盧富明 范雪琪 丁雨晴 鄭曉紅 錢 華

（1. 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210096；2. 上海船用柴油機(jī)研究所，上海 201108）

我國是全球最大的木材進(jìn)口國，木材干燥耗能巨大，一次能源利用率低，能源消耗遠(yuǎn)超發(fā)達(dá)國家[1-3]。近年來出現(xiàn)了海運(yùn)干燥的新方法，即在遠(yuǎn)洋貨輪上搭建大型軟膠囊代替常規(guī)干燥室，運(yùn)輸過程中利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱進(jìn)行木材干燥，實(shí)現(xiàn)能源二次利用的同時(shí)節(jié)省了干燥時(shí)間和成本。然而，這種干燥設(shè)備受限于窯體強(qiáng)度，且為了安裝移動(dòng)方便，采用側(cè)面送風(fēng)，內(nèi)部流場的均勻性相對較差。

干燥過程中干燥室氣流分布的均勻性至關(guān)重要，它決定產(chǎn)品的品質(zhì)和干燥效率[4]。在水果干燥領(lǐng)域，Amanlou等[5]對比研究了7 種不同幾何形狀的機(jī)柜干燥器，以改進(jìn)水果干燥設(shè)備的氣流均勻情況。Khaldi等[6]在柜式干燥器中添加了第二個(gè)進(jìn)氣口以獲得更均勻的溫度。在木材干燥過程中，不均勻流場更易造成端裂等缺陷[7]。目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對木材干燥窯流場均勻性進(jìn)行了大量研究[8-10]。Nijdam等[8]通過一維數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)對比，研究了窯體內(nèi)木材堆的寬度及其與墻壁的距離對木材氣流分布不均勻的影響，發(fā)現(xiàn)干燥窯的幾何形狀與氣流均勻度存在密切關(guān)系。頂風(fēng)型干燥窯是最常見的窯體類型，對于木材干燥窯流場的研究大多集中于此類型上，沙汀鷗等[9]對頂風(fēng)式木材干燥室內(nèi)部風(fēng)速場進(jìn)行模擬，得到最佳送風(fēng)風(fēng)速和干燥窯材堆至墻壁的最佳距離。朱伊楓等[10]將發(fā)明問題解決算法用于對干燥窯風(fēng)速流場分布不均問題的系統(tǒng)化推導(dǎo)，再對干燥窯結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。這兩項(xiàng)研究表明，送風(fēng)風(fēng)速和干燥窯結(jié)構(gòu)對頂風(fēng)型干燥窯的流場均勻性影響很大。然而，頂風(fēng)式干燥窯存在安裝困難、維修不便等問題，不適用于海運(yùn)木材干燥。

在數(shù)據(jù)機(jī)房的送風(fēng)布局研究中，雙側(cè)送風(fēng)的流場均勻性和冷量利用率優(yōu)于單側(cè)送風(fēng)[11]。海運(yùn)干燥窯換熱器安裝在干燥窯內(nèi)部，換熱器過于集中會(huì)導(dǎo)致附近區(qū)域的木材溫度過高，造成干燥缺陷。因此，本文提出采用雙向側(cè)風(fēng)機(jī)型干燥窯，在確保安裝便捷性的同時(shí)改善流場的均勻性。然而，目前對于這種方式的干燥窯鮮有研究，內(nèi)部流場尚不明確，在實(shí)際工程中干燥窯的搭建多憑經(jīng)驗(yàn)，無據(jù)可循，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范尚不完善。大型干燥窯流場試驗(yàn)研究每次只能針對一種結(jié)構(gòu)，且耗費(fèi)人力物力財(cái)力。而運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）研究干燥窯內(nèi)部流場準(zhǔn)確度高達(dá)90%[12-14]，與試驗(yàn)結(jié)果十分接近，且省時(shí)省力，是有效模擬窯內(nèi)流場的方法。對于干燥窯內(nèi)的流場，部分研究將幾何模型簡化，通過簡單分層并在層間取監(jiān)測點(diǎn)的方法，研究等溫等濕條件下窯內(nèi)的速度均勻性[15-16]。Zadin等[17]將木材堆簡化成一整個(gè)多孔介質(zhì)區(qū)，利用多物理場耦合的方法研究干燥窯內(nèi)的熱濕傳遞。然而，試塊之間存在間隙分流會(huì)改變流場，與簡化的模型存在差異，氣道的進(jìn)出口也不能精確等同于各個(gè)試塊周圍的流場。本研究考慮了試塊間隙，將木材堆的幾何模型細(xì)化，提高了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文合理優(yōu)化了海運(yùn)大型干燥窯的實(shí)際模型，利用CFD方法研究不同送風(fēng)速度下窯體內(nèi)的流場，發(fā)現(xiàn)雙側(cè)通風(fēng)干燥窯的內(nèi)部流場均勻性良好，適用于木材干燥，但仍存在小部分區(qū)域風(fēng)速偏低的問題。鑒于此，通過改變木材堆到干燥窯體墻壁的距離，探究氣道寬度對流場的影響，對海運(yùn)干燥窯作初步研究，以期為新興發(fā)展的海運(yùn)干燥設(shè)備設(shè)計(jì)提供參考，降低我國木材干燥的能源成本。

1 模型與計(jì)算方法

1.1 物理模型

本文研究的海運(yùn)木材干燥窯搭建在大型內(nèi)河散貨船上，干燥窯長7.2 m，寬6.6 m，高3.4 m，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1a所示。窯內(nèi)共放置16 個(gè)木材堆，每個(gè)木材堆的尺寸為1 m×1 m × 3 m，上下用高為0.18 m的2 個(gè)大隔條隔開。木材堆間水平距離為0.15 m，外側(cè)木材堆到墻壁距離和干燥窯中間氣道均為0.2 m。每個(gè)木材堆的示意圖如圖1b所示，木材試件的尺寸為0.15 m × 0.04 m × 3 m，每個(gè)木材堆水平放置6 個(gè)試塊，垂直放置13 個(gè)試件，垂直方向用小隔條隔開。

圖1 干燥窯的幾何模型Fig.1 Geometric model of drying kiln

為了保證流場均勻性，同時(shí)避免靠近換熱器的木材溫度過高，本研究采用雙側(cè)送風(fēng)的方法。在干燥窯兩端的地面上安裝風(fēng)機(jī)組，干燥介質(zhì)經(jīng)過換熱器時(shí)吸收熱量轉(zhuǎn)變?yōu)闊犸L(fēng)，兩股氣流在干燥窯中間匯聚并向上流動(dòng)，之后在墻體的作用下通過水平和垂直運(yùn)動(dòng)形成兩個(gè)循環(huán)。在循環(huán)過程中不斷往材堆間隙分流并將熱量傳遞給木材塊并帶走試塊表面水分。

1.2 研究方法

本研究將干燥窯內(nèi)流場視為穩(wěn)態(tài)，通過在試塊間隙中布置測點(diǎn)（圖1b中圓點(diǎn)為測點(diǎn)位置），更加全面精確地獲取各試塊表面的參數(shù)。由于幾何模型的對稱性，設(shè)置對稱面以減少計(jì)算量。將各個(gè)木材堆分別標(biāo)號(hào)1～8（圖1a），以便對比不同木材堆的干燥參數(shù)。設(shè)置工況1 和2，其對應(yīng)進(jìn)口風(fēng)速分別為8 m/s和12 m/s，研究送風(fēng)速度對窯內(nèi)流場的影響，分析雙向側(cè)風(fēng)干燥窯是否滿足干燥要求。在此基礎(chǔ)上設(shè)置工況3～6，分別增大材堆到墻壁的距離0.1、0.3、0.5 m和0.7 m，研究氣道寬度對窯內(nèi)風(fēng)速場的影響，擇優(yōu)選擇流場更適合木材干燥的窯體結(jié)構(gòu)。

1.3 數(shù)值仿真

1.3.1 數(shù)學(xué)模型

模擬的控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程、組分輸運(yùn)方程和湍流方程。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)平均風(fēng)速的大小代表氣流強(qiáng)度大小，平均速度越大，越有利于干燥。因此平均速度可用于評價(jià)干燥窯內(nèi)的氣流強(qiáng)度，其表達(dá)式如下：

為對比不同木材堆的干燥參數(shù)，通過變異系數(shù)來研究流場的均勻性。變異系數(shù)的表達(dá)式如下：

式中：CV為變異系數(shù)，為速度標(biāo)準(zhǔn)差，m/s。

1.3.2 邊界條件與參數(shù)設(shè)置

如圖2 所示，對模型作對稱處理，圖中兩個(gè)陰影面為對稱面設(shè)置為symmetry，其余外壁設(shè)置為wall。根據(jù)現(xiàn)場測量的實(shí)際情況，外壁傳熱系數(shù)為0.335 W/(K·m2)，墻外側(cè)溫度為20 ℃，壁面水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.7%。進(jìn)氣口設(shè)置為inlet-velocity；換熱器幾何形狀作簡化處理，設(shè)置為wall；表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)設(shè)置為200 W/(K·m2)，換熱器內(nèi)進(jìn)出口熱水溫度分別為70 ℃和90 ℃，設(shè)置內(nèi)部溫度為80 ℃。木材溫度為60 ℃，設(shè)置木材試塊表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為6.8 W/(K·m2)，內(nèi)部溫度為60 ℃；木材表面水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)根據(jù)相對濕度換算設(shè)置為12.5%。模擬采用雙精度求解器，利用SIMPLE算法計(jì)算速度-壓力耦合。設(shè)置各方程殘差小于10-6時(shí)視為計(jì)算收斂。

圖2 干燥窯的邊界條件Fig.2 Boundary conditions of drying kiln

2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證和模型驗(yàn)證

為了使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確且高效，對試塊間隙、換熱器表面的網(wǎng)格適當(dāng)加密。本研究分別采用239 萬、607 萬和841 萬網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，在干燥窯頂部選取沿x軸直線進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證速度分布，如圖2 所示。從圖中可以得出利用607 萬網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算即可在保證結(jié)果準(zhǔn)確的前提下節(jié)省計(jì)算資源。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證Fig.3 The verification of grid independence

已有研究通過在木材間隙內(nèi)設(shè)置測點(diǎn)研究干燥窯內(nèi)的速度場，采用相同的計(jì)算模型對試驗(yàn)進(jìn)行模擬[10]，結(jié)果如圖4 所示。模擬的結(jié)果和試驗(yàn)[10]在風(fēng)速變化趨勢上保持一致，測點(diǎn)吻合度高。模型較為準(zhǔn)確，可以用于模擬分析干燥窯內(nèi)的流場。

圖4 模型驗(yàn)證Fig.4 The verification of model

3 結(jié)果與分析

3.1 干燥窯內(nèi)風(fēng)速場分析

本研究的干燥窯在寬度方向上（z軸方向）高度對稱，且已有研究表明干燥窯干燥缺陷差異主要出現(xiàn)在高度和長度方向上，寬度方向上相差不大[18]。為了更加明確地展示窯內(nèi)流場，在干燥窯中心位置截取一個(gè)xy平面進(jìn)行分析。圖5a和圖5b分別是在z=1.7 m處截取的進(jìn)口速度為8 m/s和12 m/s的風(fēng)速云圖。從圖5a可以看出，雙向側(cè)面通風(fēng)型干燥窯中間層和循環(huán)末端風(fēng)速偏低。在風(fēng)機(jī)作用下，空氣流動(dòng)至窯體中心，兩股氣流在此碰撞匯聚后急劇向上運(yùn)動(dòng)，并在向上運(yùn)動(dòng)的過程中通過試塊間隙向各層試塊分流。但由于氣道較小，湍流速度較快，氣流快速上升導(dǎo)致中間層的4～6 號(hào)材堆速度偏低，此現(xiàn)象在本文3.3 節(jié)中通過幾何優(yōu)化得到改善。在空氣流動(dòng)過程中氣流速度不斷損耗，1號(hào)材堆處于循環(huán)末端，因此此處也會(huì)出現(xiàn)風(fēng)速偏低的情況。如圖5b所示，當(dāng)送風(fēng)速度增大至12 m/s時(shí)，窯內(nèi)整體風(fēng)速上升。雖然部分區(qū)域的風(fēng)速仍然偏低，但其偏離程度已明顯降低，各處風(fēng)速大小更加接近。增大流速可以加速木材的干燥進(jìn)程，增加流場的均勻性，更有利于木材干燥。

圖5 不同送風(fēng)速度下z=1.7 m截面的風(fēng)速云圖Fig.5 Velocity contour at z=1.7 m under diあerent air supply velocity

從圖5風(fēng)速云圖中可以看出，材堆間隙的風(fēng)速大于試塊間隙的風(fēng)速，這是由于試塊會(huì)阻礙空氣的流動(dòng)，在進(jìn)出風(fēng)口測得的風(fēng)速并不能準(zhǔn)確代表試塊表面的速度。為了更準(zhǔn)確地直接比較兩種工況的風(fēng)速差異，本研究在各個(gè)試塊間隙設(shè)置測點(diǎn)，將各個(gè)材堆的風(fēng)速繪制成箱型圖（如圖6）。干燥窯內(nèi)風(fēng)速過低會(huì)降低干燥效率，風(fēng)速過快則會(huì)造成能量利用率低，增加能耗，且容易造成干燥缺陷。研究表明，干燥窯內(nèi)材堆間的氣流速度為1～3 m/s時(shí)更有利于干燥[9,19]。送風(fēng)速度為8 m/s時(shí)（工況1），1、4、5、6號(hào)材堆試塊間會(huì)出現(xiàn)大量風(fēng)速低于1 m/s的測點(diǎn)，部分材堆可能會(huì)出現(xiàn)干燥速度太慢導(dǎo)致干燥效率低下[20-21]。當(dāng)送風(fēng)風(fēng)速為12 m/s時(shí)（工況2），各個(gè)材堆相對于工況1風(fēng)速都有所提高，且基本所有材堆風(fēng)速均在1～3 m/s這個(gè)理想?yún)^(qū)間。雖然極少數(shù)測點(diǎn)風(fēng)速過高，但這是大型干燥窯進(jìn)口風(fēng)速太大造成的，難以避免。總體而言，當(dāng)風(fēng)速為12 m/s時(shí)，窯體內(nèi)流場改善較為明顯，因此采用雙向側(cè)風(fēng)的方式也能使流場的均勻性達(dá)到要求。

圖6 不同送風(fēng)速度下各個(gè)木材堆風(fēng)速分布圖Fig.6 Wind velocity distribution diagram of each wood pile under diあerent air supply velocity

為直觀對比兩種工況的流場，對各個(gè)材堆的風(fēng)速平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)進(jìn)行計(jì)算并分析，結(jié)果如表1 所示。增大送風(fēng)速度后，材堆風(fēng)速平均值由1.13 m/s增至1.70 m/s，雖然風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差有小幅提升，但這是由于整體風(fēng)速增加所致。而變異系數(shù)在送風(fēng)速度增大后反而變小。送風(fēng)速度為12 m/s時(shí)，窯體內(nèi)風(fēng)速達(dá)到了理想?yún)^(qū)間且均勻性小幅提升。

表1 工況1 ～2 風(fēng)速分布情況Tab.1 Wind velocity distribution under working conditions 1～2

3.2 干燥窯內(nèi)熱濕環(huán)境分析

溫度和含水率梯度是木材干燥的重要環(huán)境參數(shù)。一般而言，溫度越高，環(huán)境濕度越低，干燥速率越快[22]。圖7 是送風(fēng)速度為8 m/s和12 m/s時(shí)z=1.7 m的xy截面的溫度云圖。從圖7a可以看出，中間的2、5、7 號(hào)材堆溫度較高，而兩邊的材堆溫度稍低，5、7 號(hào)材堆的部分位置溫度明顯高于其他位置，這是因?yàn)檫@部分材堆距離換熱器較近。熱空氣在擴(kuò)散的過程中熱量漸漸被木材試塊吸收消耗，因此右側(cè)的三個(gè)材堆溫度稍低。而受到強(qiáng)迫對流的影響，熱氣流往窯體中心流動(dòng)，導(dǎo)致左側(cè)的4 號(hào)材堆受熱較少，溫度較低。從圖7b可以看出，提高送風(fēng)速度后，5、7 號(hào)材堆的高溫區(qū)域溫度下降，說明提高風(fēng)速可以將熱量傳遞到更遠(yuǎn)的位置，有利于溫度場更加均勻。

圖7 不同送風(fēng)速度下z=1.7 m截面的溫度云圖Fig.7 Temperature contour at z=1.7 m under diあerent air supply velocity

圖8 是送風(fēng)速度為8 m/s和12 m/s時(shí)z=1.7 m的xy截面水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖。對比圖8a和圖5a的速度云圖可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速較低的位置（1、4、5 號(hào)材堆）水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，這是因?yàn)榈惋L(fēng)速氣流帶走水分的能力較低。2、3 號(hào)材堆也出現(xiàn)了部分位置水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高的位置，這是因?yàn)樗畯哪静谋砻鏀U(kuò)散，在強(qiáng)迫對流和浮力等綜合影響下向上部移動(dòng)。這些水分較大位置的試塊內(nèi)外含水率梯度下降，木材干燥效率降低。從圖8b可以看出，送風(fēng)速度變大后，干燥窯內(nèi)高濕度的面積明顯變少，說明提高風(fēng)速后，氣流能夠更高效地帶走木材試塊表面的水分，有利于加快木材干燥。

圖8 不同送風(fēng)速度下z=1.7 m截面水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖Fig.8 Water mass fraction contour at z=1.7 m under diあerent air supply velocity

3.3 材堆與墻壁的間距對流場均勻性的影響

干燥窯的幾何形狀會(huì)影響窯體內(nèi)的壓力、阻力等，從而影響流場的均勻性[23-25]。若墻體與材堆的間距太短，會(huì)在氣流未到達(dá)之前形成發(fā)散氣流，并與正常氣流形成碰撞，甚至形成擾流，氣流速度損耗加大[26]。若墻體與材堆的間距太長，氣流速度會(huì)在運(yùn)動(dòng)過程中碰撞消耗，阻礙氣流經(jīng)過轉(zhuǎn)角進(jìn)入垂直氣道，造成干燥室內(nèi)速度偏低。為了進(jìn)一步優(yōu)化干燥窯的流場均勻性，選取送風(fēng)速度為12 m/s，工況3～6 時(shí)將木材干燥窯材堆到兩側(cè)的距離分別加大0.1、0.3、0.5 m和0.7 m，研究干燥窯內(nèi)的流場變化。

圖9 為各個(gè)工況下各個(gè)木材堆的平均風(fēng)速分布圖。由圖可見，隨著木材堆到墻壁的距離增加，整體上各個(gè)木材堆的平均風(fēng)速均有所上升。隨著氣道加寬，中間層的5 號(hào)和6 號(hào)材堆風(fēng)速明顯上升；且兩股氣流在中間擠壓后向上運(yùn)動(dòng)的摩擦碰撞阻力變小，更順利地流到上方的3 號(hào)材堆處，導(dǎo)致3 號(hào)材堆風(fēng)速急劇上升；而1、4 號(hào)材堆在循環(huán)的末端，氣流通過任何氣道到達(dá)此處消耗都相差不大，因此這兩個(gè)材堆的平均速度變化不大。3 號(hào)材堆雖然出現(xiàn)風(fēng)速過高，但由于該位置距離換熱器較遠(yuǎn)，從上文分析中也可以看出，此處溫度較低，因此可以平衡高風(fēng)速帶來的不均勻性。加寬氣道后，可以有效解決中間層材堆風(fēng)速過低的問題，干燥窯內(nèi)整體風(fēng)速上升，有利于提高能源的利用效率，且對均勻性影響較小。

圖9 不同干燥窯結(jié)構(gòu)下各個(gè)木材堆的風(fēng)速平均值Fig.9 Average wind velocity of each wood pile under diあerent drying kiln structure

為直觀分析氣道對流場均勻性的影響，計(jì)算了各個(gè)工況下木材堆間隙的速度平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)（表2）。從工況3～5 可以看出，風(fēng)速平均值隨氣道寬度的增加而增大，說明這個(gè)區(qū)間內(nèi)氣道越寬，干燥效率越高。從變異系數(shù)看，工況5 的變異系數(shù)比工況4 的小，這表明工況5 的流場均勻性會(huì)更好。相比于工況3，雖然工況5 變異系數(shù)略微升高，但是風(fēng)速大幅度變大，且工況5 的變異系數(shù)增大的主要原因是3 號(hào)材堆風(fēng)速過高，但該位置溫度較低，因此這兩種工況的變異系數(shù)變化可以大致抵消。工況5 和工況6 這兩組的各個(gè)數(shù)值基本維持不變，說明加寬一定距離后，氣道寬度已經(jīng)可以有效避免擾流的產(chǎn)生，滿足氣體的正常流動(dòng)，因此沒有再加寬氣道的必要。

表2 工況3～6 風(fēng)速分布情況Tab.2 Velocity distribution of wind under working conditions 3～6

4 結(jié)論

由于海運(yùn)干燥窯的搭建方式受限，因此本文提出的雙向側(cè)面通風(fēng)干燥窯便于安裝和移動(dòng)，同時(shí)可以避免局部溫度過高。通過對干燥窯內(nèi)流場模擬驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

1）干燥窯循環(huán)末端和中間段的材堆風(fēng)速偏低，可以適當(dāng)加寬這些位置的木材塊間隙，這也可以為不同含水率木材的碼垛和干燥時(shí)長的確定提供參考。

2）對比不同送風(fēng)速度下窯體內(nèi)的流場情況發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)速增加時(shí)，各個(gè)材堆的風(fēng)速更為接近，溫度場和濕度場也更加均勻。當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)速為12 m/s時(shí)，各個(gè)材堆的風(fēng)速處于干燥理想?yún)^(qū)間內(nèi)，解決了側(cè)風(fēng)型干燥窯流場均勻度差的問題。

3）通過改善干燥窯結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)加寬氣道可以解決中間層材堆風(fēng)速過低的問題。木材堆整體風(fēng)速隨氣道寬度的增加而變大，但這種影響存在拐點(diǎn)，本研究中加寬0.5 m時(shí)為最佳工況，此時(shí)木材的流場均勻性和干燥速度最為理想。