牧草干燥裝置干燥效果仿真計(jì)算及分析*

張官正，李曉康，李正鎖，李京默，謝艷，楊龍飛，王硯麟

(1.甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730300；2.甘肅省草地農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730300；3.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

隨著國(guó)內(nèi)對(duì)牧草需求量的不斷增加，對(duì)牧草品質(zhì)的要求也隨之提高。牧草儲(chǔ)存的含水率是一項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，關(guān)系到牧草的儲(chǔ)存時(shí)間，直接影響牧草的品質(zhì)。傳統(tǒng)的干燥方式以自然風(fēng)干為主，過(guò)程中由于長(zhǎng)時(shí)間受日光暴曬、雨淋以及酶的分解等氣候影響，營(yíng)養(yǎng)損失嚴(yán)重[1]。為改善和提高牧草品質(zhì)和商業(yè)價(jià)值，減少干燥過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)成分的損失，提高干燥效率，采用熱氣流烘干牧草草捆的方法控制牧草的水分[2-3]，達(dá)到牧草存儲(chǔ)過(guò)程中降低營(yíng)養(yǎng)流失的目的。熱氣流烘干牧草草捆法是將熱源加熱的空氣通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)和管道吹向草捆，從而加熱草捆使內(nèi)部水分蒸發(fā)，過(guò)程中測(cè)量含水率，最終達(dá)到目標(biāo)值。該方法具有干燥條件可控，過(guò)程中草捆不易受到污染，草捆含水率控制較為精準(zhǔn)，干燥效率高的特點(diǎn)。

筆者針對(duì)牧草干燥過(guò)程耗時(shí)估算問(wèn)題及最終干燥效果評(píng)價(jià)問(wèn)題，采用仿真分析的方法，在給定熱氣流溫度、流速以及牧草草捆尺寸、含水率的條件下，研究牧草草捆干燥過(guò)程中的草捆內(nèi)部溫度變化過(guò)程，進(jìn)而獲得特定草捆尺寸下草捆滿足干燥條件所需的時(shí)間，以及達(dá)到干燥工藝要求溫度后草捆內(nèi)部水分的分布狀態(tài)。將仿真分析的方法應(yīng)用于牧草干燥裝置關(guān)鍵參數(shù)研究及參數(shù)匹配設(shè)計(jì)中，可直觀地驗(yàn)證干燥裝置設(shè)計(jì)效果，對(duì)牧草干燥裝置縮短研發(fā)周期、減少研發(fā)成本有著重要的意義。

1 計(jì)算模型及仿真方法

1.1 計(jì)算模型

文中所述牧草干燥裝置，其工作原理為：通過(guò)熱風(fēng)機(jī)產(chǎn)生特定溫度的熱氣流，氣流經(jīng)過(guò)導(dǎo)管和整流罩，將熱氣按照一定的速度吹向被干燥牧草草捆。通過(guò)監(jiān)測(cè)裝置，監(jiān)測(cè)草捆溫度及含水量的變化情況，判斷牧草草捆是否達(dá)到既定的干燥效果。該裝置可以對(duì)不同形狀的草捆進(jìn)行干燥處理，常見(jiàn)的草捆的形狀分為長(zhǎng)方體和圓柱體，根據(jù)流場(chǎng)的計(jì)算和傳熱過(guò)程比對(duì)，相同材質(zhì)和外界條件下，長(zhǎng)方體小面為正方形且邊長(zhǎng)和圓柱體圓面直徑相等的情況下，圓柱體傳熱速度和均勻性均強(qiáng)于長(zhǎng)方體。文中以傳熱較為不理想的長(zhǎng)方體形草捆為研究對(duì)象，并將其作為裝置在額定負(fù)載下特性的分析對(duì)象，計(jì)算牧草干燥裝置的干燥效果，所示牧草干燥裝置的三維模型如圖1所示。

圖1 牧草干燥裝置的三維模型 圖2 計(jì)算模型

由于計(jì)算分析的對(duì)象為干燥裝置內(nèi)部長(zhǎng)方體型草捆，以及草捆所處熱氣流流場(chǎng)，因此要對(duì)牧草干燥裝置的三維模型做前處理，即提取熱氣流流場(chǎng)并置入草捆模型。同時(shí)考慮到仿真軟件的工作特點(diǎn)，需要忽略計(jì)算對(duì)象中不影響計(jì)算結(jié)果的部分模型特征，以減輕計(jì)算機(jī)計(jì)算壓力，最終獲得可用于仿真分析的計(jì)算模型。所需計(jì)算模型如圖2所示，總共包含6個(gè)被干燥草捆，單個(gè)草捆的幾何尺寸為0.9 m×0.9 m×2.5 m。

1.2 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

采用前處理軟件對(duì)包含6個(gè)被干燥草捆的干燥裝置內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算模型網(wǎng)格劃分，鑒于本研究流道內(nèi)介質(zhì)熱空氣為流體，在網(wǎng)格劃分時(shí)選擇適合計(jì)算流體力學(xué)的離散化網(wǎng)格劃分格式；考慮到該計(jì)算模型在形狀上主要以長(zhǎng)方體型幾何特征為主，為方便網(wǎng)格劃分，保證網(wǎng)格質(zhì)量，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分形式。網(wǎng)格劃分獲得的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為618 418個(gè)，網(wǎng)格數(shù)量為3 081 708個(gè)。干燥裝置內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算部分網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 干燥裝置內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算部分網(wǎng)格

1.3 計(jì)算方法及控制方程

在對(duì)干燥裝置內(nèi)部流場(chǎng)及牧草干燥過(guò)程進(jìn)行仿真時(shí)，其內(nèi)部流動(dòng)介質(zhì)為熱氣流，固體部分為牧草，做出如下假設(shè)[4]：①流道內(nèi)部空間被氣流完全充滿；②由于重力、體積力遠(yuǎn)小于黏滯力，可忽略不計(jì)；③流體計(jì)算域流體為不可壓縮液體；④計(jì)算過(guò)程為隨時(shí)間變化的非定常過(guò)程。

基于以上假設(shè)，在進(jìn)行求解干燥裝置內(nèi)部流場(chǎng)及牧草干燥過(guò)程時(shí)，采用基于壓力的非定常求解器，采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型[5]，考慮溫度的變化，控制方程如下：

(1) 連續(xù)性方程

(1)

(2)

(2) 動(dòng)量方程

(3)

式中：p為壓力，Pa；υ為運(yùn)動(dòng)粘度；fi為體積力，N。

(3) 能量方程

式中：ρ(dU/dt)為系統(tǒng)能內(nèi)的變化率；P:S變形面力所作的功；div(kgradT)熱傳導(dǎo)輸入的熱量；ρq其他方式輸入的熱量。

1.4 邊界條件及求解方法選擇

干燥裝置內(nèi)部流場(chǎng)及牧草干燥過(guò)程的計(jì)算，其邊界條件主要為：草捆密度500 kg/m3；比熱參照木材為2 310 J/kg·K；考慮給定體積草捆密度，將其定義為多孔介質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)3.5 W/m·K。計(jì)算時(shí)，沿著長(zhǎng)方體草捆長(zhǎng)邊的粘性阻力系數(shù)為2.111e+08，慣性阻力系數(shù)為0.4。初始溫度為20 ℃，熱氣流輸入最高溫度為100 ℃，熱氣流進(jìn)口速度為4 m/s，出口類型為自由出口。在計(jì)算長(zhǎng)方體草捆內(nèi)部水分在加熱后發(fā)布情況時(shí)，采用蒸發(fā)/冷凝模型。干燥裝置內(nèi)部流場(chǎng)及牧草干燥過(guò)程計(jì)算基于壓力速度耦合，對(duì)離散后的計(jì)算模型采用SIMPLEC算法[6]。為了減少計(jì)算過(guò)程中流場(chǎng)偽擴(kuò)散，離散格式選用適用于多面體網(wǎng)格且基于最小二乘法的Least Squares Cell Based 格式。非定常計(jì)算時(shí)，每1800 s保存一次，共10次，對(duì)應(yīng)實(shí)際5 h的烘干過(guò)程。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)上述工況下干燥裝置內(nèi)部流場(chǎng)及牧草干燥過(guò)程計(jì)算，獲得了不同干燥時(shí)間下，長(zhǎng)方體型草捆內(nèi)部溫度隨時(shí)間變化的過(guò)程，取中心截面為數(shù)據(jù)參考面，其分時(shí)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 分時(shí)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

由圖4可以看出，在給定計(jì)算條件下，隨著時(shí)間的增加，不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)方體型草捆中心截面處的溫度值分布情況均為外層高、內(nèi)部低；草捆初始溫度為20 ℃，對(duì)應(yīng)293 K，而達(dá)到牧草干燥工藝所需70 ℃時(shí)，即對(duì)應(yīng)溫度為343 K，對(duì)應(yīng)的干燥時(shí)間為300 min；隨著草捆與熱氣流進(jìn)行溫度的交換，草捆內(nèi)部溫度較初始值有明顯的上升，導(dǎo)致草捆溫度與熱氣流溫度間的溫度梯度減小，即圖4中前30～150 min時(shí)間段，草捆內(nèi)部溫度的變化速率較高，而150～300 min時(shí)間段，草捆內(nèi)部溫度的變化速率較低。取草捆整體平均溫度達(dá)到70 ℃草捆中心速度場(chǎng)分布圖，如圖5所示。

由圖5速度場(chǎng)分布圖可以看出，由于長(zhǎng)方體型草捆為多孔介質(zhì)模型，其內(nèi)部熱氣流速度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于草捆外壁熱氣流速度值，內(nèi)部速度流線稀疏，由此可見(jiàn)，草捆內(nèi)部牧草溫度的上升主要靠外層牧草的傳熱，而外層牧草的升溫則是熱氣流對(duì)牧草傳遞的熱量。且熱氣流的速度值由草捆上端向下端逐漸減小，在草捆下端尾部，速度降為1.5 m/s。

圖5 速度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果 圖6 草捆內(nèi)部?jī)上喾植紶顟B(tài)

牧草在進(jìn)入干燥裝置前，一般含水率為30%，在求解長(zhǎng)方體型草捆內(nèi)部隨著溫度達(dá)到干燥工藝所需值后，草捆內(nèi)部水分的分布狀態(tài)做以下假設(shè)：假設(shè)草捆壁面為熱源，在草捆內(nèi)部平均溫度達(dá)到70 ℃后，初始水分占比的體積分?jǐn)?shù)為30%，且初始狀態(tài)下草捆內(nèi)部水分均勻分布。計(jì)算采用蒸發(fā)/凝結(jié)模型，計(jì)算水分的兩相分別為液體相和水蒸氣相，初始狀態(tài)液體相phase3占總體積分?jǐn)?shù)的30%，水蒸氣相phase2占比為0%。計(jì)算后得到長(zhǎng)方體型牧草捆內(nèi)部?jī)上喾植紶顟B(tài)如圖6所示。

由圖6可以看出，在溫度達(dá)到烘干工藝所需值后，草捆內(nèi)部在相同位置處，水蒸氣相的體積分?jǐn)?shù)占比明顯高于液態(tài)水相的體積分?jǐn)?shù)；在草捆熱空氣直吹端，水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)由上至下呈遞減的分布狀態(tài)，液態(tài)水相分布狀態(tài)與之相反。由此可見(jiàn)，草捆內(nèi)部常溫狀態(tài)下的液態(tài)水在熱氣流加熱的作用下，變?yōu)樗魵猓瑥牟堇χ姓舭l(fā)，從而達(dá)到干燥牧草的效果。

以上結(jié)果表明，將仿真分析的方法應(yīng)用于牧草干燥裝置干燥效果評(píng)價(jià)，能夠從溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布云圖和草捆含水的氣相和液相分布圖中，直觀獲得在給定設(shè)備工作條件和草捆特性下，干燥過(guò)程所需時(shí)間和牧草干燥效果。

3 結(jié) 語(yǔ)

文中采用仿真分析的方法，對(duì)牧草干燥裝置干燥效果進(jìn)行仿真。根據(jù)裝置的三維模型，簡(jiǎn)化處理獲得內(nèi)部流場(chǎng)和牧草的計(jì)算模型，完成網(wǎng)格劃分及計(jì)算條件設(shè)置，在給定工況下對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了求解。結(jié)果表明：在給定尺寸下，牧草達(dá)到干燥工藝所需70 ℃時(shí)所需的時(shí)間為300 min；草捆內(nèi)部牧草溫度的上升主要靠外層牧草的傳熱，而外層牧草的升溫則是熱氣流對(duì)牧草傳遞的熱量；在溫度達(dá)到烘干工藝所需值后，草捆內(nèi)部在形同位置處，水蒸氣相的體積分?jǐn)?shù)占比明顯高于液態(tài)水相的體積分?jǐn)?shù)，實(shí)現(xiàn)草捆的干燥效果。

通過(guò)此頂研究所述方法，將不同尺寸、不同特性牧草、不同含水率的草捆，作為計(jì)算模型的幾何參數(shù)和仿真計(jì)算的邊界條件，配合改變熱空氣流速和溫度，模擬匹配不同的干燥設(shè)備工作參數(shù)，計(jì)算獲得牧草干燥過(guò)程所需時(shí)間和最終干燥效果的結(jié)果，從而判斷各設(shè)計(jì)方案的干燥效率。此方法獲得計(jì)算結(jié)果云圖，可直觀顯示干燥過(guò)程中草捆內(nèi)部狀態(tài)，方便設(shè)計(jì)方案的確定，可以省去大量的物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程，從而縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。