单板干燥机喷箱外流场仿真及换热特性研究

姜新波，郭晨昊，于丹丹

(东北林业大学 机电工程学院，哈尔滨 150040)

0 引言

单板干燥是胶合板生产中的一道重要工序，同时也是消耗能量最多的一道工序[1]。按照单板干燥的传热方式，主要分为对流式、接触式、辐射式和复合式，其中对流式传热方式又分为干燥介质平行于单板流动换热和干燥介质垂直射流冲击单板换热2种方式[2]。干燥介质垂直射流冲击单板时，热气流的冲击作用可以扰乱单板表面的边界层，使换热效果大大提高，从而实现快速干燥[3]。气流垂直冲击单板的换热方式可通过喷气式单板干燥机专用喷箱来实现。喷气式单板干燥机所使用喷箱的喷嘴形式繁多，市场上喷箱常用的喷嘴形式为圆孔式喷口和圆形翻边喷孔[4]。

冲击射流换热效果受到喷嘴形状、换热介质、喷嘴布置策略、喷射距离及靶材材质等多种因素影响[5-8]。王博滟等[9]对波瓣喷嘴冲击平面进行了换热特性研究，研究结果表明，在驻点区波瓣喷嘴射流的换热能力弱于圆形喷嘴射流冲击。谢晶等[10]为提高速冻机内部换热强度和均匀性，对圆孔和圆漏斗喷嘴结构在钢带表面换热特性进行探究，结果证明圆漏斗喷嘴的换热均匀性要优于圆孔喷嘴。唐婵等[11]对单股脉冲射流冲击平面进行了对流换热特性实验，确定了相对较优的脉冲参数和射流冲击间距比。周娜等[12]对圆形喷嘴冲击钢板冷却进行仿真研究，得到喷嘴射流速度、喷嘴直径和水温等参数对换热特性的影响。弓永军等[13]针对自激振喷嘴结构尺寸对自激振脉冲射流的影响进行研究，研究结果显示长径比为0.3～0.4时，能够产生较好的自激振脉冲射流。

目前，针对圆形翻边喷孔冲击单板的射流冲击换热相关研究尚十分缺乏，特别是圆形翻边喷孔与常规圆孔相比，在射流与单板进行对流换热的过程中是否具有显著优势，仍需要进一步探究。因此，本文针对一个特定的圆孔翻边喷孔，与普通圆孔式喷孔进行对比分析，探究高温热空气射流流场分布，并研究射流喷距H、喷孔喷出端直径d、射流速度v和射流温度T对圆形翻边喷孔射流冲击单板换热的影响。

1 喷箱工作原理及流场分布

2种主流喷气式单板干燥机喷箱中使用的喷孔形式如图1所示，分别为圆孔式喷孔和圆形翻边喷孔。相较于结构简单的圆孔式喷孔，圆形翻边喷孔的弧线形翻边结构能够对流经气流起到导流作用。为便于描述，下文将圆形翻边喷孔简称为翻边喷孔。

图1 喷箱喷孔形式示意图

图2为喷气式单板干燥机中所使用的专用喷箱，喷箱安置于单板上下两侧，对单板进行干燥时，高温气流由轴流风机经喷箱入口运送至喷箱腔体内，从喷口射出，垂直冲击在单板表面，实现单板快速干燥。

图2 采用翻边喷孔的喷箱简图

喷箱喷孔射出的热气流属于淹没紊流射流，气流流动特征如图3所示，可大致将其分为自由射流区、滞止区和附壁射流区。

图3 冲击射流换热流场示意图

2 模型建立与求解器设置

2.1 计算模型建立

由单个翻边喷孔和单板组成的冲击对流换热计算模型如图4所示，初始计算域为空气，射流介质为高温热空气，射流从翻边喷孔射出冲击至圆形单板表面。根据要探究的传热影响因素，设定该模型主要几何参数为喷距H、喷孔气流进入端直径D、喷孔喷出端直径d。

图4 计算模型示意图

2.2 数学模型建立

经试验验证，与标准k-ω模型相比，SSTk-ω模型更适用于气体冲击射流仿真[14-16]，故在本研究中使用SSTk-ω模型进行数值模拟。

为了能够更加准确地呈现仿真实验的结果，本研究做出如下假设。

(1)喷孔喷出的流体为牛顿流体。

(2)由于热空气由喷孔喷出时速度较低，可将其视为不可压缩的理想气体。

(3)将喷箱壁面视为绝热边界，忽略其表面的传热损失。

(4)气流进口处流速和温度均匀。

(5)由于热通量较大，因此在能量方程中，可以忽略黏性散热。

根据仿真假设条件，采用不可压缩等温稳态雷诺时均N-S方程。建立双方程紊流封闭SSTk-ω控制方程组。

湍流动能控制方程：

Pkb-β′ρkω。

(1)

湍流动能耗散率控制方程：

(2)

式中：k为单位质量流体湍流动能；ω为湍流动能耗散率；F1为混合函数，其作用是完成k-ω模型到k-ε模型的过渡。

2.3 求解器设置

使用ICEM对计算模型进行几何体创建，并进行非结构化网格划分，针对射流速度变化明显区域进行网格加密处理，以提高计算精度。在Workbench中将Fluent组件与ICEM联结，打开Fluent软件直接对网格进行求解器参数设置。

将仿真中的射流介质设置为空气(Air)，如图3所示，计算模型的边界条件如下：喷孔的气流入口端，采用速度入口(Velocity Inlet)，并设置为绝热边界条件，入口热空气温度为453 K；喷箱外壁设置为墙壁(Wall)，采用无滑移壁面边界条件，并设置为绝热边界；计算域气流出口采用压力出口(Pressure Outlet)，静压为101 325 Pa；单板表面设置为无滑移绝热恒温壁面(Wall)，设置壁面材料为木材(Wood)，壁面温度为300 K，壁面厚度为2 mm。

由于模拟的流体为单相低速不可压缩流体，故实验中采用Fluent压力基耦合稳态求解器(COUPLE)对对流换热模型进行稳态数值计算。为提高收敛速度，需要对湍流动能方程、动量方程、耗散率方程和能量方程进行离散，本研究中使用QUICK格式进行离散。采用COUPLE方法对压力速度进行耦合，对流项采用第二迎风格式进行解算，求解收敛的标准为：除能量方程以外各项残差精度小于10-5,能量方程的残差精度设置为10-7。

为验证仿真方法的合理性，按照Katti等[17]所做的单圆孔空气射流冲击平板实验参数进行仿真预实验，仿真预实验数据与真实实验数据对比如图5所示，从图5中可仿真数据与实验数据吻合度较高，因此仿真方法的合理性得到验证。

图5 仿真实验与实体实验努塞尔数分布对比图

3 结果与分析

气流速度可以很好地体现气流的流动特性，当气流的温度一定时，气流在单板表面的流动速度可以在一定程度上表征热气流与单板之间对流换热效果，因此，本文通过得到热气流冲击单板过程中的速度分布来研究热气流在与单板换热时的流场分布。为能更直观展示对流换热系数的变化趋势，以下图片中的对流换热系数均由其绝对值来表示。

3.1 2种喷孔结构换热特性对比

单板干燥的热气流喷射速度一般不能小于15 m/s。为方便对比圆孔式喷孔和翻边喷孔的对流换热特性，实验中设定圆孔式喷孔直径d0与翻边喷孔射流喷出端d相同，均为8 mm，设定圆孔式喷孔的气流速度和翻边喷孔射流喷出端的气流速度均为15 m/s。但翻边喷孔射流喷出端截面在计算域内部，无法直接设定该端面的速度，而为使翻边喷孔射流喷出端平均速度也为15 m/s，本文经过预实验，确定翻边喷孔气流喷入端速度为10 m/s，其他参数设置为：射流温度T为453 K，喷距H为35 mm，壁面温度为300 K，流域半径为200 mm，翻边喷孔气流喷入端直径D为16 mm，翻边结构几何曲线由特定曲线方程确定。

图6为圆孔式喷孔和翻边喷孔射流速度分布。喷箱喷孔射出的气流属于淹没紊流射流，射流喷出喷孔后，喷孔周围静止介质混入射流边界层内，随着边界层沿喷射方向逐渐扩大，相应的核心层逐渐缩小。由于射流在运动过程中将一部分动能传递给周围空气，因此射流速度减小。射流冲击至单板表面时，在射流中心区域形成气流滞止区，随后气流沿单板表面充分扩展，形成附壁射流。

图6 圆孔式喷孔与翻边喷孔速度分布对比

从射流喷出端开始，以7 mm为间隔距离，选取4个射流截面，利用计算流体力学仿真软件Fluent得到射流在截面上沿径向分布，规定射流速度方向为正方向，截面与射流出口端距离为射距h，射流喷出端h=0。如图7和图8所示，圆孔式喷孔喷出的射流在核心段轴线中心区域速度相对均匀，而对于翻边喷孔，当射流喷出喷孔时，射流轴线中心区域的速度相较射流外层区域低。这是由于翻边结构对气流起到了导流集中的作用，气流在翻边结构壁面逐渐形成高流速层，而射流轴线中心区域速度相对较低。

图7 圆孔式喷孔在各射距平面速度沿径向分布

图8 翻边喷孔在各射距平面速度沿径向分布

图9为2种喷孔射流在单板表面对流换热系数分布。对于圆孔喷孔，对流传热系数分布曲线在径向距离为0处出现凹陷，这是由于圆孔式喷孔射流在喷出时速度较均匀，在冲击区域形成了滞止区，边界层速度较低，因此对流换热效果较差。而对于翻边喷孔，对流换热系数分布曲线在中心处并没有凹陷，这是由于翻边喷孔射流的中心区域流速低于射流外围区域，致使其中心区域气流抵达单板时受到单板的反作用力也较小，滞止区的边界层速度较高，因此射流中心处的对流换热效果也更好。

图9 2种喷孔射流在单板表面对流换热系数沿径向分布

3.2 射流喷距对换热特性的影响

为研究喷距对对流换热系数的影响，将喷距H分别设置为25、30、35、40 mm。其他参数设置为：喷孔气流进口端速度v为12.5 m/s，射流温度T为453 K，喷孔喷出端直径d为8 mm，单板表面温度为300 K，流域直径为400 mm。

通常当射流喷出速度一定时，喷距越小，气流在射流轴线方向上动量损失越小，抵达单板时的速度也就越大，因此，气流在单板上的覆盖圆直径应随着喷距的增加而减小。图10为不同喷距下，射流的速度分布。气流在单板上的覆盖圆直径随着喷距的增加逐渐增大，在H=35 mm时，覆盖圆直径达到峰值，在此之后，随着喷距的继续增加，气流在单板上的覆盖圆直径逐渐减小。由此可见，在本文所研究参数范围内，气流在单板上的覆盖圆直径和喷距并不存在单一负相关的关系。这是因为，当喷距非常小时，气流受单板反作用力较大，而热空气的密度较小，在单板反作用力下，发生了气流的喷溅，因此，射流在受到单板的阻碍时不能够充分进入附壁射流区，这导致部分热气流并不能充分与单板接触，造成了热能的损失。图11为不同喷距下，射流沿单板表面对流换热系数分布。在距离射流轴线较近范围内，对流换热系数与喷距存在线性关系，随着喷距的增加，对流换热系数逐渐减小。但当H=25 mm与H= 30mm时，对流换热系数在径向距离约为120 mm处，快速减小，与其他对流换热系数分布曲线相交，在径向的对流换热均匀性较差。而H=35 mm、H=40 mm时的对流换热分布曲线变化平缓，其中H=35 mm时，能够保证单板表面换热均匀性较好的同时，对流换热系数处在较高水平。

图10 不同喷距下射流的速度分布

图11 不同喷距下射流对流换热系数沿单板表面分布

整体来说，喷距H为25～40 mm的范围内，对流换热系数与喷距并不存在线性关系。喷距过小时，因气流喷溅现象，对流换热系数在射流核心处较高，而在径向方向上迅速减小。存在一个最优喷距，此喷距可以使对流换热系数整体较高的同时，保证在径向的对流换热均匀性。在本文所探究的参数范围内，最佳喷距为H=35 mm左右。

3.3 喷孔喷出端直径对换热特性的影响

当气流进口速度保持不变时，随着直径的增大，喷口所流经的气流量也就越多。为探究翻边喷孔的翻边结构对气流导流效果和对对流换热系数分布的影响，在进行该组仿真实验时，各实验中翻边结构的几何尺寸不变，以翻边喷孔射流喷出端直径d为实验变量，分别将射流喷出端直径d设定为4、6、8、10 mm，其他参数设定为统一数值，参数设定为：喷孔气流进口端速度v为12.5 m/s，射流温度T为453 K，喷距H为35 mm，单板表面温度为300 K，流域直径为400 mm。

当取不同喷出端直径时，射流的速度分布如图12所示。当保持喷口的翻边结构尺寸不变，改变喷孔气流出口端直径后，喷射气流在单板表面的速度分布相似，但气流喷出速度受到了影响。翻边结构使d为4 mm的喷孔射流获得了最大的喷出速度。由于喷口直径越大，单位时间内流进的气流量越大，气流接触到单板时对单板所造成的压力也就越大，气流受单板反作用力发生更大变形，所形成的气流滞止区也就越大。

图12 不同射流喷出端直径下射流的速度分布

对于普通圆孔式喷孔，喷孔直径的改变只会引起对流传热系数的数值改变，对流换热系数在单板表面的分布趋势应相似[18-19]，但由于翻边喷孔的翻边结构对气流产生的导流作用，对流换热系数的分布并不像普通圆孔式喷孔，在不同喷孔直径的仿真实验中，对流传热系数在径向方向的速度变化有较大不同，对流传热系数分布曲线出现相交的情况，如图13所示。

图13 不同射流喷出端直径下射流对流换热系数沿单板表面分布

对于d=4 mm的喷孔，由于翻边结构对气流起到了集中的作用，使气流喷出时获得较大的喷射速度，气流的热量集中于核心段，这使得在射流轴线较近区域的对流换热系数甚至高于气流喷射量最大d=10 mm时喷孔的对流换热系数，但随着距轴线距离的增大，对流传热系数迅速减小，造成了与其他直径的对流传热系数分布曲线的相交。对于d=6 mm的喷孔，其对流换热系数分布曲线的变化趋势与d=4 mm的喷孔相似，在射流轴线附近区域的对流换热系数大于d=8 mm的喷孔，这与普通圆孔式喷孔不同。d=8 mm和d=10 mm的喷孔的对流换热系数分布曲线走势相似。当喷孔喷出端直径d为4、6、8、10 mm时，其对应的对流换热系数峰值分别为76.5、76.4、74.5、75.6 W/(m2·K)，与d并不存在正相关的关系，这是因为翻边喷孔的翻边结构对气流起到了导流集中作用，因而对流换热系数的峰值不再单一地随喷孔直径增加而增大。

3.4 射流速度对换热特性的影响

分别将翻边喷孔入口端气流速度设置为10、12.5、15 m/s，其他参数设置为：射流喷出端直径d为8 mm，射流温度T为453 K，喷距H为35 mm，单板表面温度为300 K，流域直径为400 mm。当取不同射流速度时，气流速度分布大致相同，如图14所示。射流速度增大时，气流在单板上的覆盖范围也随之增大，这是因为射流速度增大导致射流所具有的动量增加，壁面射流速度也随之变大。

图14 不同射流速度下射流的速度分布

图15为不同射流速度下射流对流换热系数沿单板分布，对流换热系数分布曲线大致相同，只是数值上有所区别。由此可见，对流换热系数与射流速度存在正相关的关系。当射流速度v为10、12.5、15 m/s时，所对应的对流换热系数的峰值分别为75.2、76.1、77.1 W/(m2·K)。

图15 不同射流速度下射流对流换热系数沿单板表面分布

3.5 射流温度对换热特性的影响

分别将翻边喷孔入口端气流温度设置为433、453、473、493 K，其他参数设置为：射流喷出端直径d为8 mm，喷孔气流入口端速度v为12.5 m/s。不同温度下，各实验的速度分布如图16所示。由图16可知，射流温度对射流的速度分布没有影响。各实验中对流换热系数在单板表面的分布曲线如图17所示，从图17可知，对流换热系数与温度间存在线性关系。

图16 不同射流温度下射流的速度分布

图17 不同射流温度下射流对流换热系数沿单板表面分布

4 结论

基于Fluent软件，对比了普通圆孔式喷孔和翻边喷孔的射流形态和对流换热特性，并针对对流换热特性较好的翻边喷孔进行研究。系统分析了射流喷距H、喷孔喷出端直径d、射流速度v和射流温度T对翻边喷孔冲击单板的对流换热影响，得到如下结论。

(1)相较于圆孔式喷孔，翻边喷孔的翻边结构对气流起到了导流集中的作用，明显改善了气流运动状态，而射流轴线中心气流速度低、射流外层气流速度高的气流运动特点，改善了射流在滞止区的对流换热效果。同时，翻边喷孔可提高气流喷射速度,减小阻力，提高气流沿单板径向的对流换热均匀性，从而提高了传热效率。

(2)喷距过小会导致气流较大程度地反射喷溅，造成热能损失，使得在计算域径向方向的对流换热均匀性较差，而喷距过大会导致气流到达单板时速度较小，因此对流换热效果较差。当喷距为35 mm左右时，射流与单板间的对流换热强度和对流换热均匀性达到最优。

(3)对于翻边喷孔，射流与单板间的对流换热系数不单纯随喷孔直径的增大而增大，翻边结构使气流更加集中，这使得不同喷孔直径的喷孔所喷射出的射流在单板表面径向方向上对流换热系数的下降速度不同。喷孔直径较小时，射流在冲击核心区与单板换热能力较强，但在单板表面径向方向上对流换热系数下降速度更快。

(4)射流速度的增加会提高气流壁面射流速度，射流与单板之间的换热能力增强，即射流速度越大，射流与单板间的对流换热系数越大。

(5)随着射流温度的增大，射流所具有的热能也就越大，射流与单板间的对流换热系数也随之增大。射流温度与对流换热系之间存在线性关系。