基于Fluent的木材压干窑风速均匀性数值模拟

闫一野，陈海峰，张士玺

(陕西科技大学机电工程学院，陕西 西安 710021)

基于Fluent的木材压干窑风速均匀性数值模拟

闫一野，陈海峰，张士玺

(陕西科技大学机电工程学院，陕西 西安 710021)

以小型实验用木材压干窑为模型，基于Fluent软件对设备内部流场进行初压缩模拟和压缩结束后模拟，得到设备不同层面上的风速，并对每组风速进行比较，得出设备参数不变情况下的最优流场的风速，并预测不同压缩量下各种风速对流场均匀性的影响。

木材干燥窑；流场均匀；数值模拟；计算流体力学

木材是非常重要的工程材料，湿木材一般经过干燥能够达到防腐朽、防虫害、防变形；提高力学强度，改善木材环境学特性；减轻木材质量等效果[1]。试验用木材压缩干燥的原理基于参考文献[2]，该设备集普通气流干燥和压干于一体，主要针对速生木材密度和气干比重低，材质疏软发脆，木材的抗弯、抗压、剪切强度等物理力学性能和尺寸稳定性差[3]而提出的，经过处理后的木材具备良好的加工性能，且阻燃、防腐、防蛀、机械性能好。 因此研究木材压干窑内流场的均匀性对提高木材干燥质量以及干燥节能有着重要的作用。目前研究木材干燥窑内流场的方法是干燥窑模型实验和建立物理模型，前者实验周期长，成本高，后者由于忽略了流动过冲中的阻力及其他因素，准确性不太高。木材干燥外在影响因素主要是风速、湿度和温度，温度和湿度对木材干燥的影响在国内外已经研究比较深入[4]，但是利用CFD进行木材干燥窑内速度场的研究报道较少。本研究基于Fluent软件，对该实验用木材压干窑进行压缩前后内部流场分析，并且对比多组风速与流场分布的数据，得出给定设备参数的情况下流场最优的风速。

1 模型建立

1.1 数学模型

FLUENT是CFD广泛应用的商业软件，该软件用来模拟从不可压缩到可压缩范围内的复杂流动，由于该软件的加速收敛级数使得该软件在各工程领域都有广泛的应用。

对于木材压缩干燥窑，研究各空间点的空气流速一般只求解一下几组方程：

质量守恒方程：

各式中：xi为坐标轴方向；ui为速度在i方向的分量，i=1、2、3；P为静压；τij为应力张量；ρgi为i方向上的重力体积力；Fi为外部体积力；Fi为包含其他的模型相关源项；v为运动粘性系数；Pr为湍动能生成率；vt为涡粘性系数[3]。

1.2 模型建立及求解设置

本研究对象是笔者为某实验室设计的顶风式木材干燥窑，耐高温轴流风机可正反向转，转速3 000 r/min，流量3 000 m3/h；利用液压缸对木材的压缩量为30%，即将1 m高的木材垛压缩到0.7 m。该设备为两侧对称，但是考虑到流场的均匀性，在工作时，空气进口一侧加挡板使改侧成垂直斜面，改变该斜壁的角度可以改变内部流场的均匀性。压缩前后及其结构简图见图1，内部干燥木材堆尺寸为1 m×1 m×1 m，单根锯材尺寸为长1 m，厚0.05 m，隔板0.03 m厚。利用FLUENT前处理器GAMBIT进行建模，划分网格为非结构化网格(见图2)，网格数量为93 868个，经网格检查其生成质量高。导入FLUENT中进行求解设置，湍流模型为典型且简单完整的湍流模型k-ε双方程模型，空气入口设置为速度入口，出口设置为充分发展流动的出口。

2 数值模拟及结果分析

本文根据参考文献[4]中提及的空气流速进行数值模拟，对木材被压缩前后空气入口速度分别是1、3、5 m/s五组风速进行数值模拟实验。模拟后各组风速对应的水平方向速度云图(a代表压缩前；b代表压缩后)如图3～6所示。

图1 顶风式木材干燥窑(压缩前，压缩后)Fig. 1 Upside-wind wood drying kiln ( before compressed and after compressed )

图2 非结构化网格(压缩前，压缩后)Fig. 2 Unstructured grid meshed before compression and after compression

在设备的中部区x=0.72 m处竖直平面的每层木板之间设置一个检测点，分别对这些点的速度值进行检测，将逆向流动的速度负值也处理成正值，绘制速度随竖直高度变化的曲线，如图6所示。

将进口速度为1 m/s、3 m/s、5 m/s时流场内速度云图及流线图绘制出来如图3、4、5所示，由数值模拟结果可看出：在未压缩条件下，随着入口风速的增大，整个流场的不均匀趋势明显增加，风速1 m/s到2 m/s时流场在垂直方向整体上比较均匀，只会在最上面的两层木材之间速度会比较小。空气流速为1 m/s时入口下方的气流漩涡区，但是该区域的存在并不影响气流在木材之间的流动均匀性；随着空气流速的增大，3 m/s和5 m/s时在上部出现的漩涡产生负压，使气流和干燥窑下部气流流动方向相反，且速度相差比较大，导致了流场不均匀性增加，不利于木材的干燥；在压缩结束后，有图6(b)可以看出风速的大小在竖直方向上变化很小，基本不影响流场的均匀性。在压缩后木材干燥期间，增大空气流速可以加速空气携带木材水分，从而提高干燥速度，减少能源的消耗。

图3 1 m/s速度云图与流线Fig. 3 Velocity contour and stream lines of 1 m/s

图6 速度随竖直距离变化趋势Fig. 6 Changing trend of speed with vertical distance

3 小 结

利用Fluent软件对木材压缩干燥窑内空气流场的均匀性进行模拟，预测窑内任何地方的风速和流动细节，这为木材干燥窑的设计和控制参数提供了可靠参考。同时通过数值模拟手段可以模拟不同时刻木材不同压缩量的情况下的最佳风速，从而减少了盲目提高风速以加快干燥速度而忽略流场均匀性的不合理操作。该方法可以省时省力地模拟木材压缩干燥窑内任何压缩量、任何时间任何空间内的流场，预测风速，进而提高木材干燥的质量与速度。

[1] 王喜明.木材干燥学[M].北京：中国林业出版社，2007.

[2] 浦俊文.一种木材功能性改良的技术方法[P].中国发明专利,CN 101549508 B.2011.

[3] 刁秀明,王彦发,马秀华.循环风速对木材干燥速度的影响[J].木材工业,1994,11(4):32 -33.

[4] 王福军.计算流体力学分析-CFD 软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社,2004.

[5] 王喜明.木材干燥实用技术问答[M].北京：化学工业出版社,2008.

Numerical simulation of wind velocity homogeneity in wood press-drying kiln based on Fluent

YAN Yi-ye, CHEN Hai-feng, ZHANG Shi-хi
(School of electromechanical engineering，Sha’ anхi University of Science and Technology，Xi’an 710021, Shanхi，China)

By taking a small-sized eхperimental wood press-drying kiln as testing model，and adopting the software of Fluent，the internal air flow fields in the wood press-drying kiln were simulated at the initial time and at the end time. The wind velocity values on different wood layers were obtained and compared, than the optimal wind velocity of internal air flow fields was selected out. The effects of different wind velocity values with different amount of compression on the flow field homogeneity in the kiln were predicted.

wood drying kiln；flow field homogeneity；numerical simulation；computational fluid dynamics(CFD)

S781.7；TS61

A

1673-923X(2012)02-0151-04

2011-08-12

闫一野(1986—)，男，硕士研究生，主要研究化工过程机械; E-mail: yanyiye1986@126.com

陈海峰(1964—)，男，博士，教授

[本文编校：邱德勇]