不同进风方案下隧道烘干窑热风流场CFD模拟和优化_师建芳

第 14 期
师建芳等：不同进风方案下隧道烘干窑热风流场 CFD 模拟和优化
317
湍流动能（k，m2/s2） ： ( k ) ( k ) eff k Gk （3） t 式中：Gk 为由于平均速度梯度引起的湍流动能 k 的 产生项；ε 为湍流消散率，m2/s3。 湍流消散率：
t -P
2.2
d.4 风机、6 风机和 9 风机进风口 d. 4, 6 and 9 fans blowing designs
2 eff 1 I g 3
（2）
图 1 模拟的隧道烘干窑结构 Fig.1 Structure of tunnel dryer simulated
2 ( ) eff C1 Gk C2 t k k （4） 式中：C1ε 和 C2ε 为模型常数，C1ε=1.44 和 C2ε=1.92。 2.4 边界条件 进口 x = 0 处：进口速度边界条件，即根据 6 300 m3/h 总风量和风机个数，分别计算方案下的 进口风速。例如，单风机直进风方案下，长度方向 风速 Vx = 9 m/s，宽度和高度方向风速 Vy，Vz = 0。 出口 x = 15 m 处： 压力出口边界条件，P = 0 （相对外界大气压） ； 壁面：无滑移边界条件，即风速各风量均为 0， Vx, Vy, Vz = 0。 2.5 模型求解 以上数学模型采用数值方法求解，采用中间差 分格式对对流项，扩散项进行离散；采用 Euler 方 法对非稳态项进行离散；迭代法求解离散后的代数 方程；SIMPLE 方法求解代数方程组。 上述模型求解采用商用 CFD 软件 FLUENT6.3， 具体运行在 Dell 小型工作站。 该工作站含 8 核 CPU （中央处理器），每核运算频率为 1.2 GHz，内存 12 GB，硬盘 500 GB。每次运行时间为 4～7 d。
第 30 卷 2014 年
第 14 期 7月
农 业 工 程 学 报 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
Vol.30 No.14 Jul. 2014 315
不同进风方案下隧道烘干窑热风流场 CFD 模拟和优化
师建芳 1，吴中华 2，刘 清 1，娄 正 1，赵玉强 1，朱 明 1※
图 3 单风机烘干窑内部气流速度向量图 Fig.3 Air velocity vector inside whole tunnel dryer 表 1 空载情况下烘干窑内局部气体速度模拟和试验值 Table 1 Comparison of simulated and experimental values of local gas velocities inside tunnel dryer without material loading
寸设计； 6 风机方案中， 每个风机的风量为 1 050 m3/h， 参考 SJG-3.5S-4 型风机尺寸设计；9 风机方案中， 每个风机的风量为 700 m3/h，参考 SJG-2.5S-5 型风 机尺寸设计。
2
2.1
CFD 建模
物理模型 图 1 所示的隧道烘干窑结构进行适当限定和简 化后，得到的烘干窑内部流场的物理模型如图 2 所 示。计算区域主要包括烘干窑入口进风段和烘干段。
（1. 农业部规划设计研究院农产品加工工程研究所，北京 100125；2. 天津科技大学机械工程学院，天津 300222） 摘 要：隧道烘干窑内同一横截面的热风均匀性影响着物料干燥均匀性和产品质量，而烘干窑入口风速分布直接 影响着窑内热风流场的均匀分布。为了解决单一风机直进风隧道烘干窑存在的风速不均匀问题，提出了多种进风结 构设想，并利用计算流体力学方法对实际生产的隧道窑进风流场进行数值模拟，研究 3 种不同的进风方案（4 风机、 6 风机和 9 风机）对隧道窑内热风流场均匀性的影响。模拟结果表明：6 风机方案下隧道窑入口处进风均匀，热风 扩散距离短，窑内热风流场整体均匀性较佳，综合性价比最高。研究结果为隧道窑入口进风的设计提供参考。 关键词：计算流体力学；数值分析；干燥；流场；热风干燥；隧道式烘干窑 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.14.039 中图分类号：S375 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2014)-14-0315-07 师建芳，吴中华，刘 清，等.不同进风方案下隧道烘干窑热风流场 CFD 模拟和优化[J].农业工程学报，2014， 30(14)：315－321. Shi Jianfang, Wu Zhonghua, Liu Qing, et al. CFD simulation and optimization of airflow field in industrial tunnel dryer with different blowing designs[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(14): 315－321. (in Chinese with English abstract)
在保持总进风量为 6 300 m3/h 基础上，本文将 单风机进风结构改为多风机进风结构， 具体为 4， 6， 9 风机方案，如图 1d 所示。4 风机方案中，每个风 机的风量为 1 575 m3/h，参考 SJG-3.5S-5 型风机尺
式中：P 为气体所受的压力，Pa；μeff 为流体有效黏 度，Pa·s；I 为单位张量；g 为重力加速度，m/s2。 进入烘干窑内空气呈湍流状态，本模型利用流 体工程常用的 k-湍流模型描述烘干窑内空气湍流。 方 湍流状态主要由湍流动能 k 和湍流耗散率表示， 程如下：
1
隧道烘干窑结构
逆流直进风隧道窑主要由风机、燃烧炉、进风
316
农业工程学报
2014 年
口、隧道窑、物料小推车构成。燃烧炉将空气加热 到预定温度，产生的热风由鼓风机送入隧道窑内。 热风方向与物料小推车运动方向相反，称为“逆流 式” 。热风由隧道窑前段正向吹入，称为“直进风” 。 本文拟改造进风结构的隧道烘干窑结构如图 1 所示，是一座位于陕西省洋县天宏农产品专业合作 社、用于豇豆烘干的逆流单风机直进风隧道窑。该 烘干窑为隧道式结构，总长 15 m。自风机进风口至 烘车的 1.5 m 为进风段，由风机进风口 d，扩散口 c （含百叶窗式布风板）构成。烘干段长 13.5 m，宽 2.29 m，高 2.25 m，内置 16 辆烘车，烘车 b 整体高 2.20 m， 装载 19 层新鲜豇豆物料， 料层 （每层物料、 料盘及支撑）高度 22.5 mm，物料与下层物料间隙 80 mm（热风通过） ，窑顶部与车顶部间隙 50 mm， 车与窑地面间隙 112.5 mm。物料视为密实分布，即 热风自右向左进入风机连接管 d 后，在扩散口 c 处 初步扩散，自小车物料层间隙和小车与窑体间隙同 时穿过，最后到达窑尾部出口。
车上没有堆载物料，上下层之间存在气流扩散）进 行；采用风速仪（VT100，法国 KIMO）测量隧道 窑热风出口处，以及隧道窑内 16 个物料小车中间 截面处风速分布； 每个截面均匀地选择 9 个测量点， 因此总共 153 个测量点[21]。表 1 对 15 个典型测量 点进行了试验和模拟风速值，模拟和试验结果表 明：CFD 模拟可以用来研究烘干窑内气体流场。
Fig.2
图 2 隧道烘干窑物理模型 Physical domain for tunnel dryer
a.总体结构主视图 a. Main view of overall structure
b.小车图 b. Figure of car
c.扩散口 c. Diffuser
网格划分 烘干窑网络结构按非均匀分布网格划分。在进 风段，由于流场变化大，网格较密集。在烘干段中 后部，流场变化平缓，网格稍疏松。大部分区域为 结构化网格，只在含布风板的扩散段使用非结构化 网格。 2.3 控制方程 在烘干窑热风流场模拟试验中，假定热空气与 豇豆之间不存在热质交换，因而只需考虑进入烘干 窑内热空气的质量和动量守恒。 （公式编辑器也不 能把公式加粗，也不能把斜体改成不斜的，下同） 质量守恒方程： 0 （1） t 式中：为热空气密度，kg/m3；t 为热空气流动时 间，s； 为热空气速度矢量的散度； 为热空气速 度矢量，m/s。 动量守恒方程：
收稿日期：2013-11-25 修订日期：2014-07-05
基金项目： 公益性行业 （农业） 科研专项 （200903009） ； 公益性行业 （农 业）科研专项（201003007） 作者简介：师建芳（1980－） ，女，陕西韩城人，高级工程师，主要从 事农产品加工工艺及工程装备的研究。 北京 农业部规划设计研究院农 产品加工工程研究所，100125。Email：sjf-yb@ ※通信作者：朱明（1958－） ，男，研究员，主要从事农业机械，农产 品加工和农业产业工程发展方面的研究。北京 院，100125。Email：Mingzhu@ 农业部规划设计研究
性，进而影响产品品质。 烘干窑烘干生产中入口热风分布可采用试验 测量或数值模拟测得。试验测量一般采用各类风速 测量设备在进风口处进行多点测量，继而拟合各点 风速信息，得到入口处风场分布。数值模拟则应用 计算流体力学方法（computational fluid dynamics， CFD），对烘干窑入口结构进行 CFD 建模并求解， 得到烘干窑入口流场信息。 试验法测量准确，但信息量少，信息获取时间 长；数值模拟法可得到整体流场分布，信息量大， 时间短，并可方便进行结构改进，但数值模拟精度 需对比试验验证。CFD 模拟广泛应用于喷雾、流化 床、 射流、 喷动等干燥器内流场模拟及结构优化[16-20]， 但应用于农产品干燥设备如隧道烘干窑研究较少。 作者前期对实际应用于豇豆烘干的逆流单风 机直进风隧道窑进行了试验测量和 CFD 模拟研究， 发现单风机进风时隧道窑内部风场均匀性较差[21]， 导致了生产实践中豇豆烘干不均匀。为了解决单风 机直进风隧道烘干窑存在的入口处和同一横截面 风速不均匀问题，本文提出了多风机进风结构设 想，并利用前期已建立的 CFD 模型对 3 种不同的 进风方案（4 风机、6 风机和 9 风机）进行模拟研 究，分析多风机进风结构对入口进风流场及隧道窑 内热风流场均匀性的影响，为入口结构改进设计， 提高隧道窑干燥均匀性提供依据。