陳永耀

摘 要：文章通過運用gambit軟件，對研究烘干機進行物理模型的創(chuàng)建，然后對其進行網(wǎng)格的劃分，將畫好網(wǎng)格的模型導入ansys的fluent模塊中，施加邊界條件，和相關參數(shù)的設置，最后進行模擬求解，得到了水稻的水稻在烘干機中烘干情況的溫度場和壓力場分布云圖。通過分析發(fā)現(xiàn)烘干過程，與理想烘干效果存在一定差距，進而優(yōu)化模型解決烘干過程出現(xiàn)的問題。

關鍵詞：多孔介質(zhì)；水稻烘干；數(shù)值模擬；傳熱傳質(zhì)；優(yōu)化模型

0引言

水稻在烘干機中作為多孔介質(zhì)[1]，由于其內(nèi)部換熱、換質(zhì)比較復雜[2-3]，其作用機理難于分析，但是其仍然滿足質(zhì)量守恒、能量守恒、和動量守恒定律[4]；牟國良，張學軍，朱自成，等研究了：干燥機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了熱介質(zhì)在干燥室內(nèi)的分布情況，合理的結(jié)構(gòu)設計不僅可提高物料干燥的均勻性，還能提高干燥效率，降低能耗[5]；代建武，肖紅偉，白竣文，等人研究了氣體射流沖擊干燥機氣流分配室流場模擬，氣流對室內(nèi)壁產(chǎn)生較大壓強，進而熱氣流通過水稻間隙帶走濕度[6]；因此，掌握熱介質(zhì)在干燥室的流動特征、烘干機結(jié)構(gòu)合理性、以及熱空氣的流動速率和提高流場的分布均勻性，對于改善干燥質(zhì)量和降低能耗具有重要意義[7]。文章主要研究和解決在換熱、換質(zhì)過程中由于流場分布不均勻造成干燥不充分的原因，從而改進模型盡量提高干燥的充分性。

1模型描述

建模時默認選用烘干機中心為坐標軸原點。

2網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格是模擬與分析的載體，其質(zhì)量對于計算精度和計算效率有著極為重要的影響。文章選用gambit軟件對物理模型進行網(wǎng)格劃分，在選擇網(wǎng)格的劃分方案時，要充分考慮網(wǎng)格的生成時間、計算成本以及數(shù)值耗散相關因素[11]。

為了在保證計算精度的同時能夠節(jié)約時間，采用分塊劃分網(wǎng)格的方案。分塊的基本原則：

（1）在幾何結(jié)構(gòu)以及流態(tài)比較復雜的區(qū)域，就是水稻堆積的區(qū)域也是重點研究的區(qū)域，對網(wǎng)格進行加密，而在空氣中流動的區(qū)域，不是重點研究的地方，可以相應的加粗網(wǎng)格，以節(jié)省計算資源。

（2）為了保證分快后的各個子模塊結(jié)構(gòu)比較規(guī)整，應盡可能地采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

根據(jù)以上的分塊原則，并結(jié)合研究問題的實際情況，在多孔介質(zhì)區(qū)域采用比較密的網(wǎng)格，而在其他區(qū)域則采用相對稀疏的網(wǎng)格劃分，則一共生成了約50萬個網(wǎng)格。

3 邊界條件及區(qū)域劃分

本模型主要有三個區(qū)域，分別是Down區(qū)域主要提供從其底部提供熱空氣；porous區(qū)域也是主要分析的區(qū)域，此區(qū)域是多孔介質(zhì)區(qū)域；最后是up區(qū)域，這是熱空氣從下部逐漸被壓出的區(qū)域，這個區(qū)域?qū)褵峥諝馀懦鋈ァ?/p>

另外進行邊界條件的設定，提供熱空氣的區(qū)域為，速度進入，提供的熱空氣為350K，速度為0.58m/s。出口壓力輸出，默認狀態(tài)。

4 域設置

流體域和多孔介質(zhì)域都采用經(jīng)典的 k-ε 湍流模型[13]，它是標準的工業(yè)模型，已經(jīng)被證明是可靠的，數(shù)據(jù)上穩(wěn)定，具有很好的預測能力，既準確又易于收斂。壁面則采用基于 k-ω 方程的自動壁面處理模型，而多孔介質(zhì)面積為各向同性；損失模型為定向損失。

5結(jié)果分析

經(jīng)過在fluent軟件內(nèi)進行計算，得到了：壓力云圖，溫度云圖。

筆者從壓力云圖中，分析到發(fā)現(xiàn)壓力最大的地方在其最底層，這是由于水稻在烘干機中，其為多孔介質(zhì)，但是多孔介質(zhì)的孔隙率很小，導致必須有足夠大的壓力，才能將熱空氣壓入上層，但是壓力過大將會出現(xiàn)以下幾種情況：

（1）如果提供的熱空氣壓力不足將會導致下層熱空氣堆積，甚至如果下層烘干箱體的性能不好，容易將該層金屬箱壓爆。

（2）熱空氣進入上層不足，導致下層水稻烘干過快，上層水稻烘干不足，這樣導致水稻烘干不充分，下次水稻含水量過低失去活性，上層水稻含水量幾乎沒有降低達不到烘干效果。

水稻在烘干機中，溫度升高最快的是：底部和中間部分。左右靠近容器壁的區(qū)域溫度升高不明顯，如果長時間通熱，這樣就造成了底部水稻和中間水稻烘烤過干，周圍和靠近內(nèi)壁水稻出現(xiàn)烘烤不均勻現(xiàn)象，進而導致水稻烘干的不充分。

6結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理

筆者根據(jù)以上的分析，對模型進行了初步的改進，這樣改進的效果能夠一定程度上的解決烘干過程中出現(xiàn)的問題。

改進后的模型為分層裝置模型，這樣的好處就是能解決上面模型出現(xiàn)的問題。

（1）該模型是分層模型，分為上下兩層，熱空氣先進入底層，然后由于水稻的阻擋，熱空氣會向上經(jīng)過管道進入上層水稻，這樣由于水稻的阻礙，兩層熱空氣都會增加壓力，隨著壓力增加，熱空氣進入水稻開始對水稻進行熱量轉(zhuǎn)換，將水稻的水分蒸發(fā)，達到烘干目的。

（2）改進前的水稻烘干機，會出現(xiàn)烘干不充分的現(xiàn)象，主要是因為水稻在烘干機的厚度太大。改進后，水稻厚度大大減少，可以將水稻充分烘干，而且所用時間減少，效率提高。

（3）改進后的水稻烘干機，大部分能量作為水稻烘干的能量，能量利用率提高，符合綠色環(huán)保。

參考文獻：

[1]任廣躍，張忠杰，朱文學，段續(xù)，Ren Guangyue，Zhang Zhongjie，Zhu Wenxue，Duan Xu. 糧食干燥技術的應用及發(fā)展趨勢[J].中國糧油學報 2011

[2] 王麗紅，高振江，肖紅偉，等.圣女果的氣體射流沖擊干燥動力學[J].江蘇大學學報，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]王福軍.計算流體力學分析 CFD 軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004：122-131.

[5]牟國良，張學軍，朱自成，等.循環(huán)式物料干燥機的研制[J].機械工程與自動化，2014，（2）：87—88.

[6]代建武，肖紅偉，白竣文，等.氣體射流沖擊干燥機氣流分配室流場模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學報，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] 張凱，王瑞金，王剛.Fluent技術基礎與應用實例[M].北京：清華大學出版社.2010.

[9]弋曉康，吳文福，崔何磊，等.物料熱風干燥特性的單因素試驗研究[J].農(nóng)機化研究，2012，34（10）：148—151.

[10]吳飛青，胥芳，張立彬，等.基于多孔介質(zhì)溫室加熱環(huán)境數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2011，42（2）：180一185.