基于CFD的热风加热装置模拟分析及研究

发布时间：2020-11-04 15:12:44 来源：文档文库

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基于CFD的热风加热装置模拟分析及研究

牟国良1，张学军1，2，史增录1，2，于蒙杰1，鄢金山1，2

【摘要】摘要：针对燃煤为热源的热风干燥存在高能耗、污染环境以及燃油炉燃烧产生的热风直接用于干燥将污染物料的问题，设计了一种红外线加热板空气加热装置.运用流体动力学计算软件CFD对该加热装置的二维流场进行了数值模拟，获得该热风加热装置内的流场和温度场，并对加热装置内的气流和温度分布的特点进行分析.结果表明：在导热板和分流板共同作用下，整个加热装置内流场气流分布比较均匀，提高了热能利用率；流场的温度梯度变化明显，出口处温度比较均匀，温度可以达到100℃，满足设计要求，可为热风加热装置的进一步改进提供依据.

【期刊名称】甘肃农业大学学报

【年(卷),期】2014(000)003

【总页数】5

【关键词】热风加热装置；流场；温度场；数值模拟

热风加热装置是进行物料干燥的关键部件之一.采用燃煤为热源的加热装置所排放的废气会造成环境污染，通常需额外加一套换热器，导致干燥设备结构复杂，投资成本高，能源消耗大；利用燃油炉直接将燃烧的热气通到被加热的物料，产生的有害物质会附着在干燥物料上，且燃油炉工作时存在噪音大的问题［1］.根据干燥特性的试验研究表明，适合红枣、杏子等农产品的风速为0.5～1.0m／s，温度为50～80℃［2－6］.

在加热过程中，气流和温度场的分布会影响空气加热的效果，而结构是决定流场和温度场的关键因素.常规的研究方法是通过模型试验或现场检测，试验成本高，周期长，局限性大.因此，通过CFD软件，运用数值模拟分析很大程度上能代替模型试验，缩短周期，及时预测流体在计算域的流动性能，能分析造成加热装置内不合理气流场和温度场的原因，对试验结果整理和规律发现起到指导作用［7－8］.在CFD软件中，FLUENT软件是目前国际上比较流行的商业软件，由于它具有丰富的物理模型、先进的数值计算方法和强大的后处理功能，得到广泛的应用［9］.

本研究研制了一种用于干燥温度、风速要求不高的红外线加热板空气加热装置，并运用CFD软件模拟了该加热装置的二维流场.

1 结构设计

加热装置由机座、红外线加热板、加热板托架、导热板、分流板、箱体、风道接头和法兰等构成，如图1所示.导热板倾斜安装在加热板前方，等间距地分布在机座两侧，气流穿过加热装置后，被加热板、导热板分成3个风道，提高了热量的传递效率；分流板和导热板横向交错排列，被分开的气流将进入加热板和导热板之间，提高了加热空气的效果［10］.该加热装置结构简单、安装方便，采用电加热板加热空气，具有热响应快、热效率高和易于实现温度的自动控制等优点.加热装置的的主要技术参数见表1所示.

由于该装置产生的热风干净，可直接用于农副产品的干燥，保证了农产品在干燥时无污染.针对不同物料要求干燥温度的不同，通过控制加热板通电数量，配以传感器进行出口和干燥室之间温度的反馈，对加热板加热时间作出及时调整，以满足物料干燥时的温度.红外线加热装置的温度控制精度高，且产生的热风干净无污染，因此该装置可直接用于红枣、杏等农副产品的干燥加工.

2 数学模型

2.1 几何模型

如图1所示，加热装置为长方体形结构.根据加热装置的结构特点分析，这是一个轴对称有限元分析问题，因此将其简化为轴对称的二维模型，分析平面如图2所示.

2.2 模型简化

为便于模型研究，在不影响分析结果的前提下对加热装置进行假设，将实际加热装置转化为有限分析模型：加热装置的传热介质为空气；加热板只装在沿箱体长度方向的两侧上，在热风的作用下，可以近似认为箱体面壁上的温度按相同的规律变化；箱体外部有保温层，可认为与外界不进行热量交换；一般焊缝对整体结构影响不大，不作考虑.

2.3 控制方程

用CFD软件模拟加热装置内气体的流动情况以及温度的分布规律.根据空气的流动特性，将空气的流动视为不可压缩的湍流，即密度为常数.其控制方程如下［11］：

质量守恒方程（连续性方程）为：

式中，qw为热源；cp为比热容；λ为流体的传热系数；T为温度；P为流体微元上的压力.

考虑到加热装置内的气体流动特点，通过雷诺数（Re）的大小判断空气在装置内的流动是湍流.因此，除了建立流体的连续性方程、动量方程、能量方程3个控制方程，还需采用湍流模型中的κ－ε模型，它是典型的两方程模型，是目前应用最广泛的湍流模型.

2.4 网格划分

网格生成是计算流体力学数值计算中的重要的环节.对流动与传热问题进行数值计算时，要对空间上连续的计算区域进行剖分，划分成为许多个子区域，并确定每个区域中的节点.流动与传热问题数值计算结果最终精度及计算过程效率，主要取决于所生成的网格和所采用的算法.由于ICEM CFD前处理器对非结构化四面体网格的具有强大的划分功能，因此运用该前处理器对计算域采用适应于不规则区域离散划分的非结构化网格［12］.在流场两侧、导热板和分流板附近区域进行网格加密处理，最终形成28 290个节点，27 121个单元（图3）.

2.5 材料参数及边界条件

空气和金属的物性参数见表2.入口设为速度入口（Velocity Inlet）边界条件，风速设为0.5m／s；出口设为出流（Outflow）边界条件.将空气的流动区域设为流体（fluid），导热板和分流板设为固体（solid）区域，分别设为铁和铝材料.加热板设为固定边界（wall-J），每块加热板的温度设为300℃.

3 结果与分析

3.1 流场分布

计算得出了整个加热装置内的流场分布.从图4中可以看出在分流板的后侧存在着很强烈的绕流，可见这对气流的顺行起到了强烈的阻碍作用，造成了分流板下部空间流场的不均匀分布，但整个加热装置内流场不论是在长度方向还是在宽度方向的速度分布比较均匀.当冷空气流穿过加热装置时，气流受到分流板和导热板的阻挡作用，使空气的流向发生了改变，一部分空气被分流板阻挡，直接进入加热区，另一部分空气进入2块导热板之间，使冷、热空气再次充分混合，促进了冷、热空气之间的相互对流作用.由于增加了气流在加热装置中与加热板和导热板的接触频率，提高了被加热空气的温度和热能利用率（图5）.

3.2 温度分布

从图6中可以看出，温度的最大值在热源附近；最小值在箱体的进口处.加热装置工作时，随着加热板温度的升高，热量向四周的空气和导热板传递.由于分流板的存在，加热装置内流场温度分布的梯度变化非常明显.

从x轴方向看，观察到明显的温度分层，除近壁区，温室内温度分布随着空间长度的增长而增加.通过加热装置对称中心的温度监测，表明空气从入口到出口，气体的温度显著上升（图7）.

通过y轴方向的一个断面可以更好地观察到加热装置出口温度分布规律，出口温度均匀，出口处的平均温度可以达到100℃（图8）.因此通过控制加热板的通电数量或者电流强度，就可以控制空气的温度，以满足不同物料干燥的要求.

4 结论

该加热装置结构简单、成本低，由于元件启停速度快，具有热响应快、效率高等特点，而且易于实现温度的自动控制，产生的热风对干燥的品质不会造成污染.运用CFD软件FLUENT分析了热风加热装置的流体流动和传热问题，并对其流场和温度场分布进行精确的模拟.通过对加热装置内的气流和温度分布的特点进行分析表明，空气以20℃、0.5m／s的速度进入，加热板温度达到300℃时，在导热板和分流板共同作用下，可以增加气流与加热板和导热板的接触频率，提高了热能利用率，并且整个加热装置内流场气流分布比较均匀；流场的温度梯度变化明显，出口温度比较均匀，可以达到100℃，满足设计要求，可用于像红枣、杏等农产品要求温度不高的干燥作业，也为热风加热装置的进一步结构改进提供了依据.