陳正發(fā)，車 剛,2，萬 霖,2，王洪超，曲天奇，張騏麟

稻谷四向通風(fēng)混流干燥段數(shù)值模擬與試驗

陳正發(fā)1，車 剛1,2※，萬 霖1,2，王洪超1，曲天奇1，張騏麟1

（1. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院 大慶 163319；2. 黑龍江省農(nóng)機(jī)智能裝備重點實驗室 大慶 163319）

針對稻谷豎箱式干燥段內(nèi)糧層氣流分布不均勻等問題，基于稻谷四向通風(fēng)混流干燥工藝，設(shè)計了一種適用于四向通風(fēng)混流干燥段的雙側(cè)進(jìn)氣變徑角狀管，用于提高糧層氣流分布均勻性和保持稻谷品質(zhì)?；谟嬎懔黧w動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）和多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)基本理論，建立稻谷層內(nèi)熱濕耦合傳遞的數(shù)學(xué)模型，通過運用Fluent軟件對干燥段內(nèi)稻谷靜態(tài)流場和溫濕度分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：采用雙側(cè)進(jìn)氣變徑角狀管的干燥段，有效解決了糧層流場和溫濕度沿進(jìn)氣角狀管縱向分布不均問題。采用自主研制的四向通風(fēng)混流干燥試驗臺，應(yīng)用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗方法進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化試驗，優(yōu)化參數(shù)組合：熱風(fēng)溫度43 ℃，角狀管進(jìn)口風(fēng)速為4.1 m/s，初始含水率值為18.2%時，干燥速率為1.116 %/h，爆腰率增值為1.7%，食味值為80.33，試驗結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果相符合，稻谷干燥不均勻度為0.7%，干燥效果較優(yōu)。采用雙側(cè)進(jìn)氣變徑角狀管的干燥段和優(yōu)化干燥參數(shù)具有實際應(yīng)用價值。

稻谷；干燥；四向通風(fēng)；角狀管；數(shù)值模擬；試驗

0 引 言

稻谷作為中國主要的食物來源之一，依據(jù)國家統(tǒng)計局公布的2021年全國稻谷生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，稻谷產(chǎn)量仍保持在2億t以上[1]。但每年因干燥不及時或不充分而造成的損失高達(dá)3%～5%[2-3]。因此，為防止稻谷產(chǎn)生霉變，發(fā)芽等現(xiàn)象，減少稻谷干燥環(huán)節(jié)的損失，在收獲后要及時和充分干燥處理，保證糧食產(chǎn)量和品質(zhì)[4-5]。目前，熱風(fēng)干燥降水工藝因生產(chǎn)率大，可以滿足大批量稻谷干燥需求，仍是各大農(nóng)場和糧食初加工企業(yè)等主要采取的方式。稻谷連續(xù)式熱風(fēng)干燥機(jī)主要以豎箱式居多，干燥段作為干燥機(jī)的核心部分，其內(nèi)部氣流分布情況與稻谷干燥均勻性密切相關(guān)，而干燥段內(nèi)通風(fēng)角狀管的結(jié)構(gòu)及布局是影響氣流分布的重要因素。

豎箱式干燥機(jī)的干燥段內(nèi)角狀管大多采用單向排列及單側(cè)通風(fēng)方式，因稻谷換向流動區(qū)域限制，以及穿過糧層的氣流分布沿角狀管縱向的差異[6]，導(dǎo)致稻谷干燥均勻性不一致等現(xiàn)象的出現(xiàn)，造成稻谷出現(xiàn)局部過干燥或干燥不足，嚴(yán)重影響稻谷的品質(zhì)和市場價值。為改善稻谷等糧食作物的干燥均勻性，國內(nèi)外學(xué)者和干燥機(jī)生產(chǎn)相關(guān)企業(yè)，通過在角狀管上增加通風(fēng)孔、采用緩蘇換向機(jī)構(gòu)等方式，一定程度上提升了糧層氣流分布均勻性[2,7-9]，但其存在結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定和通風(fēng)孔易堵塞等不利影響。同時有研究表明，采取單側(cè)通風(fēng)的變徑角狀管對糧層氣流分布均勻性的改善并不明顯[6]。學(xué)者又相繼提出了多向送風(fēng)的干燥段結(jié)構(gòu)，改變了干燥段內(nèi)角狀管的排列方式和進(jìn)、排氣方式[10]。但其進(jìn)氣角狀管仍主要采用單側(cè)進(jìn)風(fēng)方式，干燥段內(nèi)糧層氣流等不能完全均衡。

因此，為解決糧層氣流分布不均勻等問題，本研究將以稻谷四向通風(fēng)混流干燥工藝為主要研究對象，設(shè)計一種變徑角狀管，運用Fluent軟件對干燥段內(nèi)稻谷靜態(tài)流場和溫濕度分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬與試驗驗證，為稻谷干燥均勻性提供理論依據(jù)。并通過研究稻谷干燥的特性，優(yōu)化稻谷干燥參數(shù)，提高干燥速率及保證干燥品質(zhì)。

1 四向通風(fēng)混流干燥段工作原理

稻谷四向通風(fēng)混流烘干段以豎向式箱體為基本構(gòu)架，添加多組規(guī)則性、等距離的角狀管，形成特有的、組合混流的四向通風(fēng)干燥工藝。稻谷干燥均勻性與角狀管的結(jié)構(gòu)和布置有密切聯(lián)系，四向通風(fēng)混流干燥段內(nèi)通風(fēng)角狀管的排列方式與傳統(tǒng)混流式干燥段有明顯區(qū)別，干燥段的內(nèi)部進(jìn)、排氣角狀管采用上下垂直交錯呈“井”字形排列的方式。如圖1所示，本文四向通風(fēng)混流干燥段作業(yè)時，由干燥段四周的熱氣室為干燥段提供熱介質(zhì)，熱介質(zhì)在干燥段內(nèi)穿透稻谷層完成對稻谷的干燥作業(yè)，廢氣經(jīng)由兩側(cè)同時排氣的角狀管排出，稻谷由上方流入，經(jīng)過交錯排列的角狀管后由下方排出，進(jìn)而完成此環(huán)節(jié)的稻谷降水作業(yè)。

圖1 四向通風(fēng)混流干燥段工作原理示意圖

2 四向通風(fēng)混流干燥段設(shè)計

2.1 干燥段結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)四向通風(fēng)混流干燥原理，設(shè)計四向通風(fēng)混流干燥段。主進(jìn)氣管道分布在干燥段的對角位置，熱氣室布置在干燥段箱體的四個方向，內(nèi)部多層角狀管呈“井”字形交錯、間隔配置。角狀管采取“井”字形交錯配置，干燥段內(nèi)稻谷籽?；顒訁^(qū)域更大，可以平衡干燥段內(nèi)稻谷整體溫度，從而可以相對提高稻谷干燥均勻性，同時可避免靠熱風(fēng)室一側(cè)的稻谷顆粒長時間與高溫的鋼板相接觸，避免了此區(qū)域稻谷裂紋率較高的現(xiàn)象，實現(xiàn)均勻干燥效果。依據(jù)送風(fēng)方式、小時降水量、干燥能力和實際有效容積系數(shù)等，設(shè)計四向通風(fēng)混流干燥段的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，干燥段實際尺寸為1 m×1 m×1.08 m（長×寬×高）。

1.左熱氣管道 2.熱氣室a 3.進(jìn)氣角狀管a 4.熱氣室b 5.進(jìn)氣角狀管b 6.干燥段箱體 7.排氣角狀管a 8.右熱氣管道 9.熱氣室c 10.排氣角狀管b 11.排氣角狀管c 12.熱氣室d 13.排氣角狀管d

通過適當(dāng)減小角狀管的截面積和排列間距，采用較密集的排列，可提升干燥段內(nèi)氣流分布均勻性[11]。根據(jù)常用五邊形角狀管的幾何尺寸和間距[10,12]，如圖3確定角狀管=1 000 mm、=100 mm和=60 mm（長、寬和側(cè)板高），角狀管之間橫向間距為100 mm，垂直間距為180 mm，為保證稻谷順利流動，頂角選取為75°。為使稻谷降水幅度實現(xiàn)快速全面均衡，稻谷需在較短的行程內(nèi)完成四向通風(fēng)混流干燥作業(yè)，根據(jù)熱介質(zhì)流量和干燥段的容積等，該干燥段配置2層進(jìn)氣角狀管和4層排氣角狀管，有助于稻谷干燥均勻性。

2.2 進(jìn)氣角狀管結(jié)構(gòu)優(yōu)化

如圖3所示，為減少進(jìn)氣角狀管較長產(chǎn)生的氣流縱向流動分布差異，因此改變傳統(tǒng)角狀管單側(cè)進(jìn)氣方式，角狀管采用兩側(cè)同時送風(fēng)來縮短進(jìn)氣路徑長度，同時采取沿兩側(cè)向中心變截面的形式，有助于提升進(jìn)氣角狀管布風(fēng)均勻性。角狀管中間位置添加一個多邊形擋風(fēng)板，防止兩逆向氣流發(fā)生對撞。其中排氣角狀管值為0°，管內(nèi)無擋風(fēng)板。通過雙側(cè)進(jìn)氣變徑角狀管下方局部區(qū)域稻谷產(chǎn)生的谷層阻力來平衡進(jìn)、排氣角狀管之間產(chǎn)生的靜壓差，從而使糧層表觀風(fēng)速趨于一致。

注：α為角狀管頂角，（°）；β為變徑角度，（°）；h為側(cè)板高度，mm；L為角狀管長，mm；b為角狀管寬，mm。

基于Fluent軟件進(jìn)行雙側(cè)進(jìn)氣角狀管仿真試驗研究，根據(jù)實際作業(yè)需求，給定入口風(fēng)速值為2.5 m/s，根據(jù)雙側(cè)進(jìn)氣變徑角狀管的側(cè)板尺寸范圍確定的變化區(qū)間為0～6.8°，因此設(shè)計不同變徑角狀管所對應(yīng)的分別為0°、0.85°、1.70°、3.40°、5.10°、6.80°。

為了更客觀對稻谷層布風(fēng)均勻性進(jìn)行分析，建立一個對均勻性評價的標(biāo)準(zhǔn)，通過采用風(fēng)速不均勻系數(shù)來對截面稻谷層布風(fēng)均勻性進(jìn)行定量分析[13]，如式（1）所示。由于角狀管縱向流動產(chǎn)生的不均勻現(xiàn)象在進(jìn)氣角狀管正下方表現(xiàn)更加明顯，因此區(qū)域監(jiān)測層選取為進(jìn)氣角狀管正下方20 mm處，監(jiān)測點的分布如圖 4所示。

注：單位（mm），下同。

Note: unit (mm), the same below.

圖4 截面監(jiān)測點分布

Fig.4 Cross-section monitoring point distribution

采取同樣方式對傳統(tǒng)單側(cè)進(jìn)氣的等截面角狀管的風(fēng)速不均勻系數(shù)進(jìn)行分析，給定入口風(fēng)速值為5 m/s。稻谷層風(fēng)速平均值與不均勻系數(shù)情況如表1所示，當(dāng)雙側(cè)進(jìn)氣變徑角狀管的變徑角度為0.85°時，風(fēng)速不均勻系數(shù)為3.55%，比傳統(tǒng)單側(cè)進(jìn)氣角狀管降低了6.11個百分點，布風(fēng)均勻性得到提升，布風(fēng)效果較好。

表1 稻谷層風(fēng)速平均值與不均勻系數(shù)

根據(jù)四向通風(fēng)混流干燥段內(nèi)角狀管排列的方式和結(jié)構(gòu)尺寸等，以圖2中的進(jìn)氣角狀管a為例進(jìn)行靜力學(xué)分析。使用ANSYS 2019R2軟件內(nèi)結(jié)構(gòu)分析模塊進(jìn)行靜力學(xué)分析，雙側(cè)進(jìn)氣變徑角狀管的材料選用Q235鋼，板材厚度為1.2 mm，取稻谷密度為570 kg/m3，對角狀管兩斜面各區(qū)域施加均布載荷[14]。施加載荷所對應(yīng)的最大應(yīng)變和應(yīng)力分別為4.29′10-5和8.86 MPa，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，處于材料線彈性階段，符合胡克定律，其最大應(yīng)力值小于Q235的許用應(yīng)力，雙側(cè)進(jìn)氣變徑角狀管的靜強(qiáng)度與剛度滿足使用要求。

2.3 干燥段CFD數(shù)值模擬分析

2.3.1 稻谷層內(nèi)熱濕耦合傳遞數(shù)學(xué)模型

為便于干燥段內(nèi)稻谷層靜態(tài)流場和溫濕度分布情況模擬分析工作，基于計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）和多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)基本理論，建立稻谷層內(nèi)熱濕耦合傳遞的數(shù)學(xué)模型。

在稻谷實際干燥過程中，熱介質(zhì)由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入到干燥段箱體內(nèi)進(jìn)行干燥作業(yè)，廢氣則由出風(fēng)口離開干燥段，此過程中存在一些的不定因素。仿真時的理論控制方程指在理想狀態(tài)下，為了簡化模型計算，因此提出以下的假設(shè)：假設(shè)干燥過程中稻谷籽粒體積狀態(tài)不發(fā)生改變；干燥段內(nèi)稻谷層視為均勻分布的多孔介質(zhì)材料，并具有各向同性；干燥段內(nèi)部熱介質(zhì)為連續(xù)、不可壓縮的理想氣體；忽略稻谷自身呼吸作用產(chǎn)生的自發(fā)熱量。因此，稻谷層內(nèi)熱濕耦合傳遞控制方程如下：

1）連續(xù)性方程

稻谷層內(nèi)連續(xù)性方程[15]，由式（2）表示為

2）動量方程

稻谷層被視為均勻分布的多孔介質(zhì)材料，在標(biāo)準(zhǔn)通用動量守恒方程基礎(chǔ)上再加上動量源項S，對空氣在糧層內(nèi)流動阻力進(jìn)行描述[15]，由式（3）表示為

該動量源項S由兩部分組成：一部分為黏性阻力損失項，另一部分是慣性阻力損失項[16-17]，簡化后的動量源項S，由（4）表示為

其損失系數(shù)根據(jù)Ergun經(jīng)驗公式，由式（5）和（6） 表示

3）能量方程

稻谷層內(nèi)熱量傳遞滿足能量守恒定律[18]，由式（7）表示為

式中k為糧層有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；H為糧層的總體熱量；c、c、為表示為空氣的比熱、稻谷的比熱和水的比熱，J/(kg·K)；M為稻谷干基含水率，%；為溫度，K；S為熱量源項[19]，由式（8）表示為

4）稻谷層內(nèi)水分遷移方程

稻谷層內(nèi)的水分轉(zhuǎn)移過程遵循質(zhì)量守恒定律[22-23]。由式（11）表示為

式中為濕空氣的含濕量[24]，kg/kg；D為濕空氣通過稻谷層的有效擴(kuò)散系數(shù)[25]，D=5.7×10-6m2/s；S為水分變化的源項[19]。

式中P為大氣壓力，Pa；P為水蒸氣的分壓力，Pa。

2.3.2 干燥段網(wǎng)格劃分與條件設(shè)定

使用UG 12.0完成干燥段的實體建模，通過Fluent Meshing進(jìn)行多面體網(wǎng)格劃分，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證，共計生成約188萬個網(wǎng)格。

干燥段內(nèi)角狀管區(qū)域具有顯著的湍流流動特性，因此選用標(biāo)準(zhǔn)-模型。針對多孔介質(zhì)區(qū)域，其風(fēng)速迅速降低，流場狀態(tài)為層流，因此需選擇Laminar zone模型分析。選用SIMPLE算法進(jìn)行數(shù)值模擬計算。

依據(jù)干燥機(jī)實際運行參數(shù)，設(shè)定雙側(cè)進(jìn)氣角狀管的入口風(fēng)速為2.5 m/s，根據(jù)試驗條件，環(huán)境溫度為15 ℃，熱介質(zhì)溫度為40 ℃；稻谷初始濕基含水率為19%（干基含水率為23.46%），稻谷層孔隙率取為0.55，密度為570 kg/m3；稻谷比熱為2 051.6 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.11 W/(m·K)。廢氣出口與大氣直接相連，因此選擇表壓為0 Pa的壓力出口。

采用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，經(jīng)干燥60 min后，研究配置雙側(cè)進(jìn)氣變徑角狀管的干燥段內(nèi)稻谷層靜態(tài)流場和溫濕度分布均勻性，進(jìn)而檢驗干燥段的干燥效果。由于干燥段結(jié)構(gòu)的對稱性和仿真結(jié)果的相似性，選取高度位置分別為=730 mm、910 mm的-截面進(jìn)行結(jié)果分析，并通過在角狀管所在位置的正下方區(qū)域選取均勻分布的812個數(shù)據(jù)點進(jìn)行極差值、標(biāo)準(zhǔn)差等計算分析。

2.3.3 稻谷層內(nèi)熱濕耦合傳遞數(shù)學(xué)模型的驗證

通過在干燥段箱體上開設(shè)檢測孔，使用管道式溫度傳感器（北京昆侖遠(yuǎn)洋儀表科技有限公司）對A和B兩點溫度進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測點布置如圖5所示，通過靜態(tài)稻谷干燥試驗，將監(jiān)測點溫度試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。

如圖6所示，結(jié)果表明：干燥段內(nèi)監(jiān)測點A和B的溫度模擬值均大于實測值，因為模擬時將稻谷層視為孔隙均勻分布的多孔介質(zhì)，將干燥段箱體進(jìn)行簡化并設(shè)為絕熱壁面，以及忽略外界環(huán)境變化干擾，因此產(chǎn)生誤差。在干燥約45 min后，A和B兩監(jiān)測點試驗值與模擬值變化趨勢基本一致，在45～60 min內(nèi)，A點和B點的試驗值和模擬值溫度平均誤差為2.8 ℃。因此當(dāng)干燥時間大于45 min時，應(yīng)用此數(shù)學(xué)模型對干燥段內(nèi)稻谷層靜態(tài)流場和溫濕度分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析是可行的。

圖5 監(jiān)測點A和B位置

圖6 監(jiān)測點A和B溫度數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比

2.3.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

1）干燥段風(fēng)速場數(shù)值模擬結(jié)果

如圖7a所示，采用雙側(cè)進(jìn)氣變徑角狀管的干燥段內(nèi)-截面的速度云圖。含有通風(fēng)角狀管所對應(yīng)區(qū)域的風(fēng)速高于其他區(qū)域。=730 mm截面處，進(jìn)氣角狀管所在位置的正下方區(qū)域平均風(fēng)速為0.28 m/s，極差值為0.07 m/s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.01 m/s，變異系數(shù)為3.57%，該區(qū)域基本已實現(xiàn)均勻布風(fēng)，明顯改善了采用單側(cè)進(jìn)氣角狀管內(nèi)，遠(yuǎn)離進(jìn)氣端一側(cè)風(fēng)速偏大的現(xiàn)象。=910 mm截面處，由于四向通風(fēng)混流干燥段的排氣角狀管采用兩端同時排出廢氣的方式，所以靠近出風(fēng)口處風(fēng)速相對較大，排氣角狀管所在位置的正下方區(qū)域稻谷層風(fēng)速平均值為0.16 m/s，極差值為0.06 m/s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.01 m/s，變異系數(shù)為6.25%。

2）干燥段壓力場數(shù)值模擬結(jié)果

由圖7b所示，=730 mm截面處，位于進(jìn)氣角狀管正下方區(qū)域壓力值高于其他區(qū)域，其平均值為22.97 Pa，極差值為4.40 Pa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.94 Pa，變異系數(shù)為4.09%，靠近進(jìn)氣端口處的壓力值相對較低，沿著角狀管縱向距離增加，稻谷層局部壓力實現(xiàn)均勻分布。=910mm截面處，由于排氣角狀管是兩側(cè)排氣，所以靠近排氣端口處壓力偏低，由兩側(cè)向中心位置逐漸增加，排氣角狀管所在位置的正下方區(qū)域稻谷層壓力平均值為3.33 Pa，極差值為2.12 Pa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.53 Pa，變異系數(shù)為15.91%。

3）干燥段內(nèi)稻谷溫度數(shù)值模擬結(jié)果

由圖7c所示，=730 mm截面處，位于進(jìn)氣角狀管所在位置的正下方區(qū)域稻谷溫度高于相鄰角狀管之間區(qū)域，平均溫度為39.20 ℃，極差值為1.00 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.16 ℃，變異系數(shù)為0.41%，已實現(xiàn)均勻分布。=910 mm截面處，位于排氣角狀管下方和進(jìn)風(fēng)角狀管上方無交界區(qū)域的多孔介質(zhì)溫度較高，這與進(jìn)、排氣角狀管呈“井”字排列方式有直接關(guān)系，位于排氣角狀管所在位置的正下方區(qū)域稻谷溫度平均溫度為31.07 ℃，極差值為3.22 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.82 ℃，變異系數(shù)為2.64%，各區(qū)域內(nèi)溫度分布情況大致相同。

4）干燥段內(nèi)稻谷含水率數(shù)值模擬結(jié)果

如圖7d所示，圖中含水率指為干基含水率，受糧面表觀風(fēng)速、壓力和稻谷溫度等共同影響，=730 mm截面處，位于進(jìn)氣角狀管正下方區(qū)域平均含水率為18.30%，極差值為0.60%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.07%，變異系數(shù)為0.38%，各區(qū)域降水幅度基本一致，已基本達(dá)到均勻干燥。=910 mm截面處，因進(jìn)、排氣角狀管的排列方式影響，熱介質(zhì)通過流量大的區(qū)域降水速率較快，位于排氣角狀管正下方區(qū)域平均含水率為20.64%，極差值為0.55%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.13%，變異系數(shù)為0.63%，整體來看，各區(qū)域含水率分布情況基本一致。

圖7 干燥段X-Y截面速度、壓力、稻谷溫度和含水率分布

2.4 干燥段風(fēng)速場均勻性試驗分析

2.4.1 試驗方案

干燥段內(nèi)熱介質(zhì)氣流分布的均勻性是決定干燥段作業(yè)時性能優(yōu)良的關(guān)鍵，對谷物干燥后品質(zhì)有重要影響[26]。熱介質(zhì)風(fēng)速場的不均勻性會導(dǎo)致谷物出現(xiàn)局部過干燥或干燥不足的現(xiàn)象，易導(dǎo)致稻谷變色或爆腰等。因此，為檢驗角狀管結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的四向通風(fēng)混流干燥段的可行性，主要研究在滿載狀態(tài)下干燥段內(nèi)風(fēng)速分布情況，經(jīng)初步試驗結(jié)合仿真結(jié)果，給予角狀管進(jìn)口風(fēng)速為2.5 m/s。在干燥段的壁板上開設(shè)檢測孔，采用管道式風(fēng)速傳感器（北京昆侖遠(yuǎn)洋儀表科技有限公司）測定各測量點的風(fēng)速。在測量風(fēng)速前先使干燥設(shè)備保持運行15 min左右，待干燥段內(nèi)風(fēng)速場穩(wěn)定后進(jìn)行各點風(fēng)速測量。

根據(jù)實際試驗臺結(jié)構(gòu)，干燥段內(nèi)的測量點分布位置如圖8所示，沿軸為進(jìn)氣方向，沿軸為排氣方向，對于進(jìn)風(fēng)角狀管下方約40 mm的截面共計25個測量點，排氣角狀管下方約40 mm的截面共計20個測量點。

2.4.2 試驗結(jié)果分析

如圖9a所示，位于進(jìn)氣角狀管下方風(fēng)速場分布情況可知，截面平均風(fēng)速約為0.44 m/s，風(fēng)速不均勻系數(shù)為7.11%，沿進(jìn)風(fēng)方向中心區(qū)域與截面邊緣區(qū)域風(fēng)速差異較小，由中心區(qū)域向干燥段邊緣逐漸實現(xiàn)風(fēng)場均勻分布。如圖9b所示，位于排氣角狀管下方風(fēng)速場分布情況可知，靠近角狀管出風(fēng)口處風(fēng)速較大約為0.31 m/s，不同區(qū)域風(fēng)速差別不大，截面平均風(fēng)速約為0.27 m/s，風(fēng)速不均勻系數(shù)為11.48%。位于進(jìn)氣角狀管和排氣角狀管下方風(fēng)速不均勻系數(shù)模擬值分別為2.94%和6.35%，試驗值與模擬值平均誤差為4.65%。總體來看，干燥段內(nèi)風(fēng)速場分布較均勻。

圖8 干燥段內(nèi)的測量點分布

圖9 風(fēng)速場分布圖

3 稻谷四向通風(fēng)混流干燥參數(shù)優(yōu)化試驗

3.1 材料與設(shè)備

采用品種為松粳16的稻谷作為試驗材料，收獲后的稻谷經(jīng)過除雜處理后保存。稻谷干燥試驗地點在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)智能干燥實驗室進(jìn)行，試驗設(shè)備主要包括自主研制的四向通風(fēng)混流干燥試驗臺、熱源系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、進(jìn)排糧機(jī)構(gòu)和檢測設(shè)備等，干燥試驗臺如圖 10所示。

1.機(jī)架 2.干燥段 3.左熱氣管道 4.斗式提升機(jī) 5.右熱氣管道 6.排糧機(jī)構(gòu)

3.2 試驗方法

對收獲后的稻谷進(jìn)行除雜，并對其充分?jǐn)嚢杌旌?。試驗前，使用Kett谷物水分檢測儀對稻谷含水率進(jìn)行3次測量，取平均數(shù)作為稻谷初始含水率。試驗環(huán)境溫度平均約為15 ℃，熱風(fēng)溫度和風(fēng)速由安裝在進(jìn)氣室和進(jìn)氣角狀管端口處的溫濕度傳感器及風(fēng)速傳感器監(jiān)控。首先開啟熱源設(shè)備，使風(fēng)速和熱介質(zhì)溫度達(dá)到要求，之后進(jìn)行裝糧。根據(jù)試驗臺實際工作參數(shù)，約每10 min完成一次循環(huán)干燥作業(yè)，稻谷的質(zhì)量流量為3 300 kg/h。干燥前期間隔10 min測量試驗臺排出的稻谷含水率，干燥后期間隔5 min測量一次。對同一批次的稻谷檢測3次取其平均值并記錄，當(dāng)?shù)竟葷窕蔬_(dá)到14.0%～14.2%時，結(jié)束試驗。

稻谷烘干后取適量的樣品密封保存，48 h后利用JLGJ-45電動礱谷機(jī)進(jìn)行稻谷脫殼處理，得到糙米。使用自制爆腰燈和JMWT12 V2外觀檢測儀對干燥前后糙米的外觀檢測，之后使用JSWL型大米食味計進(jìn)行糙米的食味值指標(biāo)檢測，分別對同一批次樣品進(jìn)行3次取樣檢測，取平均值記錄。

以熱風(fēng)溫度、角狀管進(jìn)口風(fēng)速和初始含水率為試驗因素，選擇干燥速率、爆腰率增值和食味值作為評價指標(biāo)，因素水平編碼表如表2所示，設(shè)計三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，分析熱風(fēng)溫度、角狀管進(jìn)口風(fēng)速和初始含水率對稻谷干燥速率、爆腰率增值和食味值的影響規(guī)律，建立對應(yīng)的回歸方程，得出優(yōu)化干燥參數(shù)組合，試驗結(jié)果如表3所示。

表2 因素水平編碼表

3.3 試驗結(jié)果與分析

表3 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗及結(jié)果

通過采用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行回歸擬合后，得出各因素對干燥速率、爆腰率增值和食味值的回歸方程。經(jīng)方差分析與顯著性結(jié)果分析得出，3組回歸方程均顯著（<0.01），同時失擬項值均不顯著，表明各項回歸方程的擬合度較優(yōu)。刪去不顯著因素，分別建立各因素編碼值回歸方程。

3.4 試驗結(jié)果與分析

3.4.1 各因素對稻谷干燥速率的影響

1）熱風(fēng)溫度和角狀管進(jìn)口風(fēng)速的交互作用

圖11a表示當(dāng)初始含水率為18.0%時，熱風(fēng)溫度和角狀管進(jìn)口風(fēng)速交互作用對干燥速率的影響。由圖可知，干燥速率隨著熱風(fēng)溫度或角狀管進(jìn)口風(fēng)速的升高而上升。

2）熱風(fēng)溫度和初始含水率的交互作用

圖11b表示當(dāng)角狀管進(jìn)口風(fēng)速為4 m/s時，熱風(fēng)溫度和初始含水率交互作用對干燥速率的影響。由圖可知，相比較下熱風(fēng)溫度的影響更為顯著。當(dāng)初始含水率固定不變時，熱風(fēng)溫度越高，干燥速率也越快。當(dāng)熱風(fēng)溫度固定不變時，隨著初始含水率的增加，干燥速率先升高后降低。

3）角狀管進(jìn)口風(fēng)速和初始含水率的交互作用

圖11c表示當(dāng)熱風(fēng)溫度為45 ℃時，角狀管進(jìn)口風(fēng)速和初始含水率交互作用對干燥速率的影響。由圖可知，相比較下角狀管進(jìn)口風(fēng)速的影響更為顯著。當(dāng)初始含水率固定不變時，風(fēng)速越大，干燥速率也越快。當(dāng)風(fēng)速固定不變時，隨著初始含水率的增加，干燥速率先升高后降低。

3.4.2 各因素對稻谷爆腰率增值的影響

1）熱風(fēng)溫度和角狀管進(jìn)口風(fēng)速的交互作用

圖12a表示當(dāng)初始含水率為18.0%時，熱風(fēng)溫度和角狀管進(jìn)口風(fēng)速交互作用對爆腰率增值的影響。由圖可知，熱風(fēng)溫度對稻谷爆腰率增值的影響更為顯著。當(dāng)熱風(fēng)溫度為35～45 ℃，角狀管進(jìn)口風(fēng)速為2.0～4.5 m/s時，稻谷爆腰率增值可控制在2%以下。

2）熱風(fēng)溫度和初始含水率的交互作用

圖12b表示當(dāng)角狀管進(jìn)口風(fēng)速為4 m/s時，熱風(fēng)溫度和初始含水率交互作用對爆腰率增值的影響。由圖可知，熱風(fēng)溫度對爆腰率增值有更顯著影響。當(dāng)熱風(fēng)溫度為35～44 ℃，初始含水率為17%～19%時，稻谷爆腰率增值可處于較低范圍內(nèi)。

3）角狀管進(jìn)口風(fēng)速和初始含水率交互作用對爆腰率增值的影響

圖12c表示當(dāng)熱風(fēng)溫度為45 ℃時，角狀管進(jìn)口風(fēng)速和初始含水率交互作用對爆腰率增值的影響。由圖可知，角狀管進(jìn)口風(fēng)速的影響要高于稻谷初始含水率，當(dāng)風(fēng)速值為2.0～4.1 m/s，初始含水率為17.5%～20.0%時，稻谷爆腰率增值可處于較低范圍內(nèi)。

3.4.3 各因素對稻谷食味值的影響

1）熱風(fēng)溫度和角狀管進(jìn)口風(fēng)速的交互作用

圖13a表示當(dāng)初始含水率為18.0%時，熱風(fēng)溫度和角狀管進(jìn)口風(fēng)速交互作用對食味值的影響。由圖可知，相比較下熱風(fēng)溫度的影響更為顯著，當(dāng)風(fēng)速固定不變時，隨著溫度的增加，食味值先升高后降低。當(dāng)熱風(fēng)溫度為36～44 ℃，風(fēng)速為2.5～4.5 m/s時，食味值可保持較高范圍。

2）熱風(fēng)溫度和初始含水率的交互作用

圖13b表示當(dāng)角狀管進(jìn)口風(fēng)速為4 m/s時，熱風(fēng)溫度和初始含水率交互作用對食味值的影響。由圖可知，熱風(fēng)溫度的對食味值的影響更為顯著。當(dāng)初始含水率不變時，食味值隨著熱風(fēng)溫度升高而降低。當(dāng)熱風(fēng)溫度固定不變時，隨著初始含水率的增加，食味值也呈上升趨勢。當(dāng)熱風(fēng)溫度為35～45 ℃，初始含水率為18%～20%時，食味值可保持較高范圍。

3）角狀管進(jìn)口風(fēng)速和初始含水率的交互作用

圖13c表示當(dāng)熱風(fēng)溫度為45 ℃時，角狀管進(jìn)口風(fēng)速和初始含水率交互作用對食味值的影響。由圖可知，當(dāng)風(fēng)速固定不變時，食味值隨著初始含水率的增加而升高。當(dāng)初始含水率固定不變時，隨著風(fēng)速的上升，食味值先上升后下降。當(dāng)風(fēng)速為2.0～4.2 m/s，初始含水率為18%～20%時，食味值可保持較高范圍。

注：固定因素為初始含水率為18%，進(jìn)口風(fēng)速為4 m·s-1，熱風(fēng)溫度為45 ℃，下同。

圖12 交互因素對爆腰率增值的影響

圖13 交互因素對食味值的影響

3.5 優(yōu)化與驗證

運用軟件優(yōu)化最佳干燥參數(shù)組合需設(shè)定邊界條件，并建立數(shù)學(xué)模型。分析得到的數(shù)學(xué)模型如式（17）所示。

在Design-Expert 8.0.6軟件內(nèi)優(yōu)化模塊完成各干燥參數(shù)優(yōu)化，最優(yōu)的參數(shù)處理后實際取值為熱風(fēng)溫度43 ℃，角狀管進(jìn)口風(fēng)速為4.1 m/s，初始含水率值為18.2%時，干燥性能最優(yōu)。按照優(yōu)化的參數(shù)組合，經(jīng)3次重復(fù)試驗取平均值，優(yōu)化與試驗結(jié)果如表4所示。由結(jié)果可知，實際結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果相差不大，各項指標(biāo)都處于較優(yōu)水平。

表4 優(yōu)化與試驗結(jié)果

在干燥段與排糧裝置之間位置選取一截面，通過選取25個位置的稻谷樣本進(jìn)行含水率檢測，得出其干燥不均勻度為0.7%，處于較優(yōu)的水平，可以滿足稻谷均勻性干燥需求。

4 結(jié) 論

1）應(yīng)用Fluent軟件對不同變徑角度的雙側(cè)進(jìn)氣角狀管布風(fēng)均勻性進(jìn)行數(shù)值模擬仿真研究，結(jié)果表明：當(dāng)變徑角度為0.85°，此時角狀管正下方截面風(fēng)速不均勻系數(shù)為3.55%，較比傳統(tǒng)單側(cè)進(jìn)氣角狀管降低了6.11個百分點，布風(fēng)效果較優(yōu)。靜力學(xué)結(jié)果表明：優(yōu)化后的角狀管應(yīng)力與應(yīng)變曲線呈線性關(guān)系，處于材料線彈性階段，符合使用要求。

2）基于計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）和多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)基本理論，建立稻谷層內(nèi)熱濕耦合傳遞的數(shù)學(xué)模型。對干燥段內(nèi)稻谷層靜態(tài)流場和溫濕度分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬仿真分析模擬結(jié)果驗證。結(jié)果表明：采用雙側(cè)進(jìn)氣變徑角狀管的干燥段明顯改善了稻谷層流場和溫濕度分布不均的現(xiàn)象，有利于稻谷均勻性干燥。由干燥段風(fēng)速場試驗結(jié)果可知，進(jìn)氣和排氣角狀管下方風(fēng)速不均勻系數(shù)試驗值與模擬值平均誤差為4.65%，干燥段內(nèi)風(fēng)速場分布較均勻。

3）通過二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，并使用Design-Expert 8.0.6軟件完成優(yōu)化求解，得出最優(yōu)工作參數(shù)組合為：熱風(fēng)溫度為43 ℃，角狀管進(jìn)口風(fēng)速為4.1 m/s，稻谷初始含水率為18.2%時，干燥效果較優(yōu)。根據(jù)優(yōu)化后的干燥參數(shù)組合進(jìn)行試驗得到稻谷的干燥速率為1.116 %/h，稻谷爆腰率增值為1.7%，食味值為80.33，優(yōu)化值與實際誤差較小，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。稻谷烘干后水分不均勻度為0.7%，干燥均勻性較好，該干燥段具有實際的應(yīng)用價值。

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Numerical simulation and experiment of four-way ventilation mixed flow drying section for rice

Chen Zhengfa1, Che Gang1,2※, Wan Lin1,2, Wang Hongchao1, Qu Tianqi1, Zhang Qilin1

(1.,,163319,; 2.,163319,)

Rice is one of the most significant cash crops, with a yield of over 200 million tons each year in China. After harvesting, the rice grain can be dried in time to prevent mold, sprouting, and other defects, particularly for the high yield and quality. Hot-air drying has been the primary approach for drying rice. However, the uniform drying cannot be fully met using one-way ventilation with vertical box-type hot-air dryers. The uniform distribution of airflow can depend mainly on the structure and arrangement of the angle tubes in the drying section. In this study, four-way ventilation was proposed for the mixed-flow drying section, in order to improve the uniformity of airflow distribution in the grain layer for high rice quality. The double-side inlet variable diameter air ducts were also designed in this case. A mathematical model was then established to couple the heat and moisture transfer within the rice layer using the CFD platform, according to the porous media heat and mass transfer theory. FLUENT software was also used to simulate the static flow field, temperature, and humidity distribution in the drying section. The simulation results showed that the best reducer angle of the double-side inlet air duct was 0.85°, fully meeting the industrial requirement of uniform air distribution in the drying section. The wind velocity non-uniformity coefficient of the section below the inlet air duct was reduced by 6.11 percentage points after optimization. The uneven distribution of flow field, temperature, and moisture were obtained along the longitudinal direction of the inlet air duct using double-side inlet variable diameter air ducts in the drying section. An experimental bench was also utilized to verify the simulation. The three-factor five-level quadratic orthogonal rotation combination and parameters optimization were carried out with the temperature of hot air, the air velocity, and the initial moisture content as the experimental factors, while the drying rate, the crackle-added ratio, and the taste value as the experimental index. Design Expert 8.0.6 was utilized to analyze the experimental data for the regression equations and response surface plots. The optimal combination of operating parameters was obtained as follows. The optimal hot-air temperature, the inlet air velocity of the air duct, and the initial moisture content were calculated as 43℃, 4.1m/s, and 18.2%, respectively, where the drying rate, crackle-added ratio, and taste value were 1.116 %/h, 1.7%, and 80.33 points, respectively. Anyway, the experimental parameters were better consistent with the mathematical modelling. The drying experiments showed that the moisture non-uniformity of the rice was less than 0.7%, indicating the better drying performance of four-way ventilation mixed flow drying section for rice. The drying section with optimal parameters can be expected to apply for the double inlet variable diameter air ducts during rice drying. This finding can provide an effective reference to optimize the drying process after rice harvesting.

rice; drying; four-way ventilation; air duct; numerical simulation; experiment

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.24.026

S226.6

A

1002-6819(2022)-24-0237-11

陳正發(fā)，車剛，萬霖，等. 稻谷四向通風(fēng)混流干燥段數(shù)值模擬與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2022，38(24)：237-247.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.24.026 http://www.tcsae.org

Chen Zhengfa, Che Gang, Wan Lin, et al. Numerical simulation and experiment of four-way ventilation mixed flow drying section for rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(24): 237-247. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.24.026 http://www.tcsae.org

2022-07-28

2022-09-30

國家重點研發(fā)計劃項目（2021YFD2100901）；黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計劃重大項目（GA15B402）

陳正發(fā)，博士生，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品干燥技術(shù)及裝備。Email：1551713319@qq.com

車剛，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為農(nóng)機(jī)智能裝備與農(nóng)產(chǎn)品保質(zhì)節(jié)能干燥技術(shù)。Email：chegang180@126.com