基于CFD 的热风干燥饲料过程内流场均匀性研究

李运会，任清长，沙学猛，金齐林，易克传*

（1.安徽科技学院 机械工程学院，安徽 凤阳 233100；2.蚌埠学院 应用技术学院，安徽 蚌埠 233010；3.安徽省凤阳县小溪河农机管理中心站，安徽 凤阳 233100）

0 引言

我国是世界饲料生产大国，饲料工业已经成为支持国民经济发展的重要基础产业之一［1-2］。干燥是饲料加工过程中必不可少的环节，而热风干燥作为一种环保且实用的干燥方式被广泛应用［3-4］。该方式利用循环风机将热风吹入干燥箱，加快内部空气的流动从而带走饲料中的水分，达到干燥的目的。因此，干燥箱内部流场分布的均匀性是得到干燥更均匀的饲料、降低干燥时间、减少干燥过程中能耗的关键［5］。

计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）技术是目前对干燥箱内部流场进行数值模拟计算的主要方法［6-7］，对于该技术的研究已取得较多成果。魏新龙等［8］对核桃烘干机进行设计，建立了烘干机内部热流固耦合模型并进行仿真计算，优化了烘干室内部的压力场和温度场分布。张鹏飞等［9］和Zhang 等［10］对带式烘干机不同饲料层厚度下的内部流场进行分析，根据结果选择风速分布最均匀的饲料层厚度。李浩涌［11］和王健等［12］对干燥箱内部流场特性和出风口风速进行模拟，通过引入速度偏差和速度不均匀系数对速度均匀性进行评估。本文借助FLUENT软件，以干燥箱进出风方式、进气口风速以及饲料层厚度作为变量，以干燥箱湍流均匀性和风速均匀性为对象，对饲料干燥箱内部流场均匀性进行分析，研究不同因素对饲料干燥箱内部流场分布的影响。

1 基于CFD 的有限元仿真模型的建立

1.1 干燥箱几何参数和网格划分

建立干燥箱简化模型如图1 所示。干燥箱长× 宽× 高为800 mm×400 mm×600 mm，进风口和出风口尺寸均为300 mm×120 mm。热风通过左壁面下方的进风口进入干燥箱，干燥箱中部设有物料层，用于堆积饲料。热风穿过物料层从位于干燥箱右壁面上方的出风口流出，通过空气流动带走饲料中的水分从而对饲料进行干燥。为了对干燥箱内部流场进行分析，将干燥箱内部空间作为计算域，基于非结构化网格的强适用性对计算域进行六面体网格划分［13］。为了更好地模拟干燥物料的特性，选用多孔介质模型，并对物料层进行局部网格加密处理。划分好的干燥箱整个计算域网格模型包含422 567 个节点和2 101 398 个单元。对网格质量进行检查，以歪斜率（Skewness）和正交质量（Orthogonal Quality）作为评价指标，其中，Skewness 大多趋于0，Orthogonal Quality 大多趋于1，表示网格质量较好［6］。本文模型网格Skewness 平均值为0.19，Orthogonal Quality 平均值为0.8，说明网格质量较好，可满足计算要求。

图1 干燥箱简化模型Fig.1 Simplified model of drying oven

1.2 边界条件

在饲料烘干过程中，干燥箱内部介质为空气，假设空气为不可压缩的流体。选择速度入口作为进气口边界条件，风速方向垂直于进气口平面进入干燥箱。压力出口作为排气口边界条件，出口压强为标准大气压。湍流模型选择工程上常用的Standardk-ε模型，其中，水力直径和湍流强度计算公式［13-14］为

式中，DH为水力直径，mm；A，B分别为进气口截面的长和宽，mm；I为湍流强度，m2/s2；v为平均风速，m/s；μ参考相关文献取值为1.789 4×10-5。

将饲料层看作为多孔介质，经过多次实验测量，本文饲料平均直径为4 mm，孔隙率为0.31，根据相关公式计算得到惯性阻力和渗透性分别为19 927 m-1和1.45×108m-2。

2 饲料干燥箱内流场仿真方案设计

2.1 湍流分布状况仿真

湍流分布区域位置以及湍流值存在差异是流场分布不均匀的体现之一，形成的湍流差值越大，内部流场越不均匀［4］。干燥箱在干燥饲料的过程中由于气体的流动会在内部形成明显的湍流区域，从而使热风集中在湍流区域。因此，使湍流分布区域更广且降低湍流分布差异是提高干燥均匀性的有效措施之一。将干燥过程中热风的进出风方式作为变量，分别对采用同侧进出风和对侧进出风两种进出风方式下的干燥箱内部流场湍流分布状况进行仿真分析。不同进出风方式示意图如图2 所示。将建立好的饲料干燥箱模型导入FLUENT，设置进气口风速为5 m/s，饲料层厚度为25 mm，仿真计算残差值为1×10-6。定义饲料层中间平面为监控截面，设置完成后进行仿真计算。

图2 不同进出风方式示意图Fig.2 Schematic diagram of different inlet and outlet air modes

2.2 风速分布状况仿真

将干燥过程中进气口风速和饲料层厚度作为变量，对不同工况下干燥箱内部风速分布状况进行分析。将建立好的饲料干燥箱模型导入FLUENT，分别设计进气口风速为5、7、9 m/s，饲料层厚度为25、40、55 mm 的双因素全面试验，仿真计算残差值为1×10-6。为了对饲料干燥箱内部流场特性进行分析，在计算域设置监控，取饲料层上表面和下表面为监控截面，并分别在上下表面上等距定义9 个采样点。定义流场风速均匀性指标为

式中，ε为风速均匀度；n为采样点个数；vi为第i个采样点的风速，m/s；为第j个截面的平均风速，m/s。

3 饲料干燥箱内流场仿真结果分析

3.1 湍流分布状况分析

图3 为两种不同进出风方式下截面湍流分布云图，表1 为不同进出风方式下湍流结果对比。可以看出，不同进出风方式下所产生的湍流区域基本相同。当同侧进出风时，湍流强度最大差值达到2.208，且分级明显。因此，该种进出风方式下在湍流强度较大的地方会产生回风，从而使热风分布不均，影响饲料干燥效果。当对侧进出风时，湍流强度最大差值较同侧进出风减小了42.5%，湍流分布更加均匀，从而使饲料干燥更加均匀。

表1 不同进出风方式下湍流结果对比Tab.1 Comparison of turbulence results of different inlet and outlet modes

图3 不同进出风方式下截面湍流分布Fig.3 Cross-section turbulence distribution under different inlet and outlet air modes

3.2 风速分布状况分析

当饲料层厚度为25 mm时，不同风速下截面各采样点风速值如图4所示。当进气口风速为5 m/s时，不同饲料层厚度下截面各采样点风速值如图5所示。

图4 不同进口风速下关键截面各点风速对比Fig.4 Comparison of wind speed at each point of key section under different inlet wind speed

图5 不同饲料层厚度下截面各点风速对比Fig.5 Comparison of wind speed at each point of cross-section under different feed thickness

对不同工况下风速均匀性进行计算，结果见表2。结果表明，当风速不变时，由于气流穿越饲料层受阻力影响，同一进气口风速下上表面风速平均值小于下表面风速平均值；随着饲料层厚度增大，阻力越大，饲料层上表面风速平均值也随之减小。对比各采样点风速模拟值发现，上表面3、6、9 三个采样点的风速值较大，三个点的位置主要分布在干燥箱右上边，由于此处靠近出风口，气流穿过饲料层后从此处流出，因此风速逐渐增大；下表面2、5、8 三个采样点的风速值较大，三个点的位置主要分布在干燥箱中部区域，由于气流到达饲料层遇到阻力，在此处形成涡流，导致风速增大。从风速均匀度分析，上表面风速均匀度随着饲料层厚度的增加而增大，下表面风速均匀度随着饲料层厚度的增加而减小。当饲料层厚度不变时，随着进气口风速的增大，饲料层表面风速平均值也随之增大。但是，随着风速的增加会使得饲料层表面风速均匀度逐渐降低。从各采样点风速模拟值发现，上表面风速较大值出现在3、6、9 三个采样点，下表面风速较大值出现在2、5、8三个采样点，与上述分析结果基本一致。

表2 不同进口风速和饲料层厚度下截面风速特征值Tab.2 The characteristic value of cross-section wind speed under different inlet wind speeds and feed thickness

4 结论

通过研究不同因素对饲料干燥箱内部流场均匀性分布的影响，结论如下：

1）对侧进出风能加快干燥箱内部空气流动，相对于同侧进出风方式来说，可明显降低干燥箱湍流强度和湍流分布差异，提高流场均匀性。

2）饲料层上表面右边缘区域风速明显较大，主要由于此处靠近出风口，气流穿过饲料层后从此处流出，因此风速逐渐增大；饲料层下表面中部区域风速明显较大，主要由于气流到达饲料层遇到阻力，在此形成涡流，导致风速增大。

3）当风速不变时，饲料层上表面风速均匀度与饲料层厚度成正比，饲料层上表面风速平均值与饲料层厚度成反比，下表面风速均匀度与饲料层厚度成反比；当饲料层厚度不变时，饲料层表面风速均匀度与进气口风速成反比，表面风速平均值与进气口风速成正比。