基于热流耦合的木材干燥窑风速温度分布解算

材料按对应木材标准设置；入口边界条件设置为速度入口，忽略重力场影响，速度分选取1、2和3 m/s，温度为350K，湍流定义方法选择湍流强度百分比和水力直径；出口采用自由出口边界条件；为计算方便忽略干燥窑内壁对窑外传热，故将其设定为绝热边界条件；木材加热是流体对固体加热，是一个耦合传热的过程，Fluent软件在读入干燥窑模型时，定义为Wall流固交界面会自动生成 Wallshadow，这样就形成了一对耦合面，边界条件设置是将材料设置为对应木材，交界面设置为coupled，这样系统就会自动完成流体区域对固体区域的传热[7-8]。

在求解设置中采用基于压力求解器、2D、双精度、steady（定常流动）和绝对速度；因模型中涉及到传热计算，需要打开能量方程。

通过来流入口条件，计算出其雷诺数[9]：

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

干燥窑内气体流动为湍流流动。因此湍流模型选择标准的kε模型，其它保持默认设置；控制方程的离散采用二阶迎风格式，松弛因子保持默认设置，速度与压力的耦合采用SIMPLE算法。

2数值模拟及结果分析

入口速度为1、2、3 m/s时速度云图如图3～图5所示。

图3风速1 m/s时速度云图

Fig.3 Velocity contour at

wind speed of 1 m/s图4风速2 m/s时速度云图

Fig.4 Velocity contour at

wind speed of 2 m/s图5风速3 m/s时速度云图

Fig.5 Velocity contour at

wind speed of 3 m/s

由图可以看出，由于固体区域木材和干燥窑内壁的存在，将整个流体分成不同区域，造成干燥窑内速度分布并不不均匀。且受干燥窑模型自身影响，在干燥窑左下部位置均形成不同程度流动“死区”，这些“死区”没有随着进口风速的增加而消减，在一定程度上会增加能耗，这将是干燥窑内部改进的关键位置。在每块木材右侧端部，该区域流速较低，造成木材局部换热效果差，形成不同大小的“死区”，且“死区”大小随着风速增强而增大，由于实际木材干燥过程伴随着水分迁移，这些“死区”的形成会极大阻碍木材干燥均匀性，增长干燥时间，降低干燥效率[10]。在干燥窑左侧中部，风速1 m/s时，形成一个较小涡旋，风速增加到2 m/s时，涡旋明显增大，当风速增加到3 m/s时，涡旋增大到明显影响木材板之前的空气流动。涡旋的出现在干燥窑干燥过程中是需要尽量避免的，这种涡旋是由于湍流运动不稳定造成的，将导致干燥过程热流浪费，增加能耗。

3种速度进口所对应温度分布云图，如图6～8所示。

图6风速为1 m/s时温度云图

Fig.6 Temperature contour at

wind speed of 1 m/s图7风速为2 m/s时温度云图

Fig.7 Temperature contour at

wind speed of 2 m/s图8风速为3 m/s时温度云图

Fig.8 Temperature contour at

wind speed of 3 m/s由图可以看出，高温区主要集中在进口和耦合传热达到稳态时的木材上部。干燥窑左右两个底角温度较低，最高温差达到30K，这是由于“死区”出现，影响底部空气风速进而影响温度，且最底端两块木材均在不同程度上与上部八块木材温度不同，温差为10～20K左右。通过三个温度分布云图对比，进口速度变化在不同程度上对干燥窑内温度分布均匀性有不同程度影响，并非是气流风速增加温度分布就均匀。

在干燥窑内部安置导流板，三块导流板合理分布在干燥窑进风口下方，其安装角度为20°。导流板为金属铝板，在实际干燥过程中，热量吸收较低，假设为绝热板。当进口风速为1、2、3 m/s，温度为350K时，3种速度进口所对应速度分布云图，如图9～11所示。

图9风速为1 m/s时速度云图

Fig.9 Velocity contour at

wind speed of 1 m/s图10风速为2 m/s时速度云图

Fig.10 Velocity contour at

wind speed of 2 m/s图11风速为3 m/s时速度云图

Fig.11 Velocity contour at

wind speed of 3 m/s

由图可以看出，安装导流板后，在每块导流板周围均出现不同程度的低风速区域，这些低风速区域随着风速由1 m/s提升到3 m/s时，区域面积变小。这些低风速区域的出现对木堆板材之间风速均匀性有一定影响，在进口下方并未形成像图3～5所出现涡旋，在木堆板材之间空隙中，风速分布和未安装导流板时相比，均匀性得到很大的提高。

装有导流板时，3种速度进口所对应温度分布云图，如图12～14所示。

图12风速为1 m/s时温度云图

Fig.12 Temperature contour at

wind speed of 1 m/s图13风速为2 m/s时温度云图

Fig.13 Temperature contour at

wind speed of 2 m/s图14风速为3 m/s时温度云图

Fig.14 Temperature contour at

wind speed of 3 m/s

图12～14和图9～11进行对比可以发现，安装导流板后，导流板对进口气流进行分流，进口处风速高速区明显减少，且干燥窑左侧“死区”和涡旋得到明显改善。由于导流板影响干燥窑内空气流动的走向，增强木材板之间空气流动，改善了干燥窑内温度分布均匀性，其分布较未安装导流板的干燥窑更为合理。虽然此导流板的位置和放置角度未进行严格的设计和合理的优化，但通过数值分析图已能较直观的发现导流板的安装可以提高干燥窑内空气流动的均匀性，对提高木材干燥效率和质量有显著影响[7-8]。木材干燥过程是一个阶梯式加热方式，在这个过程中，进口风速和温度在不同时间段会有不同的对应数值，通过数值模拟分析，将两者并行考虑，可得出一个较合理的干燥窑内部宏观状态。

3结论

本研究通过ICEM CFD和Fluent相结合，建立木材干燥窑简化模型，采用二维和定长流动的方式进行分析解算，得出如下结论。

（1）对解算结果进行流动和传热耦合分析，得出合理的速度分布和温度分布情况。

（2）通过分析得出合理的干燥窑内部风速和温度分布情况，可以认为采用数值分析的方法对木材干燥窑内部情况进行分析是可行的。

（3）通过对安装导流板计算模型数值模拟，确认导流板规划对干燥窑内部流场均匀性有较大影响，这将为干燥窑结构优化提供数值依据

鉴于二维数值模拟多具有的局限性，其并不能完全代表干燥窑实际工作状况，但明显表达出干燥窑内部放置导流板后对风速和温度均匀性的重要影响，在一定程度上显示出计算的合理性和准确性，可为木材干燥窑设计和结构优化改造提供参考和重要的数据依据。

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[责任编辑：胡建伟]