烘干機(jī)內(nèi)水稻烘干過程的數(shù)值模擬分析

陳永耀

摘 要：文章通過運(yùn)用gambit軟件，對研究烘干機(jī)進(jìn)行物理模型的創(chuàng)建，然后對其進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，將畫好網(wǎng)格的模型導(dǎo)入ansys的fluent模塊中，施加邊界條件，和相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，最后進(jìn)行模擬求解，得到了水稻的水稻在烘干機(jī)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(jìn)而優(yōu)化模型解決烘干過程出現(xiàn)的問題。

關(guān)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(jī)中作為多孔介質(zhì)[1]，由于其內(nèi)部換熱、換質(zhì)比較復(fù)雜[2-3]，其作用機(jī)理難于分析，但是其仍然滿足質(zhì)量守恒、能量守恒、和動(dòng)量守恒定律[4]；牟國良，張學(xué)軍，朱自成，等研究了：干燥機(jī)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(shè)計(jì)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(jī)氣流分配室流場模擬，氣流對室內(nèi)壁產(chǎn)生較大壓強(qiáng)，進(jìn)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(dòng)特征、烘干機(jī)結(jié)構(gòu)合理性、以及熱空氣的流動(dòng)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(jìn)模型盡量提高干燥的充分性。

1模型描述

建模時(shí)默認(rèn)選用烘干機(jī)中心為坐標(biāo)軸原點(diǎn)。

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(jì)算精度和計(jì)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(jìn)行網(wǎng)格劃分，在選擇網(wǎng)格的劃分方案時(shí)，要充分考慮網(wǎng)格的生成時(shí)間、計(jì)算成本以及數(shù)值耗散相關(guān)因素[11]。

為了在保證計(jì)算精度的同時(shí)能夠節(jié)約時(shí)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(fù)雜的區(qū)域，就是水稻堆積的區(qū)域也是重點(diǎn)研究的區(qū)域，對網(wǎng)格進(jìn)行加密，而在空氣中流動(dòng)的區(qū)域，不是重點(diǎn)研究的地方，可以相應(yīng)的加粗網(wǎng)格，以節(jié)省計(jì)算資源。

（2）為了保證分快后的各個(gè)子模塊結(jié)構(gòu)比較規(guī)整，應(yīng)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(shí)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(gè)網(wǎng)格。

3 邊界條件及區(qū)域劃分

本模型主要有三個(gè)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(gè)區(qū)域?qū)?huì)把熱空氣排出去。

另外進(jìn)行邊界條件的設(shè)定，提供熱空氣的區(qū)域?yàn)椋俣冗M(jìn)入，提供的熱空氣為350K，速度為0.58m/s。出口壓力輸出，默認(rèn)狀態(tài)。

4 域設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(yù)測能力，既準(zhǔn)確又易于收斂。壁面則采用基于 k-ω 方程的自動(dòng)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(jìn)行計(jì)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(jī)中，其為多孔介質(zhì)，但是多孔介質(zhì)的孔隙率很小，導(dǎo)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(huì)出現(xiàn)以下幾種情況：

（1）如果提供的熱空氣壓力不足將會(huì)導(dǎo)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(jìn)入上層不足，導(dǎo)致下層水稻烘干過快，上層水稻烘干不足，這樣導(dǎo)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(dá)不到烘干效果。

水稻在烘干機(jī)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(shí)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(jìn)而導(dǎo)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(jìn)行了初步的改進(jìn)，這樣改進(jìn)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(jìn)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(jìn)入底層，然后由于水稻的阻擋，熱空氣會(huì)向上經(jīng)過管道進(jìn)入上層水稻，這樣由于水稻的阻礙，兩層熱空氣都會(huì)增加壓力，隨著壓力增加，熱空氣進(jìn)入水稻開始對水稻進(jìn)行熱量轉(zhuǎn)換，將水稻的水分蒸發(fā)，達(dá)到烘干目的。

（2）改進(jìn)前的水稻烘干機(jī)，會(huì)出現(xiàn)烘干不充分的現(xiàn)象，主要是因?yàn)樗驹诤娓蓹C(jī)的厚度太大。改進(jìn)后，水稻厚度大大減少，可以將水稻充分烘干，而且所用時(shí)間減少，效率提高。

（3）改進(jìn)后的水稻烘干機(jī)，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。

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