干燥窑结构改进对风速流场均匀性的影响

朱伊枫，孙丽萍※，李季成,2

干燥窑结构改进对风速流场均匀性的影响

朱伊枫1，孙丽萍1※，李季成1,2

（1. 东北林业大学机电工程学院，哈尔滨 150040；2. 东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

针对顶风机型木材干燥窑内部风速流场分布不均匀问题，该研究基于发明问题解决算法（Algorithm for Inventive-Problem Solving，ARIZ）对干燥窑从优化窑体结构、调整锯材间隙、改善导流方式3个方向进行分组改进设计，每组包含4个方案，共得到了12个几何方案模型；采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真对比分析不同模型的风速流场，利用逐项耦合迭代法确定了调整锯材间隙和增设导流板两个改进方向能够解决窑体内部风速流场分布不均匀问题；采用风速流场分布云图、检测点风速差值、平均速度、速度不均匀系数4项评价指标，对84个监测点风速数据进行数值计算和对比分析后迭代出将窑体结构的四角优化为曲面化设计，调整锯材间隙为上宽下窄的非等距形式，并在预留气道中增加3块平面导流板来改善导流方式的综合性改进设计方案为较优方案，该方案的风速差值为-0.058 m/s，更趋近于0，平均速度提升了15.60%，速度不均系数降低了72.70%；结果表明，采用ARIZ对干燥窑结构进行迭代改进设计的方法可有效解决窑体内部风速流场分布不均匀问题。

干燥；数值模拟；干燥窑；风速流场；发明问题解决算法

0 引 言

热风干燥技术目前已广泛应用于农产品、木材、粮食、食品加工及纺织行业中，热风干燥系统干燥过程中的风速流场均匀性对被干燥产品的干燥品质稳定性和干燥效率有着直接的影响[1]，因此对风速流场均匀性的研究十分必要。王振文等[2]针对热泵烘房干燥过程中存在的产品品质不稳定、干燥效率低等问题，通过改进热风烘房结构及速度参数开展模拟仿真与分析，提高干燥效率。车刚等[3]针对干燥室风场不均匀性问题，通过改进角状管的开孔结构来改善干燥室内部的风量分配关系。吴小华等[4]针对无法准确得到各干燥阶段水分比的问题，通过进行多组一段式干燥试验研究，验证了所提出试验方案的可行性。颜建春等[5]针对干燥机内部风场分布不均匀问题，采用导风板对穿过入风口的介质空气分流引流，提高了水平方向上的通风和干燥均匀性。但前人对如何运用创新方法进行逻辑推导产生结构改进概念设计方案的研究不足。鉴于此，本文在前人研究的基础上，将发明问题解决算法（Algorithm for Inventive-Problem Solving，ARIZ）用于对干燥窑风速流场分布不均问题进行系统化的逻辑推导，让结构改进概念设计方案的求解过程更具科学性，为科研工作者减少探寻概念设计方案的时间成本，以及减少验证方案可行性的经济成本提供理论依据。

本文以热风干燥窑系统为例，在可适用的多类农林产品干燥物料中选择锯材作为干燥对象。锯材干燥过程是木材干燥领域的主要研究内容，而且木材干燥质量的好坏对木材利用率和木材产品质量有直接影响[6]。干燥窑内气流分布的均匀性是影响干燥特性及品质优劣的重要因素。干燥窑结构和工作部件设计的合理性将影响内部气流分布的均匀性，从而影响干燥质量和干燥效率，因此开展干燥窑结构改进优化至关重要。本文通过ARIZ算法对木材干燥窑进行结构改进设计，利用计算流体力学软件对改进模型进行分析，得出木材干燥窑较优模型，并分析结构改进对窑内风速流场均匀性的影响，以期提高木材干燥设备性能。

1 改进干燥窑风速流场均匀性设计方法

1.1 基于ARIZ的木材干燥窑改进结构设计方法

针对顶风机型木材干燥窑[7-10]内部风速流场分布不均匀问题，提出了将ARIZ[11]与计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）技术联合应用于干燥窑的改进设计方法。该方法的应用流程为：首先从初始问题的情境分析开始，依据分析结果建立初始问题的风速流场分布云图；其次应用ARIZ算法对初始问题的分析结果进行改进设计方案求解；然后将所获得的改进设计方案利用CFD技术进行仿真试验模拟，并获得改进设计方案的仿真试验结果；最后将方案试验结果与初始问题的风速流场分布云图内的各项参数进行对比分析，以验证改进设计方案的有效性，经综合评估后获得较优方案。基于ARIZ和CFD的干燥窑改进结构设计方法如图1所示。

在对初始问题的分析结果和改进设计方案进行二维模拟时；均利用ICEM CFD软件建立几何模型及网格划分；利用FLUENT软件进行窑体内部风速流场数值模拟仿真实验；利用CFD-Post软件进行仿真结果的数据后处理。

1.2 ARIZ算法

ARIZ算法是由TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）理论创始人Genrich Altshuller于1956年提所出的，ARIZ算法通过程式化的解析流程，将模糊的初始问题逐步细化为可利用冲突模型表达的最小问题，实现对系统问题的逐步深入分析与转化。ARIZ算法经过不断改进优化，现已形成为ARIZ算法簇，可用于辅助科研人员融合应用TRIZ理论中的各项思维工具，针对复杂问题进行问题求解与改进设计。国内外已有许多学者应用ARIZ算法在不同领域进行创新性改进设计，并验证了ARIZ算法解决问题的有效性[12-15]。本文选用融合了系统功能分析工具的ARIZ-91作为干燥窑系统的改进设计算法。运用ARIZ-91算法对初始问题分析结果进行改进设计方案求解的过程如下：

1）技术系统功能分析：针对存在内部风速流场分布不均问题的干燥窑建立功能模型图，并将功能模型图中系统冲突区域内的有害作用及不足作用作为问题求解的入手点，形成3个改进设计方向。

2）系统的问题模型分析：利用系统冲突区域中与有害作用相关的组件构建问题模型的技术矛盾组，通过技术矛盾求解过程中选定矛盾，参数转化，查表求解3个子步骤获得特定的发明原理，依据实际工况需求将筛选后的发明原理作为改进设计方案的原理解，建立4个改进设计方案，形成窑体结构优化方案组。

3）确定理想化最终结果（Ideal Final Result，IFR）和物理矛盾：利用IFR的求解过程并调用干燥窑子系统物质-场资源列表中IFR-X需求描述所对应的锯材间隙元素，建立4个改进设计方案，形成调整锯材间隙方案组。依据实际工况针对物理矛盾性质选用对应的分离方法和发明原理，建立4个改进设计方案，形成改善导流方式方案组。

4）系统的物质-场分析：建立问题的物质-场模型后，查找标准解系统获得特定的标准解，用于建立其他的改进设计方案，也可以进一步形成改进设计方案组。

5）调用或转变物质-场资源（Substance-Field Resources，SFR）：对各项系统层级中的可用物质-场资源进行分析及调用，可用于建立更多的改进设计方案，也可以进一步形成改进设计方案组。

6）重新定义初始问题：如进行到该步骤还无法获得任何原理解或概念设计方案解，需要查看初始问题是否为多项子问题构成的复合问题，如果是则需进行问题拆分并重新描述子问题，返回第一步重复ARIZ-91的解题流程。

本文应用ARIZ-91算法的解题流程，如图2所示。

1.3 CFD技术

CFD技术是通过建立反映物理问题本质的物理和数学模型，以及所研究流体的质量方程、动量方程、能量方程等，针对控制方程的数值离散化方法，用计算机技术求得其数值解，并用计算机可视化技术呈现流体的速度场、温度场、压力场的分布[16-18]。在近几年的研究中，相关学者针对窑体内部风速流场分布不均匀问题，采用各种计算流体力学软件进行了相关仿真试验的分析与研究，验证了计算机模拟方法对干燥窑内部风速流场进行数值模拟的可行性[19-21]。

2 干燥窑相关模型建立与初始问题情境分析

2.1 干燥窑相关模型建立

2.1.1 几何模型

本文所研究的干燥窑类型为典型的实验用顶风机型木材干燥窑[22-23]。窑体内部由假顶棚将窑体分成上下两个部分，上部风机间内装有3台GKF型轴流风机，下部干燥间内装有材堆，材堆内锯材尺寸依据文献数据[24-25]结合厚板木材试件干燥要求设计得出，窑内材堆堆积方法采用无隔条自垫堆积法（长短锯材纵横交叉堆积）即，纵向摆放的长锯材依次平铺不留间隔，横向摆放的短锯材交叉放置留有间隔（具有隔条功能），如此反复堆积到预定材堆高度。其中进气口、排气口高度数据依据实测情况将窑体壁厚考虑在内最终确定为70 mm。其他参数如表1所示。

图3a为干燥窑结构示意图。根据表1建立三维几何结构模型，如图3b所示。因二维模拟可兼顾一维和三维模拟的优点，其模拟速度快，模拟精度能满足实际运用要求[26]，且假顶棚风机间内的气流情况不在本研究范围内，为简化计算和降低仿真分析难度[27]，依据三维几何结构模型轴方向（=1 050 mm）截面建立二维截面简化模型，如图3c所示。

2.1.2 数学模型

流动控制方程包括连续性方程、动量方程以及湍流动能输运和耗散方程[28]，具体如下：

表1 干燥窑主要技术参数

1）连续方程

2）动量方程

式中u、u分别为x、x方向的时均速度，m/s；x为直角坐标系的3个轴坐标；为窑内空气流速，m/s；为窑内空气密度，kg/m3；为动力黏度，Pa·s；为空气静压，Pa；g为重力加速度，kg/(m·s)2。x和x 为位移在、方向的分量，m。

3）湍动能和耗散率的输运方程分别为

1.进气口 2.假顶棚风机间 3.排气口 4.材堆 5.干燥间

1.Air inlet 2.Fan room in false ceiling 3.Air outlet 4.Wood stack 5.Drying room

注：P1～P7为监测点。

Note: P1-P7 is the monitoring points.

图3 干燥窑几何模型

Fig.3 Geometric model of drying kiln

2.1.3 网格模型

采用ICEM CFD软件对图3c中的干燥窑二维截面简化模型建立网格模型，网格划分选用四边形网格，总网格数量为72 060。

2.2 初始问题情境分析

2.2.1 干燥窑的边界条件和风速流场数值模拟

1）边界条件

问题情境为在等温等湿条件下装载量为1.198 m3的干燥窑内，空气从左侧顶部进气口进入，流经锯材间隙后，由右侧顶部排气口流出，窑内的温度区间为60～110 ℃。本试验采用常规干燥基准，在干燥中间处理阶段木材内部结合水转化为水蒸气后的排湿环节，根据窑内空气流动特性，将各项边界条件设定如下：进、排气口为全开状态（进气口初始风速为3 m/s，排气口为自由出风）视窑内空气流动为不可压缩的湍流，采用标准模型构建湍流模型，利用隐式求解器及SIMPLE算法进行速度压力耦合求解，空间离散化梯度为基于最小二乘法的单元。

2）风速流场数值模拟

在FLUENT中进行数值模拟后得到干燥窑内部风速流场分布云图，如图4所示。

通过图4可见，常规木材干燥窑内部存在风速流场分布不均匀的情况，此种情况易导致锯材在干燥过程中产生锯材干燥不均匀的问题，且对干燥介质的有效利用率较低。

2.2.2 模型可靠性验证

窑内监测点位置（P1～P7）分布情况，如图3c所示。通过CFD-Post进行仿真结果的后处理，将所采集仿真结果中的模拟数据与实测数据进行对比分析，结果如表2所示。

表2 风速监测点采样数据情况

表2中的模拟数据与实测数据差值范围为±0.2m/s，属于合理范围，各项监测点（P1～P7）实测数据与模拟数据之间差值的平均值为0.071 m/s，且数值变化趋势一致，表明了模型的可靠性，说明模拟结果与实际情况相符合。

2.2.3 方案改进设计的评价指标

为验证所提出的基于ARIZ的木材干燥窑改进结构设计方法的可行性，并针对改进设计方案仿真试验中风速流场均匀性的变化及分布特性进行科学性评价，本文选了4种评价指标[29-32]：

1）风速流场分布云图：对改进设计方案进行CFD数值模拟，通过仿真试验结果可以直观观测到每项方案的速度场分布云图的对比结果。

2）检测点风速差值：对改进设计方案进行窑内锯材间隙定位监测点数据的差值运算，差值越小代表窑内顶端和底端的风速差值越小，其风速流场均匀性相对越好。

3）平均速度：二维数值模拟仿真试验中监测点数据的气流平均速度大小，代表了其气流强度大小。平均速度越大，则其强度越大，越有利于气流在干燥窑内部预留气道及锯材间隙的输送，排湿也更加通畅。

4）速度不均匀系数：为了评价干燥窑内部速度分布的均匀性，引入速度不均匀系数，计算式为

速度不均匀系数越大，说明内部风速流场越不均匀；越小，则代表风速流场均匀性越好，也表明干燥后的产品均匀性或品质会越好。

利用以上4项评价指标对干燥窑初始问题中的监测点采样数据进行计算，监测点风速差值为1.098 m/s，平均速度为1.114 m/s，速度不均系数为0.337。

以上各项数据将作为后续改进设计方案有效性评价的对比依据。为便于数据对比分析，速度不均系数采用小数形式表示。

3 应用ARIZ-91算法对木材干燥窑进行改进设计

3.1 技术系统功能分析

确定当前技术系统为干燥窑系统。按照TRIZ中对于功能的SVOP描述形式将其主要功能描述为干燥窑降低锯材含水率，系统的作用对象为锯材，对干燥窑系统进行组件分析，结果如表3所示。

根据表3进行组件之间的主要相互作用分析后绘制干燥窑系统功能模型，如图5 所示。干燥窑系统功能模型的作用是根据图中存在的有害作用和不足作用确定系统冲突区域，根据冲突区域中存在的问题数量进一步获得干燥窑初始问题的改进设计方向。

表3 干燥窑系统组件分析

根据干燥窑系统系统功能模型图当中发出有害作用及不足作用的组件划定系统冲突区域，冲突区域内包含3对问题组件，分别为：热空气与锯材、热空气与锯材内水分、预留气道与热空气。针对冲突区域中所存在的3个问题“预留气道移动热空气的不足作用，流速快的热空气导致锯材变形的有害作用，流速慢的热空气去除锯材内水分的不足作用”将从优化窑体结构、调整锯材间隙、改善导流方式3个改进方向入手，每个改进方向建立1个设计方案组，每个方案组由4个改进设计方案构成，3个方案组共计12个改进设计方案，用于解决窑体内部风速流场分布不均匀问题。在12个改进设计方案的仿真试验结果中每项方案采集7个（P1～P7）监测数据，共计84个监测数据，用于进行后续各项改进设计方案之间的对比分析。

3.2 系统问题模型分析

3.2.1 问题模型的技术矛盾求解过程

依据干燥作业实际生产情况，结合冲突区域内的问题组件关系，构建最小问题模型的技术矛盾组，如图6所示。

根据设计干燥窑系统所需的主要功能，将具有改善参数“去除锯材内水分充分”的技术矛盾-1确定为待解决的技术矛盾。

技术矛盾的求解过程分为3步：选定矛盾，参数转化，查表求解。

1）选定矛盾：根据技术矛盾的标准表达式（如果……，那么……，但是……），用图6a建立技术矛盾-1的非标准文字表达形式为“如果（热空气流速快），那么（去除锯材内水分充分），但是（易导致锯材变形）”。

2）参数转化：将非标准的文字表达转化为标准的通用工程参数表达。通过查找39个通用工程参数对照表后，确定“那么（去除锯材内水分充分）”对应的改善参数为“No.26物质或事物的数量”，确定“但是（易导致锯材变形）”对应的恶化参数为“No.12形状”。

3）查表求解：将改善参数和恶化参数输入到技术矛盾求解矩阵表中，获得查表结果为40个发明原理当中的两项，分别为“35.物理或化学参数改变原理，14.曲面化原理”。

依据系统改进实际工况需求，对查表结果中的两项发明原理进行筛选后，确定将“14.曲面化原理”作为窑体结构改进的概念设计原理解，用于形成窑体结构优化方案组。

3.2.2 窑体结构优化方案组的数值模拟及试验结果分析

应用“14.曲面化原理”对干燥窑初始问题（图4）进行改进设计，形成的4项改进设计方案分别为；未连通出风口的四角曲面化设计方案（图7a），连通出风口的四角曲面化设计方案（图7b），未连通出风口的顶角曲面化和底脚阶梯曲面化设计方案（图7c），连通出风口的顶角曲面化和底角阶梯曲面化设计方案（图7d），以上4项改进设计方案共同构成了窑体结构优化方案组。利用CFD技术对窑体结构优化方案组中的4项改进设计方案进行风速流场数值模拟仿真试验，结果如图 7所示。

采用CFD-Post在窑体结构优化方案组仿真结果中共采集28个监测点的风速数据，并利用评价标准中的式 （5）、式（6）、式（7）分别计算窑体结构优化方案组中4项设计方案各自的监测点风速差值、平均速度、速度不均系数，结果如表4所示。

表4 窑体结构优化方案组中4项设计方案之间的各项试验结果对比分析

将表4中的各项方案进行对比可见，未连通出风口的四角曲面化设计方案的监测点风速差值及速度不均系数均为最小值，平均速度与干燥窑初始问题相差0.002，其值属于允许范围内。依据方案改进设计的评价指标可以确定未连通出风口的四角曲面化设计方案的改进效果较优，所以将未连通出风口的四角曲面化设计方案作为下一步迭代优化的基础模型。

3.3 确定IFR和物理矛盾

3.3.1 IFR的求解过程

拟定IFR为在不改变窑体结构的情况下，锯材本身可以调整气流流经锯材间隙的速度。设定对IFR-X元素需求为可消除锯材变形的有害作用，并可完成系统去除锯材内水分充分的主要功能，而不增加系统复杂程度，并且不产生任何有害作用。IFR-X元素的解为通过调用及改变干燥窑子系统物质-场资源中锯材间隙的高度参数进行改进设计，根据窑内空气流动特性，通过将原等距的锯材间隙调整为非等距锯材间隙的方法，减少不同锯材间隙之间监测数据的风速差值，以提高窑内风速流场的分布均匀性。

3.3.2 调整锯材间隙方案组的数值模拟及试验结果分析

应用IFR-X元素对“未连通出风口的四角曲面化设计方案”进行迭代优化改进设计，形成的4项改进设计方案分别为；上窄下宽的非等距锯材间隙设计方案（图 8a），上宽下窄的非等距锯材间隙设计方案（图8b），上下宽中间窄的非等距锯材间隙设计方案（图8c），上下窄中间宽的非等距锯材间隙设计方案（图8d），以上4项改进设计方案共同构成了窑体结构优化方案组。窑体结构优化方案组中4项改进设计方案中的窄距间隙为40 mm，宽距间隙为80 mm。利用CFD技术对调整锯材间隙方案组中的4项改进设计方案进行风速流场数值模拟仿真试验，结果如图8所示。

采用CFD-Post在调整锯材间隙方案组仿真结果中共采集28个监测点的风速数据，并利用评价标准中的式（5）、式（6）、式（7）分别计算调整锯材间隙方案组中4项设计方案各自的监测点风速差值、平均速度、速度不均系数，结果如表5所示。

表5 调整锯材间隙方案组中4项设计方案之间的各项试验结果对比分析

将表8中的各项方案进行对比可见，上宽下窄的非等距锯材间隙设计方案的监测点风速差值为0.115 m/s，更趋于0，其速度不均系数为最小值，依据方案改进设计的评价指标可以确定上宽下窄的非等距锯材间隙设计方案的改进效果最优，所以将上宽下窄的非等距锯材间隙设计方案作为下一步迭代优化的基础模型。

3.3.3 物理矛盾的求解过程

依据技术矛盾-1分析后获得物理矛盾为：为满足减少锯材变形的需求，热空气的流向应为多向。为满足去除锯材内水分充分的需求，热空气的流向应为单向。因此，气流的流向既需要是多向又需要是单向为物理矛盾。

3.3.4 改善导流方式方案组的数值模拟及试验结果分析

应用基于系统级别分离方法以及该方法所对应的发明原理列表当中的“1.分割原理”对“上宽下窄的非等距锯材间隙设计方案”进行迭代优化改进设计。在进口风速不变，窑体内部锯材间隙一致的工况下，在左侧预留气道中通过对增设的平面导流板和曲面导流板进行不同形式的组合，形成了4改进设计方案，分别为；增加3块平面导流板设计方案（图9a），增加2块平面导流板设计方案（图9b），增加1块直面导流板和1块曲面导流板的设计方案（图9c），增加一块曲面导流板设计方案（图9d），以上4项改进设计方案共同构成了改善导流方式方案组。利用CFD技术对改善导流方式方案组中的4项改进设计方案进行风速流场数值模拟仿真试验，结果如图9所示。

采用CFD-Post在改善导流方式方案组仿真结果中共采集28个监测点的风速数据，并利用评价标准中的式 （5）、式（6）、式（7）分别计算改善导流方式方案组中4项设计方案各自的监测点风速差值、平均速度、速度不均系数，结果如表7所示。

表6 改善导流方式方案组中4项设计方案之间的各项试验结果对比分析

Tab.6 Comparative analysis of the test results between the four design schemes with improved diversion mode

将表6中的各项方案进行对比可见，增加3块平面导流板设计方案与增加2块平面导流板设计方案的监测点风速差均为最小且值相同，两项差值数据共同趋于0。为进一步区分最优设计方案，通过对比速度不均系数可知，增加3块平面导流板设计方案的值较增加2块平面导流板设计方案的值减少了0.002。依据方案改进设计的评价指标可以确定增加3块平面导流板设计方案的改进效果较优，所以将增加3块平面导流板设计方案确定为较优设计方案。

3.4 系统的物质-场分析

针对系统问题模型分析技术矛盾组中的技术矛盾-2构建问题物质-场模型，如图10a所示，按照不足作用的物质-场模型类别，查找对应的S2类标准解求解，筛选标准解S2.1.1链式物质-场模型获得解题方案的物质-场模型。问题物质-场模型求解转化后的链式物质-场模型，如图10b所示。

改进设计方案：将常规木材干燥窑中换气热损失较大的开式气流循环，改为经热泵驱动的闭式气流循环，热泵干燥技术可产生具有很强吸湿和干燥能力的热空气，即使在相对低速流动的情况下也能较好的去除空气中木材蒸发逸散的水分，将热泵与增加3块平面导流板设计方案构建成为联合干燥形式，可进一步提高干燥效率及质量，并可降低干燥木材能耗。

3.5 调用或转变SFR资源

通过对各项系统层级的逐级分析获得干燥窑系统改进设计的可用物质-场资源，如表7所示。其中工具资源热空气的流速、流向以及子系统资源锯材间隙的距离均可用于改进设计。本文仅从3个方面进行了改进设计，以后还可以通过对表7中的各项可用资源的设计或改变其他条件，来提高窑体内部的风速流场均匀性。

表7 干燥窑系统改进设计的物质-场资源

Table 8 Substance-field resources for improved design of drying kiln system

4 改进前后试验结果分析

将改进前（干燥窑初始问题）与改进后（将窑体结构的四角优化为曲面化设计，调整锯材间隙为上宽下窄的非等距形式，并在预留气道中增加三块平面导流板来改善导流方式的综合性改进设计方案）两项试验结果中的各项参数进行对比，结果如表8所示。

表8 改进前与改进后的各项参数对比

根据表8可知，改进前与改进后之间的监测点风速差值从1.098下降至-0.058 m/s，更趋近于0，证明改进后设计方案的窑内顶端和底端之间的风速差值较小。改进后设计方案的平均速度较初始情况提升了15.60%，证明改进后设计方案的气流在窑体内部预留气道及锯材间隙的输送速度增强，利于窑体排湿通畅。改进后设计方案的速度不均系数较初始情况降低了72.70%，证明改进后设计方案的风速流场均匀性较好，利于提升木材干燥品质。

5 结 论

本文针对顶风机型干燥窑内部风速流场分布不均匀问题，应用发明问题解决算法ARIZ（Algorithm for Inventive-Problem Solving，ARIZ）的结构化解题过程从3个改进设计方向对木材干燥窑分别建立了优化窑体结构方案组，调整锯材间隙方案组，改善导流方式方案组，每组含4个改进设计方案，共获得了12项方案。通过3轮耦合迭代，最终形成了将窑体结构的四角优化为曲面化设计，调整锯材间隙为上宽下窄的非等距形式，并在预留气道中增加3块平面导流板来改善导流方式的综合性改进设计方案。

1）本文通过将仿真结果与实测结果进行数据比对验证了模型的可靠性。在此基础上基于ARIZ对干燥窑初始问题进行了结构改进设计，并模拟出了12项结构改进方案风速流场的空气流动特性，依据试验结果确定了改进结构可有效解决窑内风速流场分布不均问题。

2）将改进后设计方案与干燥窑初始问题进行对比可知，优化后的的窑内顶端与底端之间的监测点风速差值趋于0，锯材间隙平均风速提升了15.60%，速度不均系数降低了72.70%，综合指标证明改进后设计方案的风速流场分布更加均匀。

3）采用监测点风速差值、速度不均系数等4项评价指标，对12项设计方案共计采集的84个监测点风速数据进行计算处理和对比分析后发现，调整锯材间隙和增设导流板两项改进方法能够解决窑体内部风速流场分布不均匀问题。

试验结果表明，采用ARIZ进行迭代设计的干燥窑结构改进方法可有效解决窑体内部风速流场分布不均匀问题。相关数值模拟分析结果可为制定结构合理、节能增产的干燥窑设计方案提供参考。

[1] 高萌，李明，王云峰，等. 低温环境下热泵热风干燥藏药性能试验[J]. 农业工程学报，2020，36(21)：316-322.

Gao Meng, Li Ming, Wang Yunfeng, et al. Experimental study on the performance for heat pump hot air drying of Tibetan medicine at low-temperature[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(21): 316-322. (in Chinese with English abstract)

[2] 王振文，吴敏，徐新民，等. 热泵烘房结构及参数优化仿真设计[J]. 农业机械学报，2020，51(S1)：464-475.

Wang Zhenwen, Wu Min, Xu Xinmin, et al. Optimal simulation design of structure and parameter in heat pump drying room[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(S1): 464-475. (in Chinese with English abstract)

[3] 车刚，高瑞丽，万霖，等. 水稻负压混流干燥室结构优化设计与试验[J]. 农业工程学报，2021，37(4)：87-96.

Che Gang, Gao Ruili, Wan Lin, et al. Optimized design and experimental study on rice negative pressure mixed flow drying chamber[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(4): 87-96. (in Chinese with English abstract)

[4] 吴小华，马渊博，宁旭丹，等. 西洋参分段式热风干燥动力学模型构建[J]. 农业工程学报，2020，36(5)：318-324.

Wu Xiaohua, Ma Yuanbo, Ning Xudan, et al. Construction of staged hot-air drying dynamic model for American ginseng[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(5): 318-324. (in Chinese with English abstract)

[5] 颜建春，谢焕雄，魏海，等. 5H-1.5A型花生换向通风干燥机研制[J]. 农业工程学报，2019，35(10)：9-18.

Yan Jianchun, Xie Huanxiong, Wei Hai, et al. Development of 5H-1.5A peanut reversing ventilation dryer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(10): 9-18. (in Chinese with English abstract)

[6] 吴义强. 木材科学与技术研究新进展[J]. 中南林业科技大学学报，2021，41(1)：1-28.

Wu Yiqiang. Newly advances in wood science and technology[J]. Journal of Central South University of Forestry & Technology, 2021, 41(1): 1-28. (in Chinese with English abstract)

[7] 周凡，高鑫，付宗营，等. 40 mm厚黑木相思锯材干燥工艺研究[J]. 木材科学与技术，2021，35(4)：36-39.

Zhou Fan, Gao Xin, Fu Zongying, et al. Study on the drying schedule for 40 mm-thick Acacia melanoxylon lumber[J]. Chinese Journal of wood Science and Techno1ogy, 2021, 35(4): 36-39. (in Chinese with English abstract)

[8] 周凡，高鑫，付宗营，等. 大径级火力楠木材干燥特性和干燥工艺研究[J]. 西北林学院学报，2021，36(1)：215-220.

Zhou Fan, Gao Xin, Fu Zongying, et al. Drying characteristics and drying technology of large-diameter Michelia macclurei wood[J]. Journal of Northwest Forestry University, 2021, 36(1): 215-220. (in Chinese with English abstract)

[9] 丁宇，张静，何正斌，等. 单板太阳能干燥室内部风场的模拟与优化[J]. 东北林业大学学报，2021，49(2)：101-106.

Ding Yu, Zhang Jing, He Zhengbin, et al. Simulation and optimization of wind field inside veneers solar drying kiln[J]. Journal of Northeast Forestry University, 2021, 49(2): 101-106. (in Chinese with English abstract)

[10] 姚远，秦汉时，付威，等. 橡胶木太阳能-热泵联合干燥能耗分析[J]. 林业工程学报，2019，4(6)：29-35.

Yao Yuan, Qin Hanshi, Fu Wei, et al. Energy consumption analysis of drying of Hevea brasiliensis using solar energy-heat pump combined kiln[J]. Journal of Forestry Engineering, 2019, 4(6): 29-35. (in Chinese with English abstract)

[11] 付敏，张水，杨沐霖，等. 基于ARIZ-91的咬合式双层辊模生物质成型机概念设计[J]. 可再生能源，2019，37(3)：335-341.

Fu Min, Zhang Shui, Yang Mulin, et al. Conceptual design of the biomass briquetting machine with occlusion-type double-layer pressure roller and ring die based on ARIZ-91[J]. Renewable Energy Resources, 2019, 37(3): 335-341. (in Chinese with English abstract)

[12] 梁瑞，檀润华，张建辉. 技术进化引导的多冲突混合信息求解过程模型[J]. 机械工程学报，2020，56(21)：219-230.

Liang Rui, Tan Runhua, Zhang Jianhui. Multi-contradiction mixed information solving process model guided by the technological evolution[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2020, 56(21): 219-230. (in Chinese with English abstract)

[13] 韩宏伟. 基于ARIZ方法提升光伏板隐裂现场检测暗室遮光性能的分析[J]. 重庆理工大学学报自然科学，2020，34(4)：142-149，164.

Han Hongwei. Analysis and research on improving the shading performance of photovoltaic panel in-situ detection darkroom based on ARIZ method[J]. Journal of Chongqing University of Technology Natural Science, 2020, 34(4): 142-149, 164. (in Chinese with English abstract)

[14] Ben Moussa F Z, De Guio R, Dubois S, et al. Study of an innovative method based on complementarity between ARIZ, lean management and discrete event simulation for solving warehousing problems[J]. Computers & Industrial Engineering, 2019, 132: 132-140.

[15] 郝兴玉，贺刚，董佳佳，等. 基于ARIZ算法的方草捆收集车改进设计与试验[J]. 农业机械学报，2016，47(S1)：254-260，316.

Hao Xingyu, He Gang, Dong Jiajia, et al. Improved design and test on collecting wagon of rectangular bale based on ARIZ algorithm[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(S1): 254-260, 316. (in Chinese with English abstract)

[16] Núñez J, Moctezuma-Sánchez M F, Fisher E M, et al. Natural-draft flow and heat transfer in a plancha-type biomass cookstove[J]. Renewable Energy, 2020, 146: 727-736.

[17] Motyl P, Wikło M, Bukalska J, et al. A new design for wood stoves based on numerical analysis and experimental research[J]. Energies, 2020, 13(5): 1028-1039.

[18] De Backer L, Laverge J, Janssens A, et al. Evaluation of the diffusion coefficient and sorption isotherm of the different layers of early Netherlandish wooden panel paintings[J]. Wood Science and Technology, 2017, 52(1): 149-166.

[19] Kyyrö S, Altgen M, Seppäläinen H, et al. Effect of drying on the hydroxyl accessibility and sorption properties of pressurized hot water extracted wood[J]. Wood Science and Technology, 2021, 55(5): 1203-1220.

[20] Redman A L, Bailleres H, Gilbert B P, et al. Finite element analysis of stress-related degrade during drying of Corymbia citriodora and Eucalyptus obliqua[J]. Wood Science and Technology, 2017, 52(1): 67-89.

[21] Dang D, Moutou Pitti R, Toussaint E, et al. Investigating wood under thermo-hydromechanical loading at the ring scale using full-field measurements[J]. Wood Science and Technology. 2018, 52(6): 1473-1493.

[22] 吕泽群. 我国木材干燥工业现状及发展挑战与对策[J]. 林产工业，2018，45(9)：3-7.

Lu Zequn. Current status and development challenges and countermeasure of wood drying industry in china[J]. China Forest Products Industry, 2018, 45(9): 3-7. (in Chinese with English abstract)

[23] Sychevskii V A. Heat and mass transfer in convective wood-drying plants[J]. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2018, 91(3): 705-711.

[24] 沙汀鸥，杨洁，吕欢，等. 木材干燥室内部风速场的数值模拟与优化[J]. 南京林业大学学报：自然科学版，2016，40(1)：129-134.

Sha Ting’ou, Yang Jie, Lu Huan, et al. Numerical simulation and optimization of the velocity field in wood drying kiln[J]. Journal of Nanjing Forestry University: Natural Sciences Edition, 2016, 40(1): 129-134. (in Chinese with English abstract)

[25] 祁亮，严平，赵晔玫，等. 顶风机型木材干燥窑气流循环的优化设计[J]. 木材工业，2015，29(4)：31-35.

Qi Liang, Yan Ping, Zhao Yemei, et al. Airflow circulation design for roof ventilated wood drying kilns[J]. China Wood Industry, 2015, 29(4): 31-35. (in Chinese with English abstract)

[26] 徐云乾，袁明道，史永胜，等. QGIS和HEC-RAS在二维溃坝洪水模拟中的联合应用研究[J]. 水力发电，2021，47(4)：108-111，126.

Xu Yunqian, Yuan Mingdao, Shi Yongsheng, et al. Application of QGIS and HEC-RAS in two-dimensional dam break flood simulation[J]. Water Power, 2021, 47(4): 108-111, 126. (in Chinese with English abstract)

[27] 孟兆新，李尚，肖定福，等. 木材干燥窑内部流场改进与风速均匀性研究[J]. 西北林学院学报，2016，31(3)：247-251.

Meng Zhaoxin, Li Shang, Xiao Dingfu, et al. Improvement of internal flow field of wood drying kiln and its wind speed distribution uniformity[J]. Journal of Northwest Forestry University, 2016, 31(3): 247-251. (in Chinese with English abstract)

[28] 孟兆新，石晋菘，巴图，等. 基于CFD木材干燥进出风参数优化及干燥过程模拟[J]. 西北林学院学报，2021，36(3)：225-231.

Meng Zhaoxin, Shi Jinsong Ba Tu, et al. CFD based optimization of inlet and outlet air parameters and simulation of drying process[J]. Journal of Northwest Forestry University, 2021, 36(3): 225-231. (in Chinese with English abstract)

[29] 沈玉林，王哲，平立娟，等. 不同干燥方法对人工林樟子松木材干燥特性的影响[J]. 林业科学，2020，56(11)：151-158.

Shen Yulin, Wang Zhe, Ping Lijuan, et al. Effect of different drying methods on the drying characteristics of plantation-grown Pinus sylvestris var. mongolica[J]. Scientia Silvae Sinicae, 2020, 56(11): 151-158. (in Chinese with English abstract)

[30] 于建芳，刘纪建，王喜明，等. 基于多尺度模型预测木材含水率和温度的变化[J]. 工程热物理学报，2018，39(10)：2294-2300.

Yu Jianfang, Liu Jijian, Wang Ximing, et al. Prediction of moisture and temperature variation of wood based on different scales[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2018, 39(10): 2294-2300. (in Chinese with English abstract)

[31] Menasria F, Zedairia M, Moummi A, et al. Numerical study of thermohydraulic performance of solar air heater duct equipped with novel continuous rectangular baffles with high aspect ratio[J]. Energy, 2017, 133: 593-608.

[32] 宋玉鹏，陈建兵，彭勇波. 二维空间脉动风场波数-频率联合功率谱表达的FFT模拟[J]. 振动工程学报，2020，33(4)：660-666.

Song Yupeng, Chen Jianbing, Peng Yongbo. Simulation of fluctuating wind field in two-spatial dimensions by FFT implementation of wavenumber-frequency joint power spectrum[J]. Journal of Vibration Engineering, 2020, 33(4): 660-666. (in Chinese with English abstract)

Influence of improved structure of drying kiln on the uniformity of wind velocity flow field

Zhu Yifeng1, Sun Liping1※, Li Jicheng1,2

(1.,,150040,; 2.,,150030,)

A uniform flow field means the fluid flowing into a wood drying kiln with equal wind velocity per unit area. The uniformity of the wind flow field can determine the drying quality and efficiency of sawn timber in piles. However, there is often uneven distribution of flow field of wind speed in the top drying kiln. In this study, an improved design was presented by the combined Algorithm for Inventive-Problem Solving (ARIZ) and Computational Fluid Dynamics (CFD) in a wood drying kiln. The ARIZ was applied to modify the structure of the kiln, and the CFD technology was to analyze the improved model. The optimal model of wood drying kiln was obtained after a comprehensive evaluation. The better performance of wood drying equipment was achieved to clarify the influence of the structural parameters on the uniformity of flow field of wind speed in the kiln. In the experiment, a conventional drying was adopted, where the type of drying kiln was a small top air one. In the drying intermediate stage, the moisture was removed after the combined water inside the wood was transformed into steam, according to the airflow characteristics in the kiln. In a two-dimensional CFD simulation, the inlet and exhaust ports were considered to be fully open, where the initial wind speed was 3 m/s at the air inlet, and the exhaust port was free air. The simulation data were then compared with the measured to verify the model. Three aspects were applied to improve the design of the kiln under the ARIZ: to optimize the kiln structure, to adjust the gap between sawdust, and improve the diversion mode. Four schemes were designed for each improved direction, further to obtain a total of 12 geometric models. The CFD simulation was then used to analyze the flow field of wind speed of different models. Two directions were determined to adjust the gap between saw blades and adding deflector in the kiln. Four evaluation indexes were selected, including the cloud diagram for the flow field of wind speed, the difference of wind speed between detection points, the average speed, and the coefficient of speed unevenness. The wind speed data of 84 monitoring points were evaluated to iterate an optimal scheme. It was found that the difference of wind speed at the monitoring point decreased from 1.098 m/s to -0.058 m/s, approaching 0 in the modified optimum scheme. There was a small difference in wind speed between the top and bottom of the kiln, where the average speed increased by 15.60%. The coefficient of speed unevenness was reduced by 72.70%. As such, the performance indexes all met the requirements of national standards. Consequently, the iterative design of structure using ARIZ can effectively improve the non-uniform distribution of flow field of wind speed inside the kiln. The numerical simulation can provide a strong reference to design the drying kiln with a reasonable structure for energy saving and higher production.

drying; numerical simulation; drying kiln; wind speed flow field; Algorithm for Inventive-Problem Solving (ARIZ)

2021-07-12

2021-12-12

国家林业局林业公益性行业科研专项（201304502）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（2572017AB02）

朱伊枫，博士生，研究方向智能检测与监控及创新设计理论。Email：zhuyifeng@nefu.edu.cn

孙丽萍，教授，博士生导师。研究方向智能检测与监控。Email：zdhslp@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.036

TS652

A

1002-6819(2021)-24-0327-11

朱伊枫，孙丽萍，李季成. 干燥窑结构改进对风速流场均匀性的影响[J]. 农业工程学报，2021，37(24)：327-337. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.036 http://www.tcsae.org

Zhu Yifeng, Sun Liping, Li Jicheng. Influence of improved structure of drying kiln on the uniformity of wind velocity flow field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(24): 327-337. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.036 http://www.tcsae.org