备是多层带式干燥机, 结构如图1。干燥机总体长9.18m , 宽2.25m , 高5.03m , 干燥机箱体长8.1m , 宽2.25m , 高3m , 不锈钢表面, 内部为钢结构, 传送带为8 目钢丝网。箱内有6 层传送带, 每层传送带长8m , 宽2.15m 。传送带与干燥机箱内壁有0.05m 的间隙。蒸汽通过热交换器产生的干燥空气由风机从底部向上分层吹出, 与物料进行传质传热。物料层厚度为10cm , 干燥空气进口风温为70℃。
   

                               
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1.2 实验物料及测量内容
    实验物料是大蒜( 小蒜头) , 产于山东省青岛。
    大蒜经过去皮- 分瓣- 浸泡- 去膜- 漂洗-切片- 滤干等工艺进入干燥机进行干燥。干燥时间约2 小时。最终产品水分含量为6.5% 。
    用Q D F-2A 型热球式电风速计测试进风风机口及箱内各测量点的风速。
1.3 测量方法
    测量之前先打开干燥机运行10m in 左右, 待干燥机运行稳定、干燥机箱内流场达到稳定状态后进行测量。进风风机口测量点分布见图2[3], 箱内测量点分布见图3。以干燥机底部中心为原点, 干燥机箱长度方向为X 向, 宽度方向为Y 向, 高度方向为Z向, 单位为m 。所测得的风速方向为X 向。
   

                               
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2 数学模型及计算方法
2.1 数学模型及控制方程
2.1.1 模型的简化
    本课题的模拟对象是多层带式干燥机烘箱内热风风速分布问题, 模拟的区域划定为多层带式干燥机的烘箱。烘箱内热空气的速度分布是个三维问题, 所以对烘箱内外结构建立笛卡坐标。忽略传动、固定等部件的阻碍作用。由于考虑的是干燥机在稳定运行时的风速分布, 所以可以近似看成是定常问题。计算空间内热风穿过物料层时采用FLU EN T 里的多孔介质模型计算。
2.1.2 控制方程的确定
    在多层带式干燥机烘箱内风速场的数值计算过程中, 假设烘箱内的湍流流动符合k-ε 湍流模型, 并在近壁处用壁面函数法。在以上假设的基础上, 以下两个方程构成了多层带式干燥机风速场数值计算的控制方程[4]。

   

                               
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2.2 多层带式干燥机的边界条件处理
2.2.1 空气进口、出口
    在数值计算过程中以空气作为流动介质, 需输入空气的密度和粘度来定义空气的性质。空气进口的边界条件为风速,需输入风速大小、方向以及湍流情况。空气出口的边界条件为压力, 需输入压力( 表压) 大小[5]。
    本文用湍动能以及耗散率( k- ε) 来表示湍流情况, 以下是相关参数计算式。
   

                               
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    其中, R eDH 为按水力直径D H 计算得到的雷诺数。对于圆管, 水力直径D H 等于圆管直径, 对于其他几何形状, 按等效水力直径确定。
   

                               
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2.2.2 物料层
    将物料层视为多孔介质, 空气穿过物料层以及在物料层中流动看成是多孔介质内的流动。多孔介质的模拟是通过在流体流动标准运动方程中添加一个运动源项来实现的[7]。此源项由粘性损失项和惯性损失项两部分组成。
   

                               
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3 多层带式干燥机风速场的C FD 模拟
3.1 边界条件的确定及具体参数
    本文中CFD 模拟的边界条件设置及其具体参数见表1。
3.2 计算域的选择
    在多层带式干燥机烘箱内风速场是呈三维变化的, 所以本课题选择整个烘箱为计算域。多层带式干燥机烘箱出口处结构不规整, 在物料层和有挡板的位置则更复杂, 所以本研究对多层带式干燥机烘箱整体采用非结构化网格进行划分,物料层进行了网格加密。
   

                               
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3.3 C FD 模拟过程
    为了使计算结果和现场实验测试结果有较好的可比性, 选取与实际尺寸相同的整体多层带式干燥机作为计算域。计算域采用非结构化网格进行网格生成, 并对物料层进行网格加密, 整个计算域被划分为2386945 个网格, 有600305 个节点。生成的计算域和网格见图4。
   

                               
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    边界条件设置及具体参数见表1。几何模型的计算精度为0.001m 。计算在Intel( R ) Pentium( R ) 4计算机上进行, 计算机的配置为主频3.6G H z, 内存2.00G B 。计算时各项参数的收敛精度为10-4。
    共进行了229 步迭代计算, 计算历时1 小时32分。计算结果见图6。
4 结果与讨论
4.1 风速场的实验测量结果
    实验测量进风风机口风速分布结果如表2 所示, 这将作为以后CFD 数值模拟的边界条件。实验测得干燥机箱内风速分布图见图5。从图5 中可以看出, 各个测量平面内的风速大小沿长度方向( X 方向) 和宽度方向( Y 方向) 都有0.5～1m /s 的波动, 且呈浪涌状变化。除了进风道平面( Z=0.42) 的中间风速比边缘风速高1～4m /s 外, 其它测量平面的边缘风速都比平面中间的风速高1.5～4.5m /s。各风速测量平面的风速平均值和标准差见表3。可以看出, 各测量平面的平均风速变化不大, 都在1.9～2.2m /s 范围之内, 但是标准差都较大,达1.25～1.95。进风道平面的风速沿长度方向, 随着离进风口越来越远, 风速也越来越小。所以可以认为: ① 干燥机箱内各个干燥平面风速分布呈浪涌状, 证实热风主要是从干燥机箱内边缘侧缝进入层面, 而非穿透物料层进入( 参见图5- a,b,c,d,e,f) ;② 除上下两层外, 所有其它层面内的风速分布基本一致, 没有明显的差别( 参见图5- b,c,d,e,f) ; ③ 干燥平面边缘风速明显高于平面中间风速( 参见图5) ; ④ 进风道内, 离进风口越远, 风速越小( 参见图5- g) 。
        

                               
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    与干燥机箱纵截面相比, 进风口面积很小, 进入进风道的气流作射流运动。热风沿干燥机箱长度方向逐渐靠近干燥箱右壁, 风阻逐渐增大, 风速也逐渐减小。热风在进风道内沿长度方向前进的同时, 也向上扩散。由于传送带以及物料堆积床层空隙小、阻力大, 而传送带与干燥箱内壁四周都有0.05m 的缝隙, 所以热风几乎全部都从缝隙向上流动, 穿透物料层的很少, 热风在干燥机箱四周缝隙形成了短路。各物料堆积床层间距为0.3m , 热风从机箱四周缝隙中进入各物料层间, 空间急剧增大,气流在物料层边缘形成剧烈的扰动, 所以干燥机箱内四周边缘形成高风速区域。物料堆积床层表面,四周都有热风向中间扩散, 气流在物料层表面中间碰撞, 从而使物料堆积床层间的风速呈浪涌状分布。出风口面积相对于干燥机箱纵截面同样较小。气流向出风口附近汇集, 形成出风口的主流区域。出风口处的风速较高, 影响最上层的第一通风道的风速分布, 使其风速相对较高, 分布不均。
4.2 风速场的模拟结果
    CFD 模拟的干燥机箱内部流场的分布见图6。图( 6- a) 为纵向剖面速度矢量图, 4 个剖面的y 坐标分别是-0.625、0、0.375 和1.075。剖面y=0 为干燥箱正中纵向剖面, 剖面y=1.075 为干燥箱内物料层边缘纵向剖面, 距干燥箱内壁0.05m , 其速度分布云图分别为图( 6- b) 和图( 6- c) 。图( 6- d)为水平方向剖面速度分布矢量图, 六个剖面的z 坐标分别是0.95、1.35、1.75、2.15、2.55 和2.95。它们分别处于六个物料堆积床层上方0.01m 处, 反映了物料层上表面风速分布情况。图( 6- e) 为最底下物料层上方z=0.95 剖面速度分布云图, 图( 6- f) 为顶端物料层上方z=2.95 剖面速度分布云图。从图中可以看出热风在进风道内作射流运动, 沿着长度方向离进风口越远风速越小( 见图6- b) ; 每个水平剖面边缘风速明显高于中间风速, 从而在干燥机箱内边缘四周形成一个高风速区域( 见图6- d,e,f) ;各水平剖面内风速分布呈区域性变化, 且z=2.95 剖面风速比其它水平剖面的风速高。
4.3 风速场的模拟结果与实验结果的比较
    图7 为干燥机箱内风速分布的模拟结果与实验结果的比较。从图中可以看出CFD 数值模拟的干燥机箱内速度值变化趋势与实际测量结果保持一致。各个测量平面中, 物料层边缘风速的CFD 模拟值与实验测量值的差异较大, 这可能与气流在物料层边缘形成剧烈的扰动有关。经计算, CFD 模拟值与实验值之间的差异为0.00 到3.46m /s 之间, 两组数据的标准偏差为1.557, 80% 以上的误差在10%以内。证明选用的CFD 软件以及所选的模拟方案是可行的。
5 结论
    ⑴使用标准的k- ε 湍流模型以及多孔介质模型对多层带式干燥机箱内速度场进行模拟, 其结果与实验测试结果吻合得很好, 模拟值与实验值之间的差异为0.00～3.46m /s, 标准偏差为1.557。证明选用的CFD 软件以及所选的模拟方案是可行的。
    ⑵模拟结果表明, 各个干燥平面风速分布呈浪涌状, 并形成很多漩涡, 而不是直接穿透或平行流过物料。

参考文献:
[1]王俊, 许乃章.果蔬干燥机械简述[J].农机化研究, 1994,( 2) : 43-47.
[2]王俊, 张京平, 许乃章.干燥中果蔬内部质热传递的数值模拟[J].生物数学学报, 1998,( 3) : 398～310.
[3]童莉.机械通风的华北型连栋温室内温度和速度场的数值模拟研究[D ].北京: 北京化工大学, 2003.
[4]A derson J.Com putationalfluid dynam ics-the basicswith applications[J].N um erheattransfer,partA ,1995,28:353～369.
[5]FluentIncorporated[D B/CD ].Fluent5 user’sguide.July 1998,6-4.
[6]FluentIncorporated[D B/CD ].Fluent5 user’sguide.July 1998,9-2.
[7]FluentIncorporated[D B/CD ].Fluent5 user’sguide.July 1998,6-17.

zzw1170

不明白

张晓杰

我没看懂，还希望楼主多多指教