基于離散元理論的烘干設備內糧食流動性實驗研究

◎ 孫慧男，夏朝勇，張卓青

（鄭州中糧科研設計院有限公司，河南 鄭州 450053）

1 概述

糧食干燥是關系到糧食收儲保質保量的關鍵環節之一，干燥設備的設計應采用科學可行的設計依據和方法，以保證干燥品質、降低能耗。熱風干燥技術是一種高溫快速干燥技術，該種技術不受氣候條件限制，干燥時間短，一般只有幾小時或一天，生產能力較大，目前市場應用較廣[1]。但其也有一些弊端，如影響設備性能因素較多，烘干塔設計不合理，引起熱風分布不均，甚至在塔內產生渦流。不但使糧食降水不均，而且極易引起烘干塔著火[2]。

熱風干燥中干燥介質熱風的溫度、風量和干燥時間非常重要。熱風溫度過高，會出現糧食局部焦糊甚至發生火災的情況，溫度過低則使干燥效率降低，增加成本。因此，烘干設備各參數的合理匹配至關重要，迫切需求科學的研究方法。國內外對干燥過程模擬的研究也在不斷深入，各種干燥技術軟件的開發對干燥機的設計和產品質量的改進起到了極其重要的作用[3-5]。如朱學文等[6]表示，干燥不均勻性既降低了干燥效率又影響了烘干物料的品質，干燥室機構、物料在干燥室中的位置等顯著影響物料的干燥特性及干燥均勻性，因此其進行穿流箱式干燥機典型物料干燥特性和干燥均勻性的試驗研究。曹崇文[7]利用自行開發的HL-e軟件對混流式糧食干燥機進行了計算機模擬，研究了角狀盒的結構、尺寸數目和在機內的分布對干燥機生產率熱耗的影響。但是，目前的干燥設備設計制造仍然缺乏先進科學技術的支撐，大多依靠設計人員的個人經驗，尤其是對于干燥機內部物料通道、布風機構、緩速容積的設計無章可循，造成設備性能的提升遭遇瓶頸。多年來，廣大科技人員投入了大量人力、物力，開展了大量實驗研究，由于糧食干燥受外界影響因素較大，即使是相同的實驗條件其結果也不一定相同；而數值模擬的方法則避免了實驗研究方法的局限性，通過實驗與模擬的有效結合，不僅減少了大量工作量，而且提高了設計的準確性。

本文基于離散元理論對烘干設備關鍵結構內部物料流動形態進行了數值模擬仿真，并開展對應的實物實驗進行了對比驗證。通過對糧食干燥機內物料群運動的分析研究，探索典型機構對物料群運動的影響規律。找到干燥機內顆粒物料運動時間差異的原因，優化工藝結構、保證布風均勻，減少糧粒運動時間差，確保糧粒有較為相等的加熱干燥時間，為干燥機設計提供一種新的科學設計方法，從而提升干燥品質，提高干燥機性能。

2 基于離散元理論的數值模擬仿真

離散元理論是近些年快速發展的一種研究散體物料的新方法，其被廣泛應用于航空航天、土木工程、化工、農業等各個領域。離散元理論將研究對象劃分為一個個相互獨立的單元，根據單元之間的相互作用和牛頓運動定律，對每個單元進行跟蹤計算從而得到整個宏觀介質流的運動規律。本文基于離散元理論建立烘干設備烘干段數值仿真模型，研究干燥段內稻谷流動現象，以期優化干燥段內角狀管的排布。

2.1 三維模型建立

對目前使用較廣的連續式干燥機進行結構簡化，考慮到角狀管布置形式、排量速度及排糧部件是烘干的關鍵影響因素，為減小計算量提高仿真效率，只保留烘干段及排糧段，利用三維軟件進行幾何建模，如圖1所示。

圖1 關鍵結構三維模型圖

2.2 物料物理特征參數

實驗選用物料為稻谷，稻谷物理特征參數是仿真計算的基本條件，數值仿真之前要獲得稻谷的物理特征參數，其基本物理參數包括稻谷真密度、稻谷之間的靜摩擦系數、稻谷與接觸材料之間的摩擦系數、稻谷與不同材料之間的碰撞恢復系數等。根據前期工作基礎，利用自行設計的休止角實驗裝置、斜面儀實驗裝置（見圖2、圖3），通過實驗獲得了稻谷間的靜摩擦系數、稻谷與接觸材料之間的摩擦系數等。將各物性接觸參數及通過文獻查得的稻谷剪切模量及其泊松比[8]輸入到離散元模擬仿真軟件中，各參數見表1，建立仿真模型，為直觀觀察物料流動狀態，與實驗對比驗證，仿真模型中距排糧軸中心高1 055 mm處生成厚度為120 mm的深色稻谷顆粒，見圖4。

圖2 稻谷之間的靜摩擦系數實驗圖

圖3 稻谷與接觸材料之間的摩擦系數實驗圖

圖4 關鍵結構仿真模型圖

表1 物料物理特征參數表

2.3 其他主要參數設置

稻谷顆粒由三球形顆粒組合成非球形稻谷顆粒，顆粒尺寸為6.50 mm～2.25 mm～3.26 mm，排糧軸轉速為 8 r·min-1。

2.4 仿真結果分析

通過模擬仿真分析，輸出烘干段內流動速度最快的顆粒時間位置圖如圖5所示，流動速度最慢的顆粒時間位置圖如圖6所示。圖5中顆粒在相同時間內在Z軸負方向上即顆粒流出方向移動了約18 000 mm，圖6中顆粒在相同時間內在Z軸負方向上即顆粒流出方向移動了約10 000 mm（圖中坐標為仿真模型中相對位置坐標，因此未給出相對位置距離單位）。從圖4中Y-Z平面觀察，運動較快顆粒在烘干段兩側，中間部分物料下落速度較慢，兩端物料下落速度大約是中間物料下落速度的2倍。從圖5、圖6中可以看出，稻谷在下降的過程中，在X軸、Y軸方向上相對位置改變較小，在Z軸上相差較大，且在Z軸上的速度為線性，則可以判斷中間下落較慢的稻谷顆粒停留時間是兩端下落較快的稻谷的2倍。

圖5 下落較快稻谷顆粒相對時間位置圖

圖6 下落較慢稻谷顆粒相對時間位置圖

3 實驗驗證

3.1 實驗前準備

為與仿真有效對比，實驗前先將100kg稻谷染成深色備用。在實驗裝置與水平面垂直方向記錄刻度，以便記錄顆粒流動時間位移。將控制電機的變頻器頻率調到50 Hz，使排糧輪轉速為8 r·min-1。設備內裝糧高度1 360 mm，深色稻谷高度120 mm，距底部排糧軸中心1 055 mm，各實驗條件與仿真模型中條件盡量保持一致，以確保實驗與仿真對比的真實有效性。

3.2 實驗過程與記錄

記錄實驗開始時間、實驗結束時間及深色稻谷流出時間，觀察糧食流動狀態，見表2。

表2 實驗過程表

3.3 實驗結果及現象

在實驗過程中，觀察稻谷流動狀態，與角狀管在同一軸線上貼壁的深色稻谷顆粒始終保持著同一水平線下降（見圖7），觀察角狀管切向稻谷流動狀態，兩側糧食流動較快，中間較慢（見圖8），且兩側與中間相差時間較長，即停留在烘干段內的糧食時間差距較大，這將造成干燥不均勻度的增加。

圖7 角狀管在同一軸線上稻谷流動狀態圖

圖8 角狀管切向稻谷流動狀態圖

4 模擬仿真與實驗比對

4.1 物料流動狀態對比

仿真中稻谷顆粒在X軸、Y軸方向（X-Z平面）相對位置改變不大，與實驗中角狀管在同一軸線上貼壁的深色稻谷顆粒始終保持著同一水平線下降現象一致，見圖9。

圖9 模擬仿真于實驗物料流動狀態對比圖

4.2 物料在塔內停留時間比對

實驗中物料流速也近似于線性分布狀態，如圖10所示，稻谷顆粒在設備內停留時間差較大，同高度（深色稻谷）下中間部分稻谷顆粒在設備內停留時間約為兩端部分停留時間的2倍，該現象與仿真一致。

圖10 實驗中最快于最慢稻谷流動時間位置圖

5 結論

基于離散元理論與實驗結合，證明角狀管排布方式對物料流動形態影響較大，合理的角狀管設計可以使烘干段內糧食物料均勻流動，減小物料的烘干段內停留時間差，從而使物料均勻受熱，從而降低干燥不均度，提高烘干設備性能，保證烘干糧食品質，達到高效、環保、安全、低成本的要求。

除此之外，通過仿真與實驗對比，證明了離散元理論模擬仿真烘干塔內糧食流動的可行性，為后期糧食烘干塔的設計提供了一種新的設計手段。與此同時，通過計算機數值模擬仿真對設備結構進行優化，減少了實驗優化的人力、物力及財力，縮短了實驗周期。這一理論的引入將提高產品的設計水平，加快產品更新升級換代的進程。