基于離散元法的稻谷紅外—熱風(fēng)干燥數(shù)值模擬

肖石華

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江西 南昌330045）

水稻是我國主要糧食作物之一，2019年全國稻谷總產(chǎn)量達(dá)到4.192×108t[1]。由于剛收獲的稻谷含水率較大（含水率為23.1%[2]），如果不及時進(jìn)行脫水，稻谷容易霉變。目前在售的谷物干燥設(shè)備存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大等缺點，難以整合在聯(lián)合收割機(jī)上[3]。遠(yuǎn)紅外輻射聯(lián)合熱風(fēng)干燥可以縮小設(shè)備體積，縮短干燥時間，減少能耗，同時有利于提高干燥品質(zhì)[4]。

紅外—熱風(fēng)攪龍內(nèi)部的流場、溫度場變化和顆粒的干燥情況難以觀察。CFD-DEM是一種新的耦合模擬方法，通過CFD求解流場、溫度場，通過DEM計算顆粒的運動受力情況，二者進(jìn)行質(zhì)量、動量和能量等的傳遞實現(xiàn)耦合[5]。劉立強(qiáng)[6]等基于CFD-DEM耦合數(shù)值模擬方法對烘干筒料簾區(qū)的傳熱過程進(jìn)行了仿真，重點分析了烘干筒出口溫度隨著時間的變化以及烘干筒達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時軸向顆粒溫度的變化。虞文俊[7]等采用CFD-DEM耦合茶葉殺青過程中的離散場、流場和溫度場，耦合求解計算得到殺青筒內(nèi)的溫度分布和殺青溫升曲線。Jannatul Azmir[8]等基于CFD-DEM耦合方法，建立了一種數(shù)值干燥模式，用于描述氣固兩相流系統(tǒng)中的傳熱和傳質(zhì)過程。Hobbs,Andrew[9]研究了CFD-DEM耦合方法來模擬瀝青生產(chǎn)中使用的骨料鼓式干燥機(jī)中的傳熱情況。周佳妮[10]在離散元法的基礎(chǔ)上采用EDEM與Fluent軟件耦合方法對垂直攪龍輸送過程進(jìn)行了分析，但該模型只分析了顆粒運動的情況，沒有分析顆粒溫度變化情況。

文章重點通過CFD-DEM耦合仿真模擬遠(yuǎn)紅外—熱風(fēng)干燥輸糧攪龍干燥稻谷過程中稻谷顆粒的干燥和攪龍內(nèi)部的流場、溫度場分布情況，對研究攪龍干燥有重要參考價值。

1 具有干燥功能的輸糧攪龍結(jié)構(gòu)及工作原理

用試驗臺架的方式模擬輸糧攪龍在機(jī)干燥的工作過程，輸糧攪龍總體結(jié)構(gòu)見圖1，由電機(jī)、聯(lián)軸器、無軸攪龍、紅外加熱管、攪龍筒、料斗、機(jī)架等組成。外筒由支架支撐，紅外加熱管位于攪龍筒中心，無軸攪龍與法蘭盤固定，通過聯(lián)軸器與電機(jī)連接以模擬攪龍在收割機(jī)內(nèi)工作。

如圖1所示，稻谷從料斗進(jìn)入攪龍筒內(nèi)，熱風(fēng)從熱風(fēng)入口進(jìn)入攪龍筒，無軸攪龍通過聯(lián)軸器與電機(jī)相連，攪龍在電機(jī)的帶動下將稻谷向上運輸，紅外加熱管固定在攪龍筒中心，稻谷在往上運動的過程中，通過熱風(fēng)和紅外輻射對稻谷進(jìn)行干燥，當(dāng)?shù)竟鹊竭_(dá)出口之后完成對稻谷的干燥，同時廢氣也一同排出。

圖1 紅外干燥攪龍試驗臺總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of infrared drying auger test bench

2 數(shù)值模擬及分析

整個模擬按以下步驟進(jìn)行：第一，在三維軟件中畫出攪龍模型，如圖2所示，并導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示；第二，攪龍模型導(dǎo)入EDEM中，建立稻谷顆粒的仿真模型，定義好材料屬性，如圖4所示；第三，將網(wǎng)格文件導(dǎo)入到Fluent軟件中，并且設(shè)置好邊界條件；第四，通過耦合文件將Fluent軟件和EDEM軟件進(jìn)行耦合；第五，設(shè)置迭代步數(shù)，并進(jìn)行后處理。

圖2 干燥攪龍模型圖Fig.2 Themodel diagram of drying auger

圖3 干燥攪龍網(wǎng)格局部圖Fig.3 Thepartial view of drying auger grid

圖4 稻谷顆粒仿真模型Fig.4 The simulation model of rice grain

3 稻谷干燥過程中攪龍流場分布模擬結(jié)果分析

圖5（a）、5（b）、5（c）分別為攪龍內(nèi)部溫度場、速度場和壓力場云圖。由圖5（a）可以看出靠近輻射源的氣體溫度較高，熱空氣沿著運動的方向逐漸升溫，說明熱空氣經(jīng)過攪龍內(nèi)部時被加熱。由圖5（b）可以看出熱空氣在通過攪龍時被攪龍加速，這是由于攪龍給空氣施加了豎直方向的作用力，所以熱空氣會被加速，熱空氣在通過攪龍段時速度分布比較均勻。由圖5（c）可以看出攪龍筒內(nèi)部壓力主要集中在熱風(fēng)入口，氣體壓力從下至上呈現(xiàn)不斷減小的趨勢。

圖5 攪龍溫度場、速度場和壓力場云圖Fig.5 Thecloud diagram of temperature field,velocity field and pressurefield of auger

在EDEM模型中，攪龍內(nèi)部的顆粒運動和分布情況如圖6所示，顆粒從顆粒工廠不斷生成顆粒，生成的顆粒從入口進(jìn)入到攪龍，隨著攪龍的轉(zhuǎn)動不斷上升，在0.8 s時稻谷從出口流出，完成干燥過程。由圖6可知稻谷顆粒從入口到出口溫度升高了6.73℃。由圖7可知，稻谷顆粒初始段溫度上升較為緩慢，在中間段溫度上升較快，在末尾段溫度上升較為緩慢，這是由于剛開始顆粒位于入料口，此時是熱風(fēng)對顆粒進(jìn)行加熱，中間段是由于紅外輻射和熱風(fēng)對顆粒進(jìn)行加熱，末尾段是只有熱風(fēng)進(jìn)行加熱。

圖6 稻谷從入口到出口顆粒溫度和運動情況Fig.6 Thegrain temperature and movement from inlet to outlet

圖7 稻谷顆粒溫度變化曲線Fig.7 The temperature change curve of rice grain

4 結(jié)論

通過CFD-DEM耦合仿真模擬了氣固耦合作用下攪龍內(nèi)稻谷干燥過程的運動與傳熱，分析了空氣在攪龍內(nèi)的溫度、壓力和流速變化以及稻谷顆粒在干燥攪龍內(nèi)的溫度、速度變化情況。仿真結(jié)果表明：稻谷的溫度在干燥攪龍內(nèi)有明顯升高；空氣的溫度在干燥攪龍內(nèi)不斷升高，空氣的速度在攪龍段較為均勻，空氣的壓強(qiáng)從下至上逐漸減小。由此可見，該干燥攪龍對稻谷具有良好的干燥效果。