基于Fluent的核桃?guī)竭B續(xù)烘干機(jī)設(shè)計(jì)

魏新龍 李三平 吳立國(guó),2 杜佳寶

(1. 東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2. 國(guó)家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086)

市場(chǎng)上常見的核桃烘干裝置大多數(shù)是大型烘干設(shè)備，缺少小型設(shè)備，在烘干過(guò)程中核桃的位置固定，而實(shí)際工況下烘干裝置不同位置的烘干介質(zhì)流速不同，溫度分布有差異，邊緣位置烘干介質(zhì)流速慢，溫度較中心位置低，導(dǎo)致相同工藝條件下，不同位置核桃的含水率不同，從而影響核桃的口感[1]。而且單個(gè)核桃的迎風(fēng)面和背風(fēng)面的溫度分布也有差異，一旦烘干時(shí)間不足，同一核桃不同部位的含水率也可能不同，難以保證核桃干燥質(zhì)量。

文章擬結(jié)合市場(chǎng)的需求和中國(guó)的實(shí)際情況[2]，提出設(shè)計(jì)最大烘干量為360 kg/h的核桃烘干機(jī)?；跉夤虃鳠崂碚摚⒑娓裳b置內(nèi)部熱—流—固耦合模型，并利用Fluent進(jìn)行二維和三維仿真分析[3-5]，獲得烘干裝置內(nèi)部氣體的流速、壓強(qiáng)以及溫度場(chǎng)的分布情況和核桃的溫度場(chǎng)分布情況及變化規(guī)律，并對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期研制出體積較小又能保證核桃質(zhì)量的烘干設(shè)備。

1 烘干方式的選擇及其工作原理

1.1 烘干方式的選擇

常見的核桃烘干加熱方式可分為傳導(dǎo)加熱、輻射加熱、對(duì)流加熱、介電加熱及聯(lián)合加熱[6-7]等?？紤]到對(duì)流干燥成本較低、操作容易、控制方便，而且批次處理量大等優(yōu)勢(shì)[8]，選擇對(duì)流加熱方式來(lái)設(shè)計(jì)小型核桃烘干設(shè)備。

1.2 工作原理

基于對(duì)流傳熱原理，結(jié)合連續(xù)烘干特點(diǎn)，對(duì)烘干裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用Fluent軟件設(shè)計(jì)帶式核桃烘干機(jī)。如圖1所示，其烘干室安裝有多層傳送帶，可以不間斷地通過(guò)傳送帶向烘干室最上方的第一層送入核桃，核桃從上層掉落到下層的過(guò)程中其迎風(fēng)面會(huì)發(fā)生改變，而且掉落至下層的位置也會(huì)發(fā)生改變，使核桃烘干更加均勻[9-11]。

1.傳送帶 2.導(dǎo)風(fēng)板 3.機(jī)架 4.進(jìn)氣口圖1 帶式烘干機(jī)烘干室結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Structure diagram of drying room of belt dryer

核桃進(jìn)入烘干室，烘干開始時(shí)核桃處于升溫階段，在這一階段核桃的溫度逐漸升高，其水分開始蒸發(fā)，烘干速率上升，首先是表層水分蒸發(fā)，隨后進(jìn)入恒溫階段，深層水分受熱向表層遷移，補(bǔ)充表層失去的水分，如此循環(huán)往復(fù)，在這一階段水的蒸發(fā)速率最快。當(dāng)核桃內(nèi)部對(duì)外部的水分遷移量小于蒸發(fā)量時(shí)，烘干速率開始下降，直至核桃中的水汽蒸發(fā)從表面移向內(nèi)部，最終核桃的含水率不再發(fā)生變化，從而達(dá)到烘干的目的[12-13]。

烘干速率的定義為單位時(shí)間內(nèi)每單位面積核桃汽化的水分質(zhì)量，公式為：

(1)

式中：

Ud——烘干速率，kg/(s·m2)；

mdm——濕核桃中的干品重量，kg；

A——烘干介質(zhì)與核桃的接觸面積,m2；

xm——核桃的含水率，kg/kg；

τ——時(shí)間，s。

核桃與烘干介質(zhì)的接觸面積不易確定，用烘干強(qiáng)度表示烘干進(jìn)行的速度，其定義為核桃的含水量隨時(shí)間的變化率，公式為：

(2)

式中：

Nd——烘干強(qiáng)度，g/(s·kg)。

2 烘干結(jié)構(gòu)二維仿真分析及優(yōu)化

2.1 模型的建立

在Ansys19.2軟件Fluent模塊中直接進(jìn)行二維空間建立模型，模型比例為1∶1。設(shè)置網(wǎng)格尺寸，網(wǎng)格劃分信息：節(jié)點(diǎn)353 551個(gè)，元素657 953個(gè)。劃分網(wǎng)格，如圖2所示。

在軟件中設(shè)置進(jìn)出口初始條件和邊界條件等相關(guān)參數(shù)，核桃烘干時(shí)流經(jīng)的最佳風(fēng)速是65 m/min，壁面材料為不銹鋼。其他參數(shù)如表1所示。

2.2 二維仿真優(yōu)化

對(duì)二維模型進(jìn)行計(jì)算得出相應(yīng)的流速、流線、壓力和溫度等云圖，如圖3所示。

由圖3可知，在轉(zhuǎn)角處有渦流和尾流現(xiàn)象，每層的上層烘干介質(zhì)流速明顯大于下層烘干介質(zhì)流速，這種情況不利于核桃中蒸發(fā)出來(lái)的水汽排出，會(huì)降低機(jī)器的工作效率。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行下一步的優(yōu)化工作，考慮到在實(shí)際工作過(guò)程中機(jī)器有進(jìn)料口和出料口，將其加入到二維流場(chǎng)的優(yōu)化中，并將烘干室的頂部由平頂改為30°傾斜以避免氣流在頂層有劇烈變化。烘干室左上方是核桃進(jìn)料口，右下方是出料口，中間最上方是設(shè)計(jì)的氣體排氣口。第1次優(yōu)化主要是針對(duì)初次設(shè)計(jì)出現(xiàn)的渦流和尾流進(jìn)行改進(jìn)，計(jì)算完成的烘干介質(zhì)流速和烘干介質(zhì)流線圖如圖4所示。

圖2 網(wǎng)格劃分圖Figure 2 Mesh division diagram

表1 二維仿真參數(shù)Table 1 Two-dimensional simulation parameters

優(yōu)化完成之后與第1次設(shè)計(jì)相比渦流場(chǎng)明顯減少，尾流也有顯著的改善。由于傳送帶的兩端均為半圓形，因此將核桃掉落處改為圓弧過(guò)渡，取代直角。平面內(nèi)進(jìn)行二維仿真，得出相應(yīng)的結(jié)果，如圖5所示。

與第1次優(yōu)化相比，第2次優(yōu)化烘干介質(zhì)壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)變化不大，烘干介質(zhì)流速更加均勻，氣流流速急速變化減小，急速變化的區(qū)域也在縮小，尾流減弱；渦流場(chǎng)減少，有利于加熱后的含有大量水蒸氣的熱空氣順利排出烘干室，提高設(shè)備的工作效率。

第2次優(yōu)化后，整體結(jié)構(gòu)布局得到極大改善，但還是存在一些氣流的“死角”未被消除。因此，嘗試在關(guān)鍵點(diǎn)布置核桃，在Ansys中作出二維圖，比例依然為1∶1，將畫好的圖導(dǎo)入Fluent中，設(shè)置網(wǎng)格尺寸，劃分網(wǎng)格。固定其他參數(shù)不變，增加核桃導(dǎo)熱系數(shù)0.05 W/(m·K)，計(jì)算得出相應(yīng)的結(jié)果。如圖6所示，在關(guān)鍵點(diǎn)布置核桃后，由于核桃的干擾作用，除了頂部渦流場(chǎng)外，其余部位的渦流場(chǎng)基本消失；雖然部分區(qū)域的流速有所增加，但變化不大；壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)基本無(wú)變化。

經(jīng)過(guò)前幾步的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，將烘干室的每一層都鋪滿核桃，觀察實(shí)際工況下，烘干機(jī)的工作狀態(tài)。該仿真中，除了將核桃鋪滿每一層之外，其他結(jié)構(gòu)不做任何改進(jìn)，設(shè)置好網(wǎng)格參數(shù)，劃分網(wǎng)格；設(shè)置進(jìn)口的烘干介質(zhì)速度和溫度，以及出口的溫度，進(jìn)行迭代計(jì)算。如圖7所示，每一層都鋪滿核桃后各層的烘干介質(zhì)流動(dòng)都相對(duì)均勻平穩(wěn)，僅在每一層的末端出現(xiàn)微弱的尾流。由于核桃自身的干擾作用，烘干介質(zhì)場(chǎng)層間的渦流消失，僅在頂層和下層出料口出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，但并不影響核桃的干燥效果。仿真結(jié)果表明，其基本達(dá)到最初的設(shè)計(jì)要求。

圖3 仿真云圖Figure 3 Simulation cloud map

圖4 第1次優(yōu)化流速云圖Figure 4 The first optimized flow velocity cloud diagram

3 烘干裝置的整體設(shè)計(jì)

核桃去皮清洗烘干一體機(jī)的烘干裝置由箱體、傳送帶、齒輪、傳動(dòng)軸、電機(jī)、加熱管、導(dǎo)風(fēng)板、風(fēng)機(jī)等組成。烘干裝置由電機(jī)通過(guò)齒輪驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸，進(jìn)而帶動(dòng)傳送帶運(yùn)動(dòng)，齒輪傳動(dòng)比為1∶1，每層的傳動(dòng)速度相同，具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

箱體中共有7層傳送帶，核桃從進(jìn)料口進(jìn)入第1層，經(jīng)傳送帶運(yùn)行至第1層末端，自上而下掉落到第2層，在掉落過(guò)程中核桃的迎風(fēng)面發(fā)生變化，在傳送帶的位置也發(fā)生變化，使核桃均勻受熱。傳送帶采用食品級(jí)PE材質(zhì)，無(wú)毒，耐熱性好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定[13]。烘干機(jī)主要參數(shù)如表2所示。

圖5 第2次優(yōu)化云圖Figure 5 The second optimized cloud map

圓形區(qū)域?yàn)楹颂曳胖命c(diǎn)圖6 布置核桃后仿真云圖Figure 6 Simulation cloud map after walnut layout

圓形區(qū)域?yàn)樵O(shè)置的核桃分布區(qū)域圖7 鋪滿核桃仿真云圖Figure 7 A simulation cloud map full of walnuts

在合適的條件下30 min即可完成核桃烘干。烘干前采用濕核桃的相關(guān)參數(shù)，單個(gè)核桃的質(zhì)量大約為15 g，綜合核桃的直徑計(jì)算，烘干機(jī)的處理量360 kg。

1.進(jìn)料斗 2.小齒輪 3.減速器 4.風(fēng)機(jī) 5.電機(jī) 6.導(dǎo)流板 7.傳送帶 8.傳動(dòng)軸 9.大齒輪 10.出料斗圖8 烘干裝置外部結(jié)構(gòu)圖Figure 8 External structure diagram of the drying device

表2 烘干機(jī)主要參數(shù)Table 2 Main parameters of drying mechanism

4 核桃烘干裝置內(nèi)部熱—流—固耦合仿真分析

4.1 模型的建立

使用專業(yè)的三維制圖軟件Creo進(jìn)行三維建模，并保存為IGES格式導(dǎo)入Ansys軟件的Fluent模塊，編輯模型，如圖9所示。

三維模型建立后，在烘干裝置內(nèi)充滿流體，然后進(jìn)行網(wǎng)格的劃分(如圖10所示)，網(wǎng)格劃分信息：節(jié)點(diǎn)3 968 892個(gè)，元素15 132 811個(gè)。

烘干室壁面材料為保溫材料，流體材料是空氣，打開能量方程。湍動(dòng)能k和湍流強(qiáng)度I計(jì)算公式：

(3)

I=0.16(ReDH)-1/8，

(4)

式中：

圖9 烘干機(jī)構(gòu)的模型的建立Figure 9 Establishment of the model of the drying mechanism

圖10 有限元分析整體網(wǎng)格的劃分Figure 10 The division of the overall mesh of the finite element analysis

k——湍動(dòng)能，m2/s2；

I——湍流強(qiáng)度；

ReDH——按照水力直徑計(jì)算得到的雷諾數(shù)。

耗散率計(jì)算公式：

(5)

式中：

?——耗散率；

C——湍流耗散率；

κ——湍流動(dòng)能，m2/s3；

μ——?jiǎng)恿︷ざ龋?.09；

L——關(guān)聯(lián)尺寸(等于水力直徑DH)，m；

l——湍流長(zhǎng)度(l=0.07L)，m。

三維仿真參數(shù)如表3所示。

4.2 流場(chǎng)分析

設(shè)定邊界條件、初始條件等參數(shù)，迭代計(jì)算得出結(jié)果，進(jìn)行分析。

表3 三維仿真參數(shù)Table 3 Three-dimensional simulation parameters

烘干室溫度場(chǎng)的分布是烘干機(jī)最為重要的參數(shù)之一。對(duì)烘干室內(nèi)的溫度場(chǎng)分布情況進(jìn)行仿真分析。然后沿y方向分析xz平面內(nèi)的溫度分布情況，第2～5層氣流穩(wěn)定，選取第2～5層進(jìn)行分析，如圖11、圖12所示。

由圖11可知，烘干室中心溫度較高，邊界溫度低，差別較為明顯。造成中心和邊界溫度不同的最主要因素：① 由于金屬箱體吸收一部分熱量，并傳導(dǎo)出去；② 由于氣—固件交界面存在邊界層，氣流流速低的原因，熱交換沒(méi)有中心位置快。

烘干介質(zhì)在流動(dòng)過(guò)程中熱量不斷損失，從圖12(a)可以看出，距離進(jìn)風(fēng)口較近的位置溫度高于遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口的位置。未封閉空間中，熱空氣在上升的過(guò)程中，溫度不斷散失，上層的溫度較低；除了中間層和上層整體溫度的差異以外，從云圖中還可以發(fā)現(xiàn)同樣是由于箱體傳導(dǎo)溫度和邊界層的原因，烘干室的中心部位溫度高于邊界溫度，圖12(b)也驗(yàn)證了xy平面溫度場(chǎng)不同位置溫度不同的結(jié)果。

4.3 烘干裝置優(yōu)化

金屬具有良好的導(dǎo)熱性，距離壁面較近位置的烘干介質(zhì)熱量散失的較快，溫度較低，一方面不利于烘干的進(jìn)行；另一方面導(dǎo)致中間位置的核桃與邊界處烘干時(shí)間不同，會(huì)造成能量的浪費(fèi)。

圖11 烘干裝置溫度仿真云圖Figure 11 Temperature simulation cloud diagram of drying device

針對(duì)存在的問(wèn)題，對(duì)所設(shè)計(jì)的烘干機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，并仿真驗(yàn)證。箱體內(nèi)壁更換為聚苯乙烯材料，導(dǎo)熱率0.032 W/(m·K)，進(jìn)口風(fēng)速1.08 m/s，溫度433 K。y方向xz平面內(nèi)的溫度分布情況，取第2～5層進(jìn)行分析，如圖13、圖14所示。

在優(yōu)化之后的云圖中可以看出，烘干室內(nèi)壁由金屬改為保溫材料，優(yōu)化之后烘干室內(nèi)部邊界的溫度與之前相比也大大提高，同時(shí)進(jìn)入烘干室，處在同一層不同位置的核桃溫度分布不均勻，含水率不同的情況被緩解。

與優(yōu)化前的烘干室內(nèi)部溫度分布對(duì)比，優(yōu)化后烘干室內(nèi)部溫度分布更加均勻，烘干介質(zhì)溫度比壁面溫度差值明顯變小，邊界溫度也更高。優(yōu)化前，烘干室內(nèi)中層的最高溫度接近432 K，溫度分布很不均勻；優(yōu)化后，烘干室中層溫度接近433 K，溫度均勻分布，邊界與中心位置差別很小。

5 烘干試驗(yàn)

為確保仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，通過(guò)建立試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)烘干裝置進(jìn)行驗(yàn)證。采用1∶3的比例制作烘干裝置縮小模型。烘干裝置內(nèi)壁使用聚苯板作為保溫材料，層間材料為聚合版，保溫板間的縫隙使用密封膠封閉，最大程度上保證烘干裝置的密封性。

使用該裝置進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)溫度傳感器，采集不同位置的溫度數(shù)據(jù)，與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。測(cè)得試驗(yàn)開始前室溫為17 ℃。設(shè)定室溫為17 ℃，再次仿真，最大程度保證對(duì)比數(shù)據(jù)的可靠性。使用可調(diào)溫風(fēng)機(jī)從入口通入熱空氣，通過(guò)觀察溫度傳感器的參數(shù)，待示數(shù)穩(wěn)定后對(duì)溫度進(jìn)行記錄。試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)如圖15所示。

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的偏差。試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的最大偏差不超過(guò)0.3 ℃；中部與上層的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比溫差在0.2 ℃左右，符合烘干要求。

圖12 溫度曲線圖Figure 12 Temperature graph

圖13 優(yōu)化后xz平面溫度云圖Figure 13 The optimized xz plane temperature cloud map

圖14 優(yōu)化前后溫度對(duì)比曲線圖Figure 14 Temperature comparison curve before and after optimization

圖15 流體溫度對(duì)比曲線圖Figure 15 Fluid temperature comparison curve

數(shù)據(jù)偏差分析：① 軟件仿真是基于理想狀態(tài)進(jìn)行的，無(wú)其他干擾因素，實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中存在諸多不確定性因素，可能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成一定程度的干擾；② 由于試驗(yàn)儀器精度的問(wèn)題；③ 模型原材料以及裝配過(guò)程中的缺陷。這些因素都是導(dǎo)致試驗(yàn)與仿真存在誤差的原因。

流體數(shù)據(jù)采集對(duì)比完畢，進(jìn)行核桃烘干數(shù)據(jù)采集。熱電偶接入去皮的核桃中。為保證對(duì)比數(shù)據(jù)的可靠性，核桃溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集位置與仿真數(shù)據(jù)取相同位置，選取核桃內(nèi)部的平均溫度作比較，如圖16所示。

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，不同位置的試驗(yàn)溫度均略高于仿真溫度，溫差在1 ℃左右。主要影響因素：① 使用Fluent仿真時(shí)，核桃模型處于理想狀態(tài)，試驗(yàn)狀態(tài)下的核桃內(nèi)部密度分布不均勻；② 核桃模型表面相對(duì)光滑，真實(shí)核桃表面凹凸不平，與烘干介質(zhì)接觸面積更大，更有利于吸熱的進(jìn)行；③ 與仿真模型相比，在采集試驗(yàn)溫度的過(guò)程中，對(duì)核桃有一定的破壞，熱空氣從縫隙進(jìn)入核桃內(nèi)部，與熱電偶直接接觸，也是造成溫度偏高的重要原因。除此之外，可能還有一些未知因素的影響。綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)與影響因素，總體上分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)差別不大，試驗(yàn)曲線趨勢(shì)與仿真曲線趨勢(shì)相同，與試驗(yàn)預(yù)期結(jié)果相符合。

圖16 核桃溫度對(duì)比曲線圖Figure 16 Comparison curve of walnut temperature

6 結(jié)論

針對(duì)市場(chǎng)上缺少小型連續(xù)核桃烘干設(shè)備的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種基于對(duì)流傳熱方式的小型核桃?guī)竭B續(xù)烘干機(jī)。該裝置由7層傳送帶組成，烘干帶長(zhǎng)11 900 mm，寬1 050 mm，以空氣作為烘干介質(zhì)。建立了烘干裝置內(nèi)部熱流固耦合模型，并利用Fluent進(jìn)行了二維和三維仿真分析，得到烘干裝置內(nèi)部的流速、壓強(qiáng)以及溫度場(chǎng)的分布情況及變化規(guī)律；通過(guò)對(duì)比分析仿真結(jié)果，對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；優(yōu)化后烘干裝置內(nèi)部由平頂改為有30°的角度傾斜、核桃掉落處由直角改為圓弧過(guò)渡、箱體內(nèi)壁更換為新的保溫材料之后，發(fā)現(xiàn)核桃烘干質(zhì)量較好并且溫度分布更均勻。后續(xù)將制造實(shí)體樣機(jī)并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。