基于FLUENT 的工业洗涤设备用烘干机流场仿真分析

张纪磊，伊廷刚，邬士新，陆亚琳

（1.江苏海狮机械股份有限公司，江苏 张家港 215600；2.联勤保障部队供应局，湖北 武汉 430000）

0 引言

烘干机内部压力场、速度场和温度场是影响烘干效率和烘干能耗的重要因素[1]，成为当前的研究热点。于洋[2]采用FLUENT 软件和正交实验结合的方法，对烘干机内部气流场进行模拟分析，得出最佳参数组合；魏新龙[3]基于气固传热理论，建立烘干装置内部热流固耦合模型，并利用Fluent 进行二维和三维仿真分析，获得烘干装置内部气体温度场的分布情况及变化规律；沈剑英[4]采用计算流体动力学软件FLUENT 对食品烘干机进行仿真设计，优化了干燥室的结构参数，使干燥室的温度场更均匀，从而减少了能源的消耗，实现节能。开展烘干机内部结构设计和内部压力场、速度场和温度场变化对烘干效率影响研究。在烘干机外箱内侧进风口处设有挡风板，挡风板上设有向内筒端面开口处内折弯的导流部，采用FLUENT 软件对烘干机流场进行数值求解，通过分析烘干机内部压力场、速度场和温度场，判断烘干机结构设计的正确性并研究不同进口速度和进口温度的影响规律。

1 仿真模型建立

1.1 仿真试验模型

烘干机在进风口处设有挡风板，挡风板上设有向内筒端面开口处内折弯的导流部，使气体通过风机，让烘干机内部可以受热均匀，并且可以循环受热。图1 为使用Solidworks 设计的烘干机三维模型。将设计好的模型导入到ICEM CFD 中进行网格的划分[5]。图2 为烘干机网格划分模型。

图1 烘干机三维模型

图2 烘干机网格划分模型

1.2 基于FLUENT 求解

将划分好的网格导入FLUENT 软件，在求解器上选择三位双精度，首先对导入的模型进行网格检查，然后选择压力求解器和瞬态时间类型。由于流动介质为热空气，因此不考虑重力设置。在能量方程选择方面，选择湍流标准模型，这样具有更好的稳定性和较高的计算精度[7]。进口条件设置为进气速度20 m/s，温度为333 K，其他条件保持默认。求解控制选择SIMPLE，选择标准初始化；在Number of Iterations 选项中输入5000，单击按钮进行计算，直至最后完全收敛。

2 结果与讨论

2.1 烘干机仿真结果分析

内部流场的压力分布如图3 所示。从图3 中可以看出滚筒内部的压力分布均匀，而排风管因为靠近出口所以随着输送的时间慢慢变长而压力逐渐减小。

图3 压力云图

烘干机内部压力矢量图（图4）。上部管壁由于靠近进口的原因，压力较大，而内部滚筒的压力分布则较为均匀，使烘干效率增加，靠近出口的地方压力小，矢量图与图3 的云图对应一致。

图4 压力矢量

压力随时间变化曲线（图5）。烘干机运行1.6 s后压力渐渐达到稳定值，内部压力分布较为均匀，流场压力随时间的变化而几乎不发生变化，表明内部循环速度快且已达稳定，烘干稳定工况开始时间短，烘干效率高。

图5 压力时间曲线

2.2 不同进口风速对烘干效率的影响

进口风速分别设置为15 m/s，20 m/s 和25 m/s。不同进口风速下烘干机内部流场的速度云图，如图6所示。当进口风速为15 m/s 时，中心区域的回流速度很低，降低了内部气流的循环，不利于内部衣物的烘干。当进口风速为20 m/s 时，回流区的区域得到减小，内部气流的速度也有了一定程度提升，内部气流的循环速度增加，进气速度的增加使衣物的烘干蒸发效率也增加。当进口风速为25 m/s 时，内部流场的回流区域也得到了减少，但速度过快，就会导致热风的利用不充分，增大了能量的损耗。因此综合考虑，进口风速为20 m/s 的效率更高且能量损失更小。

图6 不同进口风速下烘干机内部流场的速度云图

2.3 不同进口温度对烘干效率的影响

进口温度分别设置为323 K，333 K 和343 K，其中入口风速均为20 m/s。图7 显示了三种不同进口温度下烘干机内部流场的温度云图。当进口温度为323 K 时，内部流场的温度存在几个明显的回流区域，导致烘干机的效率下降以及能量损失的增加。当进口温度为333 K 时，烘干机内部温度场分布均匀，这表明烘干机内部的流场循环速度快，可以以更快的速度进行内部热风流场循环，节约烘干时间，烘干效率得到提升并且降低能耗损失。当设置进口温度为343 K时，内部流场的温度分布不均匀，内部热量无法充分发生交换，增大了能耗。综合考虑，设置进口速度为20 m/s，进口温度为333 K 时，效率高且能耗最小。

图7 不同进口温度下烘干机内部流场的温度云图

3 结论

建立了烘干机数值仿真计算模型，研究了不同进口速度和进口温度的影响规律，结论如下：

（1）烘干机运行1.6 s 后，内部压力分布均匀为1100 Pa，烘干机内部流场压力分布均匀、合理。

（2）进口风速为20 m/s 时，内部流场回流区域小，内部蒸汽流速快，流场分布均匀，风干效率高。

（3）进口温度设置为333 K 时内部流场的温度变化均匀，内部换热气流循环速度快，烘干蒸发效率高，能量损耗小。