《LWT》：Multi-flow field analysis and optimised design of an infrared hot air dryer based on computational fluid dynamics
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本研究针对果蔬干燥过程中因气流、温度、水分场分布不均导致的干燥效率低下、产品质量不均等问题，提出一种基于计算流体动力学（CFD）的多场流耦合建模与优化方法。通过设计多级扰流装置优化气流分布室，并采用梯度分布扰流板优化干燥室，显著改善了气流、温度、湿度场的均匀性。优化后干燥机的红枣片验证实验表明，不同料层间最大干燥时间偏差降至12.5%，干燥均匀性显著提高。这项工作为干燥设备的设计优化及干燥过程中的传热传质分析提供了有力的技术支撑。
在果蔬加工与保藏领域，干燥是延长货架期、减少采后损失、增加附加值的关键技术。然而，传统干燥过程常常面临一个棘手的难题：干燥不均匀。这不仅仅是烘干时间长短不一那么简单，它直接关系到产品的最终品质——想象一下，同一批红枣片，有的已经过干发脆，有的却还湿软易腐，这样的产品显然无法满足市场需求。干燥不均匀的根源，往往在于干燥设备内部气流、温度和湿度分布的“任性”与不规律。为了更高效、更均匀地干燥，研究人员将目光投向了结合红外辐射与热风对流的红外热风干燥（Infrared-combined Hot Air Drying, IRHAD）技术。但如何设计出内部流场均匀的干燥机，传统方法依赖大量试错实验，成本高、周期长。计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟技术为此提供了强有力的虚拟“透视镜”和“试验场”，它能够在计算机中预测和优化设备内部的复杂流动与传热传质过程。本研究正是利用这一利器，对一台红外热风干燥机进行了从内到外的“深度体检”与“精准手术”，旨在攻克干燥均匀性这一技术堡垒。
为开展此项研究，作者主要采用了计算流体动力学（CFD）三维建模与多物理场耦合模拟技术。研究首先基于COMSOL Multiphysics软件建立了气流分布室和干燥室的三维模型，并进行了网格独立性分析以确保计算精度。核心研究内容分为两个部分：第一部分，针对气流分布室，通过设计并优化一级（半圆柱形）和二级（带渐变孔径通风孔阵列）扰流板，利用稳态求解器模拟气流速度场，以速度不均匀系数（E）和速度偏差比（M）为指标，评估并优化气流分布的均匀性。第二部分，针对包含红枣多孔介质材料的干燥室，建立了耦合速度、温度、湿度和物料含水率（Moisture Content, MC）的多场流瞬态模型，模拟了干燥过程中热质传递的动态变化。研究还通过实际的红枣切片干燥实验，对优化后的干燥机性能进行了验证，测量了不同料层和同一料层不同区域的干燥曲线（通过监测含水率变化计算水分比Moisture Ratio, MR）以及产品色泽（通过色差ΔE和褐变指数Browning Index, BI进行评估）。
4.1. 模型验证
为确保模拟的准确性，研究首先对气流分布室的流速场模拟结果进行了实验验证。在气流分布室各层出风口测量的实验风速数据与模拟结果高度吻合，决定系数（R2）最小值达到0.921，均方根误差（RMSE）最大值为0.13。这表明所建立的CFD模型能够可靠地模拟干燥过程中的气流分布，为后续的优化设计奠定了可信的基础。
4.2. 气流分布结构的流场分析与优化
初始状态的气流分布室速度云图显示，气流在室内分布极不均匀，速度在上部及出风口两侧较高，中部则存在大范围的低速区，导致各出风口风速差异显著。为此，研究引入了多级扰流装置进行优化。
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首先，通过模拟研究了不同尺寸和位置的单一半圆柱形扰流板（一级扰流板）的效果。最优方案（半径0.05米，圆心位置0.3米）使速度不均匀系数E（最大值）、E（平均值）和速度偏差比M分别比优化前降低了34.7%、44.1%和27.2%。然而，单一级扰流板仍无法完全解决两侧风速过高、中部低速区过大的问题。
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接着，研究在气流分布室内壁与出风口之间增加了一个带有均匀阵列通风孔的第二级扰流板。这形成了“气流栅格”，使气流能更充分地发展和更均匀地从出风口排出，有效缩小了低速区。
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为进一步优化，研究采用了通风孔尺寸自上而下逐层减小的梯度分布方案。最终优化方案（通风孔半径自上而下逐层减小0.3厘米）取得了最佳效果。与初始状态相比，E（最大值）、E（平均值）和M分别大幅降低了65.3%、66.2%和50.9%，显著提升了进入干燥室前气流的均匀性。
4.3. 干燥室的流场分析与优化
在获得均匀入口气流的基础上，研究对干燥室内的速度、温度、湿度多场耦合分布进行了模拟分析。初始状态的模拟显示，干燥气流在流经物料上方时，速度沿流向逐渐降低，在物料右端（靠近气流出口侧）速度最低，导致该区域上方形成了较厚的温度和湿度边界层，不利于均匀干燥。
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为解决此问题，研究首先在干燥室内设置了高度均匀的扰流板。该扰流板压缩了气流通道，在风道内产生区域湍流，显著提高了物料右侧上方的气流速度，使物料上方的最大速度差从0.22 m/s降至0.08 m/s，同时温度一致性提高，相对湿度降低，温度和湿度边界层减薄。
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考虑到沿气流方向干燥介质的干燥能力递减，研究进一步提出了扰流板高度沿气流方向逐级增加的梯度分布方案（高度分别为0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.08米）。此方案虽然使物料上方的最大速度差略微增加至0.1 m/s，但通过形成局部涡流和负压区，进一步加速了干燥室末端区域的气流。更重要的是，这使得物料表面不同位置的温度差和湿度差进一步缩小，加热速率趋于一致，表明干燥室末端区域需要更高的流速来补偿干燥能力的下降，从而实现更均匀的干燥。
4.4. 优化后干燥均匀性的验证
为验证优化效果，使用优化后的干燥机对红枣切片进行了实际干燥实验。
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不同干燥层间的均匀性：实验结果表明，优化后干燥机不同料层的红枣切片含水率变化趋势基本一致，各层干燥时间在200-225分钟之间，最大偏差为12.5%，符合干燥均匀性要求。对各干燥层红枣片的色泽参数分析显示，亮度（L）、红度（a）、黄度（b*）、总色差（ΔE）和褐变指数（BI）在不同料层间无显著统计学差异，表明产品外观品质均匀一致。
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同一干燥层内的均匀性：将同一干燥层平均分为三个区域进行研究，发现同一层内不同区域的红枣切片干燥速率没有显著差异，最大干燥速率偏差为5.08%。尽管经过优化，但靠近气流出口的区域（III区）因其环境湿度最高，干燥速度仍为最慢，这与模拟预测相符。
研究结论与重要意义
本研究成功引入并应用了一种基于计算流体动力学的多场流耦合建模与优化方法，系统地对红外热风干燥机进行了结构优化与性能验证。具体而言，研究通过构建气流分布室的数值模型并设计多级扰流装置，将关键均匀性评价指标最高提升了65%以上，显著改善了入口气流的均匀性。针对干燥室，研究构建了耦合热质传递的多场流模型，并提出并对比了均匀分布与梯度增高两种扰流板方案。结果表明，梯度增高的扰流板方案能更有效地削弱物料表面的温度和湿度边界层，尽管速度均匀性略有牺牲，但通过补偿末端干燥能力，实现了更优的整体干燥均匀性。最终，利用优化后的干燥机进行的红枣切片实验证实，不同料层间及同一料层内的干燥均匀性均得到显著提升。
这项工作的核心意义在于，它展示了CFD多物理场耦合技术如何作为一种高效、低成本的设计工具，深度介入干燥设备的研发流程。通过“模拟先行，实验验证”的策略，不仅精准定位了影响干燥均匀性的流场症结，还提出了具有针对性的优化方案，避免了传统试错法的高昂成本与漫长周期。研究成果为开发高性能、低能耗的干燥装备提供了创新的设计思路与可靠的技术支持，对于提升果蔬干燥产业的加工品质与经济效益具有积极的推动作用。未来，通过将宏观设备模拟与物料微观结构分析相结合，构建更精细的“数字孪生”模型，将进一步释放该技术在预测产品品质和优化干燥工艺方面的巨大潜力。
