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基于计算流体力学的干燥窑风速检测与建模仿真研究

张瑞雪  
【摘要】: 木材是全球应用最广的工程材料之一。木材干燥是一个复杂的强耦合非线性动力学系统,在干燥过程中存在外界的干扰和模型的不确定性,如何建立有效的干燥模型是木材干燥的重要基础研究内容之一,也是实现干燥全自动控制,提高干燥质量,减少能量消耗,缩短干燥时间的先决条件。对干燥一定树种的木材来说,当其他影响干燥速率的因素(如空气温度、湿度、板材厚度)相对恒定时,空气流速与木材干燥的速率存在某一关系,循环风速也是木材干燥的一个重要因子,正确选用循环风速,不仅对干燥速度和干燥质量有较大影响,而且可使能耗大幅度降低。 本文针对实验室用顶风式木材干燥窑的内部气流循环分布规律和影响因素进行了研究,探讨了木材干燥窑内的风速因子对干燥窑性能的影响重要性。将计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)方法引入木材干燥窑建模及仿真的研究中,对其建立了三维稳态的模型,进行了数值仿真计算(使用FLUENT计算流体力学软件)。计算结果给出了合理的流场分布,并与实验值进行了对比,并用所做的实验数据对仿真模拟结果进行了对比分析,验证了所采用的CFD模型的可行性与准确性。在以上研究的基础上,进一步预测了实验室用顶风式木材干燥窑内部空气的速度场的分布情况,分析了实验室用顶风式木材干燥窑在风机给定不同风速时的空气流动特性,同时又讨论了各工况下的平均风速(?)值、均方差σ值和变异系数V值,进一步对比分析研究了所建立的顶风式木材干燥窑模型的最优风速指标。 本文的研究结果表明:通过实验数据与模型仿真结果的比较,验证了所建立的木材干燥窑的CFD模型的可行性与准确性,因此该CFD模型亦可用于不同干燥阶段的速度、温度、湿度及压力场的仿真模拟研究。通过对各工况的对比计算分析得出,风机给定气流速度为3m/s时的变异系数较低即气流循环分布的均匀性优于其他情况,并且各测点的气流速度均在资料给定的最佳速度范围内,因此综合各种因素考虑认为,对于所建立的实验室用顶风式木材干燥窑的CFD模型,在七种工况中,工况4(即风机给定风速为3m/s)为最优情况,此仿真结果对顶风式木材干燥窑的初始风机给定风速的选取及干燥控制技术的改进有一定的参考和指导意义,提高我国的节能干燥窑的科技水平,为改进木材干燥窑不同干燥时期窑内温湿度、速度等的信息检测与仿真技术提供了一种新的方法。


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