玉米烘干過程中表面溫度場有限元分析

趙丹華，李國琳

(長春大學計算科學與技術學院，長春130022)

0 引言

玉米作為國內第二大種植面積的作物，主要分布在我國東北地區［1］。吉林省是我國最大的玉米產區，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，需要及時進行烘干降水處理［2］。由于面臨的成本壓力，多數企業會人為提高糧食烘干溫度，加快生產速度。玉米籽粒的溫度超過333K時會造成玉米的蛋白質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是未來糧食烘干機的發展方向。近年來，由于計算結果準確直觀，3D有限元計算方法越來越多的應用于玉米烘干研究［4］。現在對于玉米烘干的計算方法分析，多利用Matlab等軟件，構建玉米烘干數值偏微分模型，從而得到糧食水分含量隨時間變化規律，但不能直觀的表述玉米表面溫度場的分布情況［5-6］。應用流體計算動力學軟件Fluent流固熱力場耦合分析可以直觀的表述單個玉米表面溫度分布情況。故本文利用Fluent計算流體力學軟件，應用流固耦合仿真技術，直觀的表述單個玉米與熱空氣的熱質交換過程，以期為玉米烘干設備的設計提供一定的理論依據。

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的流動方式密切相關，故采用Fluent軟件進行數值模擬方法可以有效的模擬出玉米周圍流場空間溫度分布情況。采用Fluent對單個玉米干燥分析的主要步驟有:1)基于三維CAD軟件Solid works對單個玉米干及空氣流場幾何模型的建立與簡化;2)基于Hypermesh局部結構化網格劃分和網格細化技術;3)基于Gambit的流固區域定義和邊界條件設定;4)基于Fluent的計算模塊和后處理模塊來實現玉米干燥流體可視化結果顯示和獲取相關數據結果。

2 單個玉米干燥流體模型構建

玉米籽粒與玉米芯的形狀多呈不規則圓錐型，為了準確模擬玉米籽粒及玉米芯的幾何形狀，利用數字工業相機對多個玉米剖面進行實體拍攝，并且利用0.02mm游標卡尺進行玉米剖面的測量，間接計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，在能夠保證計算精度的情況下，對玉米籽粒的二維模型進行一些必要簡化，構建玉米的平面尺寸。采用Solid works軟件進行玉米及玉米周圍流場的三維建模。針對玉米與風速入射角度為0℃、10℃、20℃、30℃，熱風入口個數為1、2、3、4，建立全部16種參數組合的幾何模型。采用Hyper mesh網格劃分軟件對三維幾何模型進行網格劃分，不規則部分采用自適應四面體網格劃分，并且對玉米籽粒網格進行加密處理，其網格模型如圖1所示。

圖1 單個玉米烘干三維網格模型網格及邊界條件

3 材料及邊界條件的設定

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理和來構建玉米籽粒干燥模型［8］。玉米芯及空氣材料參數均通過實驗測定，玉米籽粒、玉米芯材料參數如表1所示。

熱風流速的設定是根據長春吉大科學儀器有限公司提供的常規8噸玉米烘干塔工藝參數進行設定。工藝參數如表 2 所示，其設置邊界條件如下:設置熱風入口流速為為 0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s、0.8m/s。根據自由落體方程，計算單個玉米從塔頂下落到底面時間約為2s，其設定計算時間為2s;設定流動正方向，湍流系數等;將空氣出口設置為壓力出口，出口壓力設置為0.1Mpa;建立玉米芯與玉米籽粒間壁面，設置為固-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散項，二階格式離散對流項。

表1 玉米籽粒和玉米芯材料參數

表2 常規8噸玉米烘干塔工藝參數

參數 單位 數值排風機轉速 r/min 1700全壓 pa 999功率kw 4熱風爐熱功率 MJ/h 294.656輸出最高溫度 ℃75

4 數值模擬結果

4.1 熱風入口數目改變對玉米籽粒表面溫度分布影響

熱空氣沿著玉米徑向方向進入，沿著玉米的軸向方向流出。設置熱空氣入口數分別為K=1、2、3、4。為保證不同入口數的熱空氣質量流量一定，根據計算，設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。熱風溫度為333K。根據熱空氣入口數為K時玉米表面溫度如圖2所示，可以得出以下結論:

圖2 熱空氣入口數為K時玉米及玉米籽粒表面溫度圖

1)在保證質量流量相同的情況下，入口數越多，玉米表面溫度越趨近于加熱溫度，當K=1時，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色，只有玉米芯的頂部分被加熱到300K左右;當K=3時，玉米表面溫度整體提高到300K左右;當K=4時，玉米籽粒表面溫度可以達到314K。

2)在保證質量流量相同情況下，入口數越多，玉米籽粒表面溫度分布越均勻。K=1，K=2時，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色和深藍色低溫區交匯。當K=3時，玉米籽粒表面溫度分布趨于均勻，大部分呈淺藍色。當K=4時，玉米籽粒表面溫度多為314K左右，有少部分呈淡藍色，玉米籽粒表面溫度分布較均勻。

4.2 入口風速改變對玉米籽粒表面溫度分布影響

設置熱風入口數 K=4，風速分別為 0.2m/s、0.5m/s、0.8m/s、1.1m/s。熱風溫度為 333K。圖 3 為風速為V時玉米及玉米籽粒表面溫度圖，根據圖3可以得到以下結論:

圖3 風速為V時玉米及玉米籽粒表面溫度圖

1)V=0.2m/s與V=0.5m/s時玉米籽粒表面溫度多分布在314K左右，沒有明顯的高溫區，當V=0.8m/s時，玉米籽粒表層的溫度有明顯的橘紅色的區域，說明溫度有較大提升，當風速達到1.1m/s時，玉米籽粒表面溫度會進一步提升，但是對比風速為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，深藍色的面積十分相近。V=0.8m/s時玉米籽粒表面溫度分布逐漸變的均勻，深藍色的低溫區面積明顯減小。V=1.1m/s時玉米籽粒表面深藍色低溫區進一步減小，但是橘紅色高溫區增加，因此認為風速為0.8m/s玉米籽粒表面溫度分布最均勻。

4.3 入口熱風溫度改變對玉米籽粒表面溫度分布影響

設置熱風入口數K=4，風速為0.8m/s，同時將熱風溫度分別設置為T=323K、333K、343K、353K。圖4為入口溫度為T時玉米及玉米籽粒表面溫度圖，可以得到以下結論:

圖4 入口溫度為T時玉米及玉米籽粒表面溫度圖

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

2)T=323K時，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。當熱風溫度為323K、333K、343K時，玉米表面最高溫度低于333K，不會改變玉米籽粒營養成分。

4.4 玉米與入口風速矢量角度改變對玉米籽粒表面溫度分布影響

將熱風入口數K=4，風速為0.8m/s，熱風溫度為343K，使其達到最優狀態，同時對入口熱風速度矢量與玉米角度分別為A=0°、10°、20°、30°，得到如圖5所示的入口熱風速度矢量與玉米角度表面溫度圖，從中可以得到以下結論:

圖5 入口風速與玉米角度為A時玉米及玉米籽粒表面溫度云圖

藍色低溫區會隨著角度的增大而逐漸增大，當角度大于20°后，會逐漸變小，玉米在熱空氣中的角度對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 結語

本文以單個玉米周圍流體的流體入口數、流體流動速度、流體溫度以及流體流速與玉米的角度為變量，通過Fluent對烘干塔內單個玉米受熱情況進行模擬分析。模擬分析表明，在保證熱空氣質量流量相同的情況下，玉米周圍流體入口數量越多，玉米溫度分布越均勻。當熱空氣流速為0.8m/s，溫度為343K時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玉米籽粒表面溫度分布情況沒有太大影響。

［1］ 李清龍.打擊式玉米脫粒機脫粒過程試驗研究及仿真分析［D］.長春:吉林大學，2014.

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