选用自行设计的果蔬蒸汽烫漂与组合干燥设备进行试验，实验设备实物图如图1所示。该设备主要由蒸汽系统、热风干燥系统和真空系统组成。蒸汽系统由蒸汽发生器、蒸汽管路及蒸汽管路电磁阀组成。热风干燥系统主要包括进、回风气流分配室、离心风机、气流加热装置、热风循环管路和热风循环管路上的阀门组成。真空系统由真空泵、冷却水箱、真空阀、真空管道和压力表等组成。

设备加工过程主要分为烫漂预处理和组合干燥两个阶段，工作原理如下：

烫漂预处理阶段：在烫漂之前，需对集成加工箱体进行预热。此时打开蒸汽发生器，待蒸汽发生器加热至设定温度时，将蒸汽通入到集成加工箱体内，待箱体内的温度值达70℃～80℃预热完成。同时关闭蒸汽管路电磁阀，开启真空泵与真空管路电磁阀，将箱体内的蒸汽抽走，泄压完成后，开始进行真空-蒸汽脉动烫。首先打开真空泵抽真空，当集成加工箱体内的真空度到达设定值时，关闭真空泵。此时打开蒸汽管路电磁阀，蒸汽通过蒸汽管路，流经进风管路，进入集成加工箱体内的进风气流分配室（如图2所示），由喷嘴均匀喷出，对物料进行烫漂，待烫漂时间达到设定值时，关闭蒸汽入口阀，至此完成一个真空-蒸汽脉动烫漂周期。对不同物料的烫漂，可循环进行上述的真空-蒸汽脉动烫漂周期。

组合干燥阶段：首先打开热风循环管路电动蝶阀，并启动离心风机、开启气流加热装置，气流经离心风机加速后被气流加热装置加热。热气流经进风管路进入到进风气流分配室，并由条形喷嘴将气流输送至物料表面。热气流与各层物料进行热湿交换后，进入回风气流分配室，并经回风管路回到离心风机的进风口，进行热气流的热风循环干燥。当物料含水率下降至一定值时，便进入到组合干燥阶段中的真空干燥部分，此时，关闭进、回风管路上的电动蝶阀，离心风机，开启抽真空管路上的电磁阀，并开启真空泵将箱体内抽至设定真空度，而热水箱内被电加热器加热至设定值的热水通过热水循环泵将其输送至加热盘管，对物料进行加热。当含水率降至小于设定值时，则停止干燥，进行泄压，并取出物料，此时，整个蒸汽烫漂与组合干燥集成加工完成。

本文对集成加工箱内包含气流分配室的整体结构进行建模，简化后的集成加工箱三维模型如图3所示，物料层简化为长方体，共分为4层，每层间距为110 mm。设定X轴为集成加工箱模型的深度方向；Y轴为高度方向，Z轴为宽度方向。集成加工箱配有两个矩形进回风口，进风口在集成加工箱的左下方，上方配合有底部为敞口的进风气流分配室，回风气流分配室的顶部为敞口，即为回风口。

为简化数学模型，对箱体做出假设：（1）由于集成加工箱体内的流场是较为稳定的，且在标准大气压下风速小于100 m/s,可将其看作定常的不可压缩流体；（2）将物料层看作为多孔介质区域，并且在干燥过程中没有收缩变形；（3）集成加工箱壁面视为绝热，散热忽略不记；（4）湍流内部气流的粘度是各向同性的。

箱体内的热气流为稳态的黏性流动，流体基本控制方程应用standard(标准)的$ k-\mathrm{\varepsilon } $模型对集成加工箱内的流场进行描述^[12]；本文将物料层简化为多孔介质区域，需在原有的动量方程中的右边增加果蔬物料层的粘性阻力和惯性阻力这两种阻力的源项^[13]来表示多孔介质区域对流体流动的影响。

（1）连续性方程

（2）动量守恒方程

式中：$ {S}_{u}\mathrm{、}{S}_{v}\mathrm{、}{S}_{w} $分别是动量守恒方程x、y、z方向上的广义源项。

3）标准$ k-\varepsilon $模型方程：

式中$ {G}_{k} $为平均速度梯度引起的湍动能产生项；$ {G}_{b} $为浮力影响引起的湍动能产生项；$ {Y}_{M} $为可压速湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；$ {\mu }_{t} $为湍流粘性系数；$ {C}_{1\varepsilon } $，$ {C}_{2\varepsilon } $，$ {C}_{\mu } $为通用常数，由经验值确定$ {C}_{1\varepsilon } $＝1.44，$ {C}_{2\varepsilon } $=1.92，$ {C}_{\mu }=0.09 $；$ {\sigma }_{k} $，$ {\sigma }_{\varepsilon } $分别为湍动能k与耗散率ε的湍流普朗特数，由经验值确定$ {\sigma }_{k} $＝1.0，$ {\sigma }_{\varepsilon } $＝1.3；

（4) 物料控制方程：

式中$ Si $为$ i\mathrm{方}\mathrm{向}\mathrm{上}\left(x,y,z\right) $动量方程的源项；$ \left|\nu \right| $为速度大小；$ {v}_{i} $为$ i $方向上的速度；C₀ ，C₁为经验系数，本文物料选用无花果，其孔隙率为0.5061， C₀ ，C₁分别为0.029和0.6849^[14]。

利用FLUENT自带的网格划分软件对图3所建模型进行混合网格划分，在模型的几何结构规则处采用结构化网格，在不规则处采用非结构^[15]，网格划分如图4所示。图5为不同网格数下中心线上速度的分布情况，由图可知网格方案1、2与其它方案相比存在较大误差，网格3、4、5网格因素对模拟结果的影响很小，但网格4、5总数多，选择网格3为后续计算网格。网格3模型总网格数为1042913，满足计算精度的要求。

进口边界条件选择速度入口，空气的速度为6 m/s，温度设定为323 K（50℃），方向垂直于入口截面，出口边界条件选择自由出流，即Outflow，干燥模型只有一个出口，所以Flow Rate Weighting取1。壁面边界条件：壁面边界设为无滑移条件，将壁面视为绝热，温度设定为环境温度300 K，厚度设为2 mm。本文将料盘上的物料层简化为多孔介质区，物料选用无花果，其孔隙率为0.5061。

通过截取集成加工箱内若干个截面进行分析与研究，可以更加直接清楚的了解到箱内气流分布状况与规律，本文在X轴上截取了X=300 mm平面，而在Y 轴方向等距截取4个截面，如图6所示，从下到上依次为Y₁＝100 mm，Y₂＝210 mm，Y₃＝320 mm，Y₄＝430 mm。

本文以速度不均匀系数M为评价指标，以定量分析气流分布的均匀程度。对集成加工箱干燥区域布置风速的测量点，以集成加工箱底部平面为基准面，在竖直高度上等距离布置 4 层测量平面，如图6所示，分别为Y₁=100 mm，Y₂=210 mm，Y₃=320 mm，Y₄=430 mm。同时为更直观和详细的了解风速在宽度方向的分布情况，沿水平距离反方向等距的截取5个平面，如图7所示，依次为Z₁=560 mm，Z₂=460 mm，Z₃=360 mm，Z₄=260 mm，Z₅=160 mm。

在每层测量平面布置4×4个风速测点，整个干燥区域共布置64个测量点，风速测点如图8、图9所示。

速度不均匀系数的计算公式如下所示：

式中$ {\sigma }_{\nu } $为全部监测点风速的标准差；$ \overline{\nu } $为所有监测点风速的平均值（m/s）。

速度不均匀系数M 越大，说明内部风速流场越不均匀；M 越小，则代表风速流场均匀性越好，也表明干燥后的产品均匀性或品质会越好。利用以上评价标准，对原始模型各截面进行数据采集，并进行计算，得出原始模型干燥区域内整体的速度不均匀系数为34%。

在原始模型的基础上增设多块扰流平板，利用平板之间形成的多个涡流区域可以起到改善流场分布的效果^[16]。经过预模拟，本文将扰流板的宽度b范围设定在10 mm～40 mm之间，第一块扰流板位置L设为高于第一排喷嘴中线16 mm（1倍条形喷嘴的宽度），平板间距H设为4倍喷嘴间距，即160 mm，建立扰流平板宽度10 mm，20 mm，30 mm，40 mm四组模型，在保持其他模拟参数与原始模型一致的条件下进行分析。如图10所示，本文将扰流板设置在气流分配室内相对于喷嘴的一侧，长度为500 mm，与气流分配室长度一致，厚度为2 mm。

图11为模拟结果中沿水平方向各截面上的平均风速，在干燥区间内风速沿水平距离的速度分布情况与原始模型趋于一致，随着扰流板宽度的增加，每个截面的风速的大小也随之增加。

图12中能够进一步看出添加扰流板后，在扰流板的作用下，风速在沿高度方向上分层有了较大的改进，其中，扰流板宽度为10 mm的风速分布最为均匀，最大相差为0.6 m/s，而原始模型则为1.1 m/s。

在模拟结果中，采集64个监测点的风速数据，计算各方案的速度不均匀系数，结果如表1所示。对比原始模型和添加扰流板结果可知，随着扰流板宽度的减小，速度不均匀系数也随之减小，其中扰流板宽度为10 mm的干燥区域的速度不均匀系数最小，为17.1%，相较原始模型的均匀程度提升49.7%。类似的，郑劲民等^[17]在烟叶烘烤箱加装导流板，速度不均匀度相比无导流板的速度不均匀度降低了68%，改善效果明显。

通过减小气流分配室封闭端的宽度，构造倾斜的风道，可以用来改善箱体内部流场分布状况^[18]。图13为倾斜气流分配室模型结构示意图。通过前期模拟，当封闭端宽度≥60 mm时，对气流分布的影响不明显，其速度分布云图与原始模型趋近一致，因此予以排除，而封闭端宽度为10 mm，则不利于加工制造。因此将原始模型的进风气流分配室封闭端设为20，30，40，50 mm四组模型进行对比分析，其他模拟参数值与原始模型保持一致，通过计算，得到该结构下的流场分布情况。

从图14可以看出，与原始模型类似，风速在干燥区间内沿水平距离的速度变化呈现先衰减后增加的趋势，但是其衰减的程度有一定的减缓，原始模型在水平方向上的5个截面的平均速度相差最大为0.9 m/s，而减少封闭端的四组模型5个截面的平均速度最大相差均小于原始模型，其中封闭端为40 mm的最小，为0.64 m/s，表明减少封闭端宽度对干燥区域内沿水平距离的衰减起到一定的改善。

由图15可知，减少封闭端宽度对风速在高度上的分层问题效果不明显，其风速沿水平距离的速度分布情况与原始模型近似，在干燥区域内，气流速度都随着高度的增加而增加，气流的强弱较为明显。

在模拟结果中，采集64个监测点的风速数据，计算各方案的速度不均匀系数，结果如表2所示。对比原始模型和减小封闭端宽度结果可知，减少封闭端宽度不能很好地改善风速不均匀的问题。该研究结果与王健 ^[19]研究结果一致，其对果蔬干燥箱的气流分配室进行减少封闭端宽度的优化，箱体内流场的均匀程度提高了26%，但是整体气流强弱之分依然明显，不能很好的保证热风的均匀性。

在喷嘴出口处设置挡板以对高速的气流进行导流，让更多的热气流从喷嘴进入到干燥区域，提升干燥区域的均匀性^[20]。为与扰流板类似，喷嘴挡板最为重要的结构参数是挡板宽度和挡板位置，喷嘴挡板的位置主要分为两种情况，喷嘴挡板在喷嘴出口的前端或者后端。通过前期模拟，设置喷嘴档板宽度分别为6 mm和11 mm以及档板在喷嘴前后的四组模型进行对比分析，其结构如图16所示。喷嘴挡板的长度与气流分配室长度一致，厚度则为2 mm。

图17不同挡板位置和宽度风速沿水平距离的变化，喷嘴在出口前端的两个模型对风速沿水平距离的问题产生较好的影响，两个模型在水平距离上的5个截面的平均速度最大相差均在0.5 m/s左右，而喷嘴在出口后端的两个模型的则为0.7 m/s；4组模型的速度最大相差均小于原始模型，并且除前两个截面，4组模型在后面三个截面的平均速度相差很小，喷嘴在出口前端的两组模型最大为0.15 m/s，喷嘴在出口后端的两组模型则为0.1 m/s，表明添加喷嘴挡板对风速沿水平方向的速度不均匀问题有较大的改善。

图18为不同档板位置和宽度风速沿高度的变化，由图可知，喷嘴挡板安装位置为出口前端，宽度为6 mm的模型对干燥区域的导流效果相比于其他三个模型较差，Y1截面上的风速大部分为1.2 m/s，而Y4截面上的风速范围在4.8 m/s～3.2 m/s，沿高度方向的速度分层问题甚至得到了进一步的恶化。

在模拟结果中，采集64个监测点的风速数据，计算各方案的速度不均匀系数，如表3所示。由表3可知，除第一个模型外，添加喷嘴挡板均对气流分布均匀性显著提升，其中速度分布最为均匀的模型为喷嘴挡板安装位置为出口后端，宽度为11 mm，较好的改善速度在高度上分层的问题，并且整个干燥区域内的速度不均匀系数10.4%，相较于原始模型提升69%。这与潘晓伟^[21]研究类似，潘晓伟在锅炉烟气余热回收塔中添加喷嘴挡板，余热回收塔内流场均匀性得到进一步改善，可保证入口气流速度分布均匀。

通过上述对原始模型和3种改进方案的模拟分析，最终得到在进风气流分配室每个喷嘴出口后端添加宽度为11 mm的挡板为较优模型。图19为添加喷嘴档板喷嘴挡板于出口后端，宽度为11 mm的速度分布云图。

本文通过测量改进后集成加工箱内布置的测量点风速值，以集成加工箱底部平面为基准面，在竖直高度上等距离布置４层测量平面，分别为Y₁＝120 mm，Y₂＝230 mm，Y₃＝340 mm，Y₄＝450 mm，并且在每层测量平面布置3×3个风速测点，每层测量点在水平面上的位置相同，故用序号1-9标识，整个干燥区域内共布置36个测量点将其与数值模拟计算值进行对比，以此来验证数值模拟的准确性。在试验中，主要关注集成加工箱内部流场的分布情况，试验时的风速通过风速仪测定，每个测量点的风速采用30ｓ时稳定的测量值，为各个测量点的最终风速值。

风速的模拟计算值和试验测量值的相对误差公式计算如下^[22]：

式中$ {\varepsilon }_{i} $为第i个测量点的试验测量值与模拟计算值之间的相对误差；$ {R}_{i} $为第$ i $个测量点的试验测量值；$ {G}_{i} $为第i个测量点的模拟计算值，i=1、 2、 3......9。

根据表4数据，对每个监测点的误差进行计算，在每一层测量平面上的测量点的相对误差值中，最大值为9%，均小于10%。通过试验测量值与模拟值的对比研究，发现模拟计算的数据与试验测量的数据的相差值均在合理的范围内。数据结果表明，本文所建立的干燥结构模型能够反映出实际内部速度场的分布规律，对气流分配室的结构改进具有较好的指导作用。

本文针对蒸汽烫漂与热风真空干燥设备风速流场分布不均匀的问题，对带有气流分配室的集成加工箱建立物理模型，选择合适的热风干燥的控制方程和计算模型，确定边界条件，利用FLUENT软件对所建模型进行数值模拟分析。

对气流分配室进行改进，主要提出添加扰流板、减少封闭端宽度和添加喷嘴挡板3种改进方案。添加扰流板的方案中，最小的速度不均匀系数为17.1%；减少封闭端宽度的方案中，最小的速度不均匀系数为30.2%；添加喷嘴挡板方案中，最小的速度不均匀系数为10.4%。通过多种因素对比，确定在每个喷嘴出口处后端安装宽度为11 mm的喷嘴挡板为较优的改进结构。对改进的模型进行验证试验，得到每个测量点的相对误差均在10%以内，说明本文所建立的模型具有较高的准确性和可靠性，可有效解决设备内部风速流场不均匀的问题，能够为类似的气流分配室的结构改进提供一定的参考和借鉴。