当归干燥室设计及流场仿真分析

时间：2024-07-28

常瑞虎，刘柯楠

(1.兰州理工大学机电工程学院，甘肃兰州 730050)(2.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西咸阳 712100)

1 当归干燥工艺问题的提出

当归是最常用的中药之一，具有补血和血、调经止痛、润燥滑肠、抗癌、抗衰老、免疫之功效。因产地不同有秦归(甘肃产)、云归(云南产)、川归(四川产)之分[1]。秦归以岷县“岷归”最为有名。

据报道，2013年岷县当归种植面积达15.12万亩，产量2.93万t，在种植面积不断扩大的同时，仓贮能力也在不断增强，全县药材仓贮能力达3.83万t[1]。在政府的大力引导、支持下当归种植面积不断扩大，已成为当地主导产业并为农民增加了收入。影响当归质量的重要因素之一就是当归的加工，所以研究当归的加工方法及干燥工艺技术，可提高当归品质，从而增加经济效益[2]。

2 干燥室的建模

热风由风机送入送风道后将沿着半弧形流道流经物料表面带走物料中的水分，再由排风机排出。本文所设计的干燥室的特点有：1)热风进口数大于1，尽量保证被干物料受热的均匀性；2)进出口在同一侧，且将添加物料处放在干燥介质出口处，保证干燥介质质量。

干燥室的尺寸设计为2 000mm×2 000mm×2 000mm，物料架的尺寸设计为1 600mm×2 000mm×1 200mm，物料架间距为120mm。

本文使用Pro/E软件绘制干燥室的三维模型，如图1所示。

图1 三维模型

3 数值模拟

3.1 CFD数值模拟简述

计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)是以计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究流体的速度场、温度场、压力场等参数分布的方法[5-9]。模拟流程简图如图2所示。

3.2 控制方程

根据流体力学的相关知识，可知干燥室内热空气为稳态的黏性流动，当风速较小时，密度变化很小可以忽略，这样可以近似认为气体是不可压缩的。因此，假设流体为不可压缩流体，气体黏性系数为常数，干燥室内热空气流动状态满足连续性方程和动量守恒方程。

图2 模拟流程简图

连续性方程：

(1)

动量守恒方程为：

(2)

本文选用目前应用最广泛的标准κ-ε湍流模型。

湍流动能方程为：

命题 4.2 μ, Μ(B,K)是Rd上正交测度框架测度且令ν=(μ+ν1)∘Sμ, 则ν为μ的近似对偶测度框架。

(3)

湍流动能耗散率ε方程为：

(4)

式中：xi,xj,xk为坐标分量；ρ为流体密度，kg/m3；ui，uj，uk为流体质量，kg；p为流体微元上的压力，N/m2；μ为流体动力黏度，N·s/m2；μt为涡黏性系数;Cb为经验常数;Gb为涡运动黏性系数;δij为函数，当i=j时，δij=1,当i≠j时，δij=0；Sε为自定义项;t为时间;G1ε,G2ε,G3ε,σε为湍流系数,G1ε=1.44，G2ε=1.92，G3ε=0.09，σκ=1.0，σε=1.3。

3.3 划分网格、设置边界条件

本文应用前置处理软件GAMBIT对干燥室划分网格，再把网格导入后置处理软件FLUENT中进行计算。边界条件及参数设置见表1[5-14]。

表1 边界条件及参数设置

假设干燥室的物料架上堆满了湿的当归，外部空气经加热后达到当归的适宜干燥温度45℃左右，送风机以2.1m/s的速度将热空气送入送风道。模拟过程中入口采用2.1m/s的速度进入边界，出口采用无回流的压力出口边界，所以假设出口表压为0。

4 模拟结果及分析

图3为45℃左右热空气进入干燥室时干燥室内气流的温度分布图。从图可以看出，物料层区温度分布不均匀且在轴线附近出现明显的分层现象。气流经过中间物料层附近温度可达到43℃，靠近进风通道的物料层附近温度要低一些，大约为39℃。

图3 温度场云图

图4为热空气以2.1m/s进入干燥室时干燥室内气流的速度流场图。从图可以看出，空气在进风口进入，达到壁面后局部速度明显减小且产生涡旋，在弧形壁面处速度达到最低(0.2m/s)，然后空气以较快的速度流经物料表面层。通过中间物料层的热空气速度比进风口速度大且达到4.2m/s；同时经过上、下物料表面时风速比进风口速度小，为0.5m/s。

图4 速度场云图

为了改善干燥室内温度、速度的分布效果，在与物料架平行的转角处添加了导风板。如表2所示，本文设计了3种导风板的布置形式，分别是并排式、左倾式和右倾式，导风板的设计尺寸为200mm×2 000mm×20mm。并排式即从上往下一字排开，左端距离干燥室壁面250mm，相邻导风板垂直距离为200mm(每种布置垂直距离保持不变)；左倾式是向左有一定倾角(倾角20°)；右倾式则相反。现将设计好的导风板加入到干燥室模型中，在FLUENT软件中进行模拟。右倾式导风板加到干燥室模型中模拟效果较好，改善后温度分布如图5所示，从云图可以看出，热风经过物料层表面时温度基本保持在40℃。

表2 导风板的布置形式

图5 改善后温度场云图

改善后速度分布云图如图6所示，从图可以看出，热空气流经物料层表面时速度在3m/s左右，说明添加导流板可以较好地改善热空气流经物料层表面的速度、温度的均匀性。

图6 改善后速度场云图