仿真技术在真空冷冻干燥机设计中的应用

陈玮+芦宏斌+程鹏

[摘 要] 目的：探究仿真技术在真空冷冻干燥机设计过程中的应用。以先进设计方法，支持产品开发和基础试验，充实科学试验和测试手段。方法：针对主要部件冷冻干燥箱和搁板进行CAD建模。借助CAE技术对冷冻干燥箱进行静力学分析，根据变形和应力分布情况，为其形状和尺寸优化目标提供可靠依据。对冷冻干燥箱进行模态分析，得到其固有频率，为有效预估结构的振动特性提供依据。应用FLUENT软件，采用SIMPLE算法和标准κ-ε湍流模型，分析其内部气流流动特性、出口速度分布，为进气口布局提供设计依据。对搁板内温度场进行流-固耦合分析，获得搁板温度场和流场的分布图，为进一步优化搁板结构提供依据。结果：对冷冻干燥箱内气流模型和搁板温度流场模型建立和计算方法进行尝试，获得了流场云图和载荷数据等仿真结果，为其实际工程应用提供参考依据，提升了产品开发效费比。结论：仿真作为一种试验技术，对于设计工作中提升产品性能、提高设计效率起到了积极推动作用。

[关键词] CAD/CAE；流-固耦合；静力学分析；模态分析；仿真分析；冻干技术；FLUENT中图分类号：TB79 文献标识码：A 文章编号：2055-5200（2014）01-027-06

Doi：10.11876/mimt201401007

Application of Simulation Technology in the Design of Vacuum Freeze-drying Machine CHEN Wei， LU Hong-bin ，CHENG Peng

（Plant of Experimental Instrument，Academy of Military Medical Sciences ，PLA，Beijing 100850，China）

[Abstract] Objective：Research on application of simulation technique in the design of the vacuum freeze-drying machine. With the aid of the modern design method， the product development and the foundation experiment are supported， scientific experiments and test method were improved. Methods：According to design requirements of the freeze-drying machine，3D model of the vacuum freeze-drying case and the shelf were built.With CAE technology， the vacuum freeze-drying case were analysed，including statics analysis and modal analysis. Based on the result analysis which was achieved from the finite element model with considerations to constraint and boundary conditions， reliable basis datas for Structure optimization and dynamic characteristics were obtained. With FLUENT software， Using SIMPLE algorithms and standard κ-ε turbulence model analysed air flow field and outlet velocity distribution of the vacuum freeze-drying case in order to provide design datas of inlet channel. Fluid-solid coupling model of shelf temperature field was calculated， results were provided to further optimize the structure of shelf. Result：Flow field model and calculation method of the vacuum freeze-drying case and shelf were made the new attempt.The simulation results were obtained，which Provided the reference for engineering application and promoted effectiveness-cost ratio of development. Conclusion：Simulation as a scientific means of development is playing a positive role in promoting product performance and increasing design productivity.

1 引言

真空冷冻干燥技术在生物工程、医药工业、食品工业、材料科学和农副产品深加工等领域有着广泛的应用。冷冻干燥技术用途广，生产厂家较多，美国、英国、日本、德国等国的冻干机已经形成标准化、系列化的产品，其搁板面积从不到一平方米直至大到几十平方米， 形成十几种规格。

我国冷冻干燥机结构设计多采用材料力学简化计算与经验设计相结合的方法。这种设计方法具有一定可靠性，但存在诸多弊端：首先，采用这种方法设计周期长，进行计算后，再根据计算结果人工布置筋板结构，会耗费大量时间，设计准确性不易保证；其次，结构组件冗余，用材质量大，传统设计在材料使用上偏于保守，比国外同种规格产品重量大，致使成本高、效益低，削弱了产品的竞争力。

国内外文献中， 对如何将现代仿真技术应用到真空冷冻干燥机设计中的文章不多见。 本文探讨仿真技术在真空冷冻干燥机主要组成部分设计中的运用。设计产品零件几何形状复杂，设计计算难度大，设计计算过程复杂，产品性能要求高时，需要经验丰富的高水平技术人员结合产品仿真分析才能完成[1]。

2 冷冻干燥机设计与分析的关键

目前制备型真空冷冻干燥机主要由冷冻干燥箱、真空系统、制冷系统、加热系统及自动控制系统几大部分组成[2-3]。这几大部分的搭配、取舍可构成不同的设计方案。

冷冻干燥箱是一个能够制冷到-50℃左右，能够加热到+70℃左右的高低温箱体，也是一个能够抽成真空的密闭容器，它是冻干机的主要组成部件，其中的搁板是核心部件，它负责对制品的预冷、升温、干燥。制品的品质在很大程度与搁板的制冷温度、加热温度、干燥时的真空度三个主要参数紧密相关[4]。以上三个参数中，后两个参数比较容易控制，原因是搁板加热温度一般由电加热装置提供热量，硅油作为传热介质，电加热装置功率稳定可控，所以容易实现热量大小的改变，干燥时真空度的控制虽然较为复杂，但还是能做到较精确控制。比较难于理想控制的是第一个参数：制冷温度，这一参数主要通过搁板最低温度、搁板降温速率、搁板控温精度来综合评价。

基于以上原因，尝试对冷冻干燥箱和搁板设计。首先，在具体结构上借助三维CAD技术，完成三维造型、虚拟组装、工程图生成等工作；其次，借助CAE技术对冷冻干燥箱进行静强度及模态分析计算，通过FLUENT分析显示冷冻干燥箱气体流场轨迹和搁板内温度场变化，发现存在问题，为设计提供参考，缩短研发周期，提高经济效益[5]。

2.1 冷冻干燥箱静力学分析

首先用Pro/ENGINEER做造型设计，然后利用其提供的数据接口把模型传递到ANSYS环境进行有限元计算，从而得到冷冻干燥箱的机械性能。

[C]—阻尼矩阵；

[K]—刚度系数矩阵；

{x}—位移矢量；

{F}—力矢量。

线性结构静力分析中，所有与时间相关的量都被忽略。于是，从（2-1）式中得到以下方程式：

[K]{x}={F} （2-2）

根据设计要求，对冷冻干燥箱结构采取从局部到整体的造型方法建模，冷冻干燥箱是由若干零部件焊接装配起来，用CAD软件造型，可以从标准结构件开始将相关结构体拼合即可得到整体结构模型。

在进行有限元分析时，各结构件可按焊接成一个整体处理。设计初期采用经验设计和材料力学简化算法相结合的方式，得到设计参数的初始值，然后用Pro/ENGINEER进行辅助实体造型即可得到冷冻干燥箱体模型，整体完成后的分析用三维模型如图1所示。

通过仿真分析可以发现设计上的一些不合理地方，如有些部位应力水平颇高。尽管其中有未考虑焊缝而引起的应力集中的因素存在，但即使去除该因素，应力分布的不均性也不可避免地导致各部分疲劳寿命的差异以及材料使用不合理。为此，应考虑调整筋板的布置方式，在应力水平过高处适当增加加强筋板；同时为降低振动频率可调整布局方式。

2.3 冷冻干燥箱及搁板CFD分析

计算流体力学CFD（Computational Fluid Dynamics）是多种领域的交叉学科，因具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点而在最近20年中得到了飞速发展[9]，它所涉及的学科有流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何、数值分析、计算机科学等，而最终体现计算流体水平的是解决实际问题的能力[10]。随着计算流体力学的发展，数值模拟已经成为了流体力学研究的重要手段[11-13]。

冷冻干燥机加热系统的关键在于如何节省能源，提高热效率。由于在真空状态下传热主要靠辐射和传导， 传热效率低， 所以近来出现了调压升华法。调节气压有多种方式， 英国爱德华公司采用充入干燥无菌气体的方法， 既提高了冷冻干燥箱的压强， 又不致增加冷凝器负荷， 是一种比较好的方法。

借助CFD仿真技术可以预测冷冻干燥箱内不同配气口充入干燥无菌气体气流分布详细情况，从而指导设计工作。首先，构建冻干箱底部进气和侧壁四点均布进气两种气流形式的三维分析模型，建立冷冻干燥箱内部气体流场分布计算模型，具体如图8、9。

由于FLUENT软件可以相对准确地给出流体流动的细节，如：速度场、压力场、温度场、浓度场分布的时变特性，不仅可以准确预测流体产品的整体性能，而且很容易从对流畅的分析中发现产品或工程设计中的问题，据此提出的改进方案，只需计算一次就可以判断改进是否有效果[14]，因此，利用FLUENT求解器对计算进行设置并进行求解。计算结果如图12、13。图12 底部进气流场云图 图13 侧壁进气流场云图

冷冻干燥箱结构合理可确保冻干过程的顺利完成，搁板设计能力的水平将直接决定整机性能，搁板上换热流路布局合理，用材合理，热惯性小，即能大幅度降低控制系统、制冷系统、加热系统等功耗负荷和故障率，又能实现一个最优的冷却速率，获得最高的细胞存活率、最好的产品物理形状和溶解速度。

为了使本设计的搁板热均匀性好，热惯性小，在设计中采用CFD技术构建热传导模型，在Pro/ ENGINEER中建立三维模型，建模如图14。构建流路有限元模型，如图15。

3 结论

（1） 将CAD、CAE等先进计算机仿真设计手段应用于真空冷冻干燥机研发，可以缩短设计周期、保证设计质量、提高整体设计水平，减少开发成本；

（2） CAE技术可以在设计之初发现设计中存在的问题，基于有限元的优化分析能够为设计提供改进的方向。通过数值仿真分析，得到应力应变分布情况，对关键结构尺寸予以调整，减小应力应变，以达到结构优化的目的。

（3） 本文研究流场中典型流动的一般原理，基于ANSYS Fluent软件的模拟计算能够较为准确的预测真空冷冻干燥机工作过程中气体在冷冻干燥箱内的流动情况，为设计适宜的进配气结构提供技术参考。

（4） 用ANSYS Fluent流体动力学软件对真空冷冻干燥箱内气流工况进行数值仿真，结果发现侧壁四点均布进气口设计方案有利于冻干箱内注入惰性气体对加热搁板的均匀包覆，实现无氧环境下的压盖封装。其进气方式优于底部单进气口设计方式。所得结论为今后进一步的深入研究真空冷冻干燥技术的机理以及设计新型进配气装置具有重要指导意义。

（5） 用ANSYS Fluent流体动力学软件对真空冷冻干燥机加热搁板温度分布情况进行了数值仿真，为搁板换热流路设计提供了依据，为动力循环系统、制冷系统和控制系统的整体性能设计工作提供参考。

（6） CFD技术可以克服传统方法中系统当量模型的简化及模型中原始物理参数无法精确化的问题，并且可以得到较为直观的结果，直接用来指导设计。设计中由单纯经验设计方法转变为理论计算指导和经验相结合的方法。

（7）借助于CFD的仿真分析，能够有效地分析流体运动过程中的运动特性和规律。使得设计工程师从复杂的理论计算中解放出来，将更多的精力放在优化设计及结构设计上。

（8） 尽管CFD技术本身还存在着一定的局限性，比如对物理模型、经验技巧有一定的依赖，然而，计算流体动力学（CFD） 是一种以流体为研究对象的数值模拟技术，相对于实验流体动力学而言，它具有资金投入少、计算速度快、信息完备且不受模型尺寸限制等具有巨大优势，在众多领域内必然能发挥越来越多的作用。

参 考 文 献

[1] 汪沙娜，刘夫云，匡兵，等.基于CAD/CAE集成的零件变型设计系统开发[J].机械设计与研究，2013，29（4）：64-67.

[2] 汪廷彩，苏平，祝水兰.真空冷冻干燥技术在食品加工中的应用及展望[J].粮油加工与食品机械，2002，（12）：31-34.

[3] 徐成海，张世伟，关奎之. 真空干燥[M]. 北京：化学工业出版社，2003：11.

[4] 史伟勤，楼唯.真空冷冻干燥机制品搁板制冷的优化[J].干燥技术与设备，2008，6（1）：45-48.

[5] 朱波，李保国，郑效东，等.液氮辅助冻干机冷阱室内温度场模拟与分析[J].低温工程，2011，179（1）：65-68.

[6] 赵腾伦.ABAQUS6.6在机械工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2007：4.

[7] 张朝晖.ANSYS8.0结构分析及实例解析[M]，北京：机械工业出版社，2005：3.

[8] 舒斯洁.风扇叶片的模态分析[J].江西煤炭科技，2008，3：92-93.

[9] 唐家鹏.FLUENT14.0超级学习手册[M]，北京：人民邮电出版社，2013：4.

[10] 韩占忠.FLUENT—流体工程仿真计算实例与分析[M]，北京：北京理工大学出版社，2009：8.

[11] PIANKO-OPRYCH P， JAWORSKI Z. Prediction of liquidliquid flow in an SMX static mixer using large eddy simulations[J]. Chem Pap，2010，64（2）：203-212.

[12] JAWORSKI Z， MURASIEWICZ H. LES and URANS modeling of turbulent liquid-liquid flow in a static mixer： turbulent kinetic energy and turbulence dissipation rate[J]. Chem Pap， 2010，64（2）：182-192.

[13] MAAB S， METZ F， REHM T， et al. Prediction of drop sizes for liquid-liquid systems in stirred slim reactors（I）： Single stage impellers[J]. Chemical Engineering Journal， 2010，162（2）：792-801.

[14] 刘荣，陶乐仁.Fluent数值模拟在制冷与空调领域中的应用[J].低温与超导，2010，38（10）：78-80.

[15] 王泽鹏，张秀辉等.ANSYS12.0热力学有限元分析[M].北京：机械工业出版社，2010：6.

（3） 本文研究流场中典型流动的一般原理，基于ANSYS Fluent软件的模拟计算能够较为准确的预测真空冷冻干燥机工作过程中气体在冷冻干燥箱内的流动情况，为设计适宜的进配气结构提供技术参考。

（4） 用ANSYS Fluent流体动力学软件对真空冷冻干燥箱内气流工况进行数值仿真，结果发现侧壁四点均布进气口设计方案有利于冻干箱内注入惰性气体对加热搁板的均匀包覆，实现无氧环境下的压盖封装。其进气方式优于底部单进气口设计方式。所得结论为今后进一步的深入研究真空冷冻干燥技术的机理以及设计新型进配气装置具有重要指导意义。

（5） 用ANSYS Fluent流体动力学软件对真空冷冻干燥机加热搁板温度分布情况进行了数值仿真，为搁板换热流路设计提供了依据，为动力循环系统、制冷系统和控制系统的整体性能设计工作提供参考。

（6） CFD技术可以克服传统方法中系统当量模型的简化及模型中原始物理参数无法精确化的问题，并且可以得到较为直观的结果，直接用来指导设计。设计中由单纯经验设计方法转变为理论计算指导和经验相结合的方法。

（7）借助于CFD的仿真分析，能够有效地分析流体运动过程中的运动特性和规律。使得设计工程师从复杂的理论计算中解放出来，将更多的精力放在优化设计及结构设计上。

（8） 尽管CFD技术本身还存在着一定的局限性，比如对物理模型、经验技巧有一定的依赖，然而，计算流体动力学（CFD） 是一种以流体为研究对象的数值模拟技术，相对于实验流体动力学而言，它具有资金投入少、计算速度快、信息完备且不受模型尺寸限制等具有巨大优势，在众多领域内必然能发挥越来越多的作用。

参 考 文 献

[1] 汪沙娜，刘夫云，匡兵，等.基于CAD/CAE集成的零件变型设计系统开发[J].机械设计与研究，2013，29（4）：64-67.

[2] 汪廷彩，苏平，祝水兰.真空冷冻干燥技术在食品加工中的应用及展望[J].粮油加工与食品机械，2002，（12）：31-34.

[3] 徐成海，张世伟，关奎之. 真空干燥[M]. 北京：化学工业出版社，2003：11.

[4] 史伟勤，楼唯.真空冷冻干燥机制品搁板制冷的优化[J].干燥技术与设备，2008，6（1）：45-48.

[5] 朱波，李保国，郑效东，等.液氮辅助冻干机冷阱室内温度场模拟与分析[J].低温工程，2011，179（1）：65-68.

[6] 赵腾伦.ABAQUS6.6在机械工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2007：4.

[7] 张朝晖.ANSYS8.0结构分析及实例解析[M]，北京：机械工业出版社，2005：3.

[8] 舒斯洁.风扇叶片的模态分析[J].江西煤炭科技，2008，3：92-93.

[9] 唐家鹏.FLUENT14.0超级学习手册[M]，北京：人民邮电出版社，2013：4.

[10] 韩占忠.FLUENT—流体工程仿真计算实例与分析[M]，北京：北京理工大学出版社，2009：8.

[11] PIANKO-OPRYCH P， JAWORSKI Z. Prediction of liquidliquid flow in an SMX static mixer using large eddy simulations[J]. Chem Pap，2010，64（2）：203-212.

[12] JAWORSKI Z， MURASIEWICZ H. LES and URANS modeling of turbulent liquid-liquid flow in a static mixer： turbulent kinetic energy and turbulence dissipation rate[J]. Chem Pap， 2010，64（2）：182-192.

[13] MAAB S， METZ F， REHM T， et al. Prediction of drop sizes for liquid-liquid systems in stirred slim reactors（I）： Single stage impellers[J]. Chemical Engineering Journal， 2010，162（2）：792-801.

[14] 刘荣，陶乐仁.Fluent数值模拟在制冷与空调领域中的应用[J].低温与超导，2010，38（10）：78-80.

[15] 王泽鹏，张秀辉等.ANSYS12.0热力学有限元分析[M].北京：机械工业出版社，2010：6.

（3） 本文研究流场中典型流动的一般原理，基于ANSYS Fluent软件的模拟计算能够较为准确的预测真空冷冻干燥机工作过程中气体在冷冻干燥箱内的流动情况，为设计适宜的进配气结构提供技术参考。

（4） 用ANSYS Fluent流体动力学软件对真空冷冻干燥箱内气流工况进行数值仿真，结果发现侧壁四点均布进气口设计方案有利于冻干箱内注入惰性气体对加热搁板的均匀包覆，实现无氧环境下的压盖封装。其进气方式优于底部单进气口设计方式。所得结论为今后进一步的深入研究真空冷冻干燥技术的机理以及设计新型进配气装置具有重要指导意义。

（5） 用ANSYS Fluent流体动力学软件对真空冷冻干燥机加热搁板温度分布情况进行了数值仿真，为搁板换热流路设计提供了依据，为动力循环系统、制冷系统和控制系统的整体性能设计工作提供参考。

（6） CFD技术可以克服传统方法中系统当量模型的简化及模型中原始物理参数无法精确化的问题，并且可以得到较为直观的结果，直接用来指导设计。设计中由单纯经验设计方法转变为理论计算指导和经验相结合的方法。

（7）借助于CFD的仿真分析，能够有效地分析流体运动过程中的运动特性和规律。使得设计工程师从复杂的理论计算中解放出来，将更多的精力放在优化设计及结构设计上。

（8） 尽管CFD技术本身还存在着一定的局限性，比如对物理模型、经验技巧有一定的依赖，然而，计算流体动力学（CFD） 是一种以流体为研究对象的数值模拟技术，相对于实验流体动力学而言，它具有资金投入少、计算速度快、信息完备且不受模型尺寸限制等具有巨大优势，在众多领域内必然能发挥越来越多的作用。

参 考 文 献

[1] 汪沙娜，刘夫云，匡兵，等.基于CAD/CAE集成的零件变型设计系统开发[J].机械设计与研究，2013，29（4）：64-67.

[2] 汪廷彩，苏平，祝水兰.真空冷冻干燥技术在食品加工中的应用及展望[J].粮油加工与食品机械，2002，（12）：31-34.

[3] 徐成海，张世伟，关奎之. 真空干燥[M]. 北京：化学工业出版社，2003：11.

[4] 史伟勤，楼唯.真空冷冻干燥机制品搁板制冷的优化[J].干燥技术与设备，2008，6（1）：45-48.

[5] 朱波，李保国，郑效东，等.液氮辅助冻干机冷阱室内温度场模拟与分析[J].低温工程，2011，179（1）：65-68.

[6] 赵腾伦.ABAQUS6.6在机械工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2007：4.

[7] 张朝晖.ANSYS8.0结构分析及实例解析[M]，北京：机械工业出版社，2005：3.

[8] 舒斯洁.风扇叶片的模态分析[J].江西煤炭科技，2008，3：92-93.

[9] 唐家鹏.FLUENT14.0超级学习手册[M]，北京：人民邮电出版社，2013：4.

[10] 韩占忠.FLUENT—流体工程仿真计算实例与分析[M]，北京：北京理工大学出版社，2009：8.

[11] PIANKO-OPRYCH P， JAWORSKI Z. Prediction of liquidliquid flow in an SMX static mixer using large eddy simulations[J]. Chem Pap，2010，64（2）：203-212.

[12] JAWORSKI Z， MURASIEWICZ H. LES and URANS modeling of turbulent liquid-liquid flow in a static mixer： turbulent kinetic energy and turbulence dissipation rate[J]. Chem Pap， 2010，64（2）：182-192.

[13] MAAB S， METZ F， REHM T， et al. Prediction of drop sizes for liquid-liquid systems in stirred slim reactors（I）： Single stage impellers[J]. Chemical Engineering Journal， 2010，162（2）：792-801.

[14] 刘荣，陶乐仁.Fluent数值模拟在制冷与空调领域中的应用[J].低温与超导，2010，38（10）：78-80.

[15] 王泽鹏，张秀辉等.ANSYS12.0热力学有限元分析[M].北京：机械工业出版社，2010：6.