丁宇 張靜 何正斌 伊松林

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083)

太陽能是一種綠色可再生資源，通過太陽能干燥室利用太陽能資源對木材單板進(jìn)行加工，能加快單板干燥速度，提高干燥質(zhì)量，在一定程度上可以替代常規(guī)能源，減少木材加工過程中的污染氣體排放[1]。國內(nèi)外的一些研究表明，單板太陽能干燥室中，由于單板的尺寸及含水率特性，干燥窯內(nèi)單板的干燥速度及干燥質(zhì)量，與干燥介質(zhì)的濕度和溫度的均勻度及分布情況緊密相關(guān)；同時(shí)，干燥室內(nèi)溫度、濕度這些特性受到干燥窯內(nèi)介質(zhì)風(fēng)速場的直接影響[2-3]。干燥窯內(nèi)風(fēng)速場的均勻性會影響到材堆整體的干燥速度、干燥質(zhì)量、干燥均勻程度，因此，對干燥窯內(nèi)風(fēng)速場均勻性的探究十分必要[4]。

干燥窯內(nèi)風(fēng)速場的均勻性與介質(zhì)的循環(huán)風(fēng)速、干燥室的具體構(gòu)造等因素有關(guān)[5-6]。在實(shí)際生產(chǎn)過程中探究出干燥室內(nèi)的最佳風(fēng)速條件，需要調(diào)整循環(huán)風(fēng)速及干燥室內(nèi)的構(gòu)造，再對干燥室內(nèi)的干燥介質(zhì)條件進(jìn)行實(shí)地測量，工作量很大，且存在誤差及很多不確定因素[7]。根據(jù)現(xiàn)有的干燥室條件，選擇合適的循環(huán)風(fēng)速、材堆與側(cè)墻的距離，可以改善干燥室內(nèi)風(fēng)速場的均勻性，對提高干燥產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源有重要的意義[8-9]。因此，可以將計(jì)算流體力學(xué)引入木材室內(nèi)流場的研究中。計(jì)算流體力學(xué)是一種計(jì)算機(jī)輔助軟件，通過建立數(shù)學(xué)模型和物理模型，利用計(jì)算機(jī)對其進(jìn)行仿真模擬求解[10-11]。通過計(jì)算流體力學(xué)軟件模擬出來的結(jié)果其真實(shí)性可以達(dá)到90%以上，與傳統(tǒng)的實(shí)際測量方法相比，節(jié)省了更多的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)[12]。

筆者以山東濰坊富順節(jié)能科技有限公司小型的頂風(fēng)式太陽能木材干燥室為模型，使用計(jì)算流體力學(xué)軟件對干燥室的實(shí)際尺寸進(jìn)行建模和數(shù)值模擬，改變初始邊界條件和干燥室內(nèi)部結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同循環(huán)風(fēng)速、材堆與側(cè)墻的距離，對干燥室內(nèi)風(fēng)速場的均勻度進(jìn)行分析，得出適合該干燥室的最優(yōu)風(fēng)速、材堆與側(cè)墻的距離。之后按照模擬得出的最優(yōu)流場條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，接著對模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性及真實(shí)性進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)模擬結(jié)果的精確度。本實(shí)驗(yàn)可以為不同干燥室的最佳參數(shù)的設(shè)定提供參考。

1 材料與方法

1.1 干燥室

小型頂風(fēng)式木材太陽能干燥室，尺寸為長4.2 m、寬3 m、前方高2.25 m、后方高2.55 m，干燥室頂棚的寬度為2 m，距離地面的高度為1.7 m。干燥間的容積為4.0 m×2.8 m×1.6 m，一次可裝載4～5 m3的木材；外壁除了后墻外均采用鋁合金框架貼附10 mm厚的4層中空PC陽光板制成。干燥室頂部安裝有兩臺額電功率為0.55 kW的YTW801-4型軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的直徑為0.5 m，干燥室前后均設(shè)有進(jìn)排氣道，通過控制氣道的開啟與關(guān)閉，調(diào)節(jié)干燥室內(nèi)干燥介質(zhì)的溫濕度狀態(tài)。

1.2 材堆與單板

材堆的尺寸為長1.3 m、寬0.7 m、高1.5 m，材堆的底部距離地面0.1 m，隔條的厚度為0.025 m，碼垛的單板層數(shù)為50層，單板的尺寸為1.25 m×0.65 m×0.003 m，材堆與干燥窯墻壁的距離可以自由調(diào)整。

1.3 方法

通過對頂風(fēng)式木材干燥室進(jìn)行建模和數(shù)值模擬，分析在特定風(fēng)速條件下和不同材堆到側(cè)墻距離時(shí)，干燥窯內(nèi)部風(fēng)速場的均勻性，選出最優(yōu)組合，并按照最優(yōu)的組合條件對其經(jīng)行驗(yàn)證。首先，將材堆與干燥窯墻壁的距離設(shè)定為0.5 m，風(fēng)速分別設(shè)為3、5、7 m/s，通過比較干燥窯內(nèi)介質(zhì)流體的分布情況及干燥介質(zhì)進(jìn)出材堆的情況，探究出該條件下最均勻的初始風(fēng)速。之后，在材堆到側(cè)墻的距離分別為20、30、40、50、60 cm的設(shè)置中，從實(shí)驗(yàn)得出的頂風(fēng)風(fēng)機(jī)的最優(yōu)風(fēng)速里選出風(fēng)速最均勻的一組。按照模擬結(jié)果中風(fēng)速場分布最均勻的一組條件進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。

1.4 干燥室內(nèi)部流場的數(shù)值模擬原理及過程

采用計(jì)算流體力學(xué)軟件對干燥室進(jìn)行模擬和分析，對太陽能干燥室建模及參數(shù)設(shè)置過程如下。

1.4.1 建立模型及劃分網(wǎng)格

根據(jù)太陽能干燥室的真實(shí)尺寸，按照1∶1的比例創(chuàng)建模型。建模完成后需要對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散化，即經(jīng)行網(wǎng)格的劃分。本研究直接對面(或者體)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，2D網(wǎng)格劃分的數(shù)量為6萬個(gè)，3D網(wǎng)格的數(shù)量約為50萬個(gè)，2D結(jié)果如圖1。

1.4.2 邊界條件類型的指定

頂部風(fēng)機(jī)按照逆時(shí)針的順序進(jìn)行送風(fēng)，因此將左側(cè)進(jìn)氣口的邊界條件定義為速度入口邊界條件，風(fēng)速的大小可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，湍流動能設(shè)置為0.4 m2/s2，湍流耗散率設(shè)置為0.1 m2/s2，空氣介質(zhì)的初始溫度設(shè)置為330 K。指定右邊出口邊界條件為充分發(fā)展，出口設(shè)定為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，干燥室內(nèi)壁和木材表面選擇壁面邊界條件，設(shè)定為無滑移的靜壁面，采用對流換熱方式進(jìn)行熱交換，初始溫度300 K。

圖1 干燥窯模型的建立與網(wǎng)格的劃分

1.4.3 計(jì)算流體力學(xué)軟件求解過程

(1)求解器的定義。采用壓力隱式求解器，壓力基求解器可以按照順序依次求解動量方程、壓力修正方程、能量方程和組分方程及其他標(biāo)量方程(例如湍流方程)等。

(2)數(shù)學(xué)計(jì)算模型的選擇。本研究模擬過程中需用到以下的控制方程。

質(zhì)量守恒定律：

(1)

動量守恒定律：

(2)

能量守恒定律：

(3)

模擬過程中用到的湍流模型為Realizableκ-ε模型：

(4)

(5)

式中：U為室內(nèi)空氣流速(m/s)；ρ為室內(nèi)流體密度(kg/m3)；μ為動力黏度(Pa·s)；ui、uj分別為xi、xj方向的時(shí)均速度；xi為直角坐標(biāo)系的3個(gè)坐標(biāo)軸；σk=1.05，σε=1.25，經(jīng)驗(yàn)常數(shù)C1=1.44，C2=1.92；f為單位質(zhì)量流體所收到的質(zhì)量力；e為內(nèi)能；q為單位質(zhì)量流體內(nèi)熱源單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量；T為溫度；E為時(shí)均張力。

1.4.4 計(jì)算結(jié)果的輸出

在軟件中設(shè)置相關(guān)參數(shù)及初始化流場，對模型進(jìn)行迭代計(jì)算，計(jì)算過程中的殘差動態(tài)顯示見圖2，橫坐標(biāo)表示迭代次數(shù)，縱坐標(biāo)表示殘差值?？梢钥闯?，大概經(jīng)過2 200步左右的迭代計(jì)算后，各個(gè)方程計(jì)算結(jié)果的殘差都已經(jīng)小于10-6，計(jì)算收斂，模擬結(jié)束，可以導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果。

圖2 計(jì)算過程中殘差動態(tài)顯示圖

1.5 模擬結(jié)果的實(shí)際驗(yàn)證與分析

將干燥室內(nèi)氣流分布的速度場云圖通過圖形可視化的方法輸出，并繪制需要得到的測點(diǎn)位置的XY散點(diǎn)圖，通過不同情況時(shí)干燥窯內(nèi)氣流分布情況，得出最優(yōu)條件。根據(jù)模擬得出的最優(yōu)條件進(jìn)行試驗(yàn)，在干燥室內(nèi)進(jìn)行實(shí)際風(fēng)速的測量，對比分析模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)之間的精確度，驗(yàn)證該模擬過程的準(zhǔn)確性和可行性。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥室內(nèi)部最佳循環(huán)風(fēng)速

材堆與墻壁之間的距離為0.5 m，風(fēng)機(jī)的循環(huán)風(fēng)速分別為3、5、7 m/s時(shí)，計(jì)算機(jī)軟件模擬干燥室內(nèi)風(fēng)速場分布云圖如圖3所示。干燥窯寬度方向?yàn)閄軸，高度方向?yàn)閅軸，長度方向?yàn)閆軸。圖中不同的顏色代表的風(fēng)速值不同，紅色代表該點(diǎn)風(fēng)速值較大，藍(lán)色代表該點(diǎn)風(fēng)數(shù)值較小。

對風(fēng)速場的模擬結(jié)果進(jìn)行分析可以看到，不同初始風(fēng)速條件下，模擬圖中顏色分布規(guī)律基本相同，材堆進(jìn)風(fēng)側(cè)(X=0.5 m)及出風(fēng)側(cè)(X=2.5 m)的風(fēng)速變化情況大致相同，干燥介質(zhì)在干燥窯內(nèi)部沿著干燥窯長軸的中心平面(Z=2.1 m)呈對稱分布，同時(shí)長軸中心平面(Z=2.1 m)兩邊的區(qū)域又分別對于頂部兩個(gè)風(fēng)機(jī)的中心平面(Z=1.05 m、Z=3.15 m)呈對稱分布。從出風(fēng)口開始，顏色逐漸從紅色變?yōu)樗{(lán)色，進(jìn)風(fēng)側(cè)平面的風(fēng)速在高度方向(Y軸)呈現(xiàn)先減小再增加的趨勢，同時(shí)沿著兩側(cè)風(fēng)機(jī)中心所在的平面(Z=1.05 m、Z=3.15 m)，向兩側(cè)也呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢。這是因?yàn)楫?dāng)干燥介質(zhì)從風(fēng)機(jī)頂部的出風(fēng)口流向干燥窯內(nèi)部時(shí)，氣流與干燥窯內(nèi)壁及頂部的擋板產(chǎn)生碰撞，并且向四周發(fā)散，產(chǎn)生了一部分能量損失，氣體的速度減小。當(dāng)流體與干燥窯內(nèi)壁發(fā)生碰撞，改變方向向下流動時(shí)，由于重力的作用，流體的速度增加，氣流抵達(dá)材堆的下部時(shí)，速度增大。之后，氣流再與干燥窯底部發(fā)生碰撞改變方向，同時(shí)繼續(xù)損失一部分能量。所以在干燥窯的寬度方向(X軸)，流體每改變一次方向，流體的速度就會減少一部分，由于氣流的相互作用，干燥窯壁面及角落附近的流速都較低。

對比不同風(fēng)速條件下的風(fēng)速云圖可以看出，進(jìn)風(fēng)側(cè)平面整體的風(fēng)速大于出風(fēng)側(cè)，并且當(dāng)頂部風(fēng)速增大時(shí)，干燥介質(zhì)整體上在干燥窯長軸方向的分布規(guī)律相似，材堆進(jìn)風(fēng)側(cè)與出風(fēng)側(cè)的風(fēng)速分布都比較均勻，差異值較小。由于干燥介質(zhì)速度的大小會直接影響物料與干燥介質(zhì)之間的能量交換，從而影響干燥速率，干燥室內(nèi)流經(jīng)材堆氣流速度應(yīng)為1～3 m/s，且在一定范圍內(nèi)干燥速度隨著干燥介質(zhì)流速的增加而增加；同時(shí)風(fēng)速過大時(shí)，能量利用率降低[13]。當(dāng)頂部風(fēng)機(jī)風(fēng)速降低至3 m/s時(shí)，材堆進(jìn)風(fēng)側(cè)的風(fēng)速下降至1 m/s以下，流速過緩，影響干燥速度，降低物料的干燥速率。當(dāng)頂部風(fēng)機(jī)風(fēng)速增加至7 m/s時(shí)，材堆進(jìn)風(fēng)側(cè)部分位置的風(fēng)速已經(jīng)超過3 m/s，風(fēng)速過大時(shí)，單板與介質(zhì)之間的能量交換效率降低；并且此時(shí)頂風(fēng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速較大，消耗的電能也更大。同時(shí)從縱向(Z軸方向)兩個(gè)材堆之間的通道中流過的氣流的流速增大，這些未與單板進(jìn)行熱量交換的無用氣流(即風(fēng)量損耗)的量增加。而當(dāng)頂部風(fēng)機(jī)風(fēng)速為5 m/s時(shí)，此時(shí)進(jìn)風(fēng)側(cè)的風(fēng)速均勻，速度大小合適，能滿足干燥過程中風(fēng)速的基本要求，所以選擇5 m/s為實(shí)驗(yàn)中干燥時(shí)的最佳風(fēng)速。

2.2 干燥室內(nèi)部材堆到側(cè)墻最佳的距離

根據(jù)前文頂部風(fēng)機(jī)不同風(fēng)速時(shí)的模擬結(jié)果可以看出，干燥窯內(nèi)的氣流分布在不同的方向呈現(xiàn)一定的規(guī)律。因此，通過計(jì)算流體力學(xué)軟件模擬材堆到側(cè)墻距離為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 m的情況后，選擇最有代表性的截面(頂風(fēng)風(fēng)機(jī)的對稱面)對干燥室內(nèi)的氣體流場分布情況進(jìn)行分析，材堆進(jìn)出風(fēng)側(cè)風(fēng)速分布云圖及風(fēng)速值散點(diǎn)圖見圖4。可以看到，改變材堆到干燥窯側(cè)墻距離，氣流從風(fēng)機(jī)出風(fēng)口流出后沿著擋風(fēng)板水平流過頂部的風(fēng)機(jī)間，與干燥窯窯壁發(fā)生碰撞后改變氣流的方向；之后沿著干燥室內(nèi)壁與材堆之間的垂直氣道向下流動，接著氣流與干燥窯壁發(fā)生碰撞擴(kuò)散后橫向通過材堆，加熱試材帶走水分后，完成一個(gè)循環(huán)。在這整個(gè)循環(huán)的過程中，干燥窯左右兩側(cè)及底部的氣體流速較大，干燥窯材堆之間的中心區(qū)域風(fēng)速較小。氣體經(jīng)過擋板與干燥室內(nèi)壁之間的轉(zhuǎn)角進(jìn)入干燥室內(nèi)時(shí)，風(fēng)速先增大后減?。粴饬鳈M向經(jīng)過材堆時(shí)，材堆上部的風(fēng)速較小，下部的風(fēng)速較大。這是因?yàn)樵陲L(fēng)速和重力的作用下，氣流從風(fēng)機(jī)沿著頂部擋板從風(fēng)機(jī)室流入干燥室時(shí)，氣道距離變窄，氣體流速先變大。氣流會與靠近材堆中上部和干燥窯內(nèi)壁發(fā)生碰撞，碰撞后氣流紊亂堆積形成湍流，湍流的大小受氣流速度和氣道寬度的影響，材堆進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速整體上會呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。受渦流的影響，大部分氣流進(jìn)入干燥室下部，而只有少部分氣流能夠沿水平方向，流入材堆間的水平氣道，最終導(dǎo)致材堆間沿高度方向各層板材的干燥速率不一致，終含水率不均勻，因此需要對比不同距時(shí)材堆高度方向的氣流分布情況。

圖3 干燥室內(nèi)風(fēng)速場分布云圖

圖4 不同材堆與側(cè)墻距離的風(fēng)速分布云圖

對比不同距離時(shí)干燥窯內(nèi)的風(fēng)速云圖可知，隨著材堆與側(cè)墻距離的增加，干燥室內(nèi)左側(cè)材堆進(jìn)風(fēng)側(cè)的速度逐漸減小，材堆之間形成的渦流區(qū)域減少。同時(shí)，不同高度之間速度的差值逐漸減少，氣流的紊亂程度逐漸降低。

通過計(jì)算流體力學(xué)軟件模擬出材堆與墻壁不同距離時(shí)的風(fēng)速云圖后，選取不同距離X，導(dǎo)出材堆進(jìn)出端口處的風(fēng)速值散點(diǎn)圖，黑色、紅色散點(diǎn)分別代表進(jìn)風(fēng)側(cè)、出風(fēng)側(cè)的風(fēng)速值，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，材堆進(jìn)風(fēng)側(cè)與出風(fēng)側(cè)的風(fēng)速沿著材堆高度方向，從上往下，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。隨著距離的增加，材堆進(jìn)風(fēng)側(cè)與出風(fēng)側(cè)風(fēng)速的差值逐漸減小。

a.材堆與側(cè)墻距離為0.2 m;b.材堆與側(cè)墻距離為0.3 m;c.材堆與側(cè)墻距離為0.4 m;d.材堆與側(cè)墻距離為0.5 m;e.材堆與側(cè)墻距離為0.6 m。

為了直觀地進(jìn)行對比分析，表示出干燥窯內(nèi)風(fēng)速的分布情況，對不同模擬條件的進(jìn)風(fēng)側(cè)和出風(fēng)側(cè)風(fēng)速的平均值、極差、方差進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果見表1。

表1 風(fēng)速的平均值、極差、方差

可以看出，當(dāng)頂風(fēng)風(fēng)機(jī)風(fēng)速為5 m/s，距離為0.4 m時(shí)，材堆兩側(cè)的平均風(fēng)速最均勻，距離為0.2 m時(shí)，介質(zhì)進(jìn)出材堆時(shí)風(fēng)速平均值的差異值最大。左側(cè)材堆進(jìn)風(fēng)側(cè)的平均風(fēng)處于2～4 m/s的區(qū)間。當(dāng)材堆與干燥室內(nèi)壁的距離增加時(shí)，左側(cè)材堆進(jìn)風(fēng)側(cè)的平均速度逐漸減??；同時(shí)，進(jìn)風(fēng)側(cè)與出風(fēng)側(cè)的平均風(fēng)速差值隨著距離的增大，差異值也逐漸減小。當(dāng)距離增大時(shí)，進(jìn)入材堆的平均風(fēng)速逐漸減少，說明風(fēng)速損耗逐漸增大，介質(zhì)的有效利用率逐漸降低。同時(shí)，平均風(fēng)速的差異值隨著距離的增加，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

隨著距離的增加，進(jìn)出材堆的干燥介質(zhì)速度差值也呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。當(dāng)距離為0.4 m時(shí)材堆測點(diǎn)的速度差異值最小，當(dāng)距離為0.2、0.6 m時(shí)，差異值都較大?？梢娫龃蟾稍锸抑械耐獾揽梢詼p少局部氣流過于激烈的變化，從而減少局部干燥缺陷的產(chǎn)生，但是當(dāng)距離過大時(shí)反而對整體干燥介質(zhì)的均勻性有一定的負(fù)面影響。

從不同測點(diǎn)干燥介質(zhì)的方差可以看出，左側(cè)材堆進(jìn)風(fēng)側(cè)各點(diǎn)的風(fēng)速離散性較高，在材堆高度方向上，各點(diǎn)的風(fēng)速分布的差異性較大；當(dāng)距離為0.4 m時(shí)，進(jìn)風(fēng)側(cè)風(fēng)速的離散性較低，風(fēng)速波動較小，這樣就說明此時(shí)材堆上部和下部的干燥介質(zhì)流速差異性較小，有利于干燥的均勻進(jìn)行。同時(shí)對比其他測點(diǎn)的方差也可以看出，距離為0.4 m時(shí)，干燥介質(zhì)的速度相對于其他條件時(shí)也比較均勻。

綜合所有模擬的結(jié)果來看，當(dāng)頂部風(fēng)速為5 m/s，側(cè)墻與材堆的距離為0.4 m時(shí)，干燥介質(zhì)的均勻性最好。

2.3 模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的對比

為了驗(yàn)證干燥室內(nèi)風(fēng)速場模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將計(jì)算流體力學(xué)軟件模擬的最優(yōu)結(jié)果與實(shí)際測量的結(jié)果進(jìn)行比較。通過對比測點(diǎn)與模擬值的偏差來判定模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。測點(diǎn)沿著材堆進(jìn)風(fēng)口高度上中下3個(gè)分布，每個(gè)高度分別選擇2個(gè)測點(diǎn)。實(shí)測風(fēng)速值與模擬風(fēng)速值的對比如表2所示。可以看到，采用計(jì)算流體力學(xué)軟件對單板干燥窯內(nèi)的風(fēng)速場模擬的準(zhǔn)確度較高，模擬的結(jié)果與實(shí)際情況誤差較小，由于在實(shí)際測量過程中的一些誤差，導(dǎo)致部分測點(diǎn)的誤差接近于10%，但是大部分測點(diǎn)的誤差都處于6%以下，在誤差允許的范圍之內(nèi)。所以，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)軟件對干燥室內(nèi)部分風(fēng)速場進(jìn)行模擬和優(yōu)化是可取的，對實(shí)際的生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

表2 進(jìn)風(fēng)側(cè)風(fēng)速實(shí)測值與模擬值及百分偏差

3 結(jié)論

本研究的頂風(fēng)式單板干燥窯中，當(dāng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速為5 m/s，材堆與側(cè)墻的距離為0.4 m時(shí)，干燥窯內(nèi)的干燥介質(zhì)流場分布最為合理。采用計(jì)算流體力學(xué)軟件對干燥窯內(nèi)不同情況時(shí)的風(fēng)速場進(jìn)行模擬，精確度較高，誤差值在10%以下，可以確定一定條件下的最優(yōu)化干燥工藝，節(jié)省人力物力，同時(shí)提高能量利用效率。對干燥窯模型劃分的網(wǎng)格大小還可以進(jìn)一步精細(xì)，增加模擬計(jì)算的精確度。