蒸汽消毒管結構參數對紅壤消毒加熱效率的影響

張毅杰 ，宋 悅 ，楊振杰 ,3※，楊文彩 ，MUHAMMAD Ameen ，陳 近 ，王 東 ，黃國亮

（1.云南農業大學機電工程學院, 昆明 650201；2.云南農業大學植物保護學院, 昆明 650201；3.云南省作物生產與智慧農業重點實驗室, 昆明 650201）

0 引 言

近年來，土壤連作障礙問題越發嚴重，特別是根莖類藥用植物，如云南三七、天麻等。土壤蒸汽消毒技術是解決連作障礙問題的有效手段之一，該技術通過將高溫蒸汽通入土壤中，使土壤逐漸升溫，從而殺滅土壤中有害真菌、細菌等[1-4]。已有學者研究得出，當土壤溫度達到60～80 ℃且保持30 min，即可殺滅土壤中大多數有害真菌、細菌和昆蟲等[1-4]。

注入式蒸汽消毒法屬于常見的物理消毒方法[3]，即蒸汽借助消毒管通入深層土壤中進行高溫殺菌。在國外，GAY等[5]在沙壤土中開展了注入式蒸汽消毒試驗，選取了空心圓柱鐵管作為消毒管，該消毒管的壁厚為2 mm，直徑為21 mm，長度為250 mm，試驗表明當消毒時長為8 min時，可使層深160 mm的土壤溫度達到80 ℃；MICHELE等[6]在GAY等的基礎上，改進設計了一種帶式蒸汽消毒機，該消毒機可以使層深25 mm處的土壤溫度達到63 ℃。在國內，許永福等[7]設計了一款刺罩式土壤蒸汽消毒機，刺罩內布置了20個管徑為40 mm、長度為320 mm的針刺，采用該裝置開展了不同病原菌和作物種子的蒸汽消毒試驗，試驗表明土壤溫度達到80 ℃且保溫20 min后可起到有效消毒殺菌的作用；王鳳花等[8]開展了沙壤土條件環境下，蒸氣消毒針結構的優化研究，結果表明優化后的消毒管能在10 min內將層深15～20 cm的土壤加熱至90 ℃，滿足三七作物的農藝要求。

由以上研究可知，蒸汽消毒機末端與土壤直接作用的消毒管是決定蒸汽熱質傳遞的關鍵通路，而其結構參數是影響這一通路熱傳導有效性的關鍵因素。然而，以上學者并未針對云南紅壤土質特性，開展基于特定土壤孔隙結構的土壤消毒加熱效率研究，也未從消毒管周（軸）向等結構參數更深入評測蒸汽消毒加熱效率。基于此，本文首先針對云南紅壤土，利用圖像處理技術建立真實土壤孔隙結構模型；其次，仿真模擬了消毒管內部流場和土壤蒸汽消毒過程；最后，以土壤平均溫度達到80 ℃的時間為評價指標，開展多因素土壤蒸汽消毒試驗，優化最佳消毒管結構參數（即孔徑、軸向和軸向孔數等），以期為解決土壤連作障礙問題提供有效技術方案，并為智能土壤蒸汽消毒裝備研制提供理論指導。

1 云南紅壤土模型構建

1.1 試驗材料與裝置

供試云南紅壤土采自云南農業大學后山試驗基地（東經102°45'5''，北緯25°8'7''）。土壤耕作會產生大小不一的土壤團聚體，進而形成不同的土壤孔隙結構。一般蒸汽消毒前需要對連作產生的板結土壤進行精細旋耕，旋耕作業后大約有50%的土壤團聚體粒徑小于2 mm[9]，同時為保證相同試驗條件，故需對土壤試樣過2 mm篩備用[9]，其物理參數如表1所示[10]。

表1 土壤物理特性參數Table 1 Parameters of soil physical properties

圖像采集平臺由工業相機、光源、透明土槽、升降臺、相機支架和電腦等組成，如圖1所示。

圖1 圖像采集平臺Fig.1 Image acquisition platform

1.2 試驗方法

土壤由土壤顆粒、團聚體和孔隙組成，為還原真實的土壤團聚體和孔隙結構[11-12]，需要將連續土壤模型進行離散化處理。采用矢量化處理方法對土壤試樣切片進行處理，根據前期學者的研究[9]，構建出長×寬為200 mm×200 mm的土壤切片模型。具體方法是將土壤樣品填充在透明土槽（240 mm×240 mm×240 mm）中，借助圖像采集系統獲取土壤垂直切片圖；運用圖像處理技術對切片圖進行標定、二值化、降噪、腐蝕膨脹和分水嶺分割處理[13-15]。

1.3 試驗結果

整體土壤建模過程如圖2所示，土壤原始圖像標定后為圖2a，離散處理后的土壤切片見圖2b。

圖2 土壤切片模型Fig.2 Soil slice model

將圖2a進行圖像處理后轉換為矢量圖形（圖2b）并進行優化編輯[16-17]，圖2b中土壤孔隙為有色區域，土壤團聚體為白色區域。本試驗構建的真實土壤孔隙結構模型為后續蒸汽消毒傳熱模擬奠定基礎。

2 蒸汽消毒管的設計

2.1 蒸汽消毒管的結構參數

消毒管選用抗壓強度高、耐高溫和耐腐蝕的20無縫鋼[18-19]。由土壤耕作層深0～200 mm[20]可知，消毒管的長度應大于200 mm，本文選用長250 mm、壁厚2 mm[8]、內徑16 mm的消毒管。為保證消毒時蒸汽均勻擴散，出氣孔的位置按照均布原則進行軸（周）向布置，消毒管結構參數示意如圖3所示。

圖3 消毒管結構參數示意圖Fig.3 Schematic diagram of the disinfection pipe

圖3中消毒管主要結構參數表達式為

式中La為軸向孔間距，mm；l1為螺紋連接段長度，mm；l2為軸向第1個出氣孔距離消毒管底端的距離，mm；na為沿X軸向孔數；ɑc為周向孔間角，rad；nc為繞X軸周向孔數。設定l1=30 mm，l2=20 mm，na和nc取值均為1、2、3和4。

2.2 蒸汽消毒管的壓力校核

選用杭州句紅得公司生產的型號為LDR0.004-0.7蒸汽鍋爐（額定蒸發量為4 kg/h、額定溫度為171 ℃、最大壓力 0.7 MPa）。通過鋼管承受壓力計算式（3）[18]，可計算得到該消毒管的承受壓力為10.25 MPa，遠大于蒸汽鍋爐的最大壓力，故該鋼管承受壓力符合條件。

式中p為消毒管承受的壓力，Pa；c為壁厚，mm；σm為20無縫鋼抗拉強度，MPa；D為消毒管的外徑，mm；S為安全系數，當外部壓力小于7 MPa時取值為8。

3 單因素土壤蒸汽消毒仿真試驗

3.1 仿真模型結構參數的設置

參照前人研究[8-9]和注入式蒸汽消毒特點，為保證蒸汽充分對土壤深層進行加熱，選取消毒管出氣孔孔徑、周向孔數、軸向孔數為試驗因素，每個因素取4個水平（即出氣孔孔徑分別取1、2、3和4 mm；周向孔數分別取1、2、3和4個；軸向孔數分別取1、2、3和4個），每個水平的軸向孔間距和周向孔間角具體參數見圖3。

3.2 數值模擬計算

在真實土壤孔隙結構建模基礎上，建立土壤蒸汽消毒模型，如圖4所示。

圖4 土壤蒸汽消毒模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of soil stem disinfection model

選定蒸汽鍋爐的壓力為0.2 MPa，將蒸汽的流量調至為2 kg/h時，根據流速公式[21]（4）計算求得消毒管入口速度2.5 m/s；蒸汽壓力0.2 MPa對應的蒸汽溫度為120 ℃[22]。根據土壤孔隙結構的復雜性和蒸汽狀態，物理模型選用湍流模型[23-24]。

式中V為蒸汽的流速，m/s；Q為蒸汽的流量，kg/h；ρ為蒸汽的密度，kg/m3；d消毒管的內徑，m。

由于土壤切片模型中土壤團聚體的形狀大小不一，劃分網格時選用自由三角形網格法，網格頂點數量為395 744，單元數790 453個。

整個土壤升溫過程中主要為熱傳導和對流傳熱[25]，土壤表面設為隔熱層。采用Philip和De Vries多孔介質傳熱方程[9]對土壤溫度場進行數值模擬，傳熱方程見表達式（5）和（6），仿真模擬參數見表2。

表2 仿真模擬參數Table 2 Simulation parameters

式中Cp為流體比熱容，J/(kg·K)；ρp為土粒密度，kg/m3；Cρ,p為土粒比熱容，J/(kg·℃)；T為絕對溫度，K；u為速度場，m/s；q為傳導熱通量，W/m2；▽為梯度算子；Qe為額外的熱源，W/m3；θp為土壤團聚體體積分數；1-θp為土壤孔隙度。

3.3 仿真結果分析

3.3.1 消毒管內部及出氣孔處流場模擬分析

消毒管內部及出氣孔處的速度場分布如圖5所示。由圖5可知，出氣孔孔徑1 mm處理的最大流速可達到21.42 m/s（圖5a），出氣孔孔徑4 mm處理的最大流速僅為4.66 m/s（圖5d），即隨著出氣孔孔徑的增大，蒸汽流速逐漸減小；管內和4個出氣孔處的流速大小分布變化不大。

圖5 不同出氣孔孔徑對應的消毒管內部及出氣孔處流體模擬云圖Fig.5 Fluid simulation cloud diagram of the disinfection pipe and outlet for different outlet diameters

3.3.2 不同消毒管結構參數仿真模擬分析

結合消毒管內部流場分析，進一步對土壤蒸汽消毒過程進行單因素仿真模擬。根據前期學者的研究，大多數病菌、害蟲和雜草種子殺滅溫度在60～80 ℃[11-12]，本研究中，設定土壤溫度達到80 ℃為消毒溫度目標。

對不同出氣孔孔徑仿真模擬試驗進行分析可知（表3），在周向和軸向孔數為1的條件下，隨著出氣孔孔徑的增大，消毒時長逐漸增加；出氣孔孔徑為1 mm的處理所用的消毒時間最短，時間為450 s；出氣孔孔徑為4 mm的處理用時最長，時間為807 s；對不同周向孔數仿真模型進行分析可知（表3），在出氣孔孔徑為1 mm和軸向孔數為1的條件下，隨著周向孔數的增加，消毒時長先減小后增加；當周向孔數為2時，消毒用時最短，時間為364 s。對不同軸向孔數仿真模擬進行分析可知（表3），在出氣孔孔徑為1 mm和周向孔數為2的條件下，隨著軸向孔數的增加，消毒時長先減小后增加；當軸向孔數為3時，消毒用時最短，時間為416 s；當軸向孔數為1時，消毒用時最長，時間為510 s。

表3 消毒管結構參數與消毒時間關系Table 3 Relationship between structural parameters of disinfection pipe and disinfection time

以總體平均溫度上升到80 ℃對應的消毒時間為指標，根據以上孔徑、周向和軸向孔數3個因素水平的仿真模擬可知，孔徑越小土壤升溫時間越短，因此選擇1 、2 和3 mm作為多因素的水平區間；周向孔數為2時消毒所需時間最短，前后兩個水平所需要的時間都高，因此，取水平區間1、2、3；同理，軸向孔數為3時消毒所需時間最短，故軸向孔個數的水平區間取2、3、4。

通過上述消毒管結構參數與消毒時間分析，首先選擇出氣孔孔徑為1 mm時的溫度場分布進一步分析。從圖6a～6d可以看出，蒸汽在垂直方向上的擴散速度大于水平方向的擴散速度，溫度場主要呈1/4橢圓形向外擴散；消毒后期（圖6d），土壤高溫區（80 ℃以上）的范圍主要集中在垂直方向0～-200 mm，水平方向0～150 mm。

圖6 單因素各處理對應的溫度場分布Fig.6 Temperature field distribution corresponding to each treatment of single factor

然后，選擇周向孔數為2時的溫度場分布進行分析，如圖6e～6h所示。由圖可以看出，溫度場主要以消毒管為中心呈圓形向外擴散；消毒開始時（圖6e），靠近消毒管處的溫度最高可達93.1 ℃，此時溫度場分布范圍較小，隨著消毒時間的增加，溫度場呈圓形分布且充滿整個消毒區域，最高溫度可達96.5 ℃（圖6h）。最后，選擇軸向孔數為3時的溫度場分布進行分析，如圖6i～6l所示。從圖中可以看出，消毒開始時，蒸汽分別從軸向3個出氣孔噴出，水平范圍為0～50 mm；隨著時間的增加，軸向3個出氣孔處的溫度場重合，溫度場分布范圍為垂直方向0～-200 mm、水平方向0～150 mm，溫度場主要呈長方形均勻向外擴散（圖6l）。

4 多因素土壤蒸汽消毒試驗

4.1 材料與方法

4.1.1 供試材料

供試土壤為云南紅壤土，土壤處理方法和物理特性參數與1.1節一致。土壤蒸汽消毒平臺由消毒管、0.004-0.7型號蒸汽發生裝置（杭州句紅得科技有限公司）、軟管、土壤溫度控制箱、PT100土壤溫度傳感器（濟南正妙自動化設備有限公司）、SR20 PLC（西門子）和 TPC-7062Ti 顯示屏、球閥開關和透明土槽（240 mm×240 mm×240 mm）等組成，如圖7所示。

圖7 土壤蒸汽消毒試驗平臺Fig.7 Soil steam disinfection test platform

4.1.2 試驗方法

參考單因素土壤溫度場分布圖，將溫度傳感器的按照水平和垂直兩個方向布置，具體布設方式如圖8所示。使用Surfer 12軟件繪制土壤溫度垂直剖面圖，從垂直剖面圖可以得到各土壤溫度區段的分布位置。

圖8 溫度傳感器分布圖Fig.8 Temperature sensor distribution diagram

為了確定消毒管出氣孔最優結構參數組合，以土壤總體平均溫度達到80 ℃時對應的消毒時間（Y）為試驗指標。根據單因素仿真試驗結果，以出氣孔孔徑（A）、周向孔數（B）和軸向孔數（C）為自變量，各因素和水平見表4。

表4 試驗因素和水平Table 4 Experimental factors and levels

4.1.3 土壤升溫速率、變異系數的計算

土壤升溫速率是反映土壤升溫速度快慢的指標，土壤升溫速率的計算式（7）為

式中vT為土壤溫升速率，℃/s；ΔT為土壤溫度變化，℃；Δt為土壤溫度變化ΔT所用的時間，s。

土壤溫度變異系數可以衡量土壤溫度分布的均勻性，變異系數越小變異程度越小，土壤溫度的分布均勻性越好，土壤溫度變異系數的計算式（8）為

式中cvt為土壤溫度變異系數；Ds為土壤溫度標準偏差，MN為土壤平均溫度，℃。

4.2 結果與分析

4.2.1 基于Box-Behnken試驗結果與分析

結合表4，以消毒時間（Y）為響應值，以出氣孔孔徑（A）、周向孔數（B）和軸向孔數（C）為自變量，進行三因素三水平的正交試驗，試驗方案和結果見表5。試驗開始前需排除消毒管中的蒸汽冷凝水，試驗時先將蒸汽發生裝置的壓力調節至0.2 MPa，根據式（4），將消毒管入口初始流速調節至2.5 m/s；溫度采集間隔為10 s，3次重復，取平均值作為試驗結果。

表5 試驗方案與結果Table 5 Test scheme and results

從表6可知，周向孔數B和軸向孔數C對消毒時間具有極顯著性影響（P<0.01），出氣孔孔徑A影響不顯著（P>0.05）；交互項中的AB、BC影響顯著（P<0.01）。通過F值的分析可知，軸向孔數C對消毒時間的影響大于周向孔數B。

表6 試驗模型方差分析Table 6 ANOVA of the experimental model

4.2.2 回歸模型與交互響應面分析

利用Design-Expert 13.0軟件對二階多項式進行擬合，其表達式（9）為

根據回歸模型分析結果，繪制各因素交互響應曲面圖9。圖9a為出氣孔孔徑大小與周向孔數對消毒時間的響應曲面圖，從9a可以看出，當周向孔數一定時，隨著孔徑的減小，消毒時間先升高后降低；當孔徑一定時，隨著周向孔數的增加，消毒時間逐漸降低，其中，參數組合為孔徑1 mm、周向孔數3對應的消毒時間最短；參數組合為孔徑2 mm、周向孔數1對應的消毒時間最長。圖9b為周向孔數與軸向孔數對消毒時間的響應曲面圖，從9b可以看出，當周向孔數逐漸增大且軸向孔數逐漸減小時，升溫所需的時間逐漸減少，參數組合為周向孔數3、軸向孔數2對應的消毒時間最短。

圖9 響應面分析Fig.9 Response surface analysis

4.2.3 參數優化與驗證

通過對消毒時間的回歸模型分析，結合Designexpert 13.0軟件給出的最優參數組合為：出氣孔孔徑大小為1.749 mm，周向孔數為2.982，軸向孔數為2.019。為便于消毒管的加工，將優化參數圓整為出氣孔孔徑大小為2 mm，周向孔數取為3，軸向孔數取為2，即A2B3C2。為了驗證最優參數的可靠性，通過仿真模擬試驗和蒸汽消毒土槽試驗，使用最優參數下的消毒管進行3次重復試驗，取土壤升溫所需時間的平均值見表7。

表7 試驗驗證Table 7 Test verification

從表7可以看出，消毒時間預測值為376 s，最小誤差率為3.7%，最大誤差率為7.2%，平均誤差率為5.3%，造成該誤差的原因是：實際消毒加熱時，土槽使用的保溫棉無法避免蒸汽熱量的無效散失，進而導致誤差率的產生。

4.2.4 土壤升溫速率、溫度變異系數、溫度場的分析

從消毒時間-土壤升溫速率圖10可知，各處理的土壤升溫速率隨著消毒時間的增長先升高后下降，這是因為消毒開始時土壤溫度為20 ℃，蒸汽溫度120 ℃，土壤和蒸汽的溫差大，故土壤升溫速度較快。隨著消毒的進行，土壤溫度逐漸升高，蒸汽與土壤溫差逐漸變小，土壤升溫速率逐漸減低。從圖10還可以得到，各處理對應的土壤升溫速率在消毒0～200 s時增長速度最快；當消毒200 s時，各處理的升溫速率都達到峰值；消毒200 s后的升溫速率逐漸減低，消毒加熱效率也逐漸降低。

圖10 消毒時間-土壤升溫速率曲線Fig.10 Curve of disinfection time and soil heating rate

由于軸向孔數對時間的影響大于周向孔數，結合圖10還可以看出，軸向孔數為2對應最大升溫速率大于軸向孔數為3和4，如處理5（1,2,2）、6（3,2,2）、9（2,1,2）和10（2,3,2）對應的最大升溫速率都大于其他處理；升溫速率最大值為0.25 ℃/s，對應的組合為出氣孔孔徑2 mm、周向孔數3、軸向孔數2，這與響應面分析基本一致。

從圖11可知，土壤溫度變異系數隨著消毒時間的增加先增大后減小，最后趨于平穩。這是因為消毒初期，消毒管處的土壤溫度遠遠大于土壤其他位置的溫度，溫差較大，故溫度場分布不均勻。隨著消毒的進行，土壤溫度逐漸升高，溫度分布逐漸趨于均勻。

圖11 消毒時間-土壤溫度變異系數曲線圖Fig.11 Curve of disinfection time and coefficient of variation of soil temperature

消毒開始100 s時，土壤溫度變異系數基本都達到峰值，說明此時溫度分布不均勻。隨著消毒進行，處理10：出氣孔孔徑2 mm、周向孔數3、軸向孔數2對應的土壤溫度變異系數值低于其他處理；消毒結束時，處理6：出氣孔孔徑3 mm、周向孔數2、軸向孔數2對應的土壤溫度變異系數值最小，為0.18。處理11：出氣孔孔徑2 mm、周向孔數1、軸向孔數4對應的變異系數曲線高于其他處理，溫度分布不均勻。

以處理6和10在消毒過程中土壤平均溫度達到40、60、80 ℃時的溫度分布為例。由圖12可知，消毒初期，處理6和10的溫度分布形狀和范圍差別不大（圖12a和12d），但隨著消毒的進行，處理6對應的高溫區（80 ℃以上）分布范圍逐漸擴大，溫度分布逐漸均勻，且優于處理10（圖12c和12f），這與土壤溫度變異系數的分析基本一致。

圖12 處理6和處理10土壤溫度垂直分布Fig.12 Soil temperature vertical distribution in treatment 6 and treatment 10

從圖12還可以看出，土壤溫度場的變化均呈長方形逐漸擴散，即溫度場在垂直方向上的擴散速度比水平方向上的擴散速度快，與仿真結果基本一致。當土壤平均溫度達到60 ℃時，豎直方向上的高溫區域已達到土壤表面，水平方向上的高溫區域范圍為0～130 mm；當土壤平均溫度達到80 ℃時，水平方向上的高溫區域范圍為0～150 mm，但豎直方向0～-50 mm、水平方向150～200 mm處仍有小部分區域的溫度低于60 ℃（圖12c）。綜上，后期蒸汽消毒設備對末端執行裝置的多管間距可以取260～300 mm。

5 討 論

5.1 消毒管出氣孔孔徑對土壤消毒加熱效率的影響

根據管內蒸汽流速模擬和單因素模擬試驗可知，隨著出氣孔孔徑的變小，出氣孔處的蒸汽流速逐漸升高，土壤升溫到80 ℃所需的時間逐漸降低，這是因為土壤蒸汽消毒模擬過程處于理想狀態，流速增大，蒸汽在土壤中的擴散速度也會增大，故土壤會很快升溫到80 ℃，王鳳花等[8]也得出此結論。而多因素試驗結果顯示出氣孔孔徑對土壤加熱升溫速率影響不顯著，這是因為實際消毒時，由于蒸汽遇冷會形成大量液態冷凝水堵塞土壤孔隙，此外本文使用的土壤為紅壤土，土壤質地較為黏重，透水性差[26]，過多的冷凝水會使紅壤團聚體崩解成細小的碎屑[27-28]，進而形成孔隙更小的土壤結構，同時由于試驗時蒸汽初始流速（2.5 m/s）較低，最終導致蒸汽的擴散能力受到嚴重影響，進而會產生流速（即出氣孔孔徑）對土壤加熱升溫影響不顯著[11]。而王鳳花等[8]使用的土壤為沙壤土，沙壤土的孔隙較大[29]，同時，王鳳花等使用的蒸汽初始流速（22.2 m/s）很大，蒸汽會較易在土壤中擴散[8]。因此，針對上述問題，今后還需對蒸汽流速和土壤類型的交互作用進行研究，同時也需對土壤蒸汽消毒模型進一步優化。

5.2 消毒管出氣孔周向和軸向孔數對土壤傳熱的影響

根據單因素模擬結果，在出氣孔孔徑為1 mm和軸向孔數為1的條件下，當周向孔數為2時，消毒所需時間最少，周向孔數為3時次之。而多因素試驗結果顯示，在出氣孔孔徑大小為2 mm，周向孔數取為3，軸向孔數取為2時的處理組消毒加熱所需時間最少。結合單因素和多因素結果，周向孔數為2和3優于周向孔數1。

根據單因素模擬結果，當軸向分布3個孔時，土壤會很快加熱到80℃，這是因為3個孔均勻分布在土壤層深50～200 mm之間，故蒸汽會在土壤各層較為均勻的擴散。但多因素試驗結果卻顯示軸向孔數為2時，消毒加熱效果最好，這可能是因為蒸汽在土壤表面熱散失的原因：雖然消毒過程中已在土壤表面加蓋了密封罩和保溫棉，但軸向孔數為3的處理，其出氣孔在土壤層深50～200 mm之間，依然會有蒸汽擴散到土壤表面致使熱量散失到空氣中[11-12]；而軸向孔數為2時，出氣孔集中在土壤層深100 mm以下，蒸汽主要集中在層深100 mm附近。因此，軸向孔數為2的處理，其蒸汽熱量散失少，土壤升溫速率快，消毒加熱效果好，上述分析與響應面的分析結果一致。

結合多因素試驗結果，周向和軸向孔數分別為3和2時，消毒加熱升溫效果好。結合響應面分析、土壤升溫速率和土壤溫度均勻度分析結果，雖然處理6（出氣孔孔徑3 mm、周向孔數2、軸向孔數2）的溫度分布均勻性略好于處理10（出氣孔孔徑2 mm、周向孔數3、軸向孔數2），但后者平均溫度達到80 ℃所需時間最少，預測為376 s，實際為390～403 s，消毒加熱效率最高。

5.3 云南紅壤蒸汽消毒傳熱過程分析

目前，土壤溫度場模擬仿真已經被大量研究，一般為便于對傳熱方程的求解，大部分土壤模型視為連續均勻的多孔介質[8,30]，然而，實際耕作后的土壤會形成尺寸不一的土壤顆粒或土壤團聚體，故需要對連續介質模型進行離散化，建立真實的土壤孔隙結構模型。本文通過圖像處理技術，建立了真實土壤孔隙結構離散模型，為蒸汽消毒熱質傳遞的精準模擬奠定基礎，此外，三維土壤孔隙結構模型也將進一步研究。

蒸汽消毒200 s時，各處理對應的土壤升溫速率達到峰值；消毒200 s后，消毒加熱效率逐漸降低。基于上述試驗結果，今后還需結合土壤升溫速率變化規律指導后續的實際作業，即當消毒200 s時應逐漸減少蒸汽的流量并去除土壤中的多余水分，提高土壤孔隙的通透性[28]，之后隨著時間的增加，土壤溫度會再分布并逐漸減低，當土壤溫度低于60 ℃時需再次增加蒸汽的流量，依次循環往復的減少和增加流量，保證土壤溫度始終在60～80 ℃，以達到高效滅菌的目的。以上結果在實際消毒作業中可為高效殺菌提供理論基礎。

6 結 論

1）消毒管出氣孔周向和軸向孔數對紅壤蒸汽消毒加熱效率影響極顯著（P<0.01）。消毒管最優結構參數為出氣孔孔徑2 mm、周向孔數3、軸向孔數2，對應的試驗消毒時長平均值為394 s，試驗結果與預測結果之間的平均誤差率為5.3%。本研究可為紅壤蒸汽消毒機消毒管的設計提供理論依據。

2）各處理對應的土壤升溫速率在消毒200 s時可達到峰值，消毒200 s后加熱效率逐漸降低。后期需結合智能控制系統，當消毒200 s時應逐漸減少蒸汽的流量，當土壤溫度低于60 ℃時需再次增加蒸汽的流量，依次循環往復保證土壤溫度始終在60～80 ℃，以達到高效滅菌的目的。

3）各處理對應的單管紅壤高溫區域范圍主要集中在水平方向0～150 mm，垂直方向0～200 mm。本研究可為后期蒸汽消毒裝備中的多管間距設計奠定理論研究基礎。