借助EDEM、Fluent和SolidWorks软件,采用EDEM-Fluent 耦合仿真技术对内部风道结构、物料颗粒以及相关参数进行优化,讨论物料颗粒和风道结构对气流分布情况的影响。采用EDEM-FLUENT气固两相流耦合方法对不同结构内部风道的气流进行仿真分析,研究烘干机内腔不同设计结构对热风风速分布和烘干效率的影响,并以风速分布和不均匀系数为评价指标对内腔挡板结构进行优化, 通过对比测试得到相对理想的设计方案。1 内部风道模型建立及气流分布模拟方法1.1 建立内部风道模型以某烘干设备制造企业正在研制的立式多层热风 烘干机为原型,整体尺寸(长×宽×高)为15m× 6m×9m,分为内外两部分,外部主要包含上料传送 带、风机、加热炉和热交换器,内部采用立式多层结构, 主要包含四条传送带和内部风道,如图1(a)所示。热 风需要穿过多层物料烘干,其间会有动能和温度损失, 需要风机及时补充风动能。为配合立式多层热风烘干机完成风机补风和余热回收,内部风道需要同时具备 供气和回收两种功能。工作状态下,烘干机需同时进行供气和回收工作,所以依据功能可将内部风道分成进气风道和收集风道两部分。本案例研究对象是内部风道的流场分布问题,为 有效进行仿真分析,对内部风道进行简化处理,选取内部一条传送带与内部风道进行几何模型的构建,把传送带、风机与相应连接处分别进行简化,如图1(b)所示。烘干热气需尽可能均匀分布在物料烘干区,考虑到加工难度、成本等因素,选取内部风道竖直壁面倾斜角度、 侧壁倾斜角度和阶梯间距为主要研究内容,研究三个变量对气流场的影响。采用SolidWorks绘制改进前内部风道三维模型如图1(c)所示,具体参数如表1所示。(a)立式多层热风烘干机三维效果图1.加热炉 2.换热器 3.风机 4.设备后支架 5.废气收集器 6.上料传送带 7.上料料斗 8.设备前支架 9.内部风道进风口 10.内部风道 11.物料传送带（b)内部风道气流方向(c)内部风道结构图1 立式多层热风烘干机示意图表1 内部风道基本技术参数1.2 基本假设根据内部风道的结构特点以及热风干燥特性,对干燥过程中的一些物理量进行合理假设。1)采用热风对流方式加热物料,进风速度恒定且均匀,可以忽略传送带和内部风道的热传导、热辐射对物料的影响。2)风道采用外部包裹有专用保温材料,热风在风道内对外部热量损失较小,可视为绝热。3)物料干燥过程中,假设进风口和出风口风机工作正常,排湿通风情况良好,多余的热空气可顺利地排除,且风道内未出现凝结为水或湿度过大的现象。4)干燥开始后,烘房内部气流很快趋于稳定,在不改变内部条件下,对气流的模拟采用稳态求解。5)干燥过程会伴随水蒸气的产生与传递,风道内气体运动包含了水蒸气与热风两种。研究目标是整个流场的分布变化,为此假设气体为80℃的干热空气。6)在达到物料悬浮速度之前,物料位于传送带上,风道内气流分布与物料孔隙率和厚度相关,与物料种类相关性较小。为简化建模过程,忽略物料种类和切分大小对仿真的影响,本文选用玉米颗粒作为研究对象。1.3 玉米颗粒EDEM模型和参数1.3.1 玉米颗粒物理模型和参数试验选用玉米颗粒作为研究对象,通过查阅资料确定所选材料的密度、泊松比和物料的剪切模量,采用 游标卡尺测定玉米颗粒的直径,得到玉米颗粒长度、宽 度、厚度。材料基本参数如表2所示。由于种子形状多样,根据现场样本可分为扁平形、长扁形、类球形3类,如图2所示。表2 物料特性参数图2 玉米颗粒模型通过颗粒悬浮状态下的力学平衡公式推导玉米颗粒的自由悬浮速度,采用其适用粒径法,根据物料等效直径所在范围确定阻力系数,将其代入颗粒的自由悬 浮速度式求得玉米颗粒悬浮速度理论值。基于EDEM-Fluent气固两相流耦合仿真模拟玉米颗粒在传送带上干燥过程,得出热风流场分布和玉米颗粒悬浮速度。其中烘干热风风速应保持在一定范围内,能 够穿透物料但不超过玉米颗粒的自由悬浮速度。1.3.2 玉米颗粒悬浮速度理论计算在物料悬浮状态条件下,根据受力平衡原理和物料受力分析可知,物料竖直向下的重力等于物料在流体中竖直向上的浮力与竖直向上的阻力之和。在求解非球状物料的悬浮速度时引入修正系数,采用悬浮速度分区计算法和等效粒径法确定空气阻力系数值,将物料和气流特性参数代入受力平衡方程并计算悬浮速 度,即获取物料悬浮速度理论数值,计算如式(1)、 式(2)所示。玉米密度为1197kg/m3,玉米颗粒等效直径d约为5~10mm、空气密度ρa=1.293kg/m3、空气动力粘度μ=1.82×10^-5Pa·s,代入式(4)中,得出对应阻力 系数C的颗粒等效直径范围。经计算,玉米颗粒等效 直径均在式(4)其一范围,因此将阻力系数C=0.44代入式(3)计算得:玉米颗粒悬浮速度15.12~21.28m/s。1.4 数值模拟方法在三维建模软件SolidWorks中直接构建流场域和玉米颗粒模型存为igs格式,导入ANSYSWorkbench使用Mesh自动网格划分,同时设置流场域的进风口、出风口和壁面并导出网格存为msh格式,分别导入ANSYSFluent和EDEM软件并设置参数。在EDEM种设置3种玉米颗粒模型数量总量为50000颗,扁平形、长扁形、类球形比例为3∶1∶1,具体形状如图2所示;并设置玉米颗粒与传送带之间接触特征参数,并设置重力加速度方向。玉米颗粒表面光滑几乎无粘附力,玉米颗粒间、玉米颗粒与传送带间均采用 Hertz-Mindlin无滑动接触模型,查阅文献获取物料仿真参数如表3所示。表3 仿真参数研究的是低压下的干热气体流动问题,选择压力基求解器并确定压强速度的关联形式,选择SIMPLE求解算法,确定插值方法为一阶格式。仿真压强设置为一个标准大气压,设置温度为293.16K, 在竖直方向设置重力加速度为-9.81m/s2,求解控制采用默认设置,设置收敛精度为10^-4。试验流体属于黏性湍流,所以在进行模拟计算时,选用具有较好收敛性能及合理精度的k-ε模 型,并假设近壁处的流动符合标准壁面函数,避免流体在壁面流动时出现失真,更接近于实际烘烤状况。 因此,采用标准k-ε模型来模拟烘室内空气的流动。标准k-ε模型的湍动能k和耗散率ε方程网上有的是，这里就不贴公式了。1.5 边界条件设定烘干机稳定工作时,物料均匀平铺在内部流水线 上,热气通过外部风机从进风口流送入进气内部风道, 在穿过物料层时进行热交换以实现物料干燥,同时进出 风口温度及风速保持恒定。根据经验数据和试验结果, 确定气流进出口边界条件和风道壁面边界条件。进风口选择速度进口边界条件,速度设置为10m/s;物料层上表面选择压力出口边界条件作为出口边界。内部风道壁面为固定壁面,不与外部进行热量交换,壁面温度与常温环境温度保持一致,所以壁面边界条件设置为固定壁面且忽略壁面粗糙程度、壁面温度设置为293K。EDEM-Fluent气固耦合模拟选用Lagrangian模型,气流对固体颗粒的作用选取Free-stream模型; 根据EDEM与Fluent耦合数据传递的时间匹配要求,玉米颗粒在EDEM中的时间步长分别设置为1× 10^-6s,在Fluent中的时间步长分别设置为1× 10^-4s;根据前期试验效果,设置入风口风速为10m/s,运行软件并获取玉米颗粒气固耦合仿真结果。1.6 评价指标为真实全面地反映模拟仿真后的内部风道流场均匀性情况及气流分布特性,选取了平均速度、气流分布云图和不均匀系数3种评价指标。结合3种指标分析,可以精确直接得到内部风道及参数的变化。1)平均速度。内部风道各参考面的平均风速大小,反映了其气流强度大小。平均风速越大,越有利于气流在内部风道的流动,滞留在风道内的可能性越小。2)气流分布云图。气流分布云图能够直观地反映出气流的速度、温度、压力等分布情况,通过对气流分布云图的观察和对比,可以挑选出较好的内部风道 结构,主要采用速度云图。3)速度不均匀系数M。为了内部风道各参考面风速分布的均匀性进行客观评价,引入速度不均匀系数。速度不均匀系数M越大,说明风道内部风速分布 越不均匀;M越小,代表风速分布均匀性越好,表明干燥后的产品均匀性或品质会越好。此外,在同一结构 不同监测平面的速度不均匀系数M越接近,说明风道内部风速分布越相似。2 网格无关性验证改进前内部风道网格划分为108863、203291、570321、1150422和2234706,共5种数目进行数值模拟。坐标系位置如图3(a)所示,Y方向参考面位置如图3(b)所示,选取内部风道(X=0,Z=0)沿Y方向,以及选取内部风道(X=0,Y=0)沿Z方向,两个平面上风速分布来表征网格划分数量对热风运动的影响。风道与玉米颗粒的耦合模型如图3(c)所示,耦合模型气流速度场分布如图3(d)所示。不同网格数气流速度分布如图4所示,可以看出气流速度在不同位置点趋势相同,但网格为108863与 203291时,在Y轴(0.18m,0.55m)间与Z轴(0.15m, 1.5m)间截面风速与其余3种网格相差较大。随网格加密,仿真模拟结果间的截面风速差值逐渐减小。这是 由于此处气流波动大和湍流变化较剧烈,引起误差增大。当网格数量增大后模拟速度趋势相同,可以满足仿真要求,选取网格数目为1150422进行模拟仿真。改进后的风道结构网格无关性验证过程与上述一致,选 取网格数目1.1×10^6~1.3×10^6的网格进行仿真。(a)内部风道Y-Z截面图(d)速度场分布云图图3 参考面位置与改进前风道图4 不同网格数下气流速度分布图3 内部风道速度场模拟与分析如图5所示,气流从左侧进风口水平进入,经风道的右侧壁面偏移,沿竖直方向穿过物料流出。在此过程中,气流会产生湍流、回流、滞留等不利于热风流出 情况,为此案例通过调节右侧壁面倾斜角度、前后侧壁倾斜角度和阶梯间距优化风道内流场的分布情况。3.1 五级壁面倾斜角度对速度场的影响左侧气流接触到右侧壁面会产生回流和湍流,并在右侧壁面五个夹角处会产生部分低流速区,导致热风滞留在风道内。调整内部风道五级壁面倾斜角度可减小回流和低流速区,将倾斜角分别设置为15°、30°、 45°、60°,并进行仿真测得最佳角度。选取Y-Z平面上的两个截面(X=0m,X=0.5m)和物料层下表面所处截面(Y=0.58m)进行分析。从图5(a)~图5(d)可以看出,气流从左侧进风口进入风道,在惯性作用下一直流动到接触竖直壁面,气流开始向进风口远端上部和两侧低压区扩散,导致进风口近端上部和阶梯壁面夹角处产生一定范围的低速区。进风口近端上部低速区面积随着倾斜角度增加而增加,这是由壁面倾斜对气流阻碍减小,更多的气流流入进风口远端上部所致。对比图5(a)~图5(h)可以看出,X=0.5m平面比X=0m平面气流速度明显减小,最大速度减小至9m/s, 进风口近端上部低速区面积增加。从图5(i)~图5(l)中可以看出,随着倾斜角度增加,Y=0.58m平面的气流速 度提升,两侧低速区域面积减小,中部高速区面积增大。倾斜角为30°时,气流高速区面积最大。图5 五级壁面不同倾角速度场分布云图为了更好地表现出风道内气流的均匀分布情况, 试验选取X-Z平面上的6个截面进行分析,基本覆盖了整个风道空间。监测的截面沿Y轴方向分布,分别为Y=0.18m、Y=0.28m、Y=0.38m、Y=0.48m、Y=0.58m、Y=0.63m。监测截面各监测点设置如下:X 轴方向布置35列,Z轴方向根据长度分别设置为5行、14行、23行、32行、41行。各监测点间距50mm,6个平面分别选取175、490、805、1120、1435、1435个监测点,统计记录各监测面上监测点的速度, 计算平均速度和速度不均匀系数。从图6(a)可知,壁面倾角为0°、15°时,在监测面0.28m以下区域,平均速度逐渐增加;在监测面0.28m以上区域,随着监测面的高度增加平均速度逐渐减小。壁面倾角为30°、45°和60°时,平均速度随监测面的高度增加一直减小。由于壁面倾角的作用,使得垂直流向第一级阶梯的气流沿壁面向右上和左下流动,壁面处湍流损耗降低,进风口近端气流平均速度增加;而进风口远端气流随着壁面倾角增加,平均速度先增大后减小,其中30°时平均速度最大。从图6(b)可知,原始模型在0.18m和0.28m处不均匀系数最大,随监测面高度增加,不均匀系数整体趋势是减小的,在0.58m处稍有增加。壁面倾角从0°增 加到60°,风道底部不均匀系数逐渐降低,但0.28m以 上区域不均匀系数明显增加;即底部气流分布情况改善,但上部均匀性变差。经综合分析,壁面倾角为30° 时,各监测面不均匀系数较小且平均速度最大,其气流均匀性优于其他方案。图6 五级壁面不同倾角时平均速度及不均匀系数3.2 侧壁倾斜角度对速度场的影响气流从进风口流入风道,从高压区进入低压区,气压减小气流向四周扩散。如图7所示,在风道底部低于进风口且没有出风口,左右两侧下部会产生低流速 区和湍流,存在热风滞留情况。内部风道侧壁向内倾 斜可减小湍流和低流速区,角度调整为15°、30°、45°, 侧壁上部保留85mm垂直壁面用于安装和固定使用, 如图7所示。图7 不同侧壁倾角的内部风道选取Y-Z平面上的两个截面(X=0m,X= 0.5m)和物料层下表面所处截面(Y=0.58m)进行分析。从图8(a)~图8(c)可以看出,随着侧壁角度增加,阶梯壁面低速区面积逐渐减少。对比侧壁角度 15°、30°、45°时的速度云图,可以发现角度越大,风道中部气流速度越大。如图8(d)~图8(f)所示,随着侧壁 角度从15°增大到45°,风道中部的气流速度同样增加, 气流在惯性作用下一直运动到接触竖直壁面,气流才向进风口远端上部和侧壁低压区扩散。侧壁角度45°的模型底部空间小,气流更多流向进风口远端,两侧气流量减小,所以进风口近端上部气流低速区比其他两种模型 大。从图8(g)~图8(i)可以看出,随着侧壁倾斜角度增加,风速2~3m/s区域面积减小并向中间集中,风速 4~7m/s区域显著增加。侧壁角度45°速度云图大于2m/s的区域比其他两种模型大于2m/s的区域大,气流更连续集中。通过分析风道内各截面的速度分布云 图,设置侧壁倾斜45°时气流分布均匀性较好。图8 不同侧壁倾角时速度场分布云图为了更好地表现出风道内气流的均匀分布情况, 与3.1节一致,试验选取Y=0.18m、Y=0.28m、Y= 0.38m、Y=0.48m、Y=0.58m、Y=0.63m,X 轴方向布置35列,Z 轴方向根据长度分别设置为6行、15行、24行、33行、42行。各监测点间距50mm,6个平面分别选取210、525、840、1155、1470、1470个监测 点,计算平均速度和速度不均匀系数。从图9(a)可知,侧壁倾角为15°、30°、45°时,随着监测面的高度增加平均速度逐渐减小。在0.38m和 0.48m处,侧壁倾斜15°、30°模型平均速度小于原模型,其余参考面平均速度均大于原模型。而倾斜45°模型平均速度在各参考面均大于其他模型。从图9(b)可知,监测面在小于0.38m以下区域,改进模型不均匀系 数逐渐增加;监测面在大于0.38m区域,改进模型不均匀系数波动减小。由于侧壁倾斜作用,改进模型在0.28m 处的气流更加集中,不均匀系数减小;而在0.38m处气流扩散更广,不均匀系数增加。与改进模型 对比,原始模型在0.18m和0.28m处不均匀系数最大,在0.38m和0.58m处不均匀系数最小。经综合分析,侧壁倾角为45°时,各监测面不均匀系数相对较小且平均速度最大,其气流均匀性优于其他方案。图9 不同侧壁倾角时平均速度及不均匀系数3.3 阶梯间距对速度场的影响气流从左侧进风口流入,接触到右侧壁面会产生回流和湍流,适当调整阶梯间距可以减小湍流改善流 场分布情况。为方便表述将进风口与最近垂直壁面之 间距离记为间距1,按远离进风口方向将垂直壁面间水平距离依次记为间距2、间距3、间距4、间距5。根 据热风烘干机设计需要,间距1与外部结构固定,需要保持300mm不变,间距2、间距3、间距4和间距5的总长度为1800mm。由图5和图8可知,高流速区靠近进风口远端一侧,适当缩短间距2和3,并适当增加间距4和间距5可改变高流速区位置。此外缩短间距2和间距3,可缩小风道前部体积,降低湍流强度和气流动能损失。模型阶梯间距参数设定如表4所示, 方案五是对照组,增加间距2和3减小间距4和5。选取Y-Z平面上的两个截面(X=0m,X=0.5m)和 物料层下表面所处截面(Y=0.58m)进行分析。表4 五种内部风道方案阶梯间距参数从图10(a)~图10(h)可知,方案二中进风口近端上部低流速区面积最小,同时高流速区域面积最大且靠近中间。方案五中进风口近端上部低流速区面积最大,气流集中在进风口远端,速度分布不均匀。从图10(i)~图10(l)中可以看出,随着间距2和间距3的增加,高流速区气流速度减小,并逐渐向进风口远端靠近。进风口近端低流速区面积增加,两侧壁面气流速度减小。其中方案二中部气流速度最大,进风 口近端低速区分布集中。通过分析风道内各截面的速度分布云图,认为方案二气流分布均匀性较好。图10 不同阶梯间距时速度场分布云图与3.1一致,试验选取Y=0.18m、Y=0.28m、Y=0.38m、Y=0.48m、Y=0.58m、Y=0.63m,6个截面进行分析,各面分别选取监测点数量如表5所示, 统计记录各监测面上监测点的速度,计算平均速度和速度不均匀系数。表5 五种方案监测点参数从图11(a)可知,随着监测面的高度增加,四种改进方案平均速度逐渐减小。方案二、方案三、方案四平均速度情况好于原模型,其中方案二在0.38m、 0.48m和0.58m处平均速度明显大于其他方案;方 案五在0.18m和0.28m处速度大于原模型,其余参 考面平均速度均小于原模型。图11 不同阶梯间距平均速度及不均匀系数从图11(b)可知,随着监测面的高度增加,四种改进方案不均匀系数在0.4~0.6范围内波动。间距2和间距3越小时,不均匀系数的波动越小,其中方案五波动最大,方案二波动最小。经综合分析,方案二 各监测面不均匀系数波动较小且平均速度最大,其气流均匀性优于其他方案。3.4 优化方案组合与对比分析通过调整烘干机内部风道竖直壁面倾斜角度、侧壁倾斜角度和阶梯间距3种优化方法进行模拟分析,对比确定每种优化方法的最佳选择:竖直壁面倾斜角度30°、侧壁倾斜角度45°、阶梯间距方案二,上述三种方案气流分布均匀性最佳。为进一步研究优化方法结合效果,先选择竖直壁面倾斜角度30°和侧壁倾斜角度45°进行组合设计。在此基础上,结合阶梯间距方案二。由图12可知,两种组合方案在X=0m截面气流分布情况相似,三种改进结合方案在X=0.5m截面气流充分扩散,进风口近端上部和阶梯壁面低速区明显减小,相比于竖直壁面30°与侧壁45°组合方案,气流 均匀性得到改善。竖直壁面30°与侧壁45°组合在Y= 0.58m截面气流都集中在进风口远端,三种改进结合方案近端和侧壁边沿区域有低速区面积更小,截面整 体气流均匀性更好。从图13(a)可知,随着监测面的高度增加,五种方案的平均速度逐渐减小,变化趋势相同,其中三种改进结合方案的平均速度最大。从图13(b)可知,侧壁45° 和两种组合方案不均匀系数变化趋势相同,阶梯间距和竖直壁面最优方案不均匀系数在0.4~0.6之间波动。侧壁45°对0.18m监测面平均速度和不均匀系数提升明显。三种改进结合方案的不均匀系数除0.18m面外,在其他监测面均为最小,其中0.38m和 0.58m明显提升,各监测面气流均匀性有所提升。三 种改进结合方案的气流均匀性优于其他四种改进方案,选择三种改进结合方案作为内部风道。图12 优化方案速度场分布云图图13 平均速度及不均匀系数3.5 进风速度对内部风道速度场的影响每个内部风道外设置一台变频风机,用于输送干燥热风的和回收干燥后废气。考虑变频风机供气速度大小对内部风道速度场的影响,选择4个风速(4m/s、 6m/s、8m/s、12m/s)与原始设置数值10m/s时进行对比分析。选取Y-Z平面上的一个截面(X=0m)进行分析。从图14可以看出,随着变频风机供气速度的增加,各区域速度均匀性变化不大,进风口近端上部和远端低流速区有所减少。供风速度为4m/s、6m/s时, 阶梯壁面夹角存在低流速区;供风速度为8m/s、 10m/s、12m/s时,气流分布情况相似,阶梯壁面和进风口远端低流速区明显减小。图14 不同进风速度时速度场分布云图从图15(a)可知,变频风机供气速度越大,则各监测面的平均速度越大;在不同供气速度下,各监测面的 平均速度变化趋势相同。供气速度为4m/s、6m/s 时,平均速度变化平缓;供气速度为8m/s、10m/s、 12m/s时,平均速度变化逐步增加,其中在(0.28m, 0.38m)波动幅度最大。从图15(b)可知,供气速度为4m/s时,各监测面不均匀系数均为最大;变频风机供气速度为6m/s、8m/s、10m/s、12m/s时,各监测面的不均匀系数变化趋势相似。图15 平均速度及不均匀系数4 结论1)在进风速度相同时,改进风道竖直壁面倾斜角度、侧壁倾斜角度和阶梯间距可以提升气流分布均匀性。设置风道竖直壁面倾斜角度30°时,风道内气流分布性最好;设置侧壁倾斜角度45°时气流分布效果最好; 阶梯间距1至间距5分别设置为300mm、300mm、 300mm、500mm、700mm时,气体流动性最好。2)在进出风口面积相同时,风道竖直壁面倾斜角度、侧壁倾斜角度和阶梯间距组合方案的气流均匀性优于三种单一改进方案,风道内气流流动强度提升明显,气流均匀性有很大改善。3)风机供气速度为8~12m/s时,在此速度区间各截面分布情况最为接近、不均匀系数波动幅度最小, 进入物料层的气流分布相对均匀,同时气压适中保证 气流穿过且不会吹飞物料。公众 号：机电君来源：机电君
