基于Fluent的节能型干燥窑内部结构优化研究

赵 庚，陈广元

(东北林业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150040)

干燥介质在木材堆三维方向上流动分布的均匀性决定了整个木材堆中板材的干燥均匀性和最终干燥质量［1-4］，是衡量木材干燥窑技术性能的主要指标［5-6］，一般用风速分布的均匀性表征。当干燥窑所用风机选定后，干燥窑内部结构参数成为影响窑内流场分布的关键性因素。由节能型干燥窑窑内基本结构示意图(如图1所示)可知，窑体结构参数由配气道宽度和进排气道结构决定。

图1 节能型干燥窑窑内基本结构示意图(忽略窑内输气管道)Fig.1 Basic inner structural representation of new energy saving upper fan drying kiln1.配气道 2.室内A侧进排气道 3.风机及其衍架 4.散热器 5.室内B侧进排气道 6.窑内净高 7.窑内净长 8.窑内净宽 9.天棚隔板

计算流体力学(CFD)技术可直观呈现干燥窑内部流场的分布情况［7-8］。在干燥窑的设计过程中可对干燥窑内的气流分布情况进行数值评估和预测，获得实验不易测定的窑内各位置的气流参数，模拟真实性可达90%以上，可以有效比较不同设计方案下干燥窑内干燥介质的流动情况，从而达到干燥窑设计的优化［9］。张扬等利用CFD对干燥窑三维模型进行数值模拟，研究了相同高度处不同横向位置和相同横向位置处不同高度木材堆间隙进口处速度场的分布情况，得出安装弧形导流板可以提高速度场分布均匀性的结论［10］。茹煜等通过对六种不同内壁结构下干燥窑内部流场的数值模拟，根据流场分布均匀性的对比，结合生产实际，得出对窑内流场分布最为有益的窑壁结构，从而达到对干燥窑壁优化的目的［11］。闫一野等通过对干燥窑内流场数值模拟，得到设备参数一定时流场分布最均匀时的风速，为木材干燥设备及过程参数设定提供了参考［12］。

本研究通过Fluent软件的数值模拟，对不同配气道宽度和不同进排气道结构参数下的干燥窑内部流场做出对比分析，达到节能型干燥窑内部结构优化设计的目的。

1 节能型木材干燥窑窑内基本结构

节能型木材干燥窑(以下简称干燥窑)主要由干燥窑窑体结构、新型强制进排气系统及相应控制系统组成。新型顶风机型节能干燥窑窑内基本结构，在忽略窑内输气管道时，主要由壳体、天棚隔板、散热器和窑内循环风机及室内AB两侧进排气道组成［13-14］。其中，室内AB两侧进排气道是新型强制进排气系统的一部分，如图2所示，进气道和排气道高度相同，本文中进排气道的结构参数用管道高度表示。

图2 进排气道结构示意图Fig.2 Structural representation of inlet and exhaust ducts1.排气道;2.进气道;3.进气道气孔;4.回流挡板;5.排气道气孔

2 几何模型和数学模型

2.1 几何模型

本文所用干燥窑，Y向长度6 600 mm，Z向高度5 725 mm，风机间高度1 200 mm，所用三台风机总风量为96 000 m3/h，木材堆与两侧墙间距为经验常数200 mm，锯材厚度25 mm，采用标准隔条和托盘。

为对比不同进排气道结构参数(管道高度700、800、1 000 mm)和不同配气道宽度(800、1 000、1 200 mm)下的窑内速度场分布均匀性，分别利用CAD软件建立了相应的干燥窑三维计算模型，如图3所示，并转入FLUENT前处理器GAMBIT中采用混合网格单元即Tet/Hybrid形式，在TGrid混合网格类型下完成进行网格划分，读入FLUENT后对计算所需的参数进行设置。这里规定:X方向为干燥窑宽度方向，Y方向为干燥窑长度方向，Z为干燥窑高度方向。

图3 干燥窑三维计算模型Fig.3 Three-dimensional computational model

模型中为便于表达流体域，对干燥窑结构进行简化处理。假定进排气道关闭，进排气道各结构所处平面无气孔，将风机间正压区侧风机壳外缘所处截面等效为流体入口，将风机间负压区侧的风机壳外缘所处截面等效为流体出口。流体入口采用vectory inlet，流体出口采用outflow，干燥窑壳体及板材表面采用无滑移壁面边界条件，计算选用了Realizable κ-ε两方程模型，计算收敛标准为10-4。

2.2 数学模型

本文针对等温等湿、风机全速运转条件下干燥窑窑内干燥介质的气流分布的情况进行分析，将干燥窑内干燥介质的流动视为不可压缩的湍流流动，密度为常数，其控制方程如下:

连续方程:

动量方程:

式中:u为窑内干燥介质流动速度，m/s;ρ为窑内干燥介质密度，kg/m3;μ为动力粘度，Pa·s;P为流体静压，Pa;g为重力加速度，kg/(m·s2)。

选用Realizable κ-ε模型，与之对应的湍动能κ和耗散率e的运输方程列于下式:

式中:ui、uj为xi、xj方向的时均速度;xi为直角坐标系的三个坐标;μt为湍动黏度，Pa/s;v为运动黏度，m2/s;E为时均应变张力。

经验常数:c1=1.44;c2=1.92;σk=1.0;σε=1.2。

3 结果与分析

3.1 不同进排气道结构下窑内流场分布

为对比不同进排气道结构参数对窑内流场的影响，固定配气道宽度为生产中常用宽度800 mm。

3.1.1 气流云图

数值模拟结果首先采用速度场气流云图输出。云图中，不同的颜色代表所处区域干燥介质气流速度的大小。

Y-Z平面气流分布情况:材堆入口断面气流分布情况如图4和图5所示。

X-Y平面气流分布情况如图6所示。

X-Z平面气流分布情况如图7所示。

图4 配气道宽度800 mm材堆入口断面速度场分布Fig.4 Velocity distribution of stacks entrance section when distribution channels width was 800 mm

图5 配气道宽度800 mm材堆出口断面速度场分布Fig.5 Velocity distribution of stacks outlet section when distribution channels width was 800 mm

图6 配气道宽度800 mm材堆中部X-Y断面速度场分布Fig.6 Velocity distribution of stacks X-Y section when distribution channels width was 800 mm

图7 配气道宽度800 mm材堆中部X-Z断面速场分布Fig.7 Velocity distribution of stacks X-Z section when distribution channels width was 800 mm

由材堆入口断面和出口断面及X-Z断面速度场分布情况可以看出，新型常规顶风机型节能干燥窑内木材堆中下两层气流分布较为均匀，独木材堆顶层气流流速较低且分布不均，材堆顶层低流速区域随进排气道高度的增加而有所减少，木材堆入口断面和出口断面的流速随进排气道高度的增加而增加。由X-Y断面和X-Z断面的速度场分布情况可以看出，随气流在材堆内部沿横向流经的延长，流速逐渐降低，这是由于锯材和隔条表面阻力造成气流流动所需动力减少造成的，另外，材堆内部的高流速区域随进排气道高度的增加而略有加大。

3.1.2 数据结果

为更具体地反应干燥窑内气流分布情况，选取木材堆中部断面(即Z平面高度位于Z=2137.5处)，设置一系列避开隔条和锯材的检测点，沿X正向分布1～10点，沿Y正向分布1～13点。

(1)材堆长度方向检测结果

检测结果如图8所示，各检测点数据均匀性分析结果见表1。由图8、表1可知，当室内AB两侧进排气道结构不同时，沿干燥窑长度方向上，木材堆中部气流分布较为均匀。管道高度为1 000 mm时，材堆内部风速最大。标准偏差随管道高度的增加而减小。变异系数随管道高度的增加而减小。

图8 木材堆中部沿干燥窑长度方向的检测结果Fig.8 Test data of stacks in the longitudinal direction

表1 木材堆长度方向检测数据Tab.1 Test data of stacks in the longitudinal direction

(2)材堆宽度方向检测结果

检测结果如图9所示，各检测点数据均匀性分析结果见表2。

由图9和表2可知，当配气道宽度一定时，材堆中部气流沿气流流经路径，速度逐渐降低。管道高度为700 mm时，材堆气流平均速度最大。标准偏差随管道高度的增加而逐渐缩小。变异系数随管道高度的增加而逐渐缩小。故就均匀性而言管道高度为1 000 mm时最佳。

图9 材堆中部沿干燥窑宽度方向的检测结果Fig.9 Test data of stacks in the width l direction

综合上述，考虑材堆内部的气流分布情况和材堆长度及宽度方向上的数据检测结果，从气流在材堆内部的整体流速和均匀性的角度出发，以管道高度为1 000 mm时，干燥窑窑内速度场分布最佳。

表2 材堆宽度方向检测数据Tab.2 Test data of stacks in the width l direction

3.2 不同配气道宽度下窑内流场分布

为对比不同配气道宽度对窑内流场的影响，固定管道高度为1 000 mm。

3.2.1 气流云图

Y-Z平面的气流分布情况:材堆入口断面分布情况如图10所示，材堆出口断面气流分布情况如图11所示。

X-Y平面气流分布情况如图12所示。

X-Z平面气流分布情况如图13所示。

由木材堆入口断面和材堆出口断面及X-Z断面速度场分布情况可以看出，节能型干燥窑内材堆中下两层气流分布较为均匀，独材堆顶层气流流速较低且分布不均，材堆顶层低流速区域随配气道宽度的增加而有所减少，材堆入口断面和出口断面的流速随配气道宽度的增加而减小，这是由于风量一定时，配气道宽度增加，流体流动截面积增大，使风速减小。由X-Y断面和X-Z断面的速度场分布情况可以看出，随气流在材堆内部沿横向流经的延长，流速逐渐降低，材堆内部的高流速区域随配气道宽度的增加而略有加大。

图10 管道高度1 000 mm时材堆入口断面气流分布Fig.10 Velocity distribution of stacks entrance section when height of inlet and exhaust ducts was 1 000 mm

图11 管道高度1 000 mm时材堆出口口断面气流分布Fig.11 Velocity distribution of stacks outlet section when height of inlet and exhaust ducts was 1 000 mm

图12 管道高度1 000 mm时材堆中部X-Y断面速度场分布Fig.12 Velocity distribution of stacks X-Y section when height of inlet and exhaust ducts was 1 000 mm

图13 管道高度1 000 mm时材堆中部X-Z断面速度场分布Fig.13 Velocity distribution of stacks X-Z section when height of inlet and exhaust ducts was 1 000 mm

3.2.2 数据结果

(1)材堆长度方向检测结果

由图14和表3可知，材堆长度方向上除平均速度随配气道宽度增加而减小外，气流分布均匀性并没有依配气道宽度的增减而呈一致性变化。

(2)材堆宽度方向检测结果

由图15和表4可知，随气流材堆宽度方向上的流动路径的延长，气流速度逐渐降低，以配气道宽度为1 000 mm时气流流速最大。标准偏差随配气道宽度的增加而减小。变异系数随配气道宽度的增加而减小。

图14 材堆中部沿干燥窑长度方向的检测结果Fig.14 Test data of stacks in the longitudinal direction

表3 材堆长度方向检测数据Tab.3 Test data of stacks in the longitudinal direction

图15 材堆底部沿干燥窑宽度方向的检测结果Fig.15 Test data of stacks in the width l direction

表4 材堆宽度方向检测数据Tab.4 Test data of stacks in the width l direction

综合上述，考虑材堆内部的气流分布情况和材堆长度及宽度方向上的数据检测结果，从气流在材堆内部的整体流速和均匀性的角度出发，以配气道宽度为1 000 mm时，干燥窑窑内速度场分布最佳。

3 结论

利用FLUENT软件，对不同配气道宽度和不同进排气道结构参数下的节能型干燥窑内部流场进行数值模拟分析，结果显示，窑内材堆中下两层气流分布较为均匀，材堆顶层气流分布不均但低流速区域随进排气道高度和配气道宽度的增加而有所减少，材堆内部的高流速区域随进排气道高度和配气道宽度的增加而略有加大。

综合考虑材堆内部的气流分布情况，木材堆长度及宽度方向上的数据检测结果，窑体占地面积，壳体散热面积和制造成本等因素，从气流在材堆内部整体流速和均匀性的角度出发，设计时以进排气道高度为1 000 mm，配气道宽度为1 000 mm为最佳。

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