張健平，趙彥賓，鄧 堯

(西南科技大學 制造科學與工程學院 制造過程測試技術教育部重點實驗室，四川 綿陽 621010)

新收油菜籽極易吸濕和霉變，由于收獲前后多屬于梅雨季節(jié)，空氣溫度和濕度較高，如果不及時被干燥處理，可能會導致一夜之間新收油菜籽全部霉變，降低菜籽油的品質(zhì)和出油率[1-3]。通過熱空氣流化床干燥技術[4]使其在低能耗情況下短時間內(nèi)濕基含水率低于8.09%，達到油菜籽安全儲藏水分要求，提高油菜籽干燥品質(zhì)和干燥效率[5,6]。

熱空氣流化床干燥裝置的關鍵部件是布風板，其主要作用是支撐和均勻流化固體顆粒。布風板結構參數(shù)顯著地影響著床層內(nèi)部氣固兩相流的速度、固含率和壓力等參數(shù)的分布規(guī)律，及熱質(zhì)傳遞特性[7]。目前許多研究人員針對布風板類型、結構參數(shù)和安裝方法進行研究和探索。常見的布風板結構類型為直孔型、斜孔型、側縫型、側孔型和復合型等[8]。其中直孔型由于具有流動性好、阻力較小、成本低等優(yōu)點，被廣泛用于固體顆粒流化床干燥，然而直孔型在干燥過程中所需的干燥時間較長，干燥品質(zhì)不太理想，對于小顆粒固體物料將會出現(xiàn)漏料現(xiàn)象[9]。側縫型和側孔型布風性能比直孔型或斜孔型好，但其結構復雜，很難適應特殊結構的流化床需求[10]。復合型具有空隙率大，耐壓性好等優(yōu)點，但加工工藝復雜，成本高，開孔率和壓降不易控制[11]。

國內(nèi)外許多研究學者在以上幾種傳統(tǒng)布風板的基礎上進一步優(yōu)化設計布風板結構參數(shù)。陳娟等[12]優(yōu)化設計了循環(huán)流化床布風板的風帽結構，研究分析了風帽布置方式與出口小孔空氣射流對密相區(qū)射流特性的影響，建立了小孔射流射程的經(jīng)驗關系式，為風帽結構設計及其布置方式提供理論支撐。魏新利等[9]采用Fluent軟件模擬分析不同布孔方式和開孔直徑的布風性能，結果表明開孔直徑2 mm正三角形布孔是最優(yōu)的布風板結構參數(shù)。董淑芹等[13]研究分析了三種不同開孔率的布風板對氣固流化床流動特性的影響，結果表明壓降隨開孔率增大而減小，徑向固含率波動隨開孔率增大而增大。王濤[14]分析了6種不同布孔方式對流化床層內(nèi)氣相分布特性的影響，其中大小孔間隔不均勻布孔的氣相速度分布較分散均一，流化效果好。朱沈瑾[15]研究發(fā)現(xiàn)平板布風板固體顆粒平均體積分數(shù)波動最大，∧形、∨形和斜板三種布風板波動較小且分布曲線接近。張健平等[16,17]通過實驗和數(shù)值模擬相結合的研究方法優(yōu)化設計了布風板的開孔率和布孔方式，結果表明15.84%開孔率圓形不均勻布孔是油菜籽流化床干燥的最佳布風板。劉典福等[18]采用數(shù)字圖像處理技術可視化研究表明在非均勻布風內(nèi)循環(huán)流化床內(nèi)，高風速區(qū)將會產(chǎn)生大量向上運動的氣泡，且橫向偏移，增加了高風區(qū)的流化速度。鄭磊等[19]通過數(shù)值模擬對比分析了切向和垂直兩種進風方式下鼓泡流化床的流態(tài)化特性，模擬結果表明垂直進風的情況下氣速在空間上分布均勻性更好。田鳳國等[20]通過試驗考察發(fā)現(xiàn)在非均勻布風配置下，隨著固體顆粒尺寸增加，在流化床內(nèi)平均停留時間變短。

綜上所述可知，流化床干燥裝置布風板的布風性能直接影響著固體顆粒的流態(tài)化和干燥速度的快慢。因此，如何有效地優(yōu)化設計出布風板結構參數(shù)是獲得較好干燥效果的關鍵因素，也是提高干燥效率和干燥品質(zhì)的關鍵影響因素。然而，目前有關布風板結構參數(shù)研究成果通常都具有明確的應用對象，難以指導油菜籽流化床干燥設備的設計。即使文獻[16-17]對油菜籽流化床干燥裝置布風板進行研究，但還存在漏料現(xiàn)象，需進一步優(yōu)化設計布風板結構。文獻[21-22]研究表明：布風板面板結構、風帽開孔夾角和風帽開口瓣數(shù)是風帽布風板性能的3個主要影響因素。因此，本文在文獻[16]15.84%開孔率圓形非均勻布孔布風板的基礎上，通過數(shù)值模擬分析和試驗驗證，研究分析球面板結構、風帽開孔夾角和開口瓣數(shù)對油菜籽顆粒流化性能和空氣流速脈動的影響，提出布風板結構數(shù)的優(yōu)化方案，防止出現(xiàn)干燥過程中的漏料現(xiàn)象，減少局部區(qū)域熱空氣的聚集，提高油菜籽顆粒流態(tài)化效果，同時也為干燥設備設計提供理論支撐。

1 數(shù)值計算模型

1.1 物理模型與網(wǎng)格

1.1.1 物理模型

圖1 物理模型的具體尺寸

1.1.2 網(wǎng)格劃分

利用Fluent Meshing對物理模型進行網(wǎng)格生成，主要采用空間適應能力較強的四面體非結構化網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，其中布風板內(nèi)小孔較小，且小孔附近內(nèi)氣固兩相流屬于強烈對流，則在此區(qū)域內(nèi)進行局部加密處理，提高模擬分析的精度。限于篇幅，此處僅展示5 mm凸度球面板、5°風帽開孔夾角四瓣布風板的流化床干燥裝置網(wǎng)格劃分結果，如圖2所示。

圖2 流化床干燥裝置的網(wǎng)格劃分

通過網(wǎng)格獨立性檢驗后，不同面板凸度、風帽開孔夾角和風帽開口數(shù)下最終采用的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)和單元數(shù)見表1。

表1 網(wǎng)格劃分節(jié)點數(shù)和單元數(shù)

1.2 數(shù)學模型

采用ANSYS19.1中的流體動力學分析模塊Fluent對流化床干燥裝置內(nèi)部氣固兩相流進行數(shù)值模擬，選取Euler/Euler雙流體模型、顆粒動力學模型和Standardk-ε湍流模型。應用壓力-速度耦合方程組的SIMPLE計算方法和二階迎風格式的離散方法進行求解。

1.2.1 Euler/Euler雙流體模型

Euler/Euler雙流體模型通過對每一相求解動量方程和連續(xù)性方程來對多相流的運動進行模擬[23]。

連續(xù)性方程

(1)

氣相動量方程

(2)

固相動量方程

(3)

(4)

式中：f為包含基于相對雷諾數(shù)的曳力函數(shù)；τs為顆粒弛豫時間，s，定義式為

(5)

式中：ds為顆粒直徑，mm；μs為固相動力粘度，kg/(m·s)

1.2.2 顆粒動力學模型

(1)氣固兩相間作用的曳力模型

氣固兩相間作用的曳力模型大致可分成以下三種類型：一種是理論模型，如Koch-Hill模型[24]；另一種是經(jīng)驗或半經(jīng)驗模型，如Gidaspow模型[25]，Syamlal-O′Brien模型[26]；第三種是經(jīng)驗或半經(jīng)驗模型的修正模型，如修正的Syamlal-OBrien模型[27]，McKeen模型[28]。其中Gidaspow模型考慮了氣相體積份額對氣固兩相間曳力系數(shù)的影響，分別給出了相應的表達式，在流化床中整個顆粒濃度范圍內(nèi)應用更合理，因此對于密集的氣固流化床，相間曳力系數(shù)一般都采用Gidaspow模型，具體形式如下[29]：

當αg>0.8時，氣固兩相間曳力函數(shù)f為

(6)

式中：CD為曳力系數(shù)。

當αg≤0.8時，氣固兩相間曳力函數(shù)f為

(7)

其中，曳力系數(shù)CD為：

(8)

式中：Re固相雷諾數(shù)，其表達式為

(9)

(2)剪切應力模型

氣相剪切應力

(10)

式中：I為單位張量；μg為氣相剪切粘度，Pa·s，其表達式為：

μg=μgl+Cμαgρgk2/ε

(11)

式中：μgl為層流粘度，Pa·s；Cμαgρgk2/ε為湍流粘度，Pa@s。

顆粒相剪切應力

(12)

式中：ξs為顆粒相表觀粘度，Pa·s；μs為顆粒相剪切粘度，Pa·s；顆粒相表觀粘度：

(13)

式中：g0為顆粒徑向分布系數(shù)；ess為顆粒碰撞的歸還系數(shù)，取0.9；Θ為顆粒溫度，m2·s2，其服從控制方程(19)

顆粒徑向分布系數(shù)：可按Bagnold方程[30]進行計算：

(14)

式中：αs,max為填充狀態(tài)下最大顆粒體積份額，其值通常在0.6～0.7之間

顆粒相剪切粘度：

μs=μs,col+μs,kin+μs,fr

(15)

式中：μs,col為顆粒相碰撞粘度，Pa·s；μs,kin為顆粒相動力粘度，Pa·s；μs,fr為顆粒相摩擦粘度，Pa·s。

顆粒相碰撞粘度：

(16)

顆粒相動力粘度：可按Gidaspow模型[31]進行計算。

(17)

顆粒相摩擦粘度按Schaeffer’s模型定義

(18)

式中：φ為內(nèi)部摩擦角；I2D為偏應力張量的第二不變式

(3)顆粒溫度的輸運方程

Euler雙流體中定義的顆粒溫度遵循輸運方程：

(19)

式中：γΘs為顆粒相碰撞耗散；KΘ為擴散系數(shù)，m2/s；φgs為氣體相和顆粒相的動能交換

按照Lun et al 模型定義顆粒相碰撞耗散：

(20)

氣體相和顆粒相的動能交換

φgs=-3KgsΘ

1.2.1 MRI檢查 本組患者均接受顱腦MRI檢查，應用德國西門子公司公司生產(chǎn)的MAGNETOM Avanto型1.5T超導磁共振掃描儀檢查；指導并協(xié)助患者行平臥體位，先行常規(guī)顱腦掃描：T1WI(TR、TE分別為400ms、20ms)、T2WI（TR、TE分別為2800ms、105ms）及液體衰減反轉恢復成像（FLAIR）序列（TR、TE分別為8000ms、204ms）；矩陣為256×256，層后、層間距分別為5mm、1mm；再行增強掃描，應用釓噴酸葡胺作為對比劑，按0.2mL/kg靜脈注射，再行軸位、矢狀位以及冠狀位掃描，均采用SET1WI抑制序列。

(21)

擴散系數(shù)：

(22)

1.2.3 Standardk-ε湍流模型

Standardk-ε湍流模型具有形式簡單、精度高等優(yōu)點，被廣泛應用[32]，因此采用Standardk-ε湍流模型。在流化床的兩相流中存在著明顯的連續(xù)相(熱空氣)和離散相(油菜籽)，且兩相流又相互影響，而湍流只是連續(xù)相所固有的特性，為此把湍流模型應于連續(xù)相中，然后再通過源項來描述離散相對連續(xù)相的擾動影響，其詳細的數(shù)學模型為

(23)

(24)

式中：Gk為由于平均速度梯度而造成的湍流動能項；μt為湍流黏度系數(shù)；Gb為由于浮力而產(chǎn)生的湍流動能項；YM為湍流馬赫數(shù)；C1g、C2g、C3g為模型常數(shù)；σk為k的湍流普朗特數(shù)；σε為ε的湍流普朗特數(shù)；Sk、Sg為由于離散相對連續(xù)相擾動而產(chǎn)生的湍流動能項。

數(shù)學模型常數(shù)值如表2所示。

表2 k-ε模型常數(shù)

1.2.4 邊界條件

(1)進口邊界

熱空氣相：采用velocity-inlet，沿著軸向流入，設置為2.5 m/s，徑向速度為0，溫度設置為70 ℃。

(2)出口邊界：采用pressure-out，1atm。

(3)壁面邊界：假定壁面材料為絕熱體且壁面光滑，油菜籽顆粒與壁面碰撞后的彈性恢復系數(shù)為0.9，熱空氣相和顆粒相都采用無滑移壁面。

(4)初始條件：油菜籽顆粒層高度為135 mm，完全由顆粒堆積的區(qū)域，堆積密度為0.7；在計算區(qū)域的其余部分均為空氣所充滿。

1.2.5 物性參數(shù)

油菜籽固體顆粒平均直徑為2 mm，形狀為橢圓形。氣固兩相流相關的物性參數(shù)見表3所示。

表3 氣固兩相流的物性參數(shù)

2 布風板結構參數(shù)優(yōu)化與數(shù)值模擬

2.1 面板結構優(yōu)選

2.1.1 面板結構

根據(jù)文獻[33]研究結果可知，與平面直孔板和凹形球面板相比，凸形球面板的固含率徑向分布均勻性最好。因此，基于凸形球面板，對比分析不同凸度(2、5和10 mm)對布風板布風均勻性的影響，具體布風板凸形球面結構如圖3所示。

(a) 2 mm

2.1.2 結果與分析

油菜籽體積分數(shù)云圖和徑向平均體積分數(shù)變化曲線分別如圖4和圖5所示。由圖4和圖5綜合可以看出，與凸形球面板相比，平面布風板的油菜籽體積分數(shù)最大，分布不均勻，布風板上方中心區(qū)域內(nèi)油菜籽平均體積分數(shù)波動最大，而凸形球面布風板油菜籽分布均勻性好，油菜籽平均體積分數(shù)波動幅度較小。其主要原因是凸形球面板布風板可以有效地減弱“邊壁增濃”效應，致使油菜籽固含率徑向和軸向分布均勻性提高[34]。另外，對于凸形球面板來說，凸度為2 mm和5 mm油菜籽體積數(shù)較小，分布均勻，其中凸度為5 mm球面板油菜籽平均體積分數(shù)方差最小，為0.007 3，油菜籽顆粒流態(tài)化最好。其主要原因可能是球面板凸度太大時，容易導致流化床邊壁油菜籽堆積量增多，從而不利于油菜籽顆粒在流化床內(nèi)形成環(huán)流，降低了床內(nèi)顆粒流化質(zhì)量，造成小部分顆粒堆積現(xiàn)象[35]。因此，凸度為5 mm球面板油菜籽顆粒流態(tài)化好，促使與熱空氣接觸均勻充分，提高油菜籽的干燥效率。

圖4 油菜籽體積分數(shù)云圖

徑向距離/mm

2.2 風帽開孔夾角的優(yōu)化

2.2.1 風帽開孔夾角

基于2.1節(jié)5 mm凸度球面布風板，結合農(nóng)夫山泉品牌運動飲料 “尖叫”瓶口(圖6)，優(yōu)化設計風帽開孔夾角，以防漏料?！凹饨小逼靠诘年P鍵部位為十字口，其結構為中間部位較薄且軟，當受液體沖擊時，在壓差作用下，十字口打開，飲料從瓶口流出。因此，基于十字開口，綜合考慮油菜籽平均直徑1.2～2 mm，擬采用四瓣弧板風帽的布風板，其中瓣與瓣間距為1.2 mm，弧板與水平面夾角優(yōu)選三種，即0°、5°、10°，具體布風結構示意圖如圖7所示。

圖6 “尖叫”瓶口結構示意圖

(a) 0°

2.2.2 結果與分析

針對三種不同風帽開孔夾角(0°、5°、10°)的布風板，通過對流化床內(nèi)油菜籽體積分數(shù)和徑向空氣速度進行比較分析，其結果分別如圖8和圖9所示。

圖8 油菜籽體積分數(shù)云圖

徑向距離/mm

由圖8(a)-(c)比較分析可以看出，布風板的風帽開孔夾角為0°布風板時，流化床內(nèi)的油菜籽體積分數(shù)分布不均勻，呈現(xiàn)出靠近邊緣區(qū)域固含率很小，中心區(qū)域固含率很大的規(guī)律，且邊緣區(qū)域很大一部分幾乎沒有油菜籽固體顆粒，產(chǎn)生了死區(qū)現(xiàn)象。而采用風帽開孔夾角5°和10°時，流化床內(nèi)的油菜籽分布較均勻，邊緣處小部分區(qū)域沒有油菜籽固體顆粒。從圖8(b)和圖8(c)可以看出，相對風帽開孔夾角10°而言，風帽開孔夾角5°油菜籽體積分數(shù)較小，油菜籽分布更均勻。由圖10距離布風板8 mm徑向平均空氣速度變化曲線也可以看出，當風帽開孔夾角為5°時，在流化床干燥過程的絕大部分時間，氣流流動速度較大，可以較好地促使油菜籽顆粒流態(tài)化，其主在原因是由于風帽開孔夾角為5°時，有利于熱空氣產(chǎn)生微渦流，從而加強布風板近表面空氣擾動程度，提高了顆粒運動呈現(xiàn)脈動流動，局部顆粒濃度隨時空而變，使流化床層內(nèi)固體顆粒的速度分布更均勻，且作用范圍大，無溝流和死區(qū)現(xiàn)象，從而導致整個床層內(nèi)氣流均布，流速增加[36]。因此，5°風帽開孔夾角是油菜籽干燥布風析的最佳角度。

2.3 風帽開口瓣數(shù)的優(yōu)化

2.3.1 風帽開口瓣數(shù)

在2.1節(jié)和2.2節(jié)基礎上，即5 mm凸度球面板、5°風帽開孔夾角的基礎上，優(yōu)化設計三種風帽開口瓣數(shù)，即均布四瓣[圖7(b)]、六瓣和八瓣，具體結構示意圖如圖10所示。

(a) 六瓣

2.3.2 結果與分析

針對三種不同風帽開口瓣數(shù)，通過對流化床內(nèi)油菜籽體積分數(shù)和空氣分布情況進行比較分析，其結果分別如圖11和圖12所示。

圖11 油菜籽體積分數(shù)云圖

徑向距離/mm

由圖11(a)-(c)比較分析可以看出，三種風帽開口瓣數(shù)布風板流化床內(nèi)的油菜籽分布都較均勻，邊緣處一小部分區(qū)域沒有油菜籽固體顆粒，油菜籽聚集區(qū)域較小，其主要因為熱空氣是從流化床中心部位進入，當布風板風帽開口瓣數(shù)增加時，熱空氣在布風板通過所有小孔的時間相近，從而使得熱空氣的均勻分布性和脈動性相差不大，油菜籽流化程度相當。相對來說，布風板風帽開口瓣數(shù)四瓣時，油菜籽體積分數(shù)較小，油菜籽分布更均勻，在流化床干燥過程的絕大部分時間氣流流動脈動較大(圖12)，可以較好地促使油菜籽顆粒流態(tài)化，其原因可能是四瓣開口數(shù)的空氣流動阻力稍大，容易形成回流，將會更好地均布空氣流，有利于油菜籽與熱空氣流充分接觸，增加氣固兩相的熱量傳遞速度，從而提高油菜籽的干燥效率[37]。因此，四瓣布風板風帽開口瓣數(shù)是油菜籽干燥布風析的最佳開口瓣數(shù)。

經(jīng)2.1節(jié)、2.2節(jié)和2.3節(jié)數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，5 mm凸度球面板、5°風帽開孔夾角四瓣布風板是油菜籽干燥布風板的最佳結構，具體結構和尺寸如圖8(b)所示。其三維結構圖如圖13所示。

(a) 正面結構

3 實驗驗證

3.1 流化床干燥實驗裝置

實驗驗證采小型流化干燥實驗裝置，如圖14所示，主要由流化床干燥器、空氣預熱器、風機和空氣流量與溫度的測量與控制儀表等幾個部分組成。

其他儀器設備：電子天平儀器(LD型，精度0.001 g，沈陽龍騰電子有限公司)、電熱恒溫鼓風干燥箱(TST101A-1型，成都特思特儀器有限公司)和調(diào)速多用振蕩器(W-201B，河北潤聯(lián)機械設備有限公司)。

實驗工藝流程如下：新鮮空氣經(jīng)過電加熱管加熱后，由流化床干燥設備底部通過球面板凸度5 mm、風帽開孔夾角5°的四瓣布風板，進入流化床床層將油菜籽流化進行干燥，帶有水蒸汽的濕空氣由干燥設備頂部，經(jīng)旋風分離器進行固氣分離后放空；油菜籽采用間歇操作方式，由干燥設備頂部加料口加入，從下部卸料口排出或取樣。

油菜籽的初始含水率根據(jù)GB5497—85方法測定，而后再根據(jù)測定結果，將其調(diào)濕至含水量為0.33 kg水/kg干料，作為流化床干燥的實驗樣品。

3.2 實驗結果分析

根據(jù)不同球面板凸度、風帽開孔夾角和風帽開口瓣數(shù)的布風板分析油菜籽流化床干燥速度變化情況，如圖15所示。

干基含水率/%

由圖15(a)可見，在油菜籽初始干基含水量和干燥時間相同條件下，凸度為5 mm的布風板干燥速率最大，凸度為2 mm次之，平板和凸度為10 mm最小。由圖15還可看出，凸度增加，預熱和恒速干燥階段的干燥速率先增加后減小，而降速階段則增加緩慢，最后趨于不變。上述分析表明，凸度為5 mm的布風板干燥速率最大，干燥時間最短，該凸度的布風板是最佳球面板凸度。由圖15(b)可以看出，風帽開孔夾角5°布風板的油菜籽干燥速率最大，風帽開孔夾角5°次之，風帽開孔夾角10°最小。風帽開孔夾角5°是布風板的最佳開孔夾角值，其干燥時間最短。由圖15(c)可以看出，風帽開口瓣數(shù)為四瓣布風板的干燥速率最大，八瓣風帽開口瓣數(shù)次之，六瓣風帽開口瓣數(shù)最小。四瓣布風板是布風板的最佳風帽開口瓣數(shù)，其干燥時間最短。

綜上所述可知，球面板凸度為5 mm、四瓣風帽開孔夾角為5°的布風板是最佳的布風板，這與數(shù)值模擬結果相吻合，驗證了數(shù)值模擬布風板結構優(yōu)化設計是合理可靠的，有效地提高了油菜籽干燥效率。

4 結 語

(1)與平面布風板相比，凸形球面布風板油菜籽分布均勻性好，其中凸度為5 mm球面板油菜籽平均體積分數(shù)方差(0.007 3)最小，促使與熱空氣接觸均勻充分，是油菜籽干燥布風板的最佳球面板凸度。

(2)5°風帽開孔夾角有利于熱空氣產(chǎn)生微渦流，加強布風板近表面空氣擾動程度，使顆粒運動呈現(xiàn)脈動流動，整個床層內(nèi)氣流均布，流速增加，是油菜籽干燥布風析的最佳風帽開孔夾角角度。

(3)風帽開口瓣數(shù)對布風板的布風性能影響不大，相對來說四瓣風帽開口瓣數(shù)容易形成回流，更好地均布空氣流，有利于油菜籽與熱空氣流充分接觸。

(4)通過實驗對數(shù)值模擬預測的結果進行驗證，數(shù)值模擬與實驗結果吻合，證明了球面板凸度為5 mm、風帽開口瓣數(shù)為四瓣、風帽開孔夾角為5°的布風板是合理可行的，為工程實踐提高油菜籽干燥速率提供了一種較理想的布風板。