基于CFD仿真的酒醅自动摊凉机风室结构计算分析

基于CFD仿真的酒醅自动摊凉机风室结构计算分析

黄汉清

（中船重工纵横科技有限公司，湖北 宜昌 443003）

摘要：酒醅蒸馏出甑后需要摊凉降温达到一定温度，酒醅自动摊凉机风室的流动均匀性是保证酒醅温度均一的重要工艺设计指标。采用仿真计算的手段，对酒醅自动摊凉机风室结构进行了优化设计，并对其内部的风场进行了仿真计算和对比，得到了风室内部风场的速度、压力分布情况，并通过考察速度的均匀度和方向性来判断风室内部风场对酒醅冷却效果的影响，为提高摊凉效率提供了参考。

关键词：酒醅自动摊凉机；风室模型；速度均匀性；速度方向性；仿真计算。

1引言

酒醅自动摊凉机是利用冷却气流快速降低酒醅温度，满足酒醅加曲温度以及入窖温度的要求[1-2]。图1展示了酒醅自动摊凉机的实物，由风机、气流入口、入口导流板、风室、输送链板、支撑件和连接件等组成。其中，输送链板上冷却气流的均匀分布有利于保证酒醅的温度均一。自动摊凉机风室内部的挡板结构影响输送链板上气流的再分布，合理的风室内部结构，直接关系到酒醅的冷却效果、摊凉效率和能耗，并且摊凉效果直接影响后续加曲、发酵生产环节。

图 1自动摊凉机实物图

在国内早期摊凉机风室内的流动分析由于计算机资源的限制，在CFD的大型分析应用中相对较少，大多是通过自主经验和物理定律的设计方式进行定性分析，并通过试验进行验证和改进，这种设计方式在研制成本和设计周期等各个方面均已影响了摊凉机的设计和发展。随着超算平台的普及，使得流体力学等数值方法在机械设备中广阔应用，显著提高了分析的有效性[3]。

本文对三种不同结构的酒醅自动摊凉机风室进行了仿真分析，对比了风室模型内部的流动状态特征，并通过速度均匀度和速度方向性两个指标来判断优化是否合理。基于仿真结果，为解决摊凉机风室内部流动不均匀导致的摊凉效率低、效果差等问题提供了支持和参考。

2CFD仿真基本理论

2.1控制方程

连续方程、动量和能量方程是所有流体力学都必须遵循的三大基本物理定律的数学表达，三大方程的微分表示分别为：

质量守恒

本研究中气体的压缩性对所研究的流动影响不大，可忽略不计，于是连续性方程可简化为：

牛顿第二定律

不可压缩流体对应的Navier-Stokes (简称N-S方程)矢量形式为：

能量守恒

耗散函数：

其中，ρ为流体密度，为速度矢量，T为温度，cv为比热容，k为导热系数，f为体积力，p为作用在流体微团上的压强，μ为流体运动学粘性系数，φ为能量耗散函数。

2.2湍流模型

本文使用目前在工程上使用最为广泛的SST k-ω湍流模型来模拟湍流流动。该模型中关于湍流动能k和比耗散率ω的输运方程为：

由于平均速度梯度引起的湍流动能k的产生项Gk为：

比耗散率ω的产生项Gω为：

由于浮力引起的湍流动能k和比耗散率ω的产生项分别用Gb和Gωb表示，可压湍流中脉动扩张引起的湍流动能k和比耗散率ω的变化分别用Yk和Yω表示。

3计算模型建立

3.1风室模型

本次研究对象是酒醅自动摊凉机其中一个风室，如图2所示。风室整体尺寸为：长2.14m×宽1.50m×高0.45m，主要由入口、链板和支撑结构组成。其中，入口尺寸为长0.37m×宽0.26m。输送链板由多块链板单元并联装配而成，沿着风室宽度方向匀速运动。输送链板距底高度为0.45m，圆孔形开孔，孔直径为0.018m，开孔率为18.47%。三个支撑结构位于输送链板下方，长度均为1.5m，宽度分别为0.063m、0.035m、0.074m。

图 2酒醅自动摊凉机原始风室模型

为了提升摊凉机出风均匀性，本次研究中还包含了两个结构优化后的风室模型。其中，在优化风室模型一中，增加了内构件，由12组L型弧形挡板和倾角为30°的筛板组成。在优化风室模型二中，优化了风室底面形状，同时优化了风室中包含的内构件结构和布局。两种优化风室模型如图3所示。

图 3两种结构优化后的风室模型

3.2网格划分

三种风室模型的网格划分效果如图4所示。采用多面体网格对自动摊凉机风室计算区域进行网格划分，采用多面体网格划分的优势在于其可以用较少的网格数量将几何体特征描绘出来，同时可以保证网格的正交性。并对计算中流场变化剧烈的区域，如出口开孔及内部挡板结构局部尺寸较小且需要重点关注，进行适当加密。经过网格独立性检验，三种模型的网格量分别达到154万、384万和452万，继续增加网格密度，计算结果变化不明显。

图 4三种风室模型的网格划分效果

3.3边界条件及模型设置

风室进风口的气体流量为4600m³/h，在模拟计算中，进风口采用恒定速度入口边界，输送链板上的开孔为出口，采用自由出口边界条件，由计算确定各出口流量与压力。其他边界均为无滑移壁面边界。具体边界条件参数设置如下：

入口：速度入口，大小为13m/s。湍流强度：3.3%。水力直径：0.3m。

出口：自由出口；

湍流模型：

k-ω SST；

计算方法：SIMPLE算法；

计算类型：稳态；

4优化指标

风室输送链板开孔出口数量多，各孔的速度大小和方向均不相同。为了评价输送链板各孔的速度均匀度和向上速度方向性，需要使用多种指标从整体和局部两方面进行评估，评价优化效果，调整设计优化方向。

4.1速度均匀度指标

速度均匀度的优化指标分为速度相对标准偏差Cv和速度均匀性指数。速度相对标准偏差Cv越小，速度均匀度越好。速度均匀性指数越大表明速度均匀性越好。

Cv的计算表达式为：

速度均匀性指数γv的计算表达式为：

4.2速度方向性指标

速度方向性指标为Sv，使用链板出口向上方向的速度与平均速度的比例评价向上的速度方向性。Sv值越大，气体速度方向越向上。其表达式如下。

Sv越大表明速度方向性越好。

5计算结果分析

5.1速度分布结果对比

图5~6分别为自动摊凉机三种风室模型内部距底高度为0.458m处的平均速度分布和向上分速度分布图。从图中可以看出，原始风室模型内部速度分布很不均匀，高速区域主要集中在中部小范围区域，不利于酒醅的均匀降温。从向上速度分布图来看，在长度方向的速度分布为末端速度高，入口处速度低，中部由于挡板的存在产生低速区，表明平均速度大的位置向上速度却很小。这是酒醅降温效率偏低的原因。在原始风室模型的基础上，优化风室模型一增加了内构件，风室内部的平均速度和向上速度均匀性有了很大改善，但仍然存在速度过高的局部点。在优化风室模型二中，由于优化了风室的底面结构，改变了进风的流动方向，同时在内构件的作用下，风室内部的平均速度和向上速度均匀性进一步提高。从图中可以看出，优化风室模型二中各开孔处的速度大小均一，向上速度均匀性的提高有利于摊凉效率的提高。

图 5三种风室模型内部平均速度分布图（z=0.458m）

图 6三种风室模型内部向上速度分布图（z=0.458m）

5.2压力结果对比

通过计算摊凉机风室的进风口和出风口的总压差，可判断气体流经风室内部结构造成的压降，以此来评估系统能量的损失。表1列出了三种风室模型的进出风口总压的压降差。从表中可以看出，在相同气体流量下，两个优化风室模型的总压降相比于原始风室模型仅降低了5Pa和12Pa。由风机和系统压降的P-Q曲线可知，系统压降的降低，可提高系统风量，降低风机能耗，进一步提供摊凉机效率。

表1.三种风室模型进出口总压降

5.3优化指标结果对比

表2对比了三种风室模型的速度相对标准偏差、均匀性指数和速度方向性指标的情况。从表中可以看出，风室内部结构的优化对速度相对标准偏差和均匀性指数的影响效果明显。对于速度相对标准偏差指标，相比于原始风室模型的0.6367，两种优化风室模型分别提高48.26%和56.07%。对于均匀性指数指标，相比于原始风室模型的0.73，两种优化风室模型分别提高20.82%和23.48%。对于速度方向性指标，相比于原始风室模型的0.4078，两种优化风室模型分别提高47.23%和58.29%。

表2.三种风室模型速度均匀性和方向性评价

图7从链板长度和链板宽度两个方向上展示了平均速度的变化情况。图8从链板长度和链板宽度两个方向上展示了速度方向性指标的变化情况。从图中可以看出，相比于原始风室模型，两种优化后的风室模型对速度方向性指标的影响明显，相比之下，优化风室模型二的优化效果是最好的。

图 7速度平均值评价指标对比

图 8向上速度方向性评价指标对比

6结语

本文对酒醅自动摊凉机风室结构进行了模拟仿真优化计算，并对原始风室模型和两种优化风室模型内部的气流分布结果进行了分析和对比，得到结论如下：

1、从平均速度和向上速度分布情况来看，两种优化风室模型内部的流场均匀性有明显提升，有利于改善摊凉效果，提高摊凉效率。

2、进风口和出风口的总压差，原始风室模型的总压降约127Pa，两种优化风室模型的的总压降分别为122、115Pa。压降的降低可节省能耗，增加风机流量，提高摊凉冷却效率。

3、速度均匀度方面，相比于原始风室模型，两种优化风室模型的速度相对标准偏差指标分别提高48.26%和56.07%；两种优化风室的模型均匀性指数指标分别提高20.82%和23.48%。

4、对于速度方向性指标，相比于原始风室模型的0.4078，两种优化风室模型分别提高47.23%和58.29%。

参考文献

[1] 郑昌宁，张宿义，黄治国. 聂增远.酿酒生产摊晾控温装备的研究 [J]. 酿酒科技，2021，06：73-78.

[2] 陈钦明.酒糟自动摊晾设备的研发[J].海峡科学，2021，01：47-50.

[3] 吴义磊，高蒙蒙，刘建祥.，等. 基于CFD仿真的前端冷却模块进风量分析[J].汽车实用技术，2018，14：86-87,94.

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