侧风型木材干燥窑结构参数对流场特性的影响

第５２卷第６期东㊀北㊀林㊀业㊀大㊀学㊀学㊀报
Ｖｏｌ．５２Ｎｏ．６２０２４年６月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＮＯＲＴＨＥＡＳＴＦＯＲＥＳＴＲＹＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＪｕｎ．２０２４
１）国家林业局林业公益性行业科研专项（２０１３０４５０２）㊂
第一作者简介：朱伊枫，男，１９８７年１２月生，东北林业大学计算机与控制工程学院，博士研究生㊂Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｕｙｉｆｅｎｇ＠ｎｅｆｕ．ｅｄｕ．ｃｎ㊂
通信作者：孙丽萍，东北林业大学计算机与控制工程学院，教授㊂Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｄｈｓｌｐ＠１６３．ｃｏｍ㊂
收到日期：２０２３年１２月１１日㊂责任编辑：潘㊀华㊂
侧风型木材干燥窑结构参数对流场特性的影响
１）
朱伊枫㊀孙丽萍
（东北林业大学，哈尔滨，１５００４０）
㊀㊀摘㊀要㊀以侧风木材干燥窑为研究对象，应用计算流体动力学理论对窑内干燥介质的三维流场运动轨迹进行数值建模及流场分析，根据现状方案的模拟结果提出６项不同结构参数优化方案，依照方案评价指标将优化方案与现状方案进行对比评估，分析不同窑体结构参数对流场特性的影响㊁遴选侧风木材干燥窑内部流场分布均匀性的优化方案㊂结果表明：当均风口数量为４㊁左侧壁面倾角为７．１２５ʎ时，窑内材堆干燥区流场均匀性最佳；优化方案组２ａ，比现状方案的速度不均匀系数降低了１７．８４％㊁风速差值降低了４１．３７％㊂研究结果可为侧风木材干燥窑的结构参数设计及流场优化提供参考㊂
关键词㊀木材干燥窑；干燥窑结构参数；干燥窑流场特性分类号㊀Ｓ７８１．７１
ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＰａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＣｒｏｓｓｗｉｎｄＷｏｏｄＤｒｙｉｎｇＫｉｌｎｏｎＦｌｏｗＦｉｅｌｄＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ／／ＺｈｕＹｉｆｅｎｇ，ＳｕｎＬｉｐｉｎｇ（ＮｏｒｔｈｅａｓｔＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５００４０，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）／／ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈｅａｓｔＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０２４，５２（６）：１１９－１２４．
Ｕｓｉｎｇｃｒｏｓｓｗｉｎｄｗｏｏｄｄｒｙｉｎｇｋｉｌｎａｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｕｂｊｅｃｔ，ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓｔｈｅｏｒｙｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｎｕｍｅｒｉ⁃ｃａｌｌｙｍｏｄｅｌａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅｔｈｒｅｅ⁃ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｆｌｏｗｆｉｅｌｄｔｒａｊｅｃｔｏｒｉｅｓｏｆｔｈｅｄｒｙｉｎｇｍｅｄｉｕｍｉｎｓｉｄｅｔｈｅｋｉｌｎ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｃｈｅｍｅ，ｓｉｘｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｓｗｅｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｅｘｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｃｏｍｐａｒｅａｎｄａｓｓｅｓｓｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｓａｇａｉｎｓｔｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｃｈｅｍｅ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｋｉｌｎｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｆｌｏｗｆｉｅｌｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｔｏｓｅｌｅｃｔａｎｏｐｔｉｍｉｚｅｄｓｃｈｅｍｅｆｏｒａｃｈｉｅｖｉｎｇｕｎｉｆｏｒｍｆｌｏｗｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｓｉｄｅｔｈｅｃｒｏｓｓｗｉｎｄｗｏｏｄｄｒｙｉｎｇｋｉｌｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｏｆｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｉｎｔｈｅｄｒｙｉｎｇａｒｅａｏｆｔｈｅｗｏｏｄｐｉｌｅｉｎｓｉｄｅｔｈｅｋｉｌｎｉｓａｃｈｉｅｖｅｄｗｈｅｎｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆａｖｅｒａｇｅｔｕｙｅｒｅｉｓ４ａｎｄｔｈｅｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎａｎｇｌｅｏｆｔｈｅｌｅｆｔｓｉｄｅｗａｌｌｉｓ７．１２５ʎ．Ｉｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｇｒｏｕｐ２ａ，ｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｎｏｎ⁃ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｄｅｃｒｅａｓｅｄｂｙ１７．８４％ａｎｄｔｈｅｗｉｎｄｓｐｅｅｄｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｄｅｃｒｅａｓｅｄｂｙ４１．３７％ｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｃｈｅｍｅ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｆｉｎｄｉｎｇｓｃａｎｐｒｏ⁃ｖｉｄｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｃｒｏｓｓｗｉｎｄｗｏｏｄｄｒｙｉｎｇｋｉｌｎｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ㊀Ｗｏｏｄｄｒｙｉｎｇｋｉｌｎ；Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｄｒｙｉｎｇｋｉｌｎ；Ｆｌｏｗｆｉｅｌｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｄｒｙｉｎｇｋｉｌｎ
㊀㊀干燥是木材加工利用的关键环节［１］，因为干燥窑内干燥介质流场的均匀性会影响到材堆整体干燥的速度㊁质量㊁均匀程度，所以对窑内流场分布不均问题的成因分析和优化方法探究十分必要［２］㊂以
往对流场分布不均问题的研究，多集中在增减进出口风速［３］㊁调整导流板倾斜角［４］㊁壁面直角曲面化［５］㊁优化送风口尺寸［６］㊁联合干燥过程中不同干燥技术的应用方法和匹配机理［７－８］㊁数值模拟过程中干燥模型优化和算法实现［９－１０］等方面；对窑内流场特性及其运动轨迹的研究较少，对装置优化过程中的结构参数调整多凭借生产经验，缺乏系统的理论分析与试验验证㊂
为此，本研究以侧风木材干燥窑为研究对象，通过理想化最终结果（ＩＦＲ）和物质场资源（ＳＦＲ）两项问题分析工具，对窑内材堆干燥区干燥介质的流场运动轨迹进行理想化设计和问题模型求解；应用计
算流体动力学（ＣＦＤ）流场分析软件（Ｆｌｕｅｎｔ），对现状窑内干燥介质的流场运动三维模型进行数值模拟计算；利用计算流体动力学后处理软件（ＣＦＤ－Ｐｏｓｔ），给出窑内主要流场物质属性的数值仿真结果；依据现状方案模型的数值仿真结果，提出６项结构参数优化方案，对优化后不同窑体结构参数对流场特性的影响进行对比分析㊂旨在为遴选侧风木材干燥窑内部流场分布均匀性的优化方案提供参考㊂
１㊀研究方法
１．１㊀干燥窑结构与流场理想化运动轨迹
典型的侧风木材干燥窑结构见图１（ａ）㊂参考
相应文献［１１］，结合实地测量，获得干燥窑主要结构参数：干燥窑窑体（长ˑ宽ˑ高）为２．５０ｍˑ１．２０ｍˑ１．５０ｍ；
轴流风机（长ˑ宽ˑ厚）为０．４２０ｍˑ０．４２０ｍˑ０．２８５ｍ；材堆托架（长ˑ宽ˑ高）为２．００ｍˑ１．２０ｍˑ０．０５ｍ；
干燥介质混流区（长ˑ宽ˑ高）为２．５０ｍˑ１．２０
ｍˑ０．７０ｍ；
左导流区（长ˑ宽ˑ高）为０．２５ｍˑ１．２０ｍˑ０．０５ｍ；
材堆干燥区（长ˑ宽ˑ高）为２．５０ｍˑ１．２０ｍˑ０．８０ｍ；
右导流区（长ˑ宽ˑ高）为０．２５ｍˑ１．２０ｍˑ０．０５ｍ；
排风口（长ˑ宽ˑ高）为０．３０ｍˑ０．３０ｍˑ０．０５ｍ㊂
侧风木材干燥窑比例－积分－微分（ＰＩＤ）控制系统工作原理（见图１（ｂ））为：含水率控制器，用于修正含水率误差值（含水率设定值与木材含水率传感器实测数据平均值之间的差值），并输出所需风速；风速控制器，用于修正风速误差，当含水率模型判断含水率响应值低于阈值时降低风速，反之提高风速㊂
图１㊀侧风木材干燥窑结构及工作原理
㊀㊀根据窑体结构对干燥介质的导流情况，将窑内腔划分为４个干燥介质流动区域（见图２）㊂在图２中共设置了２１个用于捕获监测数据的采样点，分布于材堆干燥区的７个截面层（ＴＯＰ）内；截面层１（ＴＯＰ１）至截面层７（ＴＯＰ７）距离窑体底部壁面的Ｙ轴高度，分别为０．８７㊁０．９５㊁１．０３㊁１．１１㊁１．１９㊁１．２７㊁１．３５ｍ；在每个截面层的Ｘ轴方向分别设置３个采样点，位于左侧（Ｌ）㊁中间（Ｐ）㊁右侧（Ｒ）㊂
１为干燥介质混流区，２为左导流区，３为材堆干燥区，４为右导流区；ＴＯＰ为截面层；Ｌ㊁Ｐ㊁Ｒ为在每个截面层（ＴＯＰ）的Ｘ轴方向分别设置的３个采样点，左侧㊁中间㊁右侧㊂
图２㊀窑内干燥介质流动区域划分及采样点设置
干燥介质是一种由空气和热蒸汽混流后的流体［１２］，对干燥介质进行物质场资源（ＳＦＲ）分析后发现，其在窑内流动时的温度㊁湿度㊁密度㊁速度㊁流向㊁气压㊁涡旋等都会影响到流场的运动轨迹，从而对窑
内流场特性产生影响，造成流场分布不均问题㊂因
为在干燥作业过程中，窑内干燥介质的温度和湿度
受控，介质密度视为常数［１３］；所以选择速度㊁流向㊁气压㊁涡旋４个因素，作为流场分布不均问题分析的
主要研究对象㊂
通过理想化最终结果（ＩＦＲ）分析工具对问题现
状进行理想化最终结果的推演，获得理想化的流场
运动形式为：干燥介质的流速自驱动㊁流向自分配且
压力均匀㊁涡旋面积趋于０㊂根据推演结果，对现状
方案的流场运动轨迹进行理想化设计（左导流区用
于均布干燥介质，右导流区用于将流经材堆间隙后
的高含水干燥介质快速排出至窑外，见图３）㊂
图３㊀木材干燥窑材堆干燥区的流场理想化运动轨迹设计
方案
在理想化最终结果（ＩＦＲ）的引导下，针对窑内
流场分布不均问题，利用物质场资源（ＳＦＲ）分析工
具建立左导流区对干燥介质气流分配作用不足问题
现状物质－场（简称物场）模型（见图４（ａ））㊂通过
查找标准解系统，获得３项可用标准解（Ｓ２．２．１（使
用更可控的场）㊁Ｓ２．２．２（增加物质的分割程度）㊁Ｓ２．１．１（链式物场模型））㊂依据３项标准解，构建具体求解路径为：引入可控的机械场（Ｆ２），构建一种即可导通干燥介质又可分割气流方向功能的均风板（Ｓ３），求解转化后的链式物场模型（见图４（ｂ））㊂
图４㊀问题物场模型及其求解转化后的链式物场模型
后续优化方案，将依据链式物场模型对左导风区进行窑体结构参数的局部优化，用于解决左导风区对干燥介质的气流分配作用不足问题㊂１．２㊀干燥窑计算模型的构建
建立干燥窑数学模型所采用的流动控制方程，包括连续方程㊁动量方程㊁能量方程以及ｋ－ε模型的湍流动能和耗散率方程［１４－１５］㊂
连续方程：∂（ρｆＵ）／∂ｘ＋∂（ρｆＵ）／∂ｙ＋∂（ρｆＵ）／
０２１㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀东㊀北㊀林㊀业㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第５２卷
∂ｚ＝０㊂
动量方程：ρｆ（∂Ｕ／∂ｔ）＋Ｕ∇㊃（ρｆＵ）＝－∇㊃（μｅｆｆ∇㊃Ｕ）㊂
能量方程：ρｆＣｐｔ（∂Ｔ／∂ｔ）＋Ｕ∇㊃（ρｆＣｐｔＴ）＝∇㊃（ｋｅｆｆ∇㊃Ｔ）㊂
ｋ－ε模型的湍流动能（ｋ）方程：ρｆ（∂ｋ／∂ｔ）＋Ｕ∇㊃（ρｆｋ）＝∇㊃（μ＋μｔ／σｋ）∇㊃ｋ＋Ｐｋ－ρｆε㊂
ｋ－ε模型的湍流耗散率（ε）方程：∂／∂ｔ（ρｆε）＋∇㊃（ρｆεＶ）＝（μ＋μｔ／σε）∇㊃∇ε＋（ε／ｋ）（Ｃ１Ｐｋ－Ｃ２ρｆε）㊁Ｐｋ＝μｔ［２（∇２㊃Ｕ）＋（∇Ｕ）２］㊁μｅｆｆ＝μ＋μｔ㊁ｋｅｆｆ＝ｋｆ＋μｔｃｐｆ／σＴ㊁Ｄｅｆｆ＝Ｄ＋μｔ／σｃ㊁μｔ＝ｃｕρｆｋ２／ε㊂
式中：ρｆ为流体密度（单位为ｋｇ／ｍ３）；Ｕ为空气速度（单位为ｍ／ｓ）；∇为梯度算子；μｅｆｆ为有效涡黏性系数（单位为ｋｇ㊃ｍ－１㊃ｓ－１）；ＣＰ为热容（单位为Ｊ／Ｋ）；Ｔ为温度（单位为Ｋ）；ｋｅｆｆ为流体有效热能（单位为Ｊ）；ｋ为湍流动能（单位为Ｊ）；Ｐｋ为剪切产生的湍流动能（单位为Ｊ）；Ｄｅｆｆ为水的有效系数（单位为ｍ２／ｓ）；Ｄ为水在水蒸气中的扩散系数（单位为ｍ２／ｓ）；μｔ为涡黏性系数（单位为ｋｇ㊃ｍ－１㊃ｓ－１）；μ为泊松比；ε为湍流耗散率（以百分比计，％）；ｋ－ε模型中的各项经验常数取值，σｋ㊁σＴ㊁σｃ均为１．０，σε＝１．４㊁Ｃ１＝１．４４㊁Ｃ２＝１．９２㊂
１．３㊀数值模拟边界条件的设定及数值模拟方法将数值模拟的进风口类型设置为速度入口（量值为３ｍ／ｓ）㊁出风口类型设置为自由流出㊁壁面设置为固壁边界条件㊂将窑内干燥介质视为不可压缩气体，湍流模型构建选择ｋ－ε模型中的标准模式，速度压力耦合求解选用隐式求解器及压力耦合方程组的半隐式方法（ＳＩＭＰＬＥ）㊂利用三维实体直接建模软件（ＳｐａｃｅＣｌａｉｍ）建立干燥窑三维流场运动轨迹模型，采用计算流体动力学的集成计算机工程和制造代码软件（ＩＣＥＭＣＦＤ）对三维模型进行网格划分
（网格数量为１５５８６６８，见图５）㊂
图５㊀木材干燥窑三维模型网格划分结果采用流场分析软件对干燥窑三维流场运动轨迹模型进行数值模拟计算；利用计算流体动力学后处理软件对计算结果进行后处理；速度㊁流向㊁气压㊁涡旋４项参数所对应的数值模拟结果，分别为速度云图㊁速度矢量图㊁压力云图㊁流线图㊂因３Ｄ－ＣＦＤ模型的流场特性数值模拟结果图像展示的效果，存在数据层叠加㊁关心区域数据观测噪音冗余等问题；为了消除此类问题，采用干燥窑计算模型建立现状方案窑内流场在Ｚ轴中线上Ｙ轴与Ｘ轴截面的２Ｄ－ＣＦＤ模型（见图６）㊂
图６㊀木材干燥窑现状方案窑内流场数值模拟结果
㊀㊀观测图６发现，产生窑内流场分布不均问题的关键，在于干燥介质在左导风区流入材堆干燥区时未得到均布处理，气压不均导致流体沿着壁面向顶部聚集后由排风口流出，且存在大面积涡旋㊂１．４㊀木材干燥窑结构参数最优方案评价指标体系的构建
为获得试验结果中流场特性的变化规律，选用可视化图形定性分析方法和数据对比定量分析方法相结合的形式［１６］，作为验证各项优化方案可行性的评价依据㊂
１．４．１㊀可视化图形分析定性方法
风速云图：通过色域分布，可以观测到方案的风速流场分布情况，识别通风死角，评估通风性能㊂速度矢量图：通过观测干燥介质在窑内流场运动区域的运动轨迹，调整优化方案中的结构参数㊂压力云图：用于评估流场流动性能，发现流动阻滞区域，识别设计缺陷，从而找到优化设计点㊂流线图：通过观测流场中的涡旋面积，辅助判断流场特性；涡旋面积越小，流场均匀程度越好㊂
１．４．２㊀数据对比分析定量方法
速度分布的总体均值（ Ｖａ）：该值代表气流强度的大小；平均速度越大，则其强度越大，越有利于干燥介质在特定区域的流通和输送㊂ Ｖａ＝（ðＶｎ）／ｎ；式中的ｎ为选取的计算点数㊁Ｖｎ为各计算点速度
１２１
第６期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀朱伊枫，等：侧风型木材干燥窑结构参数对流场特性的影响
（单位为ｍ／ｓ）㊂
截面层风速差值（ΔＶ）：截面层７和截面层１之间的采样数据进行差值运算，差值越小层间流场均匀性越好；ΔＶ＝Ｖ７－Ｖ１㊂式中的Ｖ７为截面层７风速均值（单位为ｍ／ｓ）㊁Ｖ１为截面层１风速均值（单位为ｍ／ｓ）；截面层７㊁截面层１风速均值，均为（ＶＬ＋ＶＰ＋ＶＲ）／３（ＶＬ为左侧采样点风速㊁ＶＰ为中间采样点风速㊁ＶＲ为右侧采样点风速）㊂
速度不均匀系数（Ｍ）：用于评价窑内流场分布的均匀性，Ｍ＝（σＶ／ Ｖａ）ˑ１００％；式中的σＶ为速度标准偏差㊂速度不均匀系数（Ｍ）的值代表窑内流场均匀性的优劣，其值越小表示流场越均匀，反之则不然㊂应用计算式对图６中２１项采样点风速数据进行计算，获得材堆干燥区的速度不均匀系数为０．５２７㊁截面层风速差值为－１．３９７㊁速度分布总体均值为１．１２９㊂
２㊀结果与分析
２．１㊀木材干燥窑结构参数优化方案的数值模拟依据链式物场模型，在左导风区和材堆干燥区之间添加１块均风板，并对均风口进行设计后形成优化方案组１（见表１）㊂
表１㊀木材干燥窑结构参数优化方案组１方㊀案
均风口参数
数量上边距／ｍ下边距／ｍ高度／ｍ宽度／ｍ优化方案组１ａ２０．２８１．０１０．０５０．０５优化方案组１ｂ３０．１２１．０１０．０５０．０５优化方案组１ｃ４０．１２０．８５０．０５０．０５㊀㊀由优化方案组１的数值模拟结果（见图７）可见，优化方案组１ｃ设计４个均风口，能使材堆干燥区的流场分布更为均匀，且干燥介质流经均风口后的运动轨迹更为平稳，材堆干燥区的压力分布相对最为均匀，涡旋面积最小㊂为利于全面分析材堆干燥区不同方向的风速流场的分布细节，采用分别计算区域内横向（截面层１至截面层７）和纵向（左侧（Ｌ）㊁中间（Ｐ）㊁右侧（Ｒ）列）的速度不均匀系数，并进行数据对比分析的研究方法，可更为准确地标定改进点并优化木材干燥窑结构参数㊂建立的现状方案与优化方案组１中３项方案之间，材堆干燥区横向截面层的速度不均匀系数对比分析结果见表２㊂
图７㊀木材干燥窑结构参数优化方案组１流场数值模拟结果
表２㊀木材干燥窑结构参数现状方案与优化方案组１之间干燥区截面层的速度不均匀系数对比结果
方㊀案
干燥区截面速度不均匀系数
截面层１截面层２截面层３截面层４截面层５截面层６截面层７
现状方案２．００５２．４３６３．７５６５．２１２５．７８９３．１６１３．５３４
优化方案组１ａ４．２７７９．９２４２．３０２１．７９２１．８１８１．８７３６．５３６
优化方案组１ｂ２．６５２５．２３８５．８４６１．４６５２．３４７１．９９０２．９２５
优化方案组１ｃ３．３６８１．０９６１．４２０３．４０９１．９２７３．６８６７．４００㊀㊀应用计算式计算，获得优化方案组１中３项方案材堆干燥区纵向的速度不均匀系数㊁截面层的风２２１㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀东㊀北㊀林㊀业㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第５２卷
速差值㊁速度分布总体均值，并将现状方案与优化方案组１之间的数据进行对比（见表３）㊂由表３可见，优化方案组１ｃ的速度不均匀系数为本组最小
（比现状方案降低了７．０２％），风速差值比现状方案降低了３６．０８％，且速度分布总体均值为本组最大㊂所以判定，在第一轮方案的数据对比分析中，优化方案组１ｃ优于其他方案㊂
在优化方案组１ｃ的基础上，通过对左导风区壁面倾角的调整（角度分别为７．１２５ʎ㊁１４．０３６ʎ㊁１７．３５４ʎ），进一步实现对流经均风板干燥介质的调控，形成优化方案组２，数值模拟结果见图８㊂随着左侧壁面倾角的增加，优化方案组２ａ至优化方案组２ｃ中的干燥介质，在流经均风板后的流动状态也逐步平缓，并趋于理想化最终结果（ＩＦＲ）分析工具对材堆干燥区流场理想化运动轨迹的设计状态；其中优化方案组２ａ的压力分布最佳，涡旋面积最小㊂优化方案组１ｃ与流场优化方案组２之间的材堆干燥区横向截面层的速度不均匀系数对比结果见表４㊂表３㊀木材干燥窑结构参数现状方案与优化方案组１之间的数据对比结果
方㊀案
速度不均
匀系数
风速差值／
ｍ㊃ｓ－１
速度分布总体
均值／ｍ㊃ｓ－１现状方案０．５２７－１．３９７１．１２９
优化方案组１ａ０．５９２－０．１０２０．７５８
优化方案组１ｂ０．５３８－１．００２０．７９１
优化方案组１ｃ０．４９０－０．８９３０．７９６
图８㊀木材干燥窑结构参数优化方案组２流场数值模拟结果
表４㊀木材干燥窑结构参数优化方案组１ｃ与优化方案组２之间干燥区截面层的速度不均匀系数对比结果
方㊀案
干燥区截面层速度不均匀系数
截面层１截面层２截面层３截面层４截面层５截面层６截面层７
优化方案组１ｃ３．３６８１．０９６１．４２０３．４０９１．９２７３．６８６７．４００优化方案组２ａ３．８１１１．２５５１．９８８３．１４９１．９２６４．７８１３．９３８优化方案组２ｂ３．８５０１．３４９３．０８３３．４１６１．８１２３．８５１３．０２５优化方案组２ｃ２．３２５１．４１２３．０４２５．２５７１．８５０３．５５０２．７３０
㊀㊀应用计算式计算，获得优化方案组２中３项方案材堆干燥区纵向的速度不均匀系数㊁截面层的风速差值㊁速度分布总体均值，并将优化方案组１ｃ与优化方案组２之间的数据进行对比（见表５）㊂由表５可见，优化方案组２ａ的速度不均匀系数为本组最小（比优化方案组１ｃ降低了１１．６３％），风速差值为本组最小（比优化方案组１ｃ降低了８．２９％），且速度分布总体均值为本组最大㊂所以判定，在第二轮方案的数据对比分析中，优化方案组２ａ优于其他方案㊂
进一步将优化方案组２ａ与现状方案进行数据对比，结果表明，优化方案组２ａ比现状方案的速度不均匀系数降低了１７．８４％㊁风速差值降低了
４１．３７％，在３项数据对比分析定量方法中占据２项最优值，所以综合判定优化方案组２ａ为最佳方案㊂
３２１
第６期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀朱伊枫，等：侧风型木材干燥窑结构参数对流场特性的影响
表５㊀木材干燥窑结构参数优化方案组１ｃ与优化方案组２
之间的数据对比结果
方㊀案速度不均匀系数风速差值／ｍ㊃ｓ－１速度分布总体均值／ｍ㊃ｓ－１
优化方案组１ｃ０．４９０－０．８９３０．７９６优化方案组２ａ０．４３３－０．８１９０．７７２优化方案组２ｂ０．５２９－１．１３４０．７４６优化方案组２ｃ
０．４７１
－１．０４５
０．７３６
２．２㊀木材干燥窑结构参数优化方案的实证分析
为验证木材干燥窑结构参数优化前（现状方案）㊁优化后（优化方案组２ａ）的数据准确性，采用百
分偏差描述实测值与模拟值之间的相对差异，对比木材干燥窑干燥区流场风速实测值与模拟值及百分偏差（见表６）㊂表６中每个截面层相应数据的获取方法为（ＶＬ＋ＶＰ＋ＶＲ）／３（ＶＬ为左侧采样点风速㊁ＶＰ为中间采样点风速㊁ＶＲ为右侧采样点风速），其中：实测值的采样点风速数据，利用风速仪实测获得；模拟值的采样点风速数据，利用计算流体动力学后处理软件（ＣＦＤ－Ｐｏｓｔ），对流场分析软件（Ｆｌｕｅｎｔ）的数值模拟结果进行数据导出获得㊂
表６㊀木材干燥窑流场风速实测值与模拟值及百分偏差的数据对比结果
截面层
现状方案的木材干燥窑流场风速
实测值／ｍ㊃ｓ－１
模拟值／ｍ㊃ｓ－１
百分偏差／％
优化方案组２ａ的木材干燥窑流场风速
实测值／ｍ㊃ｓ－１
模拟值／ｍ㊃ｓ－１
百分偏差／％
１１．０５６
１．０１９
３．５００．２１５
０．２１４
０．４７２０．８５４０．８７８２．８１０．７９００．８００１．２７３０．７７４０．７２６６．２００．７０１０．７１８２．４３４０．７０１０．６３２９．８４０．６２１０．６３９２．９０５０．８０１０．８４６５．６２１．０７２１．０８７１．４０６１．３３１１．３８８４．２８０．８５２０．８３５２．００７
２．５３０
２．４１６
４．５１
１．０９３
１．１０８
１．３７
㊀㊀表６中木材干燥窑结构参数优化前（现状方案）的最大百分偏差均不超过９．８４％，模拟值与实测值的误差在允许范围之内，可见现状方案的数值模拟结果能够较为准确地反映干燥窑流场特性的实际情况；优化后（优化方案组２ａ）的最大百分偏差均不超过２．９０％，模拟值与实测值基本吻合，可验证木材干燥窑结构参数优化方案的优化结果有效可行，具有一定的准确性和可靠性㊂
３㊀结论
当均风口数量为４㊁左导风区壁面倾角调整为
７．１２５ʎ时，窑内材堆干燥区流场均匀性最佳；优化方案组２ａ比现状方案的速度不均匀系数降低了
１７．８４％㊁风速差值降低了４１．３７％，试验数据表明其具有更好的流场均匀性㊁更稳定的窑内风速㊂
试验结果表明，均风口数量及其位置的设计，对材堆干燥区流场均匀性影响较大；当左侧壁面倾角从７．１２５ʎ增大到１７．３５４ʎ时，材堆干燥区的流场运动轨迹呈现出逐步平缓的流动规律㊂相关研究结果可为同类干燥窑流场优化㊁结构参数设计提供参考㊂参㊀考㊀文㊀献
［１］㊀付宗营，蔡英春，周永东．木材干燥应力研究现状与趋势［Ｊ］．林
业科学，２０２１，５７（９）：１６０－１６７．
［２］㊀丁宇，张静，何正斌，等．单板太阳能干燥室内部风场的模拟与
优化［Ｊ］．东北林业大学学报，２０２１，４９（２）：１０１－１０６．
［３］㊀陈忠加，卢丰源，雷雯雯，等．基于强迫对流的热风干燥烘房送
风速度及温度优选［Ｊ］．农业工程学报，２０２２，３８（增刊）：３７－
４６．
［４］㊀王振文，吴敏，徐新民，等．热泵烘房结构及参数优化仿真设计
［Ｊ］．农业机械学报，２０２０，５１（增刊）：４６４－４７５．
［５］㊀朱伊枫，孙丽萍，李季成．干燥窑结构改进对风速流场均匀性的
影响［Ｊ］．农业工程学报，２０２１，３７（２４）：３２７－３３７．
［６］㊀陈忠加，雷雯雯，王青春．基于温度和速度均匀性的侧送风烘房
设计及仿真［Ｊ］．农业工程学报，２０２１，３７（１９）：１８－２６．
［７］㊀ＫＵＭＡＲＳ，ＴＯＰＡＲＥＲＲ，ＮＡＧＡＲＪ．Ｖａｃｕｕｍｐｒｅｓｓｄｒｙｉｎｇｓｔｕｄ⁃
ｉｅｓｏｎｔｗｏｆａｓｔ⁃ｇｒｏｗｉｎｇＩｎｄｉａｎｗｏｏｄｓｐｅｃｉｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙＲｅｓｅａｒｃｈ，２０１８，２９（３）：８６９－８７４．
［８］㊀姜大龙，吴敏，王善钰，等．红外联合热风干燥装置设计与性能
验证［Ｊ］．农业机械学报，２０２２，５３（１２）：４１１－４２０．
［９］㊀ＫＯＮＯＰＫＡＡ，ＢＡＲＡＮᶄＳＫＩＪ，ＯＲŁＯＷＳＫＩＫＡ，ｅｔａｌ．Ｍａｔｈｅ⁃
ｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｉｎｅｓａｗｎｗｏｏｄ（ＰｉｎｕｓｓｙｌｖｅｓｔｒｉｓＬ）ｄｒｙｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．ＷｏｏｄＳｃｉ⁃ｅｎｃｅＡｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２１，５５（４）：７４１－７５５．ｄｏｉ：１０．１００７／ｓ００２２６－０２１－０１２７６－８．
［１０］㊀ＰＯＵＰＥＴＢ，ＦＬＯＲＩＳＳＯＮＳ，ＣＯＵＣＥＩＲＯＪ，ｅｔａｌ．Ｍｏｉｓｔｕｒｅｇｒａ⁃
ｄｉｅｎｔｓｉｎｓａｗｎｔｉｍｂｅｒｄｕｒｉｎｇａｇｇｒｅｓｓｉｖｅｋｉｌｎｄｒｙｉｎｇｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｗｉｔｈＸ⁃ｒａｙｃｏｍｐｕｔｅｄｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ［Ｊ］．ＷｏｏｄＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０２３，１８（６）：２１４０－２１４９．
［１１］㊀方铭．木材热处理窑热质耦合模型建立及优化研究［Ｄ］．哈尔
滨：东北林业大学，２０１９．
［１２］㊀ＳＹＣＨＥＶＳＫＩＩＶＡ．Ｈｅａｔａｎｄｍａｓｓｔｒａｎｓｆｅｒｉｎｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅｗｏｏｄ⁃
ｄｒｙｉｎｇｐｌａｎｔｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＴｈｅｒｍｏ⁃ｐｈｙｓｉｃｓ，２０１８，９１（３）：７０５－７１１．
［１３］㊀沙汀鸥，杨洁，吕欢，等．木材干燥室内部风速场的数值模拟与
优化［Ｊ］．南京林业大学学报（自然科学版），２０１６，４０（１）：１２９－１３４．
［１４］㊀方铭，花军，王宏棣，等．木材热处理窑三维模型建立与数值模
拟［Ｊ］．东北林业大学学报，２０１９，４７（６）：６５－６９．
［１５］㊀孟兆新，石晋菘，巴图，等．基于ＣＦＤ木材干燥进出风参数优
化及干燥过程模拟［Ｊ］．西北林学院学报，２０２１，３６（３）：２２５－２３１．
［１６］㊀ＭＥＮＡＳＲＩＡＦ，ＺＥＤＡＩＲＩＡＭ，ＭＯＵＭＭＩＡ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｔｕｄｙｏｆ
ｔｈｅｒｍｏｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｓｏｌａｒａｉｒｈｅａｔｅｒｄｕｃｔｅｑｕｉｐｐｅｄｗｉｔｈｎｏｖｅｌｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒｂａｆｆｌｅｓｗｉｔｈｈｉｇｈａｓｐｅｃｔｒａｔｉｏ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ，２０１７，１３３：５９３－６０８．ｄｏｉ：１０．１０１６／ｊ．ｅｎｅｒｇｙ．２０１７．０５．００２．
４２１㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀东㊀北㊀林㊀业㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第５２卷。