朱伊楓，孫麗萍※，李季成,2

干燥窯結(jié)構(gòu)改進(jìn)對風(fēng)速流場均勻性的影響

朱伊楓1，孫麗萍1※，李季成1,2

（1. 東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040；2. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

針對頂風(fēng)機(jī)型木材干燥窯內(nèi)部風(fēng)速流場分布不均勻問題，該研究基于發(fā)明問題解決算法（Algorithm for Inventive-Problem Solving，ARIZ）對干燥窯從優(yōu)化窯體結(jié)構(gòu)、調(diào)整鋸材間隙、改善導(dǎo)流方式3個方向進(jìn)行分組改進(jìn)設(shè)計，每組包含4個方案，共得到了12個幾何方案模型；采用計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真對比分析不同模型的風(fēng)速流場，利用逐項(xiàng)耦合迭代法確定了調(diào)整鋸材間隙和增設(shè)導(dǎo)流板兩個改進(jìn)方向能夠解決窯體內(nèi)部風(fēng)速流場分布不均勻問題；采用風(fēng)速流場分布云圖、檢測點(diǎn)風(fēng)速差值、平均速度、速度不均勻系數(shù)4項(xiàng)評價指標(biāo)，對84個監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值計算和對比分析后迭代出將窯體結(jié)構(gòu)的四角優(yōu)化為曲面化設(shè)計，調(diào)整鋸材間隙為上寬下窄的非等距形式，并在預(yù)留氣道中增加3塊平面導(dǎo)流板來改善導(dǎo)流方式的綜合性改進(jìn)設(shè)計方案為較優(yōu)方案，該方案的風(fēng)速差值為-0.058 m/s，更趨近于0，平均速度提升了15.60%，速度不均系數(shù)降低了72.70%；結(jié)果表明，采用ARIZ對干燥窯結(jié)構(gòu)進(jìn)行迭代改進(jìn)設(shè)計的方法可有效解決窯體內(nèi)部風(fēng)速流場分布不均勻問題。

干燥；數(shù)值模擬；干燥窯；風(fēng)速流場；發(fā)明問題解決算法

0 引 言

熱風(fēng)干燥技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品、木材、糧食、食品加工及紡織行業(yè)中，熱風(fēng)干燥系統(tǒng)干燥過程中的風(fēng)速流場均勻性對被干燥產(chǎn)品的干燥品質(zhì)穩(wěn)定性和干燥效率有著直接的影響[1]，因此對風(fēng)速流場均勻性的研究十分必要。王振文等[2]針對熱泵烘房干燥過程中存在的產(chǎn)品品質(zhì)不穩(wěn)定、干燥效率低等問題，通過改進(jìn)熱風(fēng)烘房結(jié)構(gòu)及速度參數(shù)開展模擬仿真與分析，提高干燥效率。車剛等[3]針對干燥室風(fēng)場不均勻性問題，通過改進(jìn)角狀管的開孔結(jié)構(gòu)來改善干燥室內(nèi)部的風(fēng)量分配關(guān)系。吳小華等[4]針對無法準(zhǔn)確得到各干燥階段水分比的問題，通過進(jìn)行多組一段式干燥試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了所提出試驗(yàn)方案的可行性。顏建春等[5]針對干燥機(jī)內(nèi)部風(fēng)場分布不均勻問題，采用導(dǎo)風(fēng)板對穿過入風(fēng)口的介質(zhì)空氣分流引流，提高了水平方向上的通風(fēng)和干燥均勻性。但前人對如何運(yùn)用創(chuàng)新方法進(jìn)行邏輯推導(dǎo)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)改進(jìn)概念設(shè)計方案的研究不足。鑒于此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，將發(fā)明問題解決算法（Algorithm for Inventive-Problem Solving，ARIZ）用于對干燥窯風(fēng)速流場分布不均問題進(jìn)行系統(tǒng)化的邏輯推導(dǎo)，讓結(jié)構(gòu)改進(jìn)概念設(shè)計方案的求解過程更具科學(xué)性，為科研工作者減少探尋概念設(shè)計方案的時間成本，以及減少驗(yàn)證方案可行性的經(jīng)濟(jì)成本提供理論依據(jù)。

本文以熱風(fēng)干燥窯系統(tǒng)為例，在可適用的多類農(nóng)林產(chǎn)品干燥物料中選擇鋸材作為干燥對象。鋸材干燥過程是木材干燥領(lǐng)域的主要研究內(nèi)容，而且木材干燥質(zhì)量的好壞對木材利用率和木材產(chǎn)品質(zhì)量有直接影響[6]。干燥窯內(nèi)氣流分布的均勻性是影響干燥特性及品質(zhì)優(yōu)劣的重要因素。干燥窯結(jié)構(gòu)和工作部件設(shè)計的合理性將影響內(nèi)部氣流分布的均勻性，從而影響干燥質(zhì)量和干燥效率，因此開展干燥窯結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化至關(guān)重要。本文通過ARIZ算法對木材干燥窯進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計，利用計算流體力學(xué)軟件對改進(jìn)模型進(jìn)行分析，得出木材干燥窯較優(yōu)模型，并分析結(jié)構(gòu)改進(jìn)對窯內(nèi)風(fēng)速流場均勻性的影響，以期提高木材干燥設(shè)備性能。

1 改進(jìn)干燥窯風(fēng)速流場均勻性設(shè)計方法

1.1 基于ARIZ的木材干燥窯改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

針對頂風(fēng)機(jī)型木材干燥窯[7-10]內(nèi)部風(fēng)速流場分布不均勻問題，提出了將ARIZ[11]與計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用于干燥窯的改進(jìn)設(shè)計方法。該方法的應(yīng)用流程為：首先從初始問題的情境分析開始，依據(jù)分析結(jié)果建立初始問題的風(fēng)速流場分布云圖；其次應(yīng)用ARIZ算法對初始問題的分析結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計方案求解；然后將所獲得的改進(jìn)設(shè)計方案利用CFD技術(shù)進(jìn)行仿真試驗(yàn)?zāi)M，并獲得改進(jìn)設(shè)計方案的仿真試驗(yàn)結(jié)果；最后將方案試驗(yàn)結(jié)果與初始問題的風(fēng)速流場分布云圖內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行對比分析，以驗(yàn)證改進(jìn)設(shè)計方案的有效性，經(jīng)綜合評估后獲得較優(yōu)方案?；贏RIZ和CFD的干燥窯改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法如圖1所示。

在對初始問題的分析結(jié)果和改進(jìn)設(shè)計方案進(jìn)行二維模擬時；均利用ICEM CFD軟件建立幾何模型及網(wǎng)格劃分；利用FLUENT軟件進(jìn)行窯體內(nèi)部風(fēng)速流場數(shù)值模擬仿真實(shí)驗(yàn)；利用CFD-Post軟件進(jìn)行仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)后處理。

1.2 ARIZ算法

ARIZ算法是由TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）理論創(chuàng)始人Genrich Altshuller于1956年提所出的，ARIZ算法通過程式化的解析流程，將模糊的初始問題逐步細(xì)化為可利用沖突模型表達(dá)的最小問題，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)問題的逐步深入分析與轉(zhuǎn)化。ARIZ算法經(jīng)過不斷改進(jìn)優(yōu)化，現(xiàn)已形成為ARIZ算法簇，可用于輔助科研人員融合應(yīng)用TRIZ理論中的各項(xiàng)思維工具，針對復(fù)雜問題進(jìn)行問題求解與改進(jìn)設(shè)計。國內(nèi)外已有許多學(xué)者應(yīng)用ARIZ算法在不同領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新性改進(jìn)設(shè)計，并驗(yàn)證了ARIZ算法解決問題的有效性[12-15]。本文選用融合了系統(tǒng)功能分析工具的ARIZ-91作為干燥窯系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計算法。運(yùn)用ARIZ-91算法對初始問題分析結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計方案求解的過程如下：

1）技術(shù)系統(tǒng)功能分析：針對存在內(nèi)部風(fēng)速流場分布不均問題的干燥窯建立功能模型圖，并將功能模型圖中系統(tǒng)沖突區(qū)域內(nèi)的有害作用及不足作用作為問題求解的入手點(diǎn)，形成3個改進(jìn)設(shè)計方向。

2）系統(tǒng)的問題模型分析：利用系統(tǒng)沖突區(qū)域中與有害作用相關(guān)的組件構(gòu)建問題模型的技術(shù)矛盾組，通過技術(shù)矛盾求解過程中選定矛盾，參數(shù)轉(zhuǎn)化，查表求解3個子步驟獲得特定的發(fā)明原理，依據(jù)實(shí)際工況需求將篩選后的發(fā)明原理作為改進(jìn)設(shè)計方案的原理解，建立4個改進(jìn)設(shè)計方案，形成窯體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案組。

3）確定理想化最終結(jié)果（Ideal Final Result，IFR）和物理矛盾：利用IFR的求解過程并調(diào)用干燥窯子系統(tǒng)物質(zhì)-場資源列表中IFR-X需求描述所對應(yīng)的鋸材間隙元素，建立4個改進(jìn)設(shè)計方案，形成調(diào)整鋸材間隙方案組。依據(jù)實(shí)際工況針對物理矛盾性質(zhì)選用對應(yīng)的分離方法和發(fā)明原理，建立4個改進(jìn)設(shè)計方案，形成改善導(dǎo)流方式方案組。

4）系統(tǒng)的物質(zhì)-場分析：建立問題的物質(zhì)-場模型后，查找標(biāo)準(zhǔn)解系統(tǒng)獲得特定的標(biāo)準(zhǔn)解，用于建立其他的改進(jìn)設(shè)計方案，也可以進(jìn)一步形成改進(jìn)設(shè)計方案組。

5）調(diào)用或轉(zhuǎn)變物質(zhì)-場資源（Substance-Field Resources，SFR）：對各項(xiàng)系統(tǒng)層級中的可用物質(zhì)-場資源進(jìn)行分析及調(diào)用，可用于建立更多的改進(jìn)設(shè)計方案，也可以進(jìn)一步形成改進(jìn)設(shè)計方案組。

6）重新定義初始問題：如進(jìn)行到該步驟還無法獲得任何原理解或概念設(shè)計方案解，需要查看初始問題是否為多項(xiàng)子問題構(gòu)成的復(fù)合問題，如果是則需進(jìn)行問題拆分并重新描述子問題，返回第一步重復(fù)ARIZ-91的解題流程。

本文應(yīng)用ARIZ-91算法的解題流程，如圖2所示。

1.3 CFD技術(shù)

CFD技術(shù)是通過建立反映物理問題本質(zhì)的物理和數(shù)學(xué)模型，以及所研究流體的質(zhì)量方程、動量方程、能量方程等，針對控制方程的數(shù)值離散化方法，用計算機(jī)技術(shù)求得其數(shù)值解，并用計算機(jī)可視化技術(shù)呈現(xiàn)流體的速度場、溫度場、壓力場的分布[16-18]。在近幾年的研究中，相關(guān)學(xué)者針對窯體內(nèi)部風(fēng)速流場分布不均勻問題，采用各種計算流體力學(xué)軟件進(jìn)行了相關(guān)仿真試驗(yàn)的分析與研究，驗(yàn)證了計算機(jī)模擬方法對干燥窯內(nèi)部風(fēng)速流場進(jìn)行數(shù)值模擬的可行性[19-21]。

2 干燥窯相關(guān)模型建立與初始問題情境分析

2.1 干燥窯相關(guān)模型建立

2.1.1 幾何模型

本文所研究的干燥窯類型為典型的實(shí)驗(yàn)用頂風(fēng)機(jī)型木材干燥窯[22-23]。窯體內(nèi)部由假頂棚將窯體分成上下兩個部分，上部風(fēng)機(jī)間內(nèi)裝有3臺GKF型軸流風(fēng)機(jī)，下部干燥間內(nèi)裝有材堆，材堆內(nèi)鋸材尺寸依據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[24-25]結(jié)合厚板木材試件干燥要求設(shè)計得出，窯內(nèi)材堆堆積方法采用無隔條自墊堆積法（長短鋸材縱橫交叉堆積）即，縱向擺放的長鋸材依次平鋪不留間隔，橫向擺放的短鋸材交叉放置留有間隔（具有隔條功能），如此反復(fù)堆積到預(yù)定材堆高度。其中進(jìn)氣口、排氣口高度數(shù)據(jù)依據(jù)實(shí)測情況將窯體壁厚考慮在內(nèi)最終確定為70 mm。其他參數(shù)如表1所示。

圖3a為干燥窯結(jié)構(gòu)示意圖。根據(jù)表1建立三維幾何結(jié)構(gòu)模型，如圖3b所示。因二維模擬可兼顧一維和三維模擬的優(yōu)點(diǎn)，其模擬速度快，模擬精度能滿足實(shí)際運(yùn)用要求[26]，且假頂棚風(fēng)機(jī)間內(nèi)的氣流情況不在本研究范圍內(nèi)，為簡化計算和降低仿真分析難度[27]，依據(jù)三維幾何結(jié)構(gòu)模型軸方向（=1 050 mm）截面建立二維截面簡化模型，如圖3c所示。

2.1.2 數(shù)學(xué)模型

流動控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程以及湍流動能輸運(yùn)和耗散方程[28]，具體如下：

表1 干燥窯主要技術(shù)參數(shù)

1）連續(xù)方程

2）動量方程

式中u、u分別為x、x方向的時均速度，m/s；x為直角坐標(biāo)系的3個軸坐標(biāo)；為窯內(nèi)空氣流速，m/s；為窯內(nèi)空氣密度，kg/m3；為動力黏度，Pa·s；為空氣靜壓，Pa；g為重力加速度，kg/(m·s)2。x和x 為位移在、方向的分量，m。

3）湍動能和耗散率的輸運(yùn)方程分別為

1.進(jìn)氣口 2.假頂棚風(fēng)機(jī)間 3.排氣口 4.材堆 5.干燥間

1.Air inlet 2.Fan room in false ceiling 3.Air outlet 4.Wood stack 5.Drying room

注：P1～P7為監(jiān)測點(diǎn)。

Note: P1-P7 is the monitoring points.

圖3 干燥窯幾何模型

Fig.3 Geometric model of drying kiln

2.1.3 網(wǎng)格模型

采用ICEM CFD軟件對圖3c中的干燥窯二維截面簡化模型建立網(wǎng)格模型，網(wǎng)格劃分選用四邊形網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)量為72 060。

2.2 初始問題情境分析

2.2.1 干燥窯的邊界條件和風(fēng)速流場數(shù)值模擬

1）邊界條件

問題情境為在等溫等濕條件下裝載量為1.198 m3的干燥窯內(nèi)，空氣從左側(cè)頂部進(jìn)氣口進(jìn)入，流經(jīng)鋸材間隙后，由右側(cè)頂部排氣口流出，窯內(nèi)的溫度區(qū)間為60～110 ℃。本試驗(yàn)采用常規(guī)干燥基準(zhǔn)，在干燥中間處理階段木材內(nèi)部結(jié)合水轉(zhuǎn)化為水蒸氣后的排濕環(huán)節(jié)，根據(jù)窯內(nèi)空氣流動特性，將各項(xiàng)邊界條件設(shè)定如下：進(jìn)、排氣口為全開狀態(tài)（進(jìn)氣口初始風(fēng)速為3 m/s，排氣口為自由出風(fēng)）視窯內(nèi)空氣流動為不可壓縮的湍流，采用標(biāo)準(zhǔn)模型構(gòu)建湍流模型，利用隱式求解器及SIMPLE算法進(jìn)行速度壓力耦合求解，空間離散化梯度為基于最小二乘法的單元。

2）風(fēng)速流場數(shù)值模擬

在FLUENT中進(jìn)行數(shù)值模擬后得到干燥窯內(nèi)部風(fēng)速流場分布云圖，如圖4所示。

通過圖4可見，常規(guī)木材干燥窯內(nèi)部存在風(fēng)速流場分布不均勻的情況，此種情況易導(dǎo)致鋸材在干燥過程中產(chǎn)生鋸材干燥不均勻的問題，且對干燥介質(zhì)的有效利用率較低。

2.2.2 模型可靠性驗(yàn)證

窯內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)位置（P1～P7）分布情況，如圖3c所示。通過CFD-Post進(jìn)行仿真結(jié)果的后處理，將所采集仿真結(jié)果中的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表2所示。

表2 風(fēng)速監(jiān)測點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)情況

表2中的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)差值范圍為±0.2m/s，屬于合理范圍，各項(xiàng)監(jiān)測點(diǎn)（P1～P7）實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)之間差值的平均值為0.071 m/s，且數(shù)值變化趨勢一致，表明了模型的可靠性，說明模擬結(jié)果與實(shí)際情況相符合。

2.2.3 方案改進(jìn)設(shè)計的評價指標(biāo)

為驗(yàn)證所提出的基于ARIZ的木材干燥窯改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的可行性，并針對改進(jìn)設(shè)計方案仿真試驗(yàn)中風(fēng)速流場均勻性的變化及分布特性進(jìn)行科學(xué)性評價，本文選了4種評價指標(biāo)[29-32]：

1）風(fēng)速流場分布云圖：對改進(jìn)設(shè)計方案進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，通過仿真試驗(yàn)結(jié)果可以直觀觀測到每項(xiàng)方案的速度場分布云圖的對比結(jié)果。

2）檢測點(diǎn)風(fēng)速差值：對改進(jìn)設(shè)計方案進(jìn)行窯內(nèi)鋸材間隙定位監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的差值運(yùn)算，差值越小代表窯內(nèi)頂端和底端的風(fēng)速差值越小，其風(fēng)速流場均勻性相對越好。

3）平均速度：二維數(shù)值模擬仿真試驗(yàn)中監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的氣流平均速度大小，代表了其氣流強(qiáng)度大小。平均速度越大，則其強(qiáng)度越大，越有利于氣流在干燥窯內(nèi)部預(yù)留氣道及鋸材間隙的輸送，排濕也更加通暢。

4）速度不均勻系數(shù)：為了評價干燥窯內(nèi)部速度分布的均勻性，引入速度不均勻系數(shù)，計算式為

速度不均勻系數(shù)越大，說明內(nèi)部風(fēng)速流場越不均勻；越小，則代表風(fēng)速流場均勻性越好，也表明干燥后的產(chǎn)品均勻性或品質(zhì)會越好。

利用以上4項(xiàng)評價指標(biāo)對干燥窯初始問題中的監(jiān)測點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)速差值為1.098 m/s，平均速度為1.114 m/s，速度不均系數(shù)為0.337。

以上各項(xiàng)數(shù)據(jù)將作為后續(xù)改進(jìn)設(shè)計方案有效性評價的對比依據(jù)。為便于數(shù)據(jù)對比分析，速度不均系數(shù)采用小數(shù)形式表示。

3 應(yīng)用ARIZ-91算法對木材干燥窯進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計

3.1 技術(shù)系統(tǒng)功能分析

確定當(dāng)前技術(shù)系統(tǒng)為干燥窯系統(tǒng)。按照TRIZ中對于功能的SVOP描述形式將其主要功能描述為干燥窯降低鋸材含水率，系統(tǒng)的作用對象為鋸材，對干燥窯系統(tǒng)進(jìn)行組件分析，結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3進(jìn)行組件之間的主要相互作用分析后繪制干燥窯系統(tǒng)功能模型，如圖5 所示。干燥窯系統(tǒng)功能模型的作用是根據(jù)圖中存在的有害作用和不足作用確定系統(tǒng)沖突區(qū)域，根據(jù)沖突區(qū)域中存在的問題數(shù)量進(jìn)一步獲得干燥窯初始問題的改進(jìn)設(shè)計方向。

表3 干燥窯系統(tǒng)組件分析

根據(jù)干燥窯系統(tǒng)系統(tǒng)功能模型圖當(dāng)中發(fā)出有害作用及不足作用的組件劃定系統(tǒng)沖突區(qū)域，沖突區(qū)域內(nèi)包含3對問題組件，分別為：熱空氣與鋸材、熱空氣與鋸材內(nèi)水分、預(yù)留氣道與熱空氣。針對沖突區(qū)域中所存在的3個問題“預(yù)留氣道移動熱空氣的不足作用，流速快的熱空氣導(dǎo)致鋸材變形的有害作用，流速慢的熱空氣去除鋸材內(nèi)水分的不足作用”將從優(yōu)化窯體結(jié)構(gòu)、調(diào)整鋸材間隙、改善導(dǎo)流方式3個改進(jìn)方向入手，每個改進(jìn)方向建立1個設(shè)計方案組，每個方案組由4個改進(jìn)設(shè)計方案構(gòu)成，3個方案組共計12個改進(jìn)設(shè)計方案，用于解決窯體內(nèi)部風(fēng)速流場分布不均勻問題。在12個改進(jìn)設(shè)計方案的仿真試驗(yàn)結(jié)果中每項(xiàng)方案采集7個（P1～P7）監(jiān)測數(shù)據(jù)，共計84個監(jiān)測數(shù)據(jù)，用于進(jìn)行后續(xù)各項(xiàng)改進(jìn)設(shè)計方案之間的對比分析。

3.2 系統(tǒng)問題模型分析

3.2.1 問題模型的技術(shù)矛盾求解過程

依據(jù)干燥作業(yè)實(shí)際生產(chǎn)情況，結(jié)合沖突區(qū)域內(nèi)的問題組件關(guān)系，構(gòu)建最小問題模型的技術(shù)矛盾組，如圖6所示。

根據(jù)設(shè)計干燥窯系統(tǒng)所需的主要功能，將具有改善參數(shù)“去除鋸材內(nèi)水分充分”的技術(shù)矛盾-1確定為待解決的技術(shù)矛盾。

技術(shù)矛盾的求解過程分為3步：選定矛盾，參數(shù)轉(zhuǎn)化，查表求解。

1）選定矛盾：根據(jù)技術(shù)矛盾的標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式（如果……，那么……，但是……），用圖6a建立技術(shù)矛盾-1的非標(biāo)準(zhǔn)文字表達(dá)形式為“如果（熱空氣流速快），那么（去除鋸材內(nèi)水分充分），但是（易導(dǎo)致鋸材變形）”。

2）參數(shù)轉(zhuǎn)化：將非標(biāo)準(zhǔn)的文字表達(dá)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的通用工程參數(shù)表達(dá)。通過查找39個通用工程參數(shù)對照表后，確定“那么（去除鋸材內(nèi)水分充分）”對應(yīng)的改善參數(shù)為“No.26物質(zhì)或事物的數(shù)量”，確定“但是（易導(dǎo)致鋸材變形）”對應(yīng)的惡化參數(shù)為“No.12形狀”。

3）查表求解：將改善參數(shù)和惡化參數(shù)輸入到技術(shù)矛盾求解矩陣表中，獲得查表結(jié)果為40個發(fā)明原理當(dāng)中的兩項(xiàng)，分別為“35.物理或化學(xué)參數(shù)改變原理，14.曲面化原理”。

依據(jù)系統(tǒng)改進(jìn)實(shí)際工況需求，對查表結(jié)果中的兩項(xiàng)發(fā)明原理進(jìn)行篩選后，確定將“14.曲面化原理”作為窯體結(jié)構(gòu)改進(jìn)的概念設(shè)計原理解，用于形成窯體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案組。

3.2.2 窯體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案組的數(shù)值模擬及試驗(yàn)結(jié)果分析

應(yīng)用“14.曲面化原理”對干燥窯初始問題（圖4）進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，形成的4項(xiàng)改進(jìn)設(shè)計方案分別為；未連通出風(fēng)口的四角曲面化設(shè)計方案（圖7a），連通出風(fēng)口的四角曲面化設(shè)計方案（圖7b），未連通出風(fēng)口的頂角曲面化和底腳階梯曲面化設(shè)計方案（圖7c），連通出風(fēng)口的頂角曲面化和底角階梯曲面化設(shè)計方案（圖7d），以上4項(xiàng)改進(jìn)設(shè)計方案共同構(gòu)成了窯體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案組。利用CFD技術(shù)對窯體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案組中的4項(xiàng)改進(jìn)設(shè)計方案進(jìn)行風(fēng)速流場數(shù)值模擬仿真試驗(yàn)，結(jié)果如圖 7所示。

采用CFD-Post在窯體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案組仿真結(jié)果中共采集28個監(jiān)測點(diǎn)的風(fēng)速數(shù)據(jù)，并利用評價標(biāo)準(zhǔn)中的式 （5）、式（6）、式（7）分別計算窯體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案組中4項(xiàng)設(shè)計方案各自的監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)速差值、平均速度、速度不均系數(shù)，結(jié)果如表4所示。

表4 窯體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案組中4項(xiàng)設(shè)計方案之間的各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果對比分析

將表4中的各項(xiàng)方案進(jìn)行對比可見，未連通出風(fēng)口的四角曲面化設(shè)計方案的監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)速差值及速度不均系數(shù)均為最小值，平均速度與干燥窯初始問題相差0.002，其值屬于允許范圍內(nèi)。依據(jù)方案改進(jìn)設(shè)計的評價指標(biāo)可以確定未連通出風(fēng)口的四角曲面化設(shè)計方案的改進(jìn)效果較優(yōu)，所以將未連通出風(fēng)口的四角曲面化設(shè)計方案作為下一步迭代優(yōu)化的基礎(chǔ)模型。

3.3 確定IFR和物理矛盾

3.3.1 IFR的求解過程

擬定IFR為在不改變窯體結(jié)構(gòu)的情況下，鋸材本身可以調(diào)整氣流流經(jīng)鋸材間隙的速度。設(shè)定對IFR-X元素需求為可消除鋸材變形的有害作用，并可完成系統(tǒng)去除鋸材內(nèi)水分充分的主要功能，而不增加系統(tǒng)復(fù)雜程度，并且不產(chǎn)生任何有害作用。IFR-X元素的解為通過調(diào)用及改變干燥窯子系統(tǒng)物質(zhì)-場資源中鋸材間隙的高度參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，根據(jù)窯內(nèi)空氣流動特性，通過將原等距的鋸材間隙調(diào)整為非等距鋸材間隙的方法，減少不同鋸材間隙之間監(jiān)測數(shù)據(jù)的風(fēng)速差值，以提高窯內(nèi)風(fēng)速流場的分布均勻性。

3.3.2 調(diào)整鋸材間隙方案組的數(shù)值模擬及試驗(yàn)結(jié)果分析

應(yīng)用IFR-X元素對“未連通出風(fēng)口的四角曲面化設(shè)計方案”進(jìn)行迭代優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計，形成的4項(xiàng)改進(jìn)設(shè)計方案分別為；上窄下寬的非等距鋸材間隙設(shè)計方案（圖 8a），上寬下窄的非等距鋸材間隙設(shè)計方案（圖8b），上下寬中間窄的非等距鋸材間隙設(shè)計方案（圖8c），上下窄中間寬的非等距鋸材間隙設(shè)計方案（圖8d），以上4項(xiàng)改進(jìn)設(shè)計方案共同構(gòu)成了窯體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案組。窯體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案組中4項(xiàng)改進(jìn)設(shè)計方案中的窄距間隙為40 mm，寬距間隙為80 mm。利用CFD技術(shù)對調(diào)整鋸材間隙方案組中的4項(xiàng)改進(jìn)設(shè)計方案進(jìn)行風(fēng)速流場數(shù)值模擬仿真試驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。

采用CFD-Post在調(diào)整鋸材間隙方案組仿真結(jié)果中共采集28個監(jiān)測點(diǎn)的風(fēng)速數(shù)據(jù)，并利用評價標(biāo)準(zhǔn)中的式（5）、式（6）、式（7）分別計算調(diào)整鋸材間隙方案組中4項(xiàng)設(shè)計方案各自的監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)速差值、平均速度、速度不均系數(shù)，結(jié)果如表5所示。

表5 調(diào)整鋸材間隙方案組中4項(xiàng)設(shè)計方案之間的各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果對比分析

將表8中的各項(xiàng)方案進(jìn)行對比可見，上寬下窄的非等距鋸材間隙設(shè)計方案的監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)速差值為0.115 m/s，更趨于0，其速度不均系數(shù)為最小值，依據(jù)方案改進(jìn)設(shè)計的評價指標(biāo)可以確定上寬下窄的非等距鋸材間隙設(shè)計方案的改進(jìn)效果最優(yōu)，所以將上寬下窄的非等距鋸材間隙設(shè)計方案作為下一步迭代優(yōu)化的基礎(chǔ)模型。

3.3.3 物理矛盾的求解過程

依據(jù)技術(shù)矛盾-1分析后獲得物理矛盾為：為滿足減少鋸材變形的需求，熱空氣的流向應(yīng)為多向。為滿足去除鋸材內(nèi)水分充分的需求，熱空氣的流向應(yīng)為單向。因此，氣流的流向既需要是多向又需要是單向?yàn)槲锢砻堋?/p>

3.3.4 改善導(dǎo)流方式方案組的數(shù)值模擬及試驗(yàn)結(jié)果分析

應(yīng)用基于系統(tǒng)級別分離方法以及該方法所對應(yīng)的發(fā)明原理列表當(dāng)中的“1.分割原理”對“上寬下窄的非等距鋸材間隙設(shè)計方案”進(jìn)行迭代優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計。在進(jìn)口風(fēng)速不變，窯體內(nèi)部鋸材間隙一致的工況下，在左側(cè)預(yù)留氣道中通過對增設(shè)的平面導(dǎo)流板和曲面導(dǎo)流板進(jìn)行不同形式的組合，形成了4改進(jìn)設(shè)計方案，分別為；增加3塊平面導(dǎo)流板設(shè)計方案（圖9a），增加2塊平面導(dǎo)流板設(shè)計方案（圖9b），增加1塊直面導(dǎo)流板和1塊曲面導(dǎo)流板的設(shè)計方案（圖9c），增加一塊曲面導(dǎo)流板設(shè)計方案（圖9d），以上4項(xiàng)改進(jìn)設(shè)計方案共同構(gòu)成了改善導(dǎo)流方式方案組。利用CFD技術(shù)對改善導(dǎo)流方式方案組中的4項(xiàng)改進(jìn)設(shè)計方案進(jìn)行風(fēng)速流場數(shù)值模擬仿真試驗(yàn)，結(jié)果如圖9所示。

采用CFD-Post在改善導(dǎo)流方式方案組仿真結(jié)果中共采集28個監(jiān)測點(diǎn)的風(fēng)速數(shù)據(jù)，并利用評價標(biāo)準(zhǔn)中的式 （5）、式（6）、式（7）分別計算改善導(dǎo)流方式方案組中4項(xiàng)設(shè)計方案各自的監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)速差值、平均速度、速度不均系數(shù)，結(jié)果如表7所示。

表6 改善導(dǎo)流方式方案組中4項(xiàng)設(shè)計方案之間的各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果對比分析

Tab.6 Comparative analysis of the test results between the four design schemes with improved diversion mode

將表6中的各項(xiàng)方案進(jìn)行對比可見，增加3塊平面導(dǎo)流板設(shè)計方案與增加2塊平面導(dǎo)流板設(shè)計方案的監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)速差均為最小且值相同，兩項(xiàng)差值數(shù)據(jù)共同趨于0。為進(jìn)一步區(qū)分最優(yōu)設(shè)計方案，通過對比速度不均系數(shù)可知，增加3塊平面導(dǎo)流板設(shè)計方案的值較增加2塊平面導(dǎo)流板設(shè)計方案的值減少了0.002。依據(jù)方案改進(jìn)設(shè)計的評價指標(biāo)可以確定增加3塊平面導(dǎo)流板設(shè)計方案的改進(jìn)效果較優(yōu)，所以將增加3塊平面導(dǎo)流板設(shè)計方案確定為較優(yōu)設(shè)計方案。

3.4 系統(tǒng)的物質(zhì)-場分析

針對系統(tǒng)問題模型分析技術(shù)矛盾組中的技術(shù)矛盾-2構(gòu)建問題物質(zhì)-場模型，如圖10a所示，按照不足作用的物質(zhì)-場模型類別，查找對應(yīng)的S2類標(biāo)準(zhǔn)解求解，篩選標(biāo)準(zhǔn)解S2.1.1鏈?zhǔn)轿镔|(zhì)-場模型獲得解題方案的物質(zhì)-場模型。問題物質(zhì)-場模型求解轉(zhuǎn)化后的鏈?zhǔn)轿镔|(zhì)-場模型，如圖10b所示。

改進(jìn)設(shè)計方案：將常規(guī)木材干燥窯中換氣熱損失較大的開式氣流循環(huán)，改為經(jīng)熱泵驅(qū)動的閉式氣流循環(huán)，熱泵干燥技術(shù)可產(chǎn)生具有很強(qiáng)吸濕和干燥能力的熱空氣，即使在相對低速流動的情況下也能較好的去除空氣中木材蒸發(fā)逸散的水分，將熱泵與增加3塊平面導(dǎo)流板設(shè)計方案構(gòu)建成為聯(lián)合干燥形式，可進(jìn)一步提高干燥效率及質(zhì)量，并可降低干燥木材能耗。

3.5 調(diào)用或轉(zhuǎn)變SFR資源

通過對各項(xiàng)系統(tǒng)層級的逐級分析獲得干燥窯系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計的可用物質(zhì)-場資源，如表7所示。其中工具資源熱空氣的流速、流向以及子系統(tǒng)資源鋸材間隙的距離均可用于改進(jìn)設(shè)計。本文僅從3個方面進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，以后還可以通過對表7中的各項(xiàng)可用資源的設(shè)計或改變其他條件，來提高窯體內(nèi)部的風(fēng)速流場均勻性。

表7 干燥窯系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計的物質(zhì)-場資源

Table 8 Substance-field resources for improved design of drying kiln system

4 改進(jìn)前后試驗(yàn)結(jié)果分析

將改進(jìn)前（干燥窯初始問題）與改進(jìn)后（將窯體結(jié)構(gòu)的四角優(yōu)化為曲面化設(shè)計，調(diào)整鋸材間隙為上寬下窄的非等距形式，并在預(yù)留氣道中增加三塊平面導(dǎo)流板來改善導(dǎo)流方式的綜合性改進(jìn)設(shè)計方案）兩項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行對比，結(jié)果如表8所示。

表8 改進(jìn)前與改進(jìn)后的各項(xiàng)參數(shù)對比

根據(jù)表8可知，改進(jìn)前與改進(jìn)后之間的監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)速差值從1.098下降至-0.058 m/s，更趨近于0，證明改進(jìn)后設(shè)計方案的窯內(nèi)頂端和底端之間的風(fēng)速差值較小。改進(jìn)后設(shè)計方案的平均速度較初始情況提升了15.60%，證明改進(jìn)后設(shè)計方案的氣流在窯體內(nèi)部預(yù)留氣道及鋸材間隙的輸送速度增強(qiáng)，利于窯體排濕通暢。改進(jìn)后設(shè)計方案的速度不均系數(shù)較初始情況降低了72.70%，證明改進(jìn)后設(shè)計方案的風(fēng)速流場均勻性較好，利于提升木材干燥品質(zhì)。

5 結(jié) 論

本文針對頂風(fēng)機(jī)型干燥窯內(nèi)部風(fēng)速流場分布不均勻問題，應(yīng)用發(fā)明問題解決算法ARIZ（Algorithm for Inventive-Problem Solving，ARIZ）的結(jié)構(gòu)化解題過程從3個改進(jìn)設(shè)計方向?qū)δ静母稍锔G分別建立了優(yōu)化窯體結(jié)構(gòu)方案組，調(diào)整鋸材間隙方案組，改善導(dǎo)流方式方案組，每組含4個改進(jìn)設(shè)計方案，共獲得了12項(xiàng)方案。通過3輪耦合迭代，最終形成了將窯體結(jié)構(gòu)的四角優(yōu)化為曲面化設(shè)計，調(diào)整鋸材間隙為上寬下窄的非等距形式，并在預(yù)留氣道中增加3塊平面導(dǎo)流板來改善導(dǎo)流方式的綜合性改進(jìn)設(shè)計方案。

1）本文通過將仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)比對驗(yàn)證了模型的可靠性。在此基礎(chǔ)上基于ARIZ對干燥窯初始問題進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計，并模擬出了12項(xiàng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案風(fēng)速流場的空氣流動特性，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定了改進(jìn)結(jié)構(gòu)可有效解決窯內(nèi)風(fēng)速流場分布不均問題。

2）將改進(jìn)后設(shè)計方案與干燥窯初始問題進(jìn)行對比可知，優(yōu)化后的的窯內(nèi)頂端與底端之間的監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)速差值趨于0，鋸材間隙平均風(fēng)速提升了15.60%，速度不均系數(shù)降低了72.70%，綜合指標(biāo)證明改進(jìn)后設(shè)計方案的風(fēng)速流場分布更加均勻。

3）采用監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)速差值、速度不均系數(shù)等4項(xiàng)評價指標(biāo)，對12項(xiàng)設(shè)計方案共計采集的84個監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理和對比分析后發(fā)現(xiàn)，調(diào)整鋸材間隙和增設(shè)導(dǎo)流板兩項(xiàng)改進(jìn)方法能夠解決窯體內(nèi)部風(fēng)速流場分布不均勻問題。

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用ARIZ進(jìn)行迭代設(shè)計的干燥窯結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法可有效解決窯體內(nèi)部風(fēng)速流場分布不均勻問題。相關(guān)數(shù)值模擬分析結(jié)果可為制定結(jié)構(gòu)合理、節(jié)能增產(chǎn)的干燥窯設(shè)計方案提供參考。

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Influence of improved structure of drying kiln on the uniformity of wind velocity flow field

Zhu Yifeng1, Sun Liping1※, Li Jicheng1,2

(1.,,150040,; 2.,,150030,)

A uniform flow field means the fluid flowing into a wood drying kiln with equal wind velocity per unit area. The uniformity of the wind flow field can determine the drying quality and efficiency of sawn timber in piles. However, there is often uneven distribution of flow field of wind speed in the top drying kiln. In this study, an improved design was presented by the combined Algorithm for Inventive-Problem Solving (ARIZ) and Computational Fluid Dynamics (CFD) in a wood drying kiln. The ARIZ was applied to modify the structure of the kiln, and the CFD technology was to analyze the improved model. The optimal model of wood drying kiln was obtained after a comprehensive evaluation. The better performance of wood drying equipment was achieved to clarify the influence of the structural parameters on the uniformity of flow field of wind speed in the kiln. In the experiment, a conventional drying was adopted, where the type of drying kiln was a small top air one. In the drying intermediate stage, the moisture was removed after the combined water inside the wood was transformed into steam, according to the airflow characteristics in the kiln. In a two-dimensional CFD simulation, the inlet and exhaust ports were considered to be fully open, where the initial wind speed was 3 m/s at the air inlet, and the exhaust port was free air. The simulation data were then compared with the measured to verify the model. Three aspects were applied to improve the design of the kiln under the ARIZ: to optimize the kiln structure, to adjust the gap between sawdust, and improve the diversion mode. Four schemes were designed for each improved direction, further to obtain a total of 12 geometric models. The CFD simulation was then used to analyze the flow field of wind speed of different models. Two directions were determined to adjust the gap between saw blades and adding deflector in the kiln. Four evaluation indexes were selected, including the cloud diagram for the flow field of wind speed, the difference of wind speed between detection points, the average speed, and the coefficient of speed unevenness. The wind speed data of 84 monitoring points were evaluated to iterate an optimal scheme. It was found that the difference of wind speed at the monitoring point decreased from 1.098 m/s to -0.058 m/s, approaching 0 in the modified optimum scheme. There was a small difference in wind speed between the top and bottom of the kiln, where the average speed increased by 15.60%. The coefficient of speed unevenness was reduced by 72.70%. As such, the performance indexes all met the requirements of national standards. Consequently, the iterative design of structure using ARIZ can effectively improve the non-uniform distribution of flow field of wind speed inside the kiln. The numerical simulation can provide a strong reference to design the drying kiln with a reasonable structure for energy saving and higher production.

drying; numerical simulation; drying kiln; wind speed flow field; Algorithm for Inventive-Problem Solving (ARIZ)

2021-07-12

2021-12-12

國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201304502）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2572017AB02）

朱伊楓，博士生，研究方向智能檢測與監(jiān)控及創(chuàng)新設(shè)計理論。Email：zhuyifeng@nefu.edu.cn

孫麗萍，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向智能檢測與監(jiān)控。Email：zdhslp@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.036

TS652

A

1002-6819(2021)-24-0327-11

朱伊楓，孫麗萍，李季成. 干燥窯結(jié)構(gòu)改進(jìn)對風(fēng)速流場均勻性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(24)：327-337. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.036 http://www.tcsae.org

Zhu Yifeng, Sun Liping, Li Jicheng. Influence of improved structure of drying kiln on the uniformity of wind velocity flow field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(24): 327-337. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.036 http://www.tcsae.org