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摘要：为构建木材干燥窑内部循环风速和温度合理分布，采用二维数值模拟方法，利用Fluent软件对试验型小型干燥窑进行仿真模拟，对比安装导流板前后干燥窑内温度和分布情况。木材干燥窑的设计，风速、温度分布是关键问题。首先利用ICEM CFD软件对结构简化的试验型小型干燥窑进行参数化建模，将简化的模型进行网格划分，利用Fluent软件对木材干燥窑内的流动与传热耦合环境进行数值模拟，得出风速分布云图和温度分布云图，研究干燥窑内热流耦合系统，得出其内部速度和温度的具体状态，通过导流板安装前后数值对比，找到导流板合理性的参数。采用二维数值的模拟方法，不能代表实际干燥窑工作状况，具有一定的局限性。
关键词：木材干燥窑；导流板；热流耦合；数值模拟
中图分类号：S 782.3文献标识码：A文章编号：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
基金项目：黑龙江省自然科学基金资助项目（C201238）
第一作者简介：孟兆新，博士，教授。研究方向：干燥窑耦合分析。Email：349325368@qq.com
引文格式：孟兆新，于彪，李尚，等.基于热流耦合的木材干燥窑风速温度分布解算[J].森林工程，2015，31（1）：49-53.木材干燥窑是通过通风和加热设备来控制干燥窑内部的温度、湿度及气流速度，利用窑内空气的流动和传热来完成对木材的干燥[1]。在木材干燥过程中，风速、温度分布是最关键问题，干燥窑的结构对木材干燥过程有极大的影响，合理的干燥窑结构对提高木材利用率、降低能耗，提升木材干燥质量有重要意义。木材干燥过程不仅是一个能量转换过程，而且是一个改善木材物理力学性能的过程[4]。
木材干燥窑是一个复杂的强耦合非线性动力系统，其内部流体流动极其复杂，很难建立反应木材干燥性能的理想模型。由于流体动力学实验成本高、精度低和稳定性差，从理想模型和实验分析两个方向都很难精确分析木材干燥过程的动态特性[3]。本研究利用Fluent软件进行木材干燥窑内热流耦合解算，对木材干燥窑进行参数化建模，利用Fluent软件特性对干燥窑内部耦合场进行数字化分析，力求为改善干燥窑性能提供理论依据。
1干燥窑模型建立
1.1干燥窑几何尺寸
本文所模拟对象为试验型小型干燥窑，其尺寸为2.0×1.08×1.08（m），所干燥木材为桦木板，材堆整体尺寸为1.8×0.6×0.68（m），窑内共有10层木板。为使有限元分析和解算方便，对干燥窑结构进行简化，由三维问题简化成二维问题。简化后尺寸为1.08×1.08（m），材堆整体尺寸为0.6×0.68（m），并且假设干燥窑内空气不可压缩，并且符合Boussinesq假设。
1.2干燥窑计算模型建立及网格划分
在ICEM CFD软件中对干燥窑简化模型进行参数化建模（如图1所示）。ICEM CFD作为有限元分析常用的前处理软件，其具有独特的网格划分技术和网格编辑技术，几乎满足所有有限元分析软件的求解器选择。为在Fluent中进行数值分析和模型网格划分提供方便，在划分网格前需要对几何模型每个部分创建部件（Create Part），并且对各个部件进行命名，分别为：INLET、OUTLET、WALL、CAIDUI，并且生成流体区域FLUID和固体区域SOLID。在ICEM中网格划分的主要思想是块（Block）的划分，对于任何简单或复杂的模型都可以划分成不同的块，然后进行点、线、面的关联，由于本文几何模型为二维几何模型，所以只需要进行点和线的关联。完成上述操作后，定义网格类型和尺寸，对模型进行网格划分，然而这样划分出的网格并不能满足分析要求。干燥窑内空气流动属于湍流流动，非常不规则且不稳定，造成网格划分必须添加边界层网格。在使用Fluent进行流体分析时，网格质量好坏直接决定分析成败或者收敛计算速度。经过上述操作，得到木材干燥窑网格模型如图2所示，共67 830个网格[4]。
第1期孟兆新等：基于热流耦合的木材干燥窑风速温度分布解算
森林工程第31卷
图1木材干燥窑简化模型
Fig.1 The simplified model of wood drying kiln图2木材干燥窑网格模型
Fig.2 Wood drying kiln grid model
干燥窑内空气流动的基本控制方程为：连续方程、动量方程、k方程（湍流脉动动能方程）和ε方程（脉动动能的耗散率），具体如下[5]：
（1）连续方程：ui/xi=0。
（2）动量方程：（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为动力黏度（pa·s）；P为空气静压（Pa）；g为重力加速度（kg/ms2）；σk和σε为常数，取值分别为1.0和1.3；c1和c2为系数，取值分别为1.44和1.92。
1.3数值计算参数设置
根据干燥窑实际情况，流体区域介质为空气（木材干燥窑内干燥介质为湿空气，在研究中视为理想气体处理[6]），固体区域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]