玉米烘干过程中表面温度场有限元分析

赵丹华，李国琳

(长春大学计算科学与技术学院，长春130022)

0 引言

玉米作为国内第二大种植面积的作物，主要分布在我国东北地区［1］。吉林省是我国最大的玉米产区，由于气候原因，吉林省秋收玉米水分含量一般高于25%，未防止贮藏的玉米霉变，需要及时进行烘干降水处理［2］。由于面临的成本压力，多数企业会人为提高粮食烘干温度，加快生产速度。玉米籽粒的温度超过333K时会造成玉米的蛋白质变性和淀粉糊化等问题［3］。因此能够保证烘干后玉米籽粒温度低于333K并且能够快速均匀烘干玉米的烘干机是未来粮食烘干机的发展方向。近年来，由于计算结果准确直观，3D有限元计算方法越来越多的应用于玉米烘干研究［4］。现在对于玉米烘干的计算方法分析，多利用Matlab等软件，构建玉米烘干数值偏微分模型，从而得到粮食水分含量随时间变化规律，但不能直观的表述玉米表面温度场的分布情况［5-6］。应用流体计算动力学软件Fluent流固热力场耦合分析可以直观的表述单个玉米表面温度分布情况。故本文利用Fluent计算流体力学软件，应用流固耦合仿真技术，直观的表述单个玉米与热空气的热质交换过程，以期为玉米烘干设备的设计提供一定的理论依据。

1 模拟分析方法

因玉米籽粒表面温度分布与玉米周围流场的流动方式密切相关，故采用Fluent软件进行数值模拟方法可以有效的模拟出玉米周围流场空间温度分布情况。采用Fluent对单个玉米干燥分析的主要步骤有:1)基于三维CAD软件Solid works对单个玉米干及空气流场几何模型的建立与简化;2)基于Hypermesh局部结构化网格划分和网格细化技术;3)基于Gambit的流固区域定义和边界条件设定;4)基于Fluent的计算模块和后处理模块来实现玉米干燥流体可视化结果显示和获取相关数据结果。

2 单个玉米干燥流体模型构建

玉米籽粒与玉米芯的形状多呈不规则圆锥型，为了准确模拟玉米籽粒及玉米芯的几何形状，利用数字工业相机对多个玉米剖面进行实体拍摄，并且利用0.02mm游标卡尺进行玉米剖面的测量，间接计算获得玉米籽粒及玉米芯的平均三维尺寸［7］。利用Auto CAD图片成像软件，在能够保证计算精度的情况下，对玉米籽粒的二维模型进行一些必要简化，构建玉米的平面尺寸。采用Solid works软件进行玉米及玉米周围流场的三维建模。针对玉米与风速入射角度为0℃、10℃、20℃、30℃，热风入口个数为1、2、3、4，建立全部16种参数组合的几何模型。采用Hyper mesh网格划分软件对三维几何模型进行网格划分，不规则部分采用自适应四面体网格划分，并且对玉米籽粒网格进行加密处理，其网格模型如图1所示。

图1 单个玉米烘干三维网格模型网格及边界条件

3 材料及边界条件的设定

玉米籽粒材料定义采用Peishi Chen提出的玉米籽粒干燥模型，利用有限单元法，增加了在潮湿和干燥条件下的水分迁移机理和来构建玉米籽粒干燥模型［8］。玉米芯及空气材料参数均通过实验测定，玉米籽粒、玉米芯材料参数如表1所示。

热风流速的设定是根据长春吉大科学仪器有限公司提供的常规8吨玉米烘干塔工艺参数进行设定。工艺参数如表 2 所示，其设置边界条件如下:设置热风入口流速为为 0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s、0.8m/s。根据自由落体方程，计算单个玉米从塔顶下落到底面时间约为2s，其设定计算时间为2s;设定流动正方向，湍流系数等;将空气出口设置为压力出口，出口压力设置为0.1Mpa;建立玉米芯与玉米籽粒间壁面，设置为固-固热力耦合壁面;玉米籽粒与空气、玉米芯与空气间壁面为固-液耦合壁面，其余壁面为默认壁面边界条件;采用K-epsilon湍流模型求解，开启能量方程，采用二阶迎风格式离散控制方程中的流固耦合传热方程、融化方程，中心差分格式离散扩散项，二阶格式离散对流项。

表1 玉米籽粒和玉米芯材料参数

表2 常规8吨玉米烘干塔工艺参数

参数 单位 数值排风机转速 r/min 1700全压 pa 999功率kw 4热风炉热功率 MJ/h 294.656输出最高温度 ℃75

4 数值模拟结果

4.1 热风入口数目改变对玉米籽粒表面温度分布影响

热空气沿着玉米径向方向进入，沿着玉米的轴向方向流出。设置热空气入口数分别为K=1、2、3、4。为保证不同入口数的热空气质量流量一定，根据计算，设置入口方向热空气流速分别为0.2m/s、0.1m/s、0.67m/s、0.5m/s。热风温度为333K。根据热空气入口数为K时玉米表面温度如图2所示，可以得出以下结论:

图2 热空气入口数为K时玉米及玉米籽粒表面温度图

1)在保证质量流量相同的情况下，入口数越多，玉米表面温度越趋近于加热温度，当K=1时，玉米籽粒表面几乎没有被加热，玉米籽粒大部分表面呈深蓝色，只有玉米芯的顶部分被加热到300K左右;当K=3时，玉米表面温度整体提高到300K左右;当K=4时，玉米籽粒表面温度可以达到314K。

2)在保证质量流量相同情况下，入口数越多，玉米籽粒表面温度分布越均匀。K=1，K=2时，玉米籽粒表面温度分布极不均匀，能明显看到大面积的浅蓝色和深蓝色低温区交汇。当K=3时，玉米籽粒表面温度分布趋于均匀，大部分呈浅蓝色。当K=4时，玉米籽粒表面温度多为314K左右，有少部分呈淡蓝色，玉米籽粒表面温度分布较均匀。

4.2 入口风速改变对玉米籽粒表面温度分布影响

设置热风入口数 K=4，风速分别为 0.2m/s、0.5m/s、0.8m/s、1.1m/s。热风温度为 333K。图 3 为风速为V时玉米及玉米籽粒表面温度图，根据图3可以得到以下结论:

图3 风速为V时玉米及玉米籽粒表面温度图

1)V=0.2m/s与V=0.5m/s时玉米籽粒表面温度多分布在314K左右，没有明显的高温区，当V=0.8m/s时，玉米籽粒表层的温度有明显的橘红色的区域，说明温度有较大提升，当风速达到1.1m/s时，玉米籽粒表面温度会进一步提升，但是对比风速为0.8m/s玉米籽粒表面温度相差不大。

2)V=0.2m/s与V=0.5m/s玉米籽粒表面温度的均匀程度相差不大，深蓝色的面积十分相近。V=0.8m/s时玉米籽粒表面温度分布逐渐变的均匀，深蓝色的低温区面积明显减小。V=1.1m/s时玉米籽粒表面深蓝色低温区进一步减小，但是橘红色高温区增加，因此认为风速为0.8m/s玉米籽粒表面温度分布最均匀。

4.3 入口热风温度改变对玉米籽粒表面温度分布影响

设置热风入口数K=4，风速为0.8m/s，同时将热风温度分别设置为T=323K、333K、343K、353K。图4为入口温度为T时玉米及玉米籽粒表面温度图，可以得到以下结论:

图4 入口温度为T时玉米及玉米籽粒表面温度图

1)从图4能够看出，当T=343K时，玉米籽粒表面温度分布最均匀，蓝色低温区面积较小。T=323K和T=333K蓝色低温区面积较大。T=353K时能够看到明显的橘红色高温区分布，温度分布极不平均。

2)T=323K时，玉米籽粒表面最高温度为317K。T=333K，玉米籽粒表面最高温度为327K。T=343K，玉米籽粒表面最高温度为333K。T=353K玉米表面最高温度为338K。当热风温度为323K、333K、343K时，玉米表面最高温度低于333K，不会改变玉米籽粒营养成分。

4.4 玉米与入口风速矢量角度改变对玉米籽粒表面温度分布影响

将热风入口数K=4，风速为0.8m/s，热风温度为343K，使其达到最优状态，同时对入口热风速度矢量与玉米角度分别为A=0°、10°、20°、30°，得到如图5所示的入口热风速度矢量与玉米角度表面温度图，从中可以得到以下结论:

图5 入口风速与玉米角度为A时玉米及玉米籽粒表面温度云图

蓝色低温区会随着角度的增大而逐渐增大，当角度大于20°后，会逐渐变小，玉米在热空气中的角度对玉米籽粒表面的温度均匀程度以及最高温度没有太大影响。

5 结语

本文以单个玉米周围流体的流体入口数、流体流动速度、流体温度以及流体流速与玉米的角度为变量，通过Fluent对烘干塔内单个玉米受热情况进行模拟分析。模拟分析表明，在保证热空气质量流量相同的情况下，玉米周围流体入口数量越多，玉米温度分布越均匀。当热空气流速为0.8m/s，温度为343K时玉米温度分布最均匀，并且玉米籽粒最高温度没有超过333K。玉米与流体流速角度的大小对玉米籽粒表面温度分布情况没有太大影响。

［1］ 李清龙.打击式玉米脱粒机脱粒过程试验研究及仿真分析［D］.长春:吉林大学，2014.

［2］ 亢霞，石天玉，贾然，等.东北地区高水分玉米烘干费用及水分减量扣量标准政策的分析研究［J］.粮油食品科技，2013.21(6):104.

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［5］ 宋佳.基于MATLAB的谷物干燥过程数值模拟及数字化设计［D］.长春:吉林大学.2014.

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