孟斐

摘 要：本文在介紹CFD技術理論的基礎上，通過CFD技術在農產品干燥領域中應用的研究，闡述CFD技術在不同農產品選擇最佳干燥工藝參數，以及在干燥機械設備優(yōu)化中的應用。研究結果表明，CFD技術能夠用最低成本、最短時間對干燥過程進行模擬分析及預測，提出當前存在的問題和未來發(fā)展的趨勢，制定更合理有效的生產方案，并，為CFD技術在農產品干燥領域中的應用提供參考依據。

關鍵詞：農產品干燥;CFD技術;發(fā)展趨勢

中圖分類號：S226.6 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：1003-5168（2021）30-0025-03

Abstract： On the basis of introducing CFD technology theory， the application of CFD technology in the selection of the best drying process parameters of different agricultural products and the optimization of drying machinery and equipment were respectively expounded through the research in the field of agricultural products drying by using CFD technology. The results show that CFD technology can simulate， analyze and predict the drying process with the lowest cost and shortest time， make a more reasonable and effective production plan， and put forward the existing problems and future development trend， so as to make a reference for CFD technology in the agricultural drying field.

Keywords： dry agricultural products; CFD technology; development trend

河南省俗稱中原糧倉，是中國主要的農產品產區(qū)。但時常會發(fā)生農產品霉變、害蟲污染等情況，造成嚴重的經濟損失。因此，農產品干燥初加工是保障糧食安全質量方面非常重要的環(huán)節(jié)。20世紀末，研究人員發(fā)現，利用干燥設備對農產品進行產后干燥處理后，發(fā)現農產品發(fā)生霉變的概率降低，農產品品質得到顯著提高，但不能把控各干燥因素的影響，無法得到最佳的干燥條件。此外，干燥設備的結構設計不合理也會影響農產品干燥流場的不均勻性，造成干燥效率低下，且不具備廣泛適用性。如今，隨著計算機技術和數值模擬技術的快速發(fā)展，研究人員通過構建物理模型，用合理的求解方法計算出農產品干燥過程中傳熱傳質的控制方程，得到各個干燥因素的分布規(guī)律，為農產品提供了最佳的干燥工藝參數、干燥設備的結構優(yōu)化設計，同時為實驗方案的驗證提供合理的依據[1]。本文在介紹CFD技術的理論基礎上，重點闡述CFD技術在農產品最佳干燥工藝參數選擇與干燥設備結構優(yōu)化中的研究應用，對CFD技術在未來農產品干燥領域中的應用給予總結和展望。

1 CFD技術的理論概述

1.1 CFD技術的控制方程

1.1.1 質量守恒方程。干燥的目的是減少農產品的含水率。因此，質量守恒方程能描述干燥過程中水分的傳遞，質量守恒方程表達式如式（1）。

1.2 控制方程的離散

描述干燥介質流動與傳遞熱量的基本方程為偏微分方程，很難得到解析解。因此，采用離散化方法將連續(xù)的計算域分割成眾多子區(qū)域，并將連續(xù)的偏微分方程按照離散化方法轉化為代數問題，得到數值近似解。目前，常用的離散化方法有：有限差分法、有限元法、有限體積法。有限差分法是研究較早、使用方便、發(fā)展較成熟的一種離散化方法。但是在處理較復雜的問題時，有限元法、有限體積法更加簡單。有限體積法容易理解，能直接應用于各種物理模型，農產品干燥數值模擬領域大多采用有限體積法。表1為三種不同離散化方法的應用特點。

1.3 流場的求解計算

對流場進行求解的本質就是對離散化方程進行求解，常用的求解方法有耦合求解法、分離求解法[2]。表2為兩種不同求解方法的特點和缺點對比。

2 CFD技術在農產品干燥中應用的研究現狀

2.1 CFD技術在選擇最佳干燥工藝參數中的應用

在實際干燥試驗中，不合理的干燥條件會降低農產品品質，會導致農產品焦糊或干燥效果不理想，且造成能源消耗、農產品浪費。目前，研究人員利用CFD技術對干燥過程中的溫度、速度、壓力等干燥因素進行數值模擬分析，可以清晰地了解各干燥因素的變化規(guī)律，從而得到最佳的干燥工藝參數，為各干燥因素對農產品干燥過程的影響提供理論依據。

任海偉等[3]為了研究太陽能干燥室內不同入口風速對氣流的分布情況，運用CFD技術對不同風速進行模擬仿真，模擬結果表明：在速度為2 m/s時，干燥室中間部分沒有熱氣流流動;速度為10 m/s時，干燥室出現回流，氣流流動不均勻;最佳的入口速度為6 m/s。徐雪萌等[4]為確定濕面條干燥過程中的最佳干燥參數，建立濕熱傳質數學模型，設置干燥箱內溫度分別為50 ℃、60 ℃、70 ℃，風速為3 m/s，加熱時間為300 s，利用CFD技術模擬分析干燥過程中溫度場的分布情況，結果表明：溫度為70 ℃、干燥時間為150 s是濕面條最佳干燥工藝參數。龔中良等[5]以油茶籽網帶式干燥機為研究對象，采用CFD技術對干燥箱體內溫度場進行數值模擬分析，結果表明：當入口風速為6～8 m/s時，干燥箱體內溫度分布情況較均勻，干燥后的油茶籽品質最佳。Pierre-Sylvain Mirade[9]等利用CFD技術模擬分析食品在不同成熟期發(fā)酵室內氣流分布情況，結果表明，室內氣流分布不均勻，會不利于食品的成熟，而且也驗證CFD技術可以廣泛應用于食品加工，為改善發(fā)酵室結構提供理論依據。Waseem Amjad[10]等為了解決間歇式干燥機內氣流分布不均勻的缺點，通過改進干燥機入口為對角氣流通道，并運用CFD技術對改進干燥箱進行模擬仿真，得到氣流分布情況有顯著的改善，驗證干燥箱的結構優(yōu)化改進具有可行性。王攀[11]等運用CFD技術對食用菌熱風干燥裝置內氣流進行模擬仿真分析，并進一步優(yōu)化干燥裝置結構。熱風干燥模擬試驗和香菇干燥實驗結果表明：增添弧形導流板和均風板能顯著提高烘干室內氣流均勻性;各組香菇失水率基本保持一致的趨勢驗證了該優(yōu)化結構的可行性。

綜上所述，為了確保實現干制品具有較好的色澤、較佳的口感、細胞內營養(yǎng)物質變化小的目標，許多研究人員利用CFD技術根據不同農產品自身特性確定最佳干燥工藝參數，為未來干制品產業(yè)化提供良好的理論基礎。

2.2 CFD技術在干燥設備優(yōu)化中的應用

近幾年，為了提高干燥效率、降低能源消耗，大量研究人員不斷對干燥設備進行優(yōu)化設計。由于干燥設備體型龐大，優(yōu)化試驗成本較高，往往易造成人力和經濟的損失。因此，一些學者就利用CFD技術構建物理模型模擬分析干燥設備的流場分布情況，為優(yōu)化干燥設備結構提供可靠的參考依據。

趙丹華等[6]為解決玉米烘干塔干燥不均勻問題，運用CFD技術模擬分析烘干塔內溫度場的分布情況，模擬結果顯示：高溫入口處存在大量的熱損失，為熱風入口處的優(yōu)化改進提供依據。董繼先等[7]為改善干燥箱體內部流場分布不均勻的缺點，選擇最佳干燥箱的結構，運用CFD技術對傳統(tǒng)式、平行送風式、懸掛式三種不同類型干燥箱內流場分布情況進行對比分析，結果表明：平行送風式干燥箱內部流場均勻性高于其他兩種類型的干燥箱。于海明等[8]以微波熱風耦合干燥機中的氣流分配室為研究對象，利用CFD技術模擬分析氣流分配室的結構對氣流均勻性的影響，結果表明：調整氣流分配室的腔前板高度、上頂角角度、邊壁傾斜角都會對氣流均勻性造成影響，可為氣流分配室的結構優(yōu)化提供可行性依據。

綜上所述，研究人員運用CFD技術對干燥設備模擬仿真分析，并進一步優(yōu)化設計，確保農產品各處干燥均勻，實現農產品干燥品質可靠、提高干燥效率、降低能源消耗的目標，為以后干燥設備的發(fā)展奠定基礎。

3 總結與展望

為了減少農產品在堆積中發(fā)生霉變，提高糧食品質，將CFD技術應用在干燥領域顯得尤為重要。國內外學者利用CFD技術能直觀模擬分析干燥室內溫度、壓力、風速等物理場的分布規(guī)律，從而優(yōu)化干燥設備的結構，以及確定農產品的最佳干燥工藝參數，在一定程度上減少了干燥試驗工作量，能夠用最低成本、最短時間對干燥過程進行模擬分析以及預測，提出更合理有效的生產方案。目前，CFD技術是由建模軟件、網格劃分軟件、求解軟件、后處理軟件協(xié)同工作實現對干燥過程的模擬仿真，操作過程復雜，使用不方便。在未來，應開發(fā)融建模、網格劃分、求解等為一體的軟件，降低操作復雜性，實現CFD技術在農產品干燥領域中有更多的應用。

參考文獻：

[1] 王丹陽，王潔，于文澤，等.數值模擬技術在糧食干燥過程中應用的研究進展[J/OL].中國糧油學報，2021，12.[2021-03-16].

[2] 李萬平.計算流體力學[M].武漢：華中科技大學出版社，2004.

[3] 任海偉，李金平，劉增光，等.太陽能干燥室內部氣流場分布CFD數值模擬[J].農業(yè)機械學報，2012（S1）：235-238.

[4] 徐雪萌，林冬華，陳留記，等.基于ANSYS數值模擬的生鮮面條干燥工藝參數的優(yōu)化[J].中國糧油學報，2018（8）：87-93.

[5] 龔中良，陳昌和，陶宇超，等.油茶籽網帶式干燥機的溫度均勻性仿真研究[J].農機化研究，2021（6）：42-46.

[6] 趙丹華，李國琳.基于fluent的玉米烘干塔內溫度仿真研究[J].農業(yè)與技術，2015（17）：38-40.

[7] 董繼先，王文茹.果蔬干燥設備的數值分析與設計[J].食品工業(yè)，2017（3）：183-185.

[8] 于海明，李海源，汪春，等.秧盤干燥機氣流分配室流場均勻性仿真分析[J].農機化研究，2020（2）：15-21.

[9] Mirade P S .Computational fluid dynamics （CFD） modelling applied to the ripening of fermented food products： Basics and advances[J].Trends in Food Science & Technology，2008，19（9）：472-481.

[10] Amjad W ， Munir A ， Esper A ，et al. Spatial homogeneity of drying in a batch type food dryer with diagonal air flow design[J].Journal of Food Engineering，2015，144（1）：148-155.

[11] 王攀，熊昌國，易文裕，等.基于CFD的食用菌熱風干燥裝置的研究[J].包裝與食品機械，2019，37（6）：42-45.