烘干機內水稻烘干過程的數值模擬分析

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建，然后對其進行網格的劃分，將畫好網格的模型導入ansys的fluent模塊中，施加邊界條件，和相關參數的設置，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。通過分析發現烘干過程，與理想烘干效果存在一定差距，進而優化模型解決烘干過程出現的問題。

關鍵詞：多孔介質；水稻烘干；數值模擬；傳熱傳質；優化模型

0引言

水稻在烘干機中作為多孔介質[1]，由于其內部換熱、換質比較復雜[2-3]，其作用機理難于分析，但是其仍然滿足質量守恒、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：干燥機的內部結構決定了熱介質在干燥室內的分布情況，合理的結構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，氣流對室內壁產生較大壓強，進而熱氣流通過水稻間隙帶走濕度[6]；因此，掌握熱介質在干燥室的流動特征、烘干機結構合理性、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網格劃分

網格是模擬與分析的載體，其質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格劃分，在選擇網格的劃分方案時，要充分考慮網格的生成時間、計算成本以及數值耗散相關因素[11]。

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

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

（2）為了保證分快后的各個子模塊結構比較規整，應盡可能地采用結構網格。

根據以上的分塊原則，并結合研究問題的實際情況，在多孔介質區域采用比較密的網格，而在其他區域則采用相對稀疏的網格劃分，則一共生成了約50萬個網格。

3 邊界條件及區域劃分

本模型主要有三個區域，分別是Down區域主要提供從其底部提供熱空氣；porous區域也是主要分析的區域，此區域是多孔介質區域；最后是up區域，這是熱空氣從下部逐漸被壓出的區域，這個區域將會把熱空氣排出去。

另外進行邊界條件的設定，提供熱空氣的區域為，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。

4 域設置

流體域和多孔介質域都采用經典的 k-ε 湍流模型[13]，它是標準的工業模型，已經被證明是可靠的，數據上穩定，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，而多孔介質面積為各向同性；損失模型為定向損失。

5結果分析

經過在fluent軟件內進行計算，得到了：壓力云圖，溫度云圖。

筆者從壓力云圖中，分析到發現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，但是多孔介質的孔隙率很小，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，周圍和靠近內壁水稻出現烘烤不均勻現象，進而導致水稻烘干的不充分。

6結構優化處理

筆者根據以上的分析，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換，將水稻的水分蒸發，達到烘干目的。

（2）改進前的水稻烘干機，會出現烘干不充分的現象，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，符合綠色環保。

參考文獻：

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[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..

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