安兆元

師占群

(河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300401)

粉絲是中國(guó)的傳統(tǒng)主食之一，其制作步驟一般是原料處理、磨取漿粉、和面、漏粉、冷卻及干燥[1]。生產(chǎn)過程中干燥的溫度、濕度和風(fēng)速是影響粉絲質(zhì)量和生產(chǎn)效率的重要因素[2]?，F(xiàn)有粉絲烘干室存在氣流分布不均勻、對(duì)熱空氣的流動(dòng)利用率不高等問題。

計(jì)算流體力學(xué)(CFD)可以利用已有的流體力學(xué)理論，借助計(jì)算機(jī)工具，便捷、可靠地解決現(xiàn)實(shí)生活中的工程案例。利用CFD軟件進(jìn)行仿真，可以節(jié)約時(shí)間、經(jīng)濟(jì)成本，免于制造、試驗(yàn)、驗(yàn)證的流程，可實(shí)現(xiàn)對(duì)烘干設(shè)備流場(chǎng)仿真，獲得烘干空間內(nèi)部流場(chǎng)情況，加以分析后可對(duì)其進(jìn)行有針對(duì)性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。王振文等[3]分析了熱泵烘房?jī)?nèi)氣流分布，并對(duì)熱泵烘房結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。李赫等[4]通過模型仿真分析了菊花干燥過程中干燥機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)分布及變化規(guī)律，并驗(yàn)證了結(jié)果的可靠性。還有大量學(xué)者[5-12]對(duì)烘干或加工設(shè)備進(jìn)行了流場(chǎng)仿真和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，說明數(shù)值仿真方法可以驗(yàn)證流場(chǎng)內(nèi)部情況，對(duì)烘干室結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化可以提高烘干效率及產(chǎn)品品質(zhì)。但現(xiàn)階段尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)于速食粉絲的烘干室流場(chǎng)研究，且現(xiàn)有粉絲烘干室的熱空氣流速分布不均勻，能源利用效率較低。研究擬針對(duì)該問題，借助CFD模擬軟件仿真得到烘干部分的流場(chǎng)分布，并對(duì)烘干室結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以求提高熱空氣流速的利用效率，旨在為企業(yè)提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本及創(chuàng)造更多商業(yè)價(jià)值提供依據(jù)。

1 烘干室流場(chǎng)模擬

1.1 粉絲烘干室

1. 切粉輸送機(jī) 2. 螺旋上料機(jī) 3. 鏈板烘干機(jī)圖1 新型粉絲烘干自動(dòng)線Figure 1 Vermicelli drying automatic line

粉絲烘干室是新型粉絲烘干自動(dòng)線(圖1)的核心結(jié)構(gòu)，新型粉絲烘干自動(dòng)線主要是將前序已加工好而尚未切斷的粉絲放置在該生產(chǎn)線上自主實(shí)現(xiàn)切割分離、成團(tuán)上料、入盒烘干?，F(xiàn)有的粉絲烘干室只在其頂部居中位置布置一個(gè)入口，未設(shè)置熱空氣出口，由鏈板烘干機(jī)粉絲前后兩個(gè)進(jìn)出通道進(jìn)行排氣。文中提出一種新的工藝，在烘干室中加入一個(gè)引流管道，熱空氣從側(cè)面進(jìn)入引流管道，流經(jīng)引流管道后，直吹需要被烘干的粉絲，再?gòu)捻敳颗懦?，在升溫度烘干的基礎(chǔ)上引入熱風(fēng)烘干的模式，以提高熱空氣對(duì)粉絲烘干的作用效率。

1.2 數(shù)值模擬

應(yīng)用CFD軟件Fluent對(duì)原始烘干室進(jìn)行流場(chǎng)模擬，研究空氣在濕熱條件下的流動(dòng)問題，故選擇基于壓力的求解器，關(guān)聯(lián)形式為壓力—速度，選擇SIMPLE算法，插值方法為二階迎風(fēng)，其精度相對(duì)于一階迎風(fēng)更為精確。熱空氣在烘干室中的運(yùn)動(dòng)為湍流，故采用湍流模型進(jìn)行仿真模擬，模型選擇兼具穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)型，計(jì)算精度比較高的標(biāo)準(zhǔn)k—?模型對(duì)烘干室內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行仿真，該模型主要基于湍流動(dòng)能k和擴(kuò)散率?，方程如式(1)和式(2)所示[13]。

(1)

(2)

有效的黏性系數(shù)

μ=μl+μt，

(3)

(4)

式中：

μl——層流黏性系數(shù)；

μt——湍流黏性系數(shù)；

Gk——由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；

Gb——由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；

C1ε、C2ε——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，分別取1.44，1.92；

C3ε——湍流擴(kuò)散率；

σk——湍動(dòng)能的湍流普朗特常數(shù)，取1.0；

σε——耗散率的湍流普朗特常數(shù)，取1.3；

Cμ——湍流常數(shù)，取0.09。

1.3 網(wǎng)格劃分

對(duì)廠家現(xiàn)有粉絲烘干室結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化建模與仿真，現(xiàn)有烘干室在箱體中部設(shè)置有一個(gè)熱風(fēng)入口，未專門設(shè)置出口，通過粉絲的進(jìn)出兩個(gè)通道進(jìn)行排風(fēng)。對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，去掉烘干鏈板，模擬熱空氣在空載箱體中的流場(chǎng)分布。

1.3.1 網(wǎng)格建立 利用Solidworks建立烘干室模型，箱內(nèi)用于烘干的封閉尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為18 500 mm×560 mm×470 mm。應(yīng)用SpaceClaim對(duì)模型進(jìn)行處理并完成修復(fù)，抽取流體域，設(shè)置出入口后，導(dǎo)入Fluent Meshing中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化相結(jié)合的混合網(wǎng)格劃分方式，網(wǎng)格為六面體和多面體組合的形式，該組合可以在提高計(jì)算效率的情況下保證精度，并提高模型的局部計(jì)算精度。

1.3.2 網(wǎng)格無關(guān)性 為了確保仿真模擬運(yùn)算的準(zhǔn)確性，對(duì)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將模型網(wǎng)格數(shù)劃分為30 150，459 267，1 357 593，2 087 371，3 426 745，并對(duì)這些不同數(shù)量的網(wǎng)格模型進(jìn)行模擬，將入口速度設(shè)置為4 m/s，在建立的烘干室模型中選取Y=0.16 m，Z=0 m延Z軸直線，對(duì)其風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢測(cè)。

由圖2可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為30 150時(shí)，在6～14 m區(qū)間內(nèi)與其他網(wǎng)格數(shù)的模型所得結(jié)果差距較大，密度加大后，風(fēng)速的趨勢(shì)、大小均趨于一致，可以滿足仿真要求。故選用網(wǎng)格數(shù)為2 087 371作為仿真模型進(jìn)行仿真求解計(jì)算。

圖2 不同網(wǎng)格數(shù)下(Y=0.16 m，Z=0 m)的風(fēng)速分布

1.4 邊界條件

設(shè)置重力加速度沿Y軸向下9.81 m/s2，烘干室入口位于箱體頂端，由外部風(fēng)機(jī)鼓吹熱空氣進(jìn)入箱體，入口選擇速度進(jìn)口，入口速度設(shè)為6 m/s。出口與外界相通，故出口選擇壓力出口邊界條件。湍流定義方法選擇湍流強(qiáng)度和水力直徑，其中入口的水力直徑為244 mm，兩個(gè)出口的水力直徑為131 mm，烘干室的外壁材料為不銹鋼，在粉絲烘干過程中不會(huì)發(fā)生移動(dòng)，該仿真只模擬空氣的流動(dòng)，不涉及熱量交換，所以壁面邊界條件為無滑移，溫度固定。

1.5 模擬結(jié)果

仿真計(jì)算得到的結(jié)果如速度云圖(圖3)和流線圖(圖4)所示。由圖3可知，熱空氣從入口以初速度進(jìn)入后，由于慣性向下移動(dòng)，受出口位置的影響，中間與出口水平方向接近的位置空氣流速相對(duì)于豎直方向較快，在入口對(duì)應(yīng)的箱體底部，由于受到壁面的阻擋，空氣速度沿底部向兩側(cè)延展，底部正對(duì)入口的地方流速比較低，呈現(xiàn)比豎直方向其他位置大的現(xiàn)象。箱體的絕大部分區(qū)域的空氣流速低于1 m/s。兩側(cè)的出口處，隨著水平位置越來越靠近出口，流速逐漸增大，最大可達(dá)10 m/s。由圖4可知，空氣先以較大速度進(jìn)入箱體直到底部壁面，受到阻礙后又向上流動(dòng)，反復(fù)波動(dòng)之后逐漸向左右兩出口水平移動(dòng)，接近出口時(shí)在豎直方向向出口位置聚攏，直到離開箱體。對(duì)于一個(gè)連續(xù)的粉絲烘干自動(dòng)線，在同一水平面上熱空氣在烘干室內(nèi)的流動(dòng)速度變化較大，且絕大部分空間的空氣流速都很低，熱空氣利用效率較低，所以對(duì)烘干室結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化是必要的。

圖3 烘干室Z=0 m截面速度云圖

圖4 烘干室流線圖Figure 4 Streamline diagram of drying room

2 模型優(yōu)化與分析

2.1 仿真評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)粉絲烘干自動(dòng)線的原有烘干室結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在烘干室內(nèi)加入引流管道，使熱空氣通過管道引導(dǎo)到達(dá)粉絲烘干鏈板所在的位置。在對(duì)整體結(jié)構(gòu)改進(jìn)的前提下，對(duì)引流管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)不同結(jié)構(gòu)的烘干室進(jìn)行流場(chǎng)仿真,得到各優(yōu)化指標(biāo)下的烘干效果。針對(duì)不同模型的仿真結(jié)果，需要建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，考察優(yōu)化效果。

2.1.1 烘干熱風(fēng)速度數(shù)據(jù)分析

(5)

式中：

n——選取的監(jiān)測(cè)位置數(shù)；

Vn——不同監(jiān)測(cè)位置的風(fēng)速值，m/s。

(2) 風(fēng)速不均勻系數(shù)M：用于評(píng)價(jià)分析整體風(fēng)速分布的均勻性，其計(jì)算式為：

(2)

式中：

σv——標(biāo)準(zhǔn)偏差；

n——選取的監(jiān)測(cè)位置數(shù)；

Vi——各點(diǎn)的速度，m/s。

2.1.2 速度云圖、流線圖 通過Fluent后處理軟件CFD-Post對(duì)Fluent的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行處理，得到烘干室內(nèi)部截面的速度云圖和流線圖，通過速度云圖可以判斷熱空氣流速的分布情況，從而直觀地反映熱空氣的速度的利用效率；流線圖可以反映出一個(gè)質(zhì)點(diǎn)從入口進(jìn)入到烘干室中運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過程，實(shí)現(xiàn)粒子運(yùn)動(dòng)路線模擬。以上兩種圖像可以更加具象地對(duì)烘干室內(nèi)的流場(chǎng)分布進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)分布的可視化。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化影響對(duì)比

2.2.1 烘干室整體優(yōu)化方案與影響分析 保持原箱體規(guī)格，并在其中設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)18 m、直徑200 mm的圓形截面引流管道，管道入口接烘干室對(duì)外部的風(fēng)機(jī)出口，入口水平布置，垂直于引流管道本體，置于烘干室側(cè)面，共設(shè)置90個(gè)管道出口，位于引流管道頂部，每間隔200 mm設(shè)有一個(gè)管道出口，使氣流的分布相較于原有烘干室更加有針對(duì)性且在輸入速度不變的情況下提升了局部流速。為保持進(jìn)入箱體的空氣流量與原箱體一致，按照入口面積比例，將入口風(fēng)速設(shè)置為8.68 m/s，其他設(shè)置保持不變。箱體空氣出口仍設(shè)置于箱體頂部，將其導(dǎo)入Fluent得到運(yùn)算結(jié)果。

圖5 優(yōu)化后烘干室Z=0 m截面速度云圖

圖6 優(yōu)化后烘干室流線圖Figure 6 Streamline diagram of drying chamberafter optimization

圖7 原烘干室氣流路線示意圖

圖8 優(yōu)化后烘干室氣流路線示意圖

2.2.2 引流管道截面影響分析 引流管道截面形狀為圓形，分別取管道直徑為150，200，250 mm進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖9和表1所示。在90個(gè)出口位置上方2 cm處，以相同間距取5個(gè)點(diǎn)并求得平均速度，其值隨直徑的減小而增大，可認(rèn)為在圓形截面的條件下平均速度隨截面面積的減小而增大，受制于引流管道入口的限制，其直徑無法進(jìn)一步減小，為探究平均速度和風(fēng)速不均勻系數(shù)是否只與截面面積相關(guān)，將引流管道截面設(shè)置為長(zhǎng)方形，選取截面規(guī)格為60 mm×200 mm，200 mm×200 mm，300 mm×200 mm并建立模型，模擬仿真結(jié)果見圖10和表2。平均速度也隨截面面積的減小而下降，但是其整體速度低于圓形截面，且風(fēng)速不均勻系數(shù)有上升，風(fēng)速不均勻系數(shù)的上升會(huì)導(dǎo)致各出風(fēng)口間風(fēng)速差距較大，不便于風(fēng)速的統(tǒng)一設(shè)置和監(jiān)控，結(jié)合圖10，雖然60 mm×200 mm的矩形截面引流管道的平均速度最高，但是單個(gè)出風(fēng)管不同位置的風(fēng)速差距較大，不同出風(fēng)管道間的平均風(fēng)速差距也較大。而200 mm×200 mm的矩形截面引流管道的平均速度與直徑為150 mm的圓形截面相似，比200 mm圓形截面的平均速度提升了19.2%，但風(fēng)速不均勻系數(shù)較150 mm圓形截面下降了9.82%，較200 mm圓形截面下降了8.89%，所以200 mm×200 mm矩形截面的引流管道整體效果更好。由于烘干室空間和出入口直徑的限制，長(zhǎng)寬不能過大或過小，故對(duì)長(zhǎng)、寬均為180，220 mm的矩形截面進(jìn)行仿真，其平均速度與邊長(zhǎng)為200 mm截面的結(jié)果非常接近，邊長(zhǎng)為180 mm的正方形截面風(fēng)速不均勻系數(shù)增加了4.08%，邊長(zhǎng)為220 mm的矩形截面與邊長(zhǎng)為200 mm的矩形截面相差0.38%，綜合平均速度與風(fēng)速不均勻系數(shù)考慮，200 mm×200 mm的矩形截面的效果最好。在同一形狀的條件下，平均速度隨橫截面積的縮小而增大，當(dāng)橫截面積減小時(shí)，空氣在橫截面上的流動(dòng)距離變短，速度損失更小。空氣在圓形截面的管道中流動(dòng)接觸到壁面時(shí)，空氣會(huì)延圓弧切向運(yùn)動(dòng)，由于慣性無法從出口流出，矩形截面的管道受該影響較小，故在尺寸接近時(shí)，平均速度和風(fēng)速不均勻系數(shù)兩方面的表現(xiàn)均優(yōu)于圓形管道。

圖9 圓形截面烘干室Z=0 m截面速度云圖

表1 圓形截面90個(gè)出口處相同間距取5點(diǎn)速度數(shù)據(jù)

表2 矩形截面90個(gè)出口處相同間距取5點(diǎn)速度數(shù)據(jù)

圖10 圓形截面烘干室Z=0 m截面速度云圖

3 結(jié)論

通過CFD軟件模擬了原始烘干室內(nèi)的流場(chǎng)情況，發(fā)現(xiàn)氣體流動(dòng)對(duì)粉絲烘干的影響較大，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，在新型烘干室內(nèi)加入引流管道，氣流進(jìn)入烘干室時(shí)，更具目標(biāo)性地直接作用于需要烘干的粉絲上，在烘干鏈板位置處豎直方向的平均速度較原始烘干室的提升了120.83%。進(jìn)一步優(yōu)化引流管道橫截面的形狀和尺寸，最終選取效果最好的200 mm×200 mm的矩形截面的引流管道，在引流管道出口位置的平均速度較初始直徑200 mm圓形截面的提升了19.2%，風(fēng)速不均勻系數(shù)下降了8.89%，提高熱空氣利用效率和粉絲烘干效率，達(dá)到節(jié)能減排。后續(xù)將結(jié)合粉絲烘干模型進(jìn)行綜合分析，以求進(jìn)一步提高粉絲自動(dòng)線烘干效率及產(chǎn)品品質(zhì)。