基于COMSOL的干燥箱物理場分析與結構優(yōu)化

郭文斌，李瑤，黃長華，杜建強*，錢珊珠，何澤民，高晶晶

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古商貿(mào)職業(yè)學院，呼和浩特 010070）

新鮮草料收獲后含水率較高，不及時進行加工處理容易造成養(yǎng)分損失，甚至腐爛、發(fā)酵。為解決農(nóng)業(yè)物料收獲后含水率高、易腐敗、不易儲藏的問題，科研人員嘗試了多種方法對其進行干燥，如紅外線干燥、微波干燥、高壓靜電場干燥、太陽能熱風干燥等。通過比較干燥效果，發(fā)現(xiàn)太陽能熱風干燥不僅具有能耗小、效率高、成本低的特點[1]，而且還可以在干燥過程中減少牧草、果蔬等農(nóng)業(yè)物料葉片及嫩枝的脫落和營養(yǎng)物質的損失，保證其干燥品質[2]，因此被廣泛應用于中藥材、牧草、糧食等的干燥。太陽能熱風干燥以空氣作為傳熱介質，通過空氣集熱器加熱后，由鼓風機送入干燥箱內(nèi)，利用流動的熱空氣帶走物料水分，完成干燥作業(yè)。

在太陽能熱風干燥過程中，熱空氣風速流動往往受干燥設備內(nèi)部結構影響，呈現(xiàn)不均勻分布，導致物料干燥效果不佳。干燥箱是太陽能干燥系統(tǒng)的主要組成部件，其內(nèi)部結構是影響熱風流動均勻性的關鍵因素之一，熱風干燥箱結構設計優(yōu)化[3-5]及相關農(nóng)業(yè)物料干燥性能的研究[6-8]成為關注的熱點。目前熱風干燥箱的設計優(yōu)化主要針對箱體結構，如內(nèi)部空間結構、物料承載裝置、進出風口結構、箱門及箱壁結構等[9-13]，一定程度上提高了物料干燥的效率，而通過物理場模擬分析完成干燥箱結構優(yōu)化和物料干燥均勻性的研究較少。本文針對小型熱風干燥箱結構，在驗證分析的基礎上，基于COMSOL Multiphysics 物理場數(shù)值模擬方法，提出結構優(yōu)化方案，以提高干燥均勻性和改善熱風干燥箱干燥性能。

1 材料與方法

1.1 試驗設備

為完成熱風干燥箱內(nèi)物理場分布的測試與分析，搭建了太陽能熱風干燥系統(tǒng)試驗平臺，由熱風干燥箱、空氣集熱器、鼓風機、TBQ-2 型太陽能輻射記錄儀、PC-2WS 型多通道溫濕度記錄儀及SHT10 溫濕度傳感器、FL-J 風速傳感器等組成（圖1），傳感器及記錄儀均購自錦州陽光氣象科技有限公司。其中熱風干燥箱由帶有保溫夾層的側壁和箱門組成，內(nèi)部設有進風口和出風口，進風口位于干燥箱底部，通過通風管與鼓風機和空氣集熱器連接，出風口位于箱體頂部與外界相通，進、出風口之間設置有承載物料的透風托盤。試驗時，除進、出風口外應保證干燥箱密閉，由鼓風機將集熱器內(nèi)加熱的空氣從進風口送入干燥箱內(nèi)，試驗期間溫度為（40±1）℃。完成測試后，空氣經(jīng)出風口流出。

圖1 太陽能熱風干燥系統(tǒng)試驗平臺Fig.1 Solar hot-air drying system test-bed

通過在透風托盤上安裝風速傳感器和溫濕度傳感器，測得干燥箱體內(nèi)各位置點處風速及溫度，每組試驗測試時間為30 min，試驗數(shù)據(jù)采集頻率為每分鐘1次。衡量干燥箱內(nèi)風速場是否均勻時，引入不均勻系數(shù)（M）作為試驗指標[14]，M越大，各測點所在截面的風速分布越不均勻，其計算公式如下。

式中，Vi為干燥箱某截面上各測點風速，m·s-1；i為各個測點的數(shù)字編號；-V為同截面上各測點風速的均值，m·s-1；n為測點數(shù)。

通過調控鼓風機設置3 種干燥箱進風口處風速：5、7、10 m·s-1；干燥箱內(nèi)部設置3 層透風托盤，自下而上依次為第1層、第2層、第3層，距離進風口截面的層高依次為150、450、750 mm（圖2），以每層托盤所在平面為計算風速不均勻系數(shù)M的截面，每層截面設計12 個測點，用于放置風速傳感器和溫濕度傳感器，測點編號及位置如圖3所示。

圖2 熱風干燥箱結構Fig.2 Structural of hot-air drying box

圖3 干燥箱內(nèi)傳感器位置Fig.3 Positions of sensors drying box

干燥箱內(nèi)溫度是否分布均勻主要通過溫度分布不均勻系數(shù)（Tv）進行描述，計算如公式（2）所示。Tv越小，各點的溫度值越接近于整體均值，當Tv＜2%時，表明溫度場分布較均勻[15-16]。

式中，Ti為各測點溫度，℃為各測點溫度平均值，℃。

1.2 干燥箱物理場的COMSOL模擬

為改善熱風干燥箱內(nèi)風速場分布的均勻程度，基于計算流體力學完成其結構優(yōu)化與改進，在COMSOL 環(huán)境下對干燥箱內(nèi)風速場、溫度場進行模擬仿真，并與試驗所得物理場分布規(guī)律進行驗證，確定合適的仿真分析條件與參數(shù)設置方法。

考慮到物理場分布計算的復雜性，為提高COMSOL 仿真環(huán)境下的計算效率和準確程度，建立熱風干燥箱仿真模型時簡化如下[14]：將干燥箱箱壁視為絕熱體，且壁面無滑移；除進、出風口外，干燥箱其他位置視為密閉；將空氣視為不可壓縮的連續(xù)介質。

根據(jù)試驗時的條件和要求，對簡化后的干燥箱模型邊界條件參數(shù)進行設置（表1）。

表1 模型及邊界條件參數(shù)設置Table 1 Parameters of boundary conditions setting

在設置干燥箱內(nèi)流場類型時，結合試驗所得熱風流動情況，選擇較為普遍的湍流流場[17]，模型類型為RANS（reynolds-averaged navier-stokes equations），采用k-ε模型模擬干燥箱內(nèi)熱風流動過程，通過湍動能與耗散率方程得到湍流動能k、耗散率ε，如公式（3）和（4）所示。

式中，ρ為流體密度，kg·m-3；σk和σε分別為湍流動能和耗散率的普朗特數(shù)；u為平均速度，m·s-1；Pk為平均速度改變引起的湍動能生成項；μ為動力黏度，μT為湍流黏度，Pa·s；Cε1、Cε2為常數(shù)項；ρ=1.132，μT=17.9×10-6，Cε1=1.44，Cε2=1.92。

完成參數(shù)設置后，以COMSOL 中物理場控制的網(wǎng)格劃分方式對干燥箱簡化模型進行極粗化網(wǎng)格劃分，以完成其內(nèi)物理場的數(shù)值模擬分析。

2 結果與分析

2.1 干燥箱風速場和溫度場分析

進風口風速為5 m·s-1時，3 層托盤上各測點風速分布如圖4 所示?？梢钥闯?，由于進、出風口分別位于箱體底面和頂面的中心，且處于正對位置，使得各層中心處測點5、測點8 的風速顯著高于周圍靠近箱壁處的其他測點。此外，受進風口下方聯(lián)接管位置、導向誤差的影響，箱壁附近其他測點的風速大小也略有差異。

圖4 干燥箱內(nèi)各層風速分布Fig.4 Wind velocity distribution at different layers of drying box

各層風速場不均勻系數(shù)M如表2 所示，可以看出，不同進風口風速條件下，M介于63.31%～86.32%，表明所測試干燥箱的內(nèi)部風速場分布均勻性較差。

從進風口風速為5、7、10 m·s-1時各層測點溫度（表2）可以看出，受環(huán)境溫度變化影響，3 種風速下的溫度盡管有所不同，但同一風速下，干燥箱內(nèi)各層溫度分布的不均勻系數(shù)Tv均小于2%，說明干燥箱工作時，箱內(nèi)各測點位置處溫度差異較小，溫度場分布比較均勻，并未受到風速場分布不均勻的影響。

表2 干燥箱內(nèi)各層風速、溫度分布及其不均勻系數(shù)Table 2 Distribution of wind velocity and temperature and their non-uniformity coefficients in different layers of drying box

上述結果表明，受干燥箱結構影響，熱風從底部進入箱體內(nèi)部后流速并不均勻，風速場呈現(xiàn)出中心高、四周低的分布規(guī)律，盡管該分布規(guī)律并未造成干燥箱內(nèi)溫度場的分布不均勻，但不同位置熱風流速不同，單位時間內(nèi)從待干燥物料中帶走的水分也不同，從而對熱風干燥箱的干燥性能產(chǎn)生影響，導致物料干燥效果較差。因此對干燥箱進行結構優(yōu)化時需以風速場分布是否均勻為衡量指標。

2.2 模擬與驗證結果分析

對干燥箱內(nèi)風速場進行COMSOL 模擬，得到各層托盤所在橫截面處的風速分布如圖5 所示，可以看出，在距進風口150 mm 的層高處，由于熱風剛進入干燥箱內(nèi)，受進風口位置影響，流動較快的區(qū)域集中在靠近箱體中心的兩處對稱位置；而層高達到450 mm 時，與進風口位置對應的2 處熱風流速較快區(qū)域已逐漸從各自中心擴散、合并；當熱風流至層高750 mm 處，風速最高的區(qū)域由2 處合并為位于干燥箱中心的1 處。該分布規(guī)律表明，熱風從干燥箱底部進風口進入時風速最高、最集中，隨后向上流動，風速開始下降，并逐漸由箱體中心向四周緩慢擴散，流至層高750 mm 處時，由2 個進風口進入的熱風已逐漸擴散合并，到達出風口時沿出風口位置分離并流出。上述仿真風速場分布特點與試驗所得風速場分布特點相似，即現(xiàn)有干燥箱結構內(nèi)部呈現(xiàn)中心風速高、四周風速低的規(guī)律。

圖5 干燥箱內(nèi)橫向截面風速分布Fig.5 Distribution of wind velocity in the transverse section of drying box

為進一步驗證干燥箱內(nèi)部風速場模擬的準確性，計算得到不同進風口風速下各層檢測點的風速不均勻系數(shù)M（表3），可以看出，模擬所得各層高度處的風速分布不均勻系數(shù)M均高達55%以上，即仿真條件下干燥箱各層的風速場分布均勻性均較差，與試驗所得結果一致。

表3 COMSOL環(huán)境下干燥箱各層風速場不均勻系數(shù)Table 3 Non-uniformity coefficient of wind velocity field of drying box under the COMSOL model

表4 展示了不同進風口風速條件下層高450 mm 處各測點風速的試驗實測值與仿真模擬值，可以看出，模擬所得風速分布規(guī)律與試驗所得結果相同，即中心測點5、8 處風速較高，其余測點風速相對較低。受箱體密封性的影響，測點3 的實測值與模擬值誤差相對較大，此外，其余測點的實測值與模擬值相對誤差均較?。ㄆ骄`差≤5.02%），因此模擬分析所得數(shù)據(jù)具有較高準確性。對干燥箱內(nèi)溫度場分布進行模擬后發(fā)現(xiàn)，各測點處的溫度基本相同，溫度場分布較試驗所得結果更為均勻理想(Tv＜0.001%)，并未受到風速分布不均勻的影響，該結果與試驗測試結果一致。

表4 層高450 mm不同進風口風速下各測點風速實測值與模擬值對比Table 4 Comparison of measured and simulated wind velocities at different measurement points at 450 mm layer

上述模擬分析結果較準確地印證了試驗所得風速場、溫度場的分布規(guī)律。說明基于COMSOL仿真平臺進行熱風干燥箱內(nèi)部風速場模擬能夠反映出干燥箱內(nèi)物理場的分布特點。因此，在驗證該模擬分析方法的基礎上，將其用于改進結構后干燥箱風速場模擬，以降低干燥箱樣機生產(chǎn)和試驗測試帶來的研發(fā)成本、縮短設計周期。

2.3 干燥箱結構改進與風速場分析

針對熱風干燥箱作業(yè)時中心位置風速高、靠近箱壁位置風速低的特點，對箱體結構進行了重新設計與改進，并依托COMSOL 仿真平臺對結構改進后的風速場進行模擬分析，以提升箱體內(nèi)風速場分布的均勻程度，改善干燥箱的干燥性能。

2.3.1 干燥箱結構改進設計方案 對試驗及模擬驗證結果的分析表明，由于進、出風口均位于干燥箱頂面和底面的中心位置，直接導致熱風進入干燥箱后，中心風速高、四周風速低；而且由于進風口下方空間有限，使得與其連接的通風管位置及導流方向容易對熱風流向造成干擾。鑒于以上原因，在進行干燥箱改進時，首先將進風口位置調整至干燥箱側壁底部，使熱風橫向進入箱體內(nèi)部，進風口位置變化后箱體內(nèi)風速場分布如圖6 所示，雖然干燥箱中心風速快的情況有所緩解，但箱體內(nèi)風速場分布仍不均勻，出現(xiàn)了熱風沿著進風口對面箱壁向上流動較快的現(xiàn)象。

圖6 過進風口中心縱向截面風速分布Fig.6 Wind velocity distribution in the vertical section through inlet center

在改變進風口位置基礎上，繼續(xù)在干燥箱底部透風托盤下方正對進風口位置處增加3 層可調節(jié)帶孔擋流板，構建隔斷式氣室，結構如圖7 所示。在對擋流板間距、高度、開孔密度等逐一進行仿真模擬后，最終采用了設置等高度、等間隔擋流板的設計方案，該方案中相鄰擋流板上開有位置高度不同的兩排圓孔（孔徑110 mm，各擋流板開孔高度隨熱風流向依次增加30 mm），以便于熱風進入后能夠部分沿著擋流板向上流動、部分通過擋流板上圓孔進入下一間隔區(qū)域，最終將熱風分隔于各擋流板間區(qū)域，使其均勻向上流動，在干燥箱內(nèi)獲得分布較為均勻的風速場。

圖7 含隔斷式氣室的干燥箱Fig.7 Drying box with a partition-type

2.3.2 改進后仿真結果分析 對改進設計后的具有隔斷式氣室的干燥箱進行內(nèi)部風速場仿真模擬結果如圖8 和9 所示（進風口風速為5 m·s-1），熱風經(jīng)干燥箱底部橫向進入后，一部分受到擋流板的阻擋向上流動，另一部分則從開孔位置流向下一層擋流板處，隨后再次被分流，最終熱風在擋流板作用下得到逐層分配，在箱體內(nèi)形成了較為均勻的風速場。不同進風口風速條件下，擋流板上方區(qū)域各層橫截面的風速場分布不均勻系數(shù)如表5 所示，增加隔斷式氣室后干燥室內(nèi)的風速場不均勻系數(shù)M較結構改進前（表3）明顯降低，且層高越高M值越小，其中層高在1 100 mm 之上時，M值降至10%以下。由此可見，帶孔擋流板的設置起到了很好的勻風作用，改善了干燥箱內(nèi)部風速場的均勻性。

表5 不同進風口風速下各層截面風速場分布不均勻系數(shù)Table 5 Non-uniformity coefficients of wind velocity field under different inlet wind velocities

圖8 改進后干燥箱縱向截面風速分布Fig.8 Wind velocity distribution in the vertical section of improved drying box

3 討論

在試驗測試的基礎上，通過COMSOL 軟件完成了熱風干燥箱內(nèi)風速場和溫度場的數(shù)值模擬，得到了風速和溫度的分布規(guī)律及不均勻系數(shù)，與試驗所得結果對比分析后，發(fā)現(xiàn)模擬所得結果與試驗一致，驗證了該數(shù)值模擬方法的準確性和可行性。

基于COMSOL 數(shù)值模擬仿真分析方法，以降低風速場分布不均勻系數(shù)為目標，提出了干燥箱結構優(yōu)化與改進設計方案：改變進風口位置，實現(xiàn)側向進風；添加帶孔擋流板、構建隔斷式氣室，實現(xiàn)干燥箱內(nèi)熱風流向和流速的調節(jié)。模擬結果顯示改進后干燥箱的風速場分布有了明顯改善，不均勻系數(shù)下降至了10%以內(nèi)。該研究結果為熱風干燥箱的結構改進優(yōu)化提供了新的技術手段和數(shù)據(jù)支撐，降低了新型干燥箱的研發(fā)成本。

圖9 改進后干燥箱橫向截面風速分布Fig.9 Wind velocity distribution in the transverse section of improved drying box