基于FLUENT 的消毒设备结构优化仿真

郑子军 单绍芝 欧长劲

（1.浙江工商职业技术学院，浙江 宁波 315012；2.浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310005）

1 引言

农业栽培如何将病原菌和杂草种子清除，消毒设备是关键。目前国内所具有的栽培基质消毒方法和设备还比较落后，不能满足大规模、集约化和高效率的生产需要。对农业栽培基质消毒设备关键结构参数进行深入研究，对提高我国农业装备制造业自主创新能力具有重要的意义。基质蒸汽-热风消毒是最有效的消毒方法之一，消毒的过程中，基质在消毒室筒内的升举量和撒落状态，直接影响基质的运动和混流气体的接触状态。本文在给定的混合气体入口速度、温度，基质的输送速度，筒体旋转速度的条件下对不同结构参数下应用FLUENT 软件对消毒室进行温度场仿真，以此确定合理的设备结构参数。

2 消毒设备结构方案

本文给定五种设备结构方案，其不同之处在于抄板个数，分别为10、9、8、7、6。五种结构中抄板结构尺寸相同，消毒室直径和长度也相同。

消毒室结构剖面如图1 所示。建立仿真模型时，由于基质在消毒室筒体里在围绕筒体中心的喷嘴做圆周运动的同时还沿着筒体的轴向做水平方向运动，所以为了和实际应用相符，本文取消毒室作为一个整体，建立三维仿真模型。在实际生产中，抄板数量和结构形式对消毒效果将产生显著的影响。根据经验，抄板数量一般为n=（6-10）D，抄板的角度则要考虑基质颗粒的休止角和附着性等特点。对于消毒室筒体的整体尺寸，取筒体的总体长度为3.8m，直径0.7m，抄板直板长0.11m，弯板长0.04m。五种消毒室结构中，抄板的结构尺寸相同，都为直角抄板，安装角都为90°。

图1 不同抄板个数的消毒室截面尺寸图

3 仿真实验条件

在消毒室中气体作湍流运动。在对混流气体和栽培基质颗粒的传热计算和分析中，要同时考虑气体湍流和粒子的作用。因此，在对消毒室的温度场进行研究时，同时考虑气体粘性和基质颗粒的粒子作用的耦合两相湍流流动是完全必要的。

由于多相流温度场变化本身非常复杂，为了保证模拟条件与实际的消毒作业条件一致，同时也考虑数值模拟计算在迭代时间方面的可行性，即兼顾模拟精度与效率的平衡，模拟研究过程中根据前人的相关研究结论对求解条件做了如下说明：

（1）颗粒的尺寸是分级分布的，颗粒间彼此碰撞产生的力忽略不计，且基质颗粒不发生裂解和化学反应；

（2）颗粒本身所占据的体积可以忽略不计。颗粒内部温度分布均匀，颗粒的热运动不影响系统的压力，重力效应可以忽略不计；

（3）粘性阻力是作用在颗粒上唯一的力；

（4）两相间的能量交换只考虑对流传热，不考虑辐射传热；

（5）整个系统不存在质量和能量的损失。

对于两相流的计算，固体微粒和混流气体组成的混合物依然严格的遵守质量守恒、动量守恒和能量守恒这三大守恒定律。由此可以写出混和物的总的质量守恒方程，气相和固相各自的动量守恒和能量守恒方程、状态方程。与单相流时不同的是，动量和能量方程中多了气相与固相之间动量和能量的交换相。

4 抄板个数优化模拟

在设定消毒室运行工况为：混流气体的进口温度为123℃，基质的进口速度为0.01m/s，混流气体的进口速度为10m/s，消毒室筒体的转速为0.1rad/s。在FLUENT 中得到的5 种不同抄板个数进行模拟（图2、图3 所示）。结果表明，抄板个数为8 的消毒室温度场分布与其他四种消毒室结构温度场分布相比，无论是平均温度还是基质的温度都略高，说明抄板个数为8 的消毒室在相同的运行参数下最先达到特定的温度值，所以为相对较合理的抄板个数。

图2 五种结构温度场分布图

图3 五种结构在相同截面下平均温度

5 筒体直径优化模拟

影响消毒室中温度场分布的结构参数，除了抄板个数之外，还有消毒室的筒体直径。消毒室的筒体直径不仅影响基质在消毒室中的滞留时间，也影响消毒室内的基质和混合气体的换热情况。为了明确消毒室筒体直径对消毒室中温度场分布情况的影响情况，确定相对合理的消毒室直径值，特取五种不同的消毒室直径尺寸，比较此五种直径尺寸下的消毒室在相同消毒室运行参数下温度场的变化情况。

取 直 径 分 别 为：d=300mm，d=325mm，d=350mm，d=375mm，d=400mm 的五种结构尺寸下的消毒室。在相同的运行工况下进行消毒室内部温度场的仿真，仿真条件为消毒室转筒转速0.1rad/s，基质进口速度0.1 m/s，气体进口速度10 m/s。模拟结果如图4、图5 所示。

图4 五种直径尺寸结构温度场分布图

图5 五种直径尺寸在相同坐标截面上的平均温度折线图

可以看出，五种半径结构的消毒室，在相同位置截面上的平均温度相差不大，综合各方面考虑，消毒室的半径尺寸选用d=375mm，选用的原则为：在平均温度相差不多的且能够满足生存率的情况下，优先选用结构尺寸较小的消毒室结构。

6 结论

数值模拟得到最优参数结合为：混合气体的入口速度12～18m/s、入口温度120℃，抄板个数8 个，消毒室筒体的直径尺寸0.75m，长度为3.8m，筒体旋转速度0.1～0.5rad/s。

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