烘干机内水稻烘干过程的数值模拟分析

陈永耀

摘 要：文章通过运用gambit软件，对研究烘干机进行物理模型的创建，然后对其进行网格的划分，将画好网格的模型导入ansys的fluent模块中，施加边界条件，和相关参数的设置，最后进行模拟求解，得到了水稻的水稻在烘干机中烘干情况的温度场和压力场分布云图。通过分析发现烘干过程，与理想烘干效果存在一定差距，进而优化模型解决烘干过程出现的问题。

关键词：多孔介质；水稻烘干；数值模拟；传热传质；优化模型

0引言

水稻在烘干机中作为多孔介质[1]，由于其内部换热、换质比较复杂[2-3]，其作用机理难于分析，但是其仍然满足质量守恒、能量守恒、和动量守恒定律[4]；牟国良，张学军，朱自成，等研究了：干燥机的内部结构决定了热介质在干燥室内的分布情况，合理的结构设计不仅可提高物料干燥的均匀性，还能提高干燥效率，降低能耗[5]；代建武，肖红伟，白竣文，等人研究了气体射流冲击干燥机气流分配室流场模拟，气流对室内壁产生较大压强，进而热气流通过水稻间隙带走湿度[6]；因此，掌握热介质在干燥室的流动特征、烘干机结构合理性、以及热空气的流动速率和提高流场的分布均匀性，对于改善干燥质量和降低能耗具有重要意义[7]。文章主要研究和解决在换热、换质过程中由于流场分布不均匀造成干燥不充分的原因，从而改进模型尽量提高干燥的充分性。

1模型描述

建模时默认选用烘干机中心为坐标轴原点。

2网格划分

网格是模拟与分析的载体，其质量对于计算精度和计算效率有着极为重要的影响。文章选用gambit软件对物理模型进行网格划分，在选择网格的划分方案时，要充分考虑网格的生成时间、计算成本以及数值耗散相关因素[11]。

为了在保证计算精度的同时能够节约时间，采用分块划分网格的方案。分块的基本原则：

（1）在几何结构以及流态比较复杂的区域，就是水稻堆积的区域也是重点研究的区域，对网格进行加密，而在空气中流动的区域，不是重点研究的地方，可以相应的加粗网格，以节省计算资源。

（2）为了保证分快后的各个子模块结构比较规整，应尽可能地采用结构网格。

根据以上的分块原则，并结合研究问题的实际情况，在多孔介质区域采用比较密的网格，而在其他区域则采用相对稀疏的网格划分，则一共生成了约50万个网格。

3 边界条件及区域划分

本模型主要有三个区域，分别是Down区域主要提供从其底部提供热空气；porous区域也是主要分析的区域，此区域是多孔介质区域；最后是up区域，这是热空气从下部逐渐被压出的区域，这个区域将会把热空气排出去。

另外进行边界条件的设定，提供热空气的区域为，速度进入，提供的热空气为350K，速度为0.58m/s。出口压力输出，默认状态。

4 域设置

流体域和多孔介质域都采用经典的 k-ε 湍流模型[13]，它是标准的工业模型，已经被证明是可靠的，数据上稳定，具有很好的预测能力，既准确又易于收敛。壁面则采用基于 k-ω 方程的自动壁面处理模型，而多孔介质面积为各向同性；损失模型为定向损失。

5结果分析

经过在fluent软件内进行计算，得到了：压力云图，温度云图。

笔者从压力云图中，分析到发现压力最大的地方在其最底层，这是由于水稻在烘干机中，其为多孔介质，但是多孔介质的孔隙率很小，导致必须有足够大的压力，才能将热空气压入上层，但是压力过大将会出现以下几种情况：

（1）如果提供的热空气压力不足将会导致下层热空气堆积，甚至如果下层烘干箱体的性能不好，容易将该层金属箱压爆。

（2）热空气进入上层不足，导致下层水稻烘干過快，上层水稻烘干不足，这样导致水稻烘干不充分，下次水稻含水量过低失去活性，上层水稻含水量几乎没有降低达不到烘干效果。

水稻在烘干机中，温度升高最快的是：底部和中间部分。左右靠近容器壁的区域温度升高不明显，如果长时间通热，这样就造成了底部水稻和中间水稻烘烤过干，周围和靠近内壁水稻出现烘烤不均匀现象，进而导致水稻烘干的不充分。

6结构优化处理

笔者根据以上的分析，对模型进行了初步的改进，这样改进的效果能够一定程度上的解决烘干过程中出现的问题。

改进后的模型为分层装置模型，这样的好处就是能解决上面模型出现的问题。

（1）该模型是分层模型，分为上下两层，热空气先进入底层，然后由于水稻的阻挡，热空气会向上经过管道进入上层水稻，这样由于水稻的阻碍，两层热空气都会增加压力，随着压力增加，热空气进入水稻开始对水稻进行热量转换，将水稻的水分蒸发，达到烘干目的。

（2）改进前的水稻烘干机，会出现烘干不充分的现象，主要是因为水稻在烘干机的厚度太大。改进后，水稻厚度大大减少，可以将水稻充分烘干，而且所用时间减少，效率提高。

（3）改进后的水稻烘干机，大部分能量作为水稻烘干的能量，能量利用率提高，符合绿色环保。

参考文献：

[1]任广跃，张忠杰，朱文学，段续，Ren Guangyue，Zhang Zhongjie，Zhu Wenxue，Duan Xu. 粮食干燥技术的应用及发展趋势[J].中国粮油学报 2011

[2] 王丽红，高振江，肖红伟，等.圣女果的气体射流冲击干燥动力学[J].江苏大学学报，201l，5（9）：540—544.

[3]Juan TO RRES LEDESMA，Numerical Simulation of the Solar Thermal Energy Storage system for domestic hot water supply located in south Spain[J].THERMAL SCIENCE，2013，17（2）：431-442.

[4]王福军.计算流体力学分析 CFD 软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004：122-131.

[5]牟国良，张学军，朱自成，等.循环式物料干燥机的研制[J].机械工程与自动化，2014，（2）：87—88.

[6]代建武，肖红伟，白竣文，等.气体射流冲击干燥机气流分配室流场模拟与结构优化[J].农业工程学报，2013，29（3）：69—76

[7]Syed Shah Khalid，Difference between Fixed and Variable Pitch Vertical Axis Tidal Turbine-Using CFD Analysis in CFX [J].Research Journal of Applied Sciences，Engineering and Technology，2013，5（1）：319-325..

[8] 张凯，王瑞金，王刚.Fluent技术基础与应用实例[M].北京：清华大学出版社.2010.

[9]弋晓康，吴文福，崔何磊，等.物料热风干燥特性的单因素试验研究[J].农机化研究，2012，34（10）：148—151.

[10]吴飞青，胥芳，张立彬，等.基于多孔介质温室加热环境数值模拟[J].农业机械学报，2011，42（2）：180一185.