多层带式干燥机风速场的CFD模拟及检验

多层带式干燥机是一种用途广泛、适应性很强的连续自动干燥机，具有占地面积小、干燥效率高等优点，广泛应用于各种行业的片类、颗粒类、条类、块类、梗类、渣糟类等物料的干燥加工。然而多层带式干燥机普遍存在烘箱内风速分布不均匀的问题，这既降低了干燥效率，又影响干燥物的品质。
产生这种现象的原因主要是干燥室结构不合理及物料堆放不均匀，影响了气流在干燥室内的分布。
此外，尽管有些干燥机的设计是穿流型式，但由于结构设计不合理，或被干燥物料特性不适合，并不一定能达到穿流干燥的效果。
如果想在干燥机工作状态下全面而准确地获得干燥机箱内速度分布数据是非常困难的，因为必须在干燥机内各个位置和方向设置传感器。而计算流体力学；CFD）这一有效而经济的研究方法能解决这个问题。计算流体动力学；CFD）是利用计算机上的数值求解描述流体运动、传热和传质的三传偏微分方程组，以便对上述现象进行过程模拟。CFD可以用来进行流体动力学的基础研究、复杂流动结构的工程设计、了解在燃烧过程中的化学反应、分析试验结果等2.运用CFD技术，求解空气在烘箱中流动的数学模型，并对此运动进行过程模拟，便可方便地得知烘箱中热风风速分布。
本文应用CFD模拟以及模拟试验，对多层带式干燥机箱内风速场进行研究，深入了解干燥机箱内流体动力状况，分析其特点并给出解释。
1多层带式干燥机风速场的实验测量1.1实验设备本实验的设备是多层带式干燥机，结构如。
干燥机总体长9.18m，宽2.25m，高5.03m，干燥机箱体长8.1m，宽2.25m，高3m，不锈钢表面，内部为钢结构，传送带为8目钢丝网。箱内有6层传送带，每层传送带长8m，宽2.15m.传送带与干燥机箱内壁有0.05m的间隙。蒸汽通过热交换器产生的干燥空气由风机从底部向上分层吹出，与物料进行传质传热。物料层厚度为10cm，干燥空气进口风温为70°C.实验物料及测量内容实验物料是大蒜小蒜头），产于山东省青岛。
大蒜经过去皮-分瓣-浸泡-去膜-漂洗-切片-滤干等工艺进入干燥机进行干燥。干燥时间约2小时。终产品水分含量为6.5.用QDF-2A型热球式电风速计测试进风风机口及箱内各测量点的风速。
1.3测量方法测量之前先打开干燥机运行10mM左右，待干燥机运行稳定、干燥机箱内流场达到稳定状态后进行测量。进风风机口测量点分布见，箱内测量点分布见。以干燥机底部中心为原点，干燥机箱长度方向为X向，宽度方向为Y向，高度方向为Z向，单位为m.所测得的风速方向为X向。
8进风风机口测量点分布数学模型及计算方法2.1数学模型及控制方程2.1.1模型的简化本课题的模拟对象是多层带式干燥机烘箱内热风风速分布问题，模拟的区域划定为多层带式干燥机的烘箱。烘箱内热空气的速度分布是个三维问题，所以对烘箱内外结构建立笛卡坐标。忽略传动、固定等部件的阻碍作用。由于考虑的是干燥机在稳定运行时的风速分布，所以可以近似看成是定常问题。计算空间内热风穿过物料层时采用FLUENT里的多孔介质模型计算。
2.1.2控制方程的确定在多层带式干燥机烘箱内风速场的数值计算过程中，假设烘箱内的湍流流动符合k-e湍流模型，并在近壁处用壁面函数法。在以上假设的基础上，以下两个方程构成了多层带式干燥机风速场数值计算的控制方程湍流能量耗散方程：d（puxk）d（puyk））来表示湍流情况，以下是相关参数计算式。
其中，为湍流平均速度，1为湍流强度。
其中，ReM为按水力直径DH计算得到的雷诺数。对于圆管，水力直径Dh等于圆管直径，对于其他几何形状，按等效水力直径确定。
其中，Cp取0.09./为湍流长度尺度，按下式计算：这里，L为关联尺寸。对于充分发展的湍流，可取L等于水力直径6.长和宽分别为A和B的矩形管道，其当量直径按下式计算：表1模拟的边界条件设置及其具体参数边界边界类型参数设置进口速度风速：7m么垂直于进风口平面=2.44m2/s出口压力表压：0Pa物料层多孔介质1/a= 2.2.2物料层将物料层视为多孔介质，空气穿过物料层以及在物料层中流动看成是多孔介质内的流动。多孔介质的模拟是通过在流体流动标准运动方程中添加一个运动源项来实现的7.此源项由粘性损失项和惯性损失项两部分组成。
其中Si是第i个（x，y或z）运动方程的源项，D和C是指定的系数矩阵。
对于各向同性的多孔介质，其中a为渗透性，（：2为惯性阻力因素，将D和C分别简化成对角为1/a和C2（其他元素为零）的矩阵。
料层和有挡板的位置则更复杂，所以本研究对多层带式干燥机烘箱整体采用非结构化网格进行划分，物料层进行了网格加密。
3.3CFD模拟过程为了使计算结果和现场实验测试结果有较好的可比性，选取与实际尺寸相同的整体多层带式干燥机作为计算域。计算域采用非结构化网格进行网格生成，并对物料层进行网格加密，整个计算域被划分为2386945个网格，有600305个节点。生成的计算域和网格见。
a和C2可根据以下公式计算：150（1-）2其中Dp为物料平均颗粒直径，为空隙率，即孔隙的体积与堆积床区域体积之比。
3多层带式干燥机风速场的CFD模拟bookmark5 3.1边界条件的确定及具体参数本文中CFD模拟的边界条件设置及其具体参数见表1.在多层带式干燥机烘箱内风速场是呈三维变边界条件设置及具体参数见表1.几何模型的4计算机上进行，计算机的配置为主频3.6GHz，内存2.00GB.计算时各项参数的收敛精度为10-4. 229步迭代计算，计算历时1小时32分。计算结果见。
结果与讨论bookmark6风速场的实验测量结果实验测量进风风机口风速分布结果如表2所示，这将作为以后CFD数值模拟的边界条件。
实验测得干燥机箱内风速分布图见。从图化的，所以本课题选择整个烘箱为计算域。
多层带式干燥机烘箱出口处结构不规整，在物湍动耗散率按下式计算：表2进风风机口风速测量点（Z=0.42）的中间风速比边缘风速高14m/s外，其差见表3.可以看出，各测量平面的平均风速变化不它测量平面的边缘风速都比平面中间的风速高大，都在1.92.2m/s范围之内，但是标准差都较大，1.54.5m/s.各风速测量平面的风速平均值和标准表3各风速测量平面的风速平均值和标准差测量平m）平均风速（m/s）标准差S离进风口越来越远，风速也越来越小。所以可以认为：①干燥机箱内各个干燥平面风速分布呈浪涌状，证实热风主要是从干燥机箱内边缘侧缝进入层面，而非穿透物料层进入（参见-ab，c，d，e，f）；②除上下两层外，所有其它层面内的风速分布基本一致，没有明显的差别（参见-匕，（，6，々；干燥平面边缘风速明显高于平面中间风速（参见）；④进风道内，离进风口越远，风速越小：参见图与干燥机箱纵截面相比，进风口面积很小，进入进风道的气流作射流运动。热风沿干燥机箱长度方向逐渐靠近干燥箱右壁，风阻逐渐增大，风速也逐渐减小。热风在进风道内沿长度方向前进的同时，也向上扩散。由于传送带以及物料堆积床层空隙小、阻力大，而传送带与干燥箱内壁四周都有0.05m的缝隙，所以热风几乎全部都从缝隙向上流动，穿透物料层的很少，热风在干燥机箱四周缝隙形成了短路。各物料堆积床层间距为0.3m，热风从机箱四周缝隙中进入各物料层间，空间急剧增大，气流在物料层边缘形成剧烈的扰动，所以干燥机箱内四周边缘形成高风速区域。物料堆积床层表面，四周都有热风向中间扩散，气流在物料层表面中间碰撞，从而使物料堆积床层间的风速呈浪涌状分布。出风口面积相对于干燥机箱纵截面同样较小。
气流向出风口附近汇集，形成出风口的主流区域。出风口处的风速较高，影响上层的通风道的风速分布，使其风速相对较高，分布不均。
风速场的模拟结果CFD模拟的干燥机箱内部流场的分布见。
图：6-a）为纵向剖面速度矢量图，4个剖面的y坐标分别是-0.625、0、0.375和1.075.剖面y=0为干燥箱正中纵向剖面，剖面y=1.075为干燥箱内物料层边缘纵向剖面，距干燥箱内壁0.05m，其速度分布云图分别为图（6-b）和图（6-c）。图（6-d）为水平方向剖面速度分布矢量图，六个剖面的z坐标分别是0.95、1.35、1.75、2.15、2.55和2.95.它们分别处于六个物料堆积床层上方。1m处，反映了物料层上表面风速分布情况。图（6-e）为底下物料层上方z=0.95剖面速度分布云图，图（6-f）为顶端物料层上方z=2.95剖面速度分布云图。从图中可以看出热风在进风道内作射流运动，沿着长度方向离进风口越远风速越小（见-b）；每个水平剖面边缘风速明显高于中间风速，从而在干燥机箱内边缘四周形成一个高风速区域：见-d，e，f）；各水平剖面内风速分布呈区域性变化，且z=2.95剖面风速比其它水平剖面的风速高。
风速场的模拟结果与实验结果的比较为干燥机箱内风速分布的模拟结果与实验结果的比较。从图中可以看出CFD数值模拟的干燥机箱内速度值变化趋势与实际测量结果保持一致。各个测量平面中，物料层边缘风速的CFD模拟值与实验测量值的差异较大，这可能与气流在物料层边缘形成剧烈的扰动有关。经计算，CFD模拟值与实验值之间的差异为0.00到3.46m/s之间，两组数据的标准偏差为1.557，80以上的误差在10以内。证明选用的CFD软件以及所选的模拟方案是可行的。
5结论⑴使用标准的k-e湍流模型以及多孔介质模型对多层带式干燥机箱内速度场进行模拟，其结果与实验测试结果吻合得很好，模拟值与实验值之间的差异为0.003.46m/s，标准偏差为1.557.证明选用的CFD软件以及所选的模拟方案是可行的。
⑵模拟结果表明，各个干燥平面风速分布呈浪涌状，并形成很多漩涡，而不是直接穿透或平行流过物料。