趙丹華，李國琳

(長春大學(xué)計(jì)算科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春130022)

0 引言

玉米作為國內(nèi)第二大種植面積的作物，主要分布在我國東北地區(qū)［1］。吉林省是我國最大的玉米產(chǎn)區(qū)，由于氣候原因，吉林省秋收玉米水分含量一般高于25%，未防止貯藏的玉米霉變，需要及時(shí)進(jìn)行烘干降水處理［2］。由于面臨的成本壓力，多數(shù)企業(yè)會(huì)人為提高糧食烘干溫度，加快生產(chǎn)速度。玉米籽粒的溫度超過333K時(shí)會(huì)造成玉米的蛋白質(zhì)變性和淀粉糊化等問題［3］。因此能夠保證烘干后玉米籽粒溫度低于333K并且能夠快速均勻烘干玉米的烘干機(jī)是未來糧食烘干機(jī)的發(fā)展方向。近年來，由于計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確直觀，3D有限元計(jì)算方法越來越多的應(yīng)用于玉米烘干研究［4］?，F(xiàn)在對(duì)于玉米烘干的計(jì)算方法分析，多利用Matlab等軟件，構(gòu)建玉米烘干數(shù)值偏微分模型，從而得到糧食水分含量隨時(shí)間變化規(guī)律，但不能直觀的表述玉米表面溫度場(chǎng)的分布情況［5-6］。應(yīng)用流體計(jì)算動(dòng)力學(xué)軟件Fluent流固熱力場(chǎng)耦合分析可以直觀的表述單個(gè)玉米表面溫度分布情況。故本文利用Fluent計(jì)算流體力學(xué)軟件，應(yīng)用流固耦合仿真技術(shù)，直觀的表述單個(gè)玉米與熱空氣的熱質(zhì)交換過程，以期為玉米烘干設(shè)備的設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

1 模擬分析方法

因玉米籽粒表面溫度分布與玉米周圍流場(chǎng)的流動(dòng)方式密切相關(guān)，故采用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬方法可以有效的模擬出玉米周圍流場(chǎng)空間溫度分布情況。采用Fluent對(duì)單個(gè)玉米干燥分析的主要步驟有:1)基于三維CAD軟件Solid works對(duì)單個(gè)玉米干及空氣流場(chǎng)幾何模型的建立與簡化;2)基于Hypermesh局部結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格細(xì)化技術(shù);3)基于Gambit的流固區(qū)域定義和邊界條件設(shè)定;4)基于Fluent的計(jì)算模塊和后處理模塊來實(shí)現(xiàn)玉米干燥流體可視化結(jié)果顯示和獲取相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果。

2 單個(gè)玉米干燥流體模型構(gòu)建

玉米籽粒與玉米芯的形狀多呈不規(guī)則圓錐型，為了準(zhǔn)確模擬玉米籽粒及玉米芯的幾何形狀，利用數(shù)字工業(yè)相機(jī)對(duì)多個(gè)玉米剖面進(jìn)行實(shí)體拍攝，并且利用0.02mm游標(biāo)卡尺進(jìn)行玉米剖面的測(cè)量，間接計(jì)算獲得玉米籽粒及玉米芯的平均三維尺寸［7］。利用Auto CAD圖片成像軟件，在能夠保證計(jì)算精度的情況下，對(duì)玉米籽粒的二維模型進(jìn)行一些必要簡化，構(gòu)建玉米的平面尺寸。采用Solid works軟件進(jìn)行玉米及玉米周圍流場(chǎng)的三維建模。針對(duì)玉米與風(fēng)速入射角度為0℃、10℃、20℃、30℃，熱風(fēng)入口個(gè)數(shù)為1、2、3、4，建立全部16種參數(shù)組合的幾何模型。采用Hyper mesh網(wǎng)格劃分軟件對(duì)三維幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，不規(guī)則部分采用自適應(yīng)四面體網(wǎng)格劃分，并且對(duì)玉米籽粒網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，其網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 單個(gè)玉米烘干三維網(wǎng)格模型網(wǎng)格及邊界條件

3 材料及邊界條件的設(shè)定

玉米籽粒材料定義采用Peishi Chen提出的玉米籽粒干燥模型，利用有限單元法，增加了在潮濕和干燥條件下的水分遷移機(jī)理和來構(gòu)建玉米籽粒干燥模型［8］。玉米芯及空氣材料參數(shù)均通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定，玉米籽粒、玉米芯材料參數(shù)如表1所示。

熱風(fēng)流速的設(shè)定是根據(jù)長春吉大科學(xué)儀器有限公司提供的常規(guī)8噸玉米烘干塔工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。工藝參數(shù)如表 2 所示，其設(shè)置邊界條件如下:設(shè)置熱風(fēng)入口流速為為 0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s、0.8m/s。根據(jù)自由落體方程，計(jì)算單個(gè)玉米從塔頂下落到底面時(shí)間約為2s，其設(shè)定計(jì)算時(shí)間為2s;設(shè)定流動(dòng)正方向，湍流系數(shù)等;將空氣出口設(shè)置為壓力出口，出口壓力設(shè)置為0.1Mpa;建立玉米芯與玉米籽粒間壁面，設(shè)置為固-固熱力耦合壁面;玉米籽粒與空氣、玉米芯與空氣間壁面為固-液耦合壁面，其余壁面為默認(rèn)壁面邊界條件;采用K-epsilon湍流模型求解，開啟能量方程，采用二階迎風(fēng)格式離散控制方程中的流固耦合傳熱方程、融化方程，中心差分格式離散擴(kuò)散項(xiàng)，二階格式離散對(duì)流項(xiàng)。

表1 玉米籽粒和玉米芯材料參數(shù)

表2 常規(guī)8噸玉米烘干塔工藝參數(shù)

參數(shù) 單位 數(shù)值排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速 r/min 1700全壓 pa 999功率kw 4熱風(fēng)爐熱功率 MJ/h 294.656輸出最高溫度 ℃75

4 數(shù)值模擬結(jié)果

4.1 熱風(fēng)入口數(shù)目改變對(duì)玉米籽粒表面溫度分布影響

熱空氣沿著玉米徑向方向進(jìn)入，沿著玉米的軸向方向流出。設(shè)置熱空氣入口數(shù)分別為K=1、2、3、4。為保證不同入口數(shù)的熱空氣質(zhì)量流量一定，根據(jù)計(jì)算，設(shè)置入口方向熱空氣流速分別為0.2m/s、0.1m/s、0.67m/s、0.5m/s。熱風(fēng)溫度為333K。根據(jù)熱空氣入口數(shù)為K時(shí)玉米表面溫度如圖2所示，可以得出以下結(jié)論:

圖2 熱空氣入口數(shù)為K時(shí)玉米及玉米籽粒表面溫度圖

1)在保證質(zhì)量流量相同的情況下，入口數(shù)越多，玉米表面溫度越趨近于加熱溫度，當(dāng)K=1時(shí)，玉米籽粒表面幾乎沒有被加熱，玉米籽粒大部分表面呈深藍(lán)色，只有玉米芯的頂部分被加熱到300K左右;當(dāng)K=3時(shí)，玉米表面溫度整體提高到300K左右;當(dāng)K=4時(shí)，玉米籽粒表面溫度可以達(dá)到314K。

2)在保證質(zhì)量流量相同情況下，入口數(shù)越多，玉米籽粒表面溫度分布越均勻。K=1，K=2時(shí)，玉米籽粒表面溫度分布極不均勻，能明顯看到大面積的淺藍(lán)色和深藍(lán)色低溫區(qū)交匯。當(dāng)K=3時(shí)，玉米籽粒表面溫度分布趨于均勻，大部分呈淺藍(lán)色。當(dāng)K=4時(shí)，玉米籽粒表面溫度多為314K左右，有少部分呈淡藍(lán)色，玉米籽粒表面溫度分布較均勻。

4.2 入口風(fēng)速改變對(duì)玉米籽粒表面溫度分布影響

設(shè)置熱風(fēng)入口數(shù) K=4，風(fēng)速分別為 0.2m/s、0.5m/s、0.8m/s、1.1m/s。熱風(fēng)溫度為 333K。圖 3 為風(fēng)速為V時(shí)玉米及玉米籽粒表面溫度圖，根據(jù)圖3可以得到以下結(jié)論:

圖3 風(fēng)速為V時(shí)玉米及玉米籽粒表面溫度圖

1)V=0.2m/s與V=0.5m/s時(shí)玉米籽粒表面溫度多分布在314K左右，沒有明顯的高溫區(qū)，當(dāng)V=0.8m/s時(shí)，玉米籽粒表層的溫度有明顯的橘紅色的區(qū)域，說明溫度有較大提升，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到1.1m/s時(shí)，玉米籽粒表面溫度會(huì)進(jìn)一步提升，但是對(duì)比風(fēng)速為0.8m/s玉米籽粒表面溫度相差不大。

2)V=0.2m/s與V=0.5m/s玉米籽粒表面溫度的均勻程度相差不大，深藍(lán)色的面積十分相近。V=0.8m/s時(shí)玉米籽粒表面溫度分布逐漸變的均勻，深藍(lán)色的低溫區(qū)面積明顯減小。V=1.1m/s時(shí)玉米籽粒表面深藍(lán)色低溫區(qū)進(jìn)一步減小，但是橘紅色高溫區(qū)增加，因此認(rèn)為風(fēng)速為0.8m/s玉米籽粒表面溫度分布最均勻。

4.3 入口熱風(fēng)溫度改變對(duì)玉米籽粒表面溫度分布影響

設(shè)置熱風(fēng)入口數(shù)K=4，風(fēng)速為0.8m/s，同時(shí)將熱風(fēng)溫度分別設(shè)置為T=323K、333K、343K、353K。圖4為入口溫度為T時(shí)玉米及玉米籽粒表面溫度圖，可以得到以下結(jié)論:

圖4 入口溫度為T時(shí)玉米及玉米籽粒表面溫度圖

1)從圖4能夠看出，當(dāng)T=343K時(shí)，玉米籽粒表面溫度分布最均勻，藍(lán)色低溫區(qū)面積較小。T=323K和T=333K藍(lán)色低溫區(qū)面積較大。T=353K時(shí)能夠看到明顯的橘紅色高溫區(qū)分布，溫度分布極不平均。

2)T=323K時(shí)，玉米籽粒表面最高溫度為317K。T=333K，玉米籽粒表面最高溫度為327K。T=343K，玉米籽粒表面最高溫度為333K。T=353K玉米表面最高溫度為338K。當(dāng)熱風(fēng)溫度為323K、333K、343K時(shí)，玉米表面最高溫度低于333K，不會(huì)改變玉米籽粒營養(yǎng)成分。

4.4 玉米與入口風(fēng)速矢量角度改變對(duì)玉米籽粒表面溫度分布影響

將熱風(fēng)入口數(shù)K=4，風(fēng)速為0.8m/s，熱風(fēng)溫度為343K，使其達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，同時(shí)對(duì)入口熱風(fēng)速度矢量與玉米角度分別為A=0°、10°、20°、30°，得到如圖5所示的入口熱風(fēng)速度矢量與玉米角度表面溫度圖，從中可以得到以下結(jié)論:

圖5 入口風(fēng)速與玉米角度為A時(shí)玉米及玉米籽粒表面溫度云圖

藍(lán)色低溫區(qū)會(huì)隨著角度的增大而逐漸增大，當(dāng)角度大于20°后，會(huì)逐漸變小，玉米在熱空氣中的角度對(duì)玉米籽粒表面的溫度均勻程度以及最高溫度沒有太大影響。

5 結(jié)語

本文以單個(gè)玉米周圍流體的流體入口數(shù)、流體流動(dòng)速度、流體溫度以及流體流速與玉米的角度為變量，通過Fluent對(duì)烘干塔內(nèi)單個(gè)玉米受熱情況進(jìn)行模擬分析。模擬分析表明，在保證熱空氣質(zhì)量流量相同的情況下，玉米周圍流體入口數(shù)量越多，玉米溫度分布越均勻。當(dāng)熱空氣流速為0.8m/s，溫度為343K時(shí)玉米溫度分布最均勻，并且玉米籽粒最高溫度沒有超過333K。玉米與流體流速角度的大小對(duì)玉米籽粒表面溫度分布情況沒有太大影響。

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