趙 庚，陳廣元

(東北林業(yè)大學材料科學與工程學院，哈爾濱150040)

干燥介質(zhì)在木材堆三維方向上流動分布的均勻性決定了整個木材堆中板材的干燥均勻性和最終干燥質(zhì)量［1-4］，是衡量木材干燥窯技術(shù)性能的主要指標［5-6］，一般用風速分布的均勻性表征。當干燥窯所用風機選定后，干燥窯內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)成為影響窯內(nèi)流場分布的關(guān)鍵性因素。由節(jié)能型干燥窯窯內(nèi)基本結(jié)構(gòu)示意圖(如圖1所示)可知，窯體結(jié)構(gòu)參數(shù)由配氣道寬度和進排氣道結(jié)構(gòu)決定。

圖1 節(jié)能型干燥窯窯內(nèi)基本結(jié)構(gòu)示意圖(忽略窯內(nèi)輸氣管道)Fig.1 Basic inner structural representation of new energy saving upper fan drying kiln1.配氣道 2.室內(nèi)A側(cè)進排氣道 3.風機及其衍架 4.散熱器 5.室內(nèi)B側(cè)進排氣道 6.窯內(nèi)凈高 7.窯內(nèi)凈長 8.窯內(nèi)凈寬 9.天棚隔板

計算流體力學(CFD)技術(shù)可直觀呈現(xiàn)干燥窯內(nèi)部流場的分布情況［7-8］。在干燥窯的設(shè)計過程中可對干燥窯內(nèi)的氣流分布情況進行數(shù)值評估和預(yù)測，獲得實驗不易測定的窯內(nèi)各位置的氣流參數(shù)，模擬真實性可達90%以上，可以有效比較不同設(shè)計方案下干燥窯內(nèi)干燥介質(zhì)的流動情況，從而達到干燥窯設(shè)計的優(yōu)化［9］。張揚等利用CFD對干燥窯三維模型進行數(shù)值模擬，研究了相同高度處不同橫向位置和相同橫向位置處不同高度木材堆間隙進口處速度場的分布情況，得出安裝弧形導流板可以提高速度場分布均勻性的結(jié)論［10］。茹煜等通過對六種不同內(nèi)壁結(jié)構(gòu)下干燥窯內(nèi)部流場的數(shù)值模擬，根據(jù)流場分布均勻性的對比，結(jié)合生產(chǎn)實際，得出對窯內(nèi)流場分布最為有益的窯壁結(jié)構(gòu)，從而達到對干燥窯壁優(yōu)化的目的［11］。閆一野等通過對干燥窯內(nèi)流場數(shù)值模擬，得到設(shè)備參數(shù)一定時流場分布最均勻時的風速，為木材干燥設(shè)備及過程參數(shù)設(shè)定提供了參考［12］。

本研究通過Fluent軟件的數(shù)值模擬，對不同配氣道寬度和不同進排氣道結(jié)構(gòu)參數(shù)下的干燥窯內(nèi)部流場做出對比分析，達到節(jié)能型干燥窯內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目的。

1 節(jié)能型木材干燥窯窯內(nèi)基本結(jié)構(gòu)

節(jié)能型木材干燥窯(以下簡稱干燥窯)主要由干燥窯窯體結(jié)構(gòu)、新型強制進排氣系統(tǒng)及相應(yīng)控制系統(tǒng)組成。新型頂風機型節(jié)能干燥窯窯內(nèi)基本結(jié)構(gòu)，在忽略窯內(nèi)輸氣管道時，主要由殼體、天棚隔板、散熱器和窯內(nèi)循環(huán)風機及室內(nèi)AB兩側(cè)進排氣道組成［13-14］。其中，室內(nèi)AB兩側(cè)進排氣道是新型強制進排氣系統(tǒng)的一部分，如圖2所示，進氣道和排氣道高度相同，本文中進排氣道的結(jié)構(gòu)參數(shù)用管道高度表示。

圖2 進排氣道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural representation of inlet and exhaust ducts1.排氣道;2.進氣道;3.進氣道氣孔;4.回流擋板;5.排氣道氣孔

2 幾何模型和數(shù)學模型

2.1 幾何模型

本文所用干燥窯，Y向長度6 600 mm，Z向高度5 725 mm，風機間高度1 200 mm，所用三臺風機總風量為96 000 m3/h，木材堆與兩側(cè)墻間距為經(jīng)驗常數(shù)200 mm，鋸材厚度25 mm，采用標準隔條和托盤。

為對比不同進排氣道結(jié)構(gòu)參數(shù)(管道高度700、800、1 000 mm)和不同配氣道寬度(800、1 000、1 200 mm)下的窯內(nèi)速度場分布均勻性，分別利用CAD軟件建立了相應(yīng)的干燥窯三維計算模型，如圖3所示，并轉(zhuǎn)入FLUENT前處理器GAMBIT中采用混合網(wǎng)格單元即Tet/Hybrid形式，在TGrid混合網(wǎng)格類型下完成進行網(wǎng)格劃分，讀入FLUENT后對計算所需的參數(shù)進行設(shè)置。這里規(guī)定:X方向為干燥窯寬度方向，Y方向為干燥窯長度方向，Z為干燥窯高度方向。

圖3 干燥窯三維計算模型Fig.3 Three-dimensional computational model

模型中為便于表達流體域，對干燥窯結(jié)構(gòu)進行簡化處理。假定進排氣道關(guān)閉，進排氣道各結(jié)構(gòu)所處平面無氣孔，將風機間正壓區(qū)側(cè)風機殼外緣所處截面等效為流體入口，將風機間負壓區(qū)側(cè)的風機殼外緣所處截面等效為流體出口。流體入口采用vectory inlet，流體出口采用outflow，干燥窯殼體及板材表面采用無滑移壁面邊界條件，計算選用了Realizable κ-ε兩方程模型，計算收斂標準為10-4。

2.2 數(shù)學模型

本文針對等溫等濕、風機全速運轉(zhuǎn)條件下干燥窯窯內(nèi)干燥介質(zhì)的氣流分布的情況進行分析，將干燥窯內(nèi)干燥介質(zhì)的流動視為不可壓縮的湍流流動，密度為常數(shù)，其控制方程如下:

連續(xù)方程:

動量方程:

式中:u為窯內(nèi)干燥介質(zhì)流動速度，m/s;ρ為窯內(nèi)干燥介質(zhì)密度，kg/m3;μ為動力粘度，Pa·s;P為流體靜壓，Pa;g為重力加速度，kg/(m·s2)。

選用Realizable κ-ε模型，與之對應(yīng)的湍動能κ和耗散率e的運輸方程列于下式:

式中:ui、uj為xi、xj方向的時均速度;xi為直角坐標系的三個坐標;μt為湍動黏度，Pa/s;v為運動黏度，m2/s;E為時均應(yīng)變張力。

經(jīng)驗常數(shù):c1=1.44;c2=1.92;σk=1.0;σε=1.2。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同進排氣道結(jié)構(gòu)下窯內(nèi)流場分布

為對比不同進排氣道結(jié)構(gòu)參數(shù)對窯內(nèi)流場的影響，固定配氣道寬度為生產(chǎn)中常用寬度800 mm。

3.1.1 氣流云圖

數(shù)值模擬結(jié)果首先采用速度場氣流云圖輸出。云圖中，不同的顏色代表所處區(qū)域干燥介質(zhì)氣流速度的大小。

Y-Z平面氣流分布情況:材堆入口斷面氣流分布情況如圖4和圖5所示。

X-Y平面氣流分布情況如圖6所示。

X-Z平面氣流分布情況如圖7所示。

圖4 配氣道寬度800 mm材堆入口斷面速度場分布Fig.4 Velocity distribution of stacks entrance section when distribution channels width was 800 mm

圖5 配氣道寬度800 mm材堆出口斷面速度場分布Fig.5 Velocity distribution of stacks outlet section when distribution channels width was 800 mm

圖6 配氣道寬度800 mm材堆中部X-Y斷面速度場分布Fig.6 Velocity distribution of stacks X-Y section when distribution channels width was 800 mm

圖7 配氣道寬度800 mm材堆中部X-Z斷面速場分布Fig.7 Velocity distribution of stacks X-Z section when distribution channels width was 800 mm

由材堆入口斷面和出口斷面及X-Z斷面速度場分布情況可以看出，新型常規(guī)頂風機型節(jié)能干燥窯內(nèi)木材堆中下兩層氣流分布較為均勻，獨木材堆頂層氣流流速較低且分布不均，材堆頂層低流速區(qū)域隨進排氣道高度的增加而有所減少，木材堆入口斷面和出口斷面的流速隨進排氣道高度的增加而增加。由X-Y斷面和X-Z斷面的速度場分布情況可以看出，隨氣流在材堆內(nèi)部沿橫向流經(jīng)的延長，流速逐漸降低，這是由于鋸材和隔條表面阻力造成氣流流動所需動力減少造成的，另外，材堆內(nèi)部的高流速區(qū)域隨進排氣道高度的增加而略有加大。

3.1.2 數(shù)據(jù)結(jié)果

為更具體地反應(yīng)干燥窯內(nèi)氣流分布情況，選取木材堆中部斷面(即Z平面高度位于Z=2137.5處)，設(shè)置一系列避開隔條和鋸材的檢測點，沿X正向分布1～10點，沿Y正向分布1～13點。

(1)材堆長度方向檢測結(jié)果

檢測結(jié)果如圖8所示，各檢測點數(shù)據(jù)均勻性分析結(jié)果見表1。由圖8、表1可知，當室內(nèi)AB兩側(cè)進排氣道結(jié)構(gòu)不同時，沿干燥窯長度方向上，木材堆中部氣流分布較為均勻。管道高度為1 000 mm時，材堆內(nèi)部風速最大。標準偏差隨管道高度的增加而減小。變異系數(shù)隨管道高度的增加而減小。

圖8 木材堆中部沿干燥窯長度方向的檢測結(jié)果Fig.8 Test data of stacks in the longitudinal direction

表1 木材堆長度方向檢測數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of stacks in the longitudinal direction

(2)材堆寬度方向檢測結(jié)果

檢測結(jié)果如圖9所示，各檢測點數(shù)據(jù)均勻性分析結(jié)果見表2。

由圖9和表2可知，當配氣道寬度一定時，材堆中部氣流沿氣流流經(jīng)路徑，速度逐漸降低。管道高度為700 mm時，材堆氣流平均速度最大。標準偏差隨管道高度的增加而逐漸縮小。變異系數(shù)隨管道高度的增加而逐漸縮小。故就均勻性而言管道高度為1 000 mm時最佳。

圖9 材堆中部沿干燥窯寬度方向的檢測結(jié)果Fig.9 Test data of stacks in the width l direction

綜合上述，考慮材堆內(nèi)部的氣流分布情況和材堆長度及寬度方向上的數(shù)據(jù)檢測結(jié)果，從氣流在材堆內(nèi)部的整體流速和均勻性的角度出發(fā)，以管道高度為1 000 mm時，干燥窯窯內(nèi)速度場分布最佳。

表2 材堆寬度方向檢測數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of stacks in the width l direction

3.2 不同配氣道寬度下窯內(nèi)流場分布

為對比不同配氣道寬度對窯內(nèi)流場的影響，固定管道高度為1 000 mm。

3.2.1 氣流云圖

Y-Z平面的氣流分布情況:材堆入口斷面分布情況如圖10所示，材堆出口斷面氣流分布情況如圖11所示。

X-Y平面氣流分布情況如圖12所示。

X-Z平面氣流分布情況如圖13所示。

由木材堆入口斷面和材堆出口斷面及X-Z斷面速度場分布情況可以看出，節(jié)能型干燥窯內(nèi)材堆中下兩層氣流分布較為均勻，獨材堆頂層氣流流速較低且分布不均，材堆頂層低流速區(qū)域隨配氣道寬度的增加而有所減少，材堆入口斷面和出口斷面的流速隨配氣道寬度的增加而減小，這是由于風量一定時，配氣道寬度增加，流體流動截面積增大，使風速減小。由X-Y斷面和X-Z斷面的速度場分布情況可以看出，隨氣流在材堆內(nèi)部沿橫向流經(jīng)的延長，流速逐漸降低，材堆內(nèi)部的高流速區(qū)域隨配氣道寬度的增加而略有加大。

圖10 管道高度1 000 mm時材堆入口斷面氣流分布Fig.10 Velocity distribution of stacks entrance section when height of inlet and exhaust ducts was 1 000 mm

圖11 管道高度1 000 mm時材堆出口口斷面氣流分布Fig.11 Velocity distribution of stacks outlet section when height of inlet and exhaust ducts was 1 000 mm

圖12 管道高度1 000 mm時材堆中部X-Y斷面速度場分布Fig.12 Velocity distribution of stacks X-Y section when height of inlet and exhaust ducts was 1 000 mm

圖13 管道高度1 000 mm時材堆中部X-Z斷面速度場分布Fig.13 Velocity distribution of stacks X-Z section when height of inlet and exhaust ducts was 1 000 mm

3.2.2 數(shù)據(jù)結(jié)果

(1)材堆長度方向檢測結(jié)果

由圖14和表3可知，材堆長度方向上除平均速度隨配氣道寬度增加而減小外，氣流分布均勻性并沒有依配氣道寬度的增減而呈一致性變化。

(2)材堆寬度方向檢測結(jié)果

由圖15和表4可知，隨氣流材堆寬度方向上的流動路徑的延長，氣流速度逐漸降低，以配氣道寬度為1 000 mm時氣流流速最大。標準偏差隨配氣道寬度的增加而減小。變異系數(shù)隨配氣道寬度的增加而減小。

圖14 材堆中部沿干燥窯長度方向的檢測結(jié)果Fig.14 Test data of stacks in the longitudinal direction

表3 材堆長度方向檢測數(shù)據(jù)Tab.3 Test data of stacks in the longitudinal direction

圖15 材堆底部沿干燥窯寬度方向的檢測結(jié)果Fig.15 Test data of stacks in the width l direction

表4 材堆寬度方向檢測數(shù)據(jù)Tab.4 Test data of stacks in the width l direction

綜合上述，考慮材堆內(nèi)部的氣流分布情況和材堆長度及寬度方向上的數(shù)據(jù)檢測結(jié)果，從氣流在材堆內(nèi)部的整體流速和均勻性的角度出發(fā)，以配氣道寬度為1 000 mm時，干燥窯窯內(nèi)速度場分布最佳。

3 結(jié)論

利用FLUENT軟件，對不同配氣道寬度和不同進排氣道結(jié)構(gòu)參數(shù)下的節(jié)能型干燥窯內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬分析，結(jié)果顯示，窯內(nèi)材堆中下兩層氣流分布較為均勻，材堆頂層氣流分布不均但低流速區(qū)域隨進排氣道高度和配氣道寬度的增加而有所減少，材堆內(nèi)部的高流速區(qū)域隨進排氣道高度和配氣道寬度的增加而略有加大。

綜合考慮材堆內(nèi)部的氣流分布情況，木材堆長度及寬度方向上的數(shù)據(jù)檢測結(jié)果，窯體占地面積，殼體散熱面積和制造成本等因素，從氣流在材堆內(nèi)部整體流速和均勻性的角度出發(fā)，設(shè)計時以進排氣道高度為1 000 mm，配氣道寬度為1 000 mm為最佳。

［1］朱正賢.木材干燥［M］.北京:中國林業(yè)出版社，1992:98-105.

［2］李 磊.木材常規(guī)干燥設(shè)備空氣動力系統(tǒng)節(jié)能研究［D］.哈爾濱:東北林業(yè)大學，2010.

［3］趙壽岳.雙室雙風機大容量斜壁型窯的設(shè)計［J］.南京林業(yè)大學學報，1992，16(1):55-57.

［4］李 磊，陳廣元，李明君.多級弧形板導流裝置及其對木材干燥室介質(zhì)循環(huán)均勻性的改善［J］.東北林業(yè)大學學報，2004，18(6):22-24.

［5］劉金業(yè)，余二祥，朱鳳娟.干燥室內(nèi)材堆循環(huán)風速測試與分析［J］.木材工業(yè)，2004，18(6):22-24.

［6］李 磊，陳廣元.改善頂風機型木材干燥室空氣流動特性研究［J］.森林工程，2010，26(3):26-28.

［7］張瑞雪.基于計算流體力學的干燥窯風速檢測與建模仿真研究［D］.哈爾濱:東北林業(yè)大學，2010.

［8］張瑞雪，曹 軍，孫麗萍.木材干燥窯內(nèi)部風速場的數(shù)值模擬研究［J］.森林工程，2010.20(1):25-28.

［9］沙汀鷗，楊 潔，呂 歡，等.木材干燥窯內(nèi)部風速場的數(shù)值模擬與優(yōu)化［C］.第十四次全國木材干燥學術(shù)研討會研討會論文集.中國.北京，2013，11:305-311.

［10］張 楊，吳 哲，曹 軍，等.木材干燥窯內(nèi)速度場均勻性的數(shù)值模擬［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學，2013，41(11):4871-4873.

［11］茹 煜，賈志成，郁 金.基于Fluent軟件的木材干燥窯內(nèi)部流場分析研究［J］.木材加工機械，2010，4:12-15.

［12］閆一野，劉美爽.木材干燥窯內(nèi)風速與流場均勻性的數(shù)值模擬［J］.東北林業(yè)大學學報，2012，40(6):134-136.

［13］任樹彬，李 丹.木材干燥窯排潮執(zhí)行器的改進［J］.林業(yè)科技，2014，04:47.

［14］艾沐野，李 莉，閆佳玉，等.對改進和完善常規(guī)木材干燥室設(shè)施的探討［J］.林業(yè)機械與木工設(shè)備，2015(2):4-7.