孟兆新　于彪　李尚　陳廣元

摘要：為構(gòu)建木材干燥窯內(nèi)部循環(huán)風(fēng)速和溫度合理分布，采用二維數(shù)值模擬方法，利用Fluent軟件對(duì)試驗(yàn)型小型干燥窯進(jìn)行仿真模擬，對(duì)比安裝導(dǎo)流板前后干燥窯內(nèi)溫度和分布情況。木材干燥窯的設(shè)計(jì)，風(fēng)速、溫度分布是關(guān)鍵問(wèn)題。首先利用ICEM CFD軟件對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的試驗(yàn)型小型干燥窯進(jìn)行參數(shù)化建模，將簡(jiǎn)化的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用Fluent軟件對(duì)木材干燥窯內(nèi)的流動(dòng)與傳熱耦合環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬，得出風(fēng)速分布云圖和溫度分布云圖，研究干燥窯內(nèi)熱流耦合系統(tǒng)，得出其內(nèi)部速度和溫度的具體狀態(tài)，通過(guò)導(dǎo)流板安裝前后數(shù)值對(duì)比，找到導(dǎo)流板合理性的參數(shù)。采用二維數(shù)值的模擬方法，不能代表實(shí)際干燥窯工作狀況，具有一定的局限性。

關(guān)鍵詞：木材干燥窯；導(dǎo)流板；熱流耦合；數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：S 782.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-005X（2015）01-0049-05

Calculation of Temperature and Wind Speed Distribution in

Wood Drying Kiln Based on the Heat Flow Coupling

Meng Zhaoxin1，Yu Biao1，Li Shang1，Chen Guangyuan2

（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040；

2.College of Material Science and Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040）

Abstract：To build reasonable circulation wind speed and temperature distribution inside the wood drying kiln，the 2d numerical simulation method was used and Fluent software was used to simulate the experimental small drying kilns and the changes of temperature and distribution before and after installing the guide plate were compared.The design of the wood drying kiln，wind speed and the temperature distribution are the key problems.First，the parameters of the experimental small drying kiln with simplified structure were modeled with ICEM CFD，and Fluent software was used for numerical simulation of flow and heat transfer coupling in the wood drying kiln environment.Then the velocity contour and temperature contour were obtained.Through the heat flow coupling system，the specific status of inner velocity and temperature can be obtained.By numerical comparison before and after the installation of guide plate，the reasonable parameters of guide plate can be determined.It is noted that 2d numerical simulation method does not represent the actual drying kiln working condition，therefore it has certain limitations.

Keywords： wood drying kiln；guide plate；heat and flow coupling；numerical simulation

收稿日期：2014-12-05

基金項(xiàng)目：黑龍江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（C201238）

第一作者簡(jiǎn)介：孟兆新，博士，教授。研究方向：干燥窯耦合分析。Email：349325368@qq.com

引文格式：孟兆新，于彪，李尚，等.基于熱流耦合的木材干燥窯風(fēng)速溫度分布解算[J].森林工程，2015，31（1）：49-53.木材干燥窯是通過(guò)通風(fēng)和加熱設(shè)備來(lái)控制干燥窯內(nèi)部的溫度、濕度及氣流速度，利用窯內(nèi)空氣的流動(dòng)和傳熱來(lái)完成對(duì)木材的干燥[1]。在木材干燥過(guò)程中，風(fēng)速、溫度分布是最關(guān)鍵問(wèn)題，干燥窯的結(jié)構(gòu)對(duì)木材干燥過(guò)程有極大的影響，合理的干燥窯結(jié)構(gòu)對(duì)提高木材利用率、降低能耗，提升木材干燥質(zhì)量有重要意義。木材干燥過(guò)程不僅是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，而且是一個(gè)改善木材物理力學(xué)性能的過(guò)程[4]。

木材干燥窯是一個(gè)復(fù)雜的強(qiáng)耦合非線性動(dòng)力系統(tǒng)，其內(nèi)部流體流動(dòng)極其復(fù)雜，很難建立反應(yīng)木材干燥性能的理想模型。由于流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)成本高、精度低和穩(wěn)定性差，從理想模型和實(shí)驗(yàn)分析兩個(gè)方向都很難精確分析木材干燥過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性[3]。本研究利用Fluent軟件進(jìn)行木材干燥窯內(nèi)熱流耦合解算，對(duì)木材干燥窯進(jìn)行參數(shù)化建模，利用Fluent軟件特性對(duì)干燥窯內(nèi)部耦合場(chǎng)進(jìn)行數(shù)字化分析，力求為改善干燥窯性能提供理論依據(jù)。

1干燥窯模型建立

1.1干燥窯幾何尺寸

本文所模擬對(duì)象為試驗(yàn)型小型干燥窯，其尺寸為2.0×1.08×1.08（m），所干燥木材為樺木板，材堆整體尺寸為1.8×0.6×0.68（m），窯內(nèi)共有10層木板。為使有限元分析和解算方便，對(duì)干燥窯結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，由三維問(wèn)題簡(jiǎn)化成二維問(wèn)題。簡(jiǎn)化后尺寸為1.08×1.08（m），材堆整體尺寸為0.6×0.68（m），并且假設(shè)干燥窯內(nèi)空氣不可壓縮，并且符合Boussinesq假設(shè)。

1.2干燥窯計(jì)算模型建立及網(wǎng)格劃分

在ICEM CFD軟件中對(duì)干燥窯簡(jiǎn)化模型進(jìn)行參數(shù)化建模（如圖1所示）。ICEM CFD作為有限元分析常用的前處理軟件，其具有獨(dú)特的網(wǎng)格劃分技術(shù)和網(wǎng)格編輯技術(shù)，幾乎滿(mǎn)足所有有限元分析軟件的求解器選擇。為在Fluent中進(jìn)行數(shù)值分析和模型網(wǎng)格劃分提供方便，在劃分網(wǎng)格前需要對(duì)幾何模型每個(gè)部分創(chuàng)建部件（Create Part），并且對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行命名，分別為：INLET、OUTLET、WALL、CAIDUI，并且生成流體區(qū)域FLUID和固體區(qū)域SOLID。在ICEM中網(wǎng)格劃分的主要思想是塊（Block）的劃分，對(duì)于任何簡(jiǎn)單或復(fù)雜的模型都可以劃分成不同的塊，然后進(jìn)行點(diǎn)、線、面的關(guān)聯(lián)，由于本文幾何模型為二維幾何模型，所以只需要進(jìn)行點(diǎn)和線的關(guān)聯(lián)。完成上述操作后，定義網(wǎng)格類(lèi)型和尺寸，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然而這樣劃分出的網(wǎng)格并不能滿(mǎn)足分析要求。干燥窯內(nèi)空氣流動(dòng)屬于湍流流動(dòng)，非常不規(guī)則且不穩(wěn)定，造成網(wǎng)格劃分必須添加邊界層網(wǎng)格。在使用Fluent進(jìn)行流體分析時(shí)，網(wǎng)格質(zhì)量好壞直接決定分析成敗或者收斂計(jì)算速度。經(jīng)過(guò)上述操作，得到木材干燥窯網(wǎng)格模型如圖2所示，共67 830個(gè)網(wǎng)格[4]。

第1期孟兆新等：基于熱流耦合的木材干燥窯風(fēng)速溫度分布解算

森林工程第31卷

圖1木材干燥窯簡(jiǎn)化模型

Fig.1 The simplified model of wood drying kiln圖2木材干燥窯網(wǎng)格模型

Fig.2 Wood drying kiln grid model

干燥窯內(nèi)空氣流動(dòng)的基本控制方程為：連續(xù)方程、動(dòng)量方程、k方程（湍流脈動(dòng)動(dòng)能方程）和ε方程（脈動(dòng)動(dòng)能的耗散率），具體如下[5]：

（1）連續(xù)方程：ui/xi=0。

（2）動(dòng)量方程：（puiuj）xj=-Pxj+xjuuixj+ujxi-23xiμuixj+ρgi。

（3）k方程：ρkt+ρujkxi=xjμ+utσk-kxj+μtuixjuixj+xjxi-ρε。

（4）ε方程：ρεt+ρujεxj=xjμ+utσε-εxj+c1εkμtuixjuixj+xjxi-c2ρε2k。

式中：u為動(dòng)力黏度（pa·s）；P為空氣靜壓（Pa）；g為重力加速度（kg/ms2）；σk和σε為常數(shù)，取值分別為1.0和1.3；c1和c2為系數(shù)，取值分別為1.44和1.92。

1.3數(shù)值計(jì)算參數(shù)設(shè)置

根據(jù)干燥窯實(shí)際情況，流體區(qū)域介質(zhì)為空氣（木材干燥窯內(nèi)干燥介質(zhì)為濕空氣，在研究中視為理想氣體處理[6]），固體區(qū)域材料按對(duì)應(yīng)木材標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置；入口邊界條件設(shè)置為速度入口，忽略重力場(chǎng)影響，速度分選取1、2和3 m/s，溫度為350K，湍流定義方法選擇湍流強(qiáng)度百分比和水力直徑；出口采用自由出口邊界條件；為計(jì)算方便忽略干燥窯內(nèi)壁對(duì)窯外傳熱，故將其設(shè)定為絕熱邊界條件；木材加熱是流體對(duì)固體加熱，是一個(gè)耦合傳熱的過(guò)程，F(xiàn)luent軟件在讀入干燥窯模型時(shí)，定義為Wall流固交界面會(huì)自動(dòng)生成 Wallshadow，這樣就形成了一對(duì)耦合面，邊界條件設(shè)置是將材料設(shè)置為對(duì)應(yīng)木材，交界面設(shè)置為coupled，這樣系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)完成流體區(qū)域?qū)腆w區(qū)域的傳熱[7-8]。

在求解設(shè)置中采用基于壓力求解器、2D、雙精度、steady（定常流動(dòng)）和絕對(duì)速度；因模型中涉及到傳熱計(jì)算，需要打開(kāi)能量方程。

通過(guò)來(lái)流入口條件，計(jì)算出其雷諾數(shù)[9]：

Re=ρvdμ=1.008 7 ×1×0.241.89×10-512 809.03>10 000。

干燥窯內(nèi)氣體流動(dòng)為湍流流動(dòng)。因此湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)的kε模型，其它保持默認(rèn)設(shè)置；控制方程的離散采用二階迎風(fēng)格式，松弛因子保持默認(rèn)設(shè)置，速度與壓力的耦合采用SIMPLE算法。

2數(shù)值模擬及結(jié)果分析

入口速度為1、2、3 m/s時(shí)速度云圖如圖3～圖5所示。

圖3風(fēng)速1 m/s時(shí)速度云圖

Fig.3 Velocity contour at

wind speed of 1 m/s圖4風(fēng)速2 m/s時(shí)速度云圖

Fig.4 Velocity contour at

wind speed of 2 m/s圖5風(fēng)速3 m/s時(shí)速度云圖

Fig.5 Velocity contour at

wind speed of 3 m/s

由圖可以看出，由于固體區(qū)域木材和干燥窯內(nèi)壁的存在，將整個(gè)流體分成不同區(qū)域，造成干燥窯內(nèi)速度分布并不不均勻。且受干燥窯模型自身影響，在干燥窯左下部位置均形成不同程度流動(dòng)“死區(qū)”，這些“死區(qū)”沒(méi)有隨著進(jìn)口風(fēng)速的增加而消減，在一定程度上會(huì)增加能耗，這將是干燥窯內(nèi)部改進(jìn)的關(guān)鍵位置。在每塊木材右側(cè)端部，該區(qū)域流速較低，造成木材局部換熱效果差，形成不同大小的“死區(qū)”，且“死區(qū)”大小隨著風(fēng)速增強(qiáng)而增大，由于實(shí)際木材干燥過(guò)程伴隨著水分遷移，這些“死區(qū)”的形成會(huì)極大阻礙木材干燥均勻性，增長(zhǎng)干燥時(shí)間，降低干燥效率[10]。在干燥窯左側(cè)中部，風(fēng)速1 m/s時(shí)，形成一個(gè)較小渦旋，風(fēng)速增加到2 m/s時(shí)，渦旋明顯增大，當(dāng)風(fēng)速增加到3 m/s時(shí)，渦旋增大到明顯影響木材板之前的空氣流動(dòng)。渦旋的出現(xiàn)在干燥窯干燥過(guò)程中是需要盡量避免的，這種渦旋是由于湍流運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定造成的，將導(dǎo)致干燥過(guò)程熱流浪費(fèi)，增加能耗。

3種速度進(jìn)口所對(duì)應(yīng)溫度分布云圖，如圖6～8所示。

圖6風(fēng)速為1 m/s時(shí)溫度云圖

Fig.6 Temperature contour at

wind speed of 1 m/s圖7風(fēng)速為2 m/s時(shí)溫度云圖

Fig.7 Temperature contour at

wind speed of 2 m/s圖8風(fēng)速為3 m/s時(shí)溫度云圖

Fig.8 Temperature contour at

wind speed of 3 m/s由圖可以看出，高溫區(qū)主要集中在進(jìn)口和耦合傳熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的木材上部。干燥窯左右兩個(gè)底角溫度較低，最高溫差達(dá)到30K，這是由于“死區(qū)”出現(xiàn)，影響底部空氣風(fēng)速進(jìn)而影響溫度，且最底端兩塊木材均在不同程度上與上部八塊木材溫度不同，溫差為10～20K左右。通過(guò)三個(gè)溫度分布云圖對(duì)比，進(jìn)口速度變化在不同程度上對(duì)干燥窯內(nèi)溫度分布均勻性有不同程度影響，并非是氣流風(fēng)速增加溫度分布就均勻。

在干燥窯內(nèi)部安置導(dǎo)流板，三塊導(dǎo)流板合理分布在干燥窯進(jìn)風(fēng)口下方，其安裝角度為20°。導(dǎo)流板為金屬鋁板，在實(shí)際干燥過(guò)程中，熱量吸收較低，假設(shè)為絕熱板。當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速為1、2、3 m/s，溫度為350K時(shí)，3種速度進(jìn)口所對(duì)應(yīng)速度分布云圖，如圖9～11所示。

圖9風(fēng)速為1 m/s時(shí)速度云圖

Fig.9 Velocity contour at

wind speed of 1 m/s圖10風(fēng)速為2 m/s時(shí)速度云圖

Fig.10 Velocity contour at

wind speed of 2 m/s圖11風(fēng)速為3 m/s時(shí)速度云圖

Fig.11 Velocity contour at

wind speed of 3 m/s

由圖可以看出，安裝導(dǎo)流板后，在每塊導(dǎo)流板周?chē)霈F(xiàn)不同程度的低風(fēng)速區(qū)域，這些低風(fēng)速區(qū)域隨著風(fēng)速由1 m/s提升到3 m/s時(shí)，區(qū)域面積變小。這些低風(fēng)速區(qū)域的出現(xiàn)對(duì)木堆板材之間風(fēng)速均勻性有一定影響，在進(jìn)口下方并未形成像圖3～5所出現(xiàn)渦旋，在木堆板材之間空隙中，風(fēng)速分布和未安裝導(dǎo)流板時(shí)相比，均勻性得到很大的提高。

裝有導(dǎo)流板時(shí)，3種速度進(jìn)口所對(duì)應(yīng)溫度分布云圖，如圖12～14所示。

圖12風(fēng)速為1 m/s時(shí)溫度云圖

Fig.12 Temperature contour at

wind speed of 1 m/s圖13風(fēng)速為2 m/s時(shí)溫度云圖

Fig.13 Temperature contour at

wind speed of 2 m/s圖14風(fēng)速為3 m/s時(shí)溫度云圖

Fig.14 Temperature contour at

wind speed of 3 m/s

圖12～14和圖9～11進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，安裝導(dǎo)流板后，導(dǎo)流板對(duì)進(jìn)口氣流進(jìn)行分流，進(jìn)口處風(fēng)速高速區(qū)明顯減少，且干燥窯左側(cè)“死區(qū)”和渦旋得到明顯改善。由于導(dǎo)流板影響干燥窯內(nèi)空氣流動(dòng)的走向，增強(qiáng)木材板之間空氣流動(dòng)，改善了干燥窯內(nèi)溫度分布均勻性，其分布較未安裝導(dǎo)流板的干燥窯更為合理。雖然此導(dǎo)流板的位置和放置角度未進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和合理的優(yōu)化，但通過(guò)數(shù)值分析圖已能較直觀的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流板的安裝可以提高干燥窯內(nèi)空氣流動(dòng)的均勻性，對(duì)提高木材干燥效率和質(zhì)量有顯著影響[7-8]。木材干燥過(guò)程是一個(gè)階梯式加熱方式，在這個(gè)過(guò)程中，進(jìn)口風(fēng)速和溫度在不同時(shí)間段會(huì)有不同的對(duì)應(yīng)數(shù)值，通過(guò)數(shù)值模擬分析，將兩者并行考慮，可得出一個(gè)較合理的干燥窯內(nèi)部宏觀狀態(tài)。

3結(jié)論

本研究通過(guò)ICEM CFD和Fluent相結(jié)合，建立木材干燥窯簡(jiǎn)化模型，采用二維和定長(zhǎng)流動(dòng)的方式進(jìn)行分析解算，得出如下結(jié)論。

（1）對(duì)解算結(jié)果進(jìn)行流動(dòng)和傳熱耦合分析，得出合理的速度分布和溫度分布情況。

（2）通過(guò)分析得出合理的干燥窯內(nèi)部風(fēng)速和溫度分布情況，可以認(rèn)為采用數(shù)值分析的方法對(duì)木材干燥窯內(nèi)部情況進(jìn)行分析是可行的。

（3）通過(guò)對(duì)安裝導(dǎo)流板計(jì)算模型數(shù)值模擬，確認(rèn)導(dǎo)流板規(guī)劃對(duì)干燥窯內(nèi)部流場(chǎng)均勻性有較大影響，這將為干燥窯結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供數(shù)值依據(jù)

鑒于二維數(shù)值模擬多具有的局限性，其并不能完全代表干燥窯實(shí)際工作狀況，但明顯表達(dá)出干燥窯內(nèi)部放置導(dǎo)流板后對(duì)風(fēng)速和溫度均勻性的重要影響，在一定程度上顯示出計(jì)算的合理性和準(zhǔn)確性，可為木材干燥窯設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造提供參考和重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張璧光，謝擁群.木材干燥的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].干燥技術(shù)與設(shè)備，2006（1）：7-14.

[2]孟兆新.木材干燥的多場(chǎng)耦合建模仿真與優(yōu)化研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2011.

[3]楊亮慶，由昌久，呂蕾，等.木材干燥預(yù)熱處理作用及國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2013，41（1）：17-18+32.

[4]王艷偉，孫偉圣，楊植輝，等.木 材干燥技術(shù)研究進(jìn)展[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2014，42（10）：9-13.

[5]張瑞雪，曹軍，孫麗萍.木材干燥窯內(nèi)部風(fēng)速場(chǎng)的數(shù)值模擬研究[J].森林工程，2010，26（1）：25-28.

[6]高飛，李昕.FLUENT-流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與分析[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2009.

[7]閆一野，陳海峰.基于Fluent的木材壓干窯風(fēng)速均勻性數(shù)值模擬[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（2）：152.

[8]王喜明.木材干燥學(xué)[M].北京：中國(guó)林業(yè)出版社，2007.

[9]茹煜，賈志成.基于Fluent軟件的木材干燥窯內(nèi)部流場(chǎng)分析研究[J].木材加工機(jī)械，2010（4）：12-13.

[10]賈云飛，張濤.基于FLUENT對(duì)渦街流量傳感器流場(chǎng)仿真及特性研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19（12）：2683-2685.

[11]韓占忠.ANSYS CFX 14.0超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[12]付磊，曾燚林，唐克倫，等.管殼式換熱器殼程流體流動(dòng)與傳熱數(shù)值模擬[J].壓力容器，2012，29（5）：36-41.

[13]張楊，吳哲，曹軍.木材干燥窯結(jié)構(gòu)對(duì)窯內(nèi)空氣流動(dòng)特性的影響[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，40（9）：116-119.

[14]趙曄玫，徐滕崗.木材干燥窯的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，39（4）：468-471.

[15]馮立寧，李建榮，陳廣元，等.常規(guī)干燥室余熱回收裝置的研究[J].森林工程，2013，28（2）：22-25.

[責(zé)任編輯：胡建偉]