收割機提升攪龍中干燥稻谷的CFD-DEM數(shù)值模擬

陳平錄， 肖石華， 許靜， 劉木華

（江西農(nóng)業(yè)大學工學院，南昌 330045）

水稻是我國的主要糧食作物之一[1]。由于剛收獲的稻谷含水率一般較大，如果干燥不及時容易導致霉變[2]。聯(lián)合收割機工作過程中，內(nèi)燃機的廢氣帶走了大量的熱能[3]；通過換熱器回收廢氣將其中的熱能轉(zhuǎn)換成熱風，結(jié)合紅外輻射具有升溫快、干燥質(zhì)量好的特點[4]；在稻谷收獲的同時進行遠紅外熱風聯(lián)合干燥，可以充分利用不同干燥工藝自身的優(yōu)點[5]，不僅能提高燃油的能量利用率，也能降低稻谷干燥成本及霉變損失率。

目前研究主要針對稻谷收獲后進行集中干燥，也有學者對收獲過程中干燥進行了研究。收獲過程中干燥主要是通過回收發(fā)動機余熱來實現(xiàn)。姜亞南[6]基于余熱回收設計了一種糧食烘干系統(tǒng)，通過對收割機尾氣余熱及冷卻水余熱的回收實現(xiàn)了糧食的實時烘干。白繼偉等[7]通過回收發(fā)動機余熱在脫粒過程中對谷物進行同步半干燥，發(fā)現(xiàn)谷物通過氣流半干燥系統(tǒng)后其平均含水率降低了3～6個百分點。上述研究均在收割機上設置專門的干燥室，結(jié)構(gòu)較為復雜。若將稻谷直接在收割機提升攪龍中干燥，則不需要對收割機設計作重大改進就能夠集成加熱裝置，且攪龍攪動使稻谷受熱更為均勻。

為降低研究成本、提高研究效率，研究人員利用仿真軟件進行模擬來研究干燥過程，并取得了良好的效果。呂歡[8]利用計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）軟件模擬出太陽能干燥室干燥木材的的最佳風速條件，其模擬結(jié)果的真實性可達到90%以上，與傳統(tǒng)的實際測量方法相比節(jié)約了很多時間和經(jīng)費。王仕琪[9]利用 FLUENT 軟件的 UDF（user defined function）功能編寫了濕度源項和能量源項的自定義程序，對花生在對流烘干機中的干燥過程進行了模擬計算，結(jié)果表明，較大的干燥風量、較高的干燥風溫度、較長的干燥時間和較小的干燥風濕度有利于降低花生濕度，其中最大的影響因素為干燥風溫度，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致，證明了模擬的準確性。對稻谷的干燥過程也進行了大量模擬研究，汪喜波等[10]為揭示紅外輻射與對流聯(lián)合干燥機理及干燥過程的熱質(zhì)傳遞特性，建立了聯(lián)合干燥的數(shù)學模型，模擬了稻谷干燥過程中的熱質(zhì)傳遞過程，結(jié)果表明，稻谷的溫度隨輻射強度和對流風速的增大而增大，通過驗證發(fā)現(xiàn)模擬與試驗數(shù)據(jù)吻合良好；高敏[11]利用COMSOL Multiphysics仿真軟件對稻谷籽粒干燥過程的傳熱傳質(zhì)進行了模擬，結(jié)果表明，較高的熱風溫度和較大的熱風速度能促進稻谷籽粒內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)過程，初始濕含量越高稻谷籽粒內(nèi)部溫升越慢，通過模擬結(jié)果和實驗結(jié)果對比，二者誤差在8%以內(nèi)，驗證了模擬的實用性。

利用CFD與DEM（discrete element methodologies）耦合（CFD-DEM）的方法能同時考慮流場和顆粒的相互影響，是1種較新的模擬多相流的數(shù)值分析方法[12-15]，耦合方式有2種：基于多相流的耦合方法和基于DPM（discrete particle method）的耦合方法。Hobbs[16]使用CFD-DEM來模擬熱拌瀝青生產(chǎn)中集料滾筒干燥機的傳熱，結(jié)果表明，該方法能夠模擬干燥機中瀝青的傳熱過程。石林榕等[17]基于CFD-DEM氣固耦合方法分析小區(qū)簾式滾筒干燥箱干燥過程中氣固傳熱、內(nèi)流場動態(tài)分布，仿真結(jié)果表明滾筒內(nèi)簾板對熱氣流有擾動加速作用。虞文俊等[18]采用Fluent-EDEM耦合方法對茶葉紅外殺青滾筒內(nèi)流場進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，紅外殺青結(jié)構(gòu)比電加熱結(jié)構(gòu)能量利用率高，通過實測紅外殺青機內(nèi)的溫度和模擬值的相對誤差約為0.99%。

本文擬在收割機的提升攪龍中利用遠紅外熱風聯(lián)合干燥稻谷，設置2種干燥方案：紅外加熱器裝在攪龍中心的內(nèi)加熱方案和安裝在攪龍外筒上的外加熱方案。采用CFD-DEM耦合方法對2種干燥方案進行模擬，以了解稻谷顆粒在干燥裝置中的運動、溫度和含水率的變化情況，以及干燥裝置中空氣溫度和水分動態(tài)分布情況。

1 工作原理及方法

在機干燥裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，谷物從進料口進入提升攪龍，在被提升的同時，被從進料口進入的熱風以及遠紅外加熱管干燥，同干燥廢氣一起從出料口排出。外加熱和內(nèi)加熱的最大區(qū)別在于：內(nèi)加熱方案采用無軸攪龍，紅外加熱管安裝在攪龍中心；而外加熱方案采用有軸攪龍，紅外加熱管安裝在攪龍外筒上。

圖1 在機干燥裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of drying device in combine harvester

1.2 數(shù)值模擬

1.2.1 數(shù)學模型 CFD-DEM耦合理論主要包括阻力模型、升力模型、熱傳遞模型和組分守恒模型，其中阻力模型采用改進的自由阻力模型，升力模型采用Saffman升力模型，熱傳遞模型為對流傳熱模型、輻射傳熱模型和熱傳導模型[19]。組分守恒模型如下。

式中，Yi為組分i的質(zhì)量分數(shù)；Ji為組分i的擴散系數(shù)，m2·s-1；Ri為化學反應的凈生產(chǎn)率；Si離散相及源項導致的額外產(chǎn)生速率。

1.2.2 仿真模型的建立 根據(jù)實際尺寸建立在機干燥裝置的三維模型，導入到前處理軟件中提取流體，然后導入Ansys Meshing 19.0軟件進行網(wǎng)格劃分。由于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有更優(yōu)的靈活性和自適應性[20]，本研究采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為15 mm,將生成的mesh文件導入到流體分析軟件Ansys Fluent 19.0中進行分析。稻谷顆粒以“中早39號”早稻顆粒為研究對象，隨機抽取了200粒，通過3D激光掃描技術(shù)準確重構(gòu)水稻顆粒三維CAD模型[21]，再將CAD模型導入三維軟件Solidworks 2020中，測得稻谷尺寸，其平均長度長為7.62 mm，平均寬度為2.98 mm，平均厚度為2.22 mm，生成的稻谷仿真模型如圖2所示。

圖2 稻谷顆粒仿真模型Fig.2 Paddy particle simulation model

1.2.3 初始條件和邊界條件確定 仿真過程時間模式設置為瞬態(tài)，打開能量方程，由于攪龍在轉(zhuǎn)動過程中對流場進行擾動，氣體相選用湍流模型，設置為Realizable k-ε模型。入口采用速度入口，方向為垂直入風面，速度為15 m·s-1，氣體溫度為80℃，經(jīng)計算湍流強度為4%，水力直徑為68 mm；攪龍區(qū)域流體的轉(zhuǎn)速為1 000 r·min-1(聯(lián)合收割機輸糧攪龍實際轉(zhuǎn)速)；出口采用壓力出口；輻射模型選用Discrete Ordinate模型，發(fā)射率為0.9，外加熱方案時輻射溫度為410℃（功率4 kW），內(nèi)加熱方案時輻射溫度為500℃（功率4 kW）；由于干燥過程中涉及傳質(zhì)，打開組分輸運方程；打開離散相模型，離散相顆粒設置為多組分顆粒，顆粒成分為水和稻谷，其中水的含量為0.25，可蒸發(fā)為氣態(tài)水，稻谷的含量為0.75，不可蒸發(fā)。

顆粒工廠顆粒產(chǎn)生速度為0.5 kg·s-1，攪龍轉(zhuǎn)速為1 000 r·min-1，顆粒與顆粒之間熱傳遞采用Hertz Mindlin with heat conduction模型，顆粒與壁面之間采用Herz Mindlin(no slip)接觸模型，顆粒初始溫度為25℃，設定稻谷初始速度為5 m·s-1，重力加速度沿著Y軸方向為-9.81 m·s-2，顆粒比熱容為 2 600 J·kg-1·℃-1，顆粒之間熱導率為0.13 W·m-1·℃-1，其他參數(shù)見表1和表2。

表1 顆粒模型材料參數(shù)Table 1 Material parameters of particle model

表2 顆粒模型接觸參數(shù)Table 2 Contact parameters of particle model

由于Fluent和EDEM的信息由耦合接口進行交換，在耦合過程中需要滿足一定要求：Fluent中設置的時間步長為1∶10～1∶100之間；EDEM選擇Rayleigh時間步長的5%～40%；Fluent中網(wǎng)格單元體積要大于EDEM中顆粒體積[19]。

1.3 試驗方法

為了驗證仿真結(jié)果的可靠性，搭建了外加熱方案稻谷干燥試驗臺進行了稻谷干燥試驗。以攪龍轉(zhuǎn)速為變化參數(shù)，熱風溫度為60℃,熱風速度為5 m·s-1,喂入量為 0.5 kg·s-1，對稻谷進行干燥試驗，收集了30 s內(nèi)稻谷從入口到出口稻谷含水率的下降值。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥裝置內(nèi)水分和溫度模擬分析

2.1.1 干燥裝置內(nèi)水分分布t=1.0 s時，不同加熱方案的干燥裝置內(nèi)水分分布如圖3所示。可以看出，干燥裝置入口處空氣中的水分含量較少，從下至上水分越來越多，水分主要聚集在干燥裝置上部和靠近攪龍外邊緣部分，這是由于稻谷顆粒開始進入干燥裝置時，稻谷顆粒中的水分還未蒸發(fā)至氣體中，隨著干燥的進行稻谷顆粒中的水分不斷蒸發(fā)至氣體中，導致裝置內(nèi)的水分不斷增多，而熱風從下往上進入，水分容易集中在上部和攪龍葉片邊緣。通過對比可以看出，外加熱方案比內(nèi)加熱方案空氣中的水分含量更高。

圖3 t=1.0 s時干燥裝置內(nèi)水分分布Fig.3 Water distribution in in drying device at t=1.0 s

2.1.2 燥裝置內(nèi)溫度分布t=1.0 s時，不同熱方案的裝置內(nèi)溫度分布如圖4所示，2種方案的干燥裝置內(nèi)空氣溫度從入口到出口逐漸降低，這是由于稻谷顆粒在干燥過程中水分蒸發(fā)需要吸收空氣中的能量，導致空氣的溫度降低。通過對比2種加熱方案的溫度分布發(fā)現(xiàn)：外加熱方案干燥裝置內(nèi)的空氣溫度分布較均勻，更加有利于稻谷顆粒的干燥；內(nèi)加熱方案干燥裝置內(nèi)只有靠近加熱管的位置溫度稍高，靠近外壁面和螺旋葉片上方空氣溫度較低，不利于干燥。

圖4 t=1.0 s時干燥裝置內(nèi)溫度分布Fig.4 Temperature distribution in drying device at t=1.0 s

2.2 干燥裝置內(nèi)稻谷的含水率、溫度和運動情況

2.2.1 谷粒的含水率和運動分布 圖5為不同加熱方案谷粒的運動和含水率分布情況，谷粒剛進入裝置時含水率變化不明顯，隨著干燥的進行，稻谷顆粒中的水分開始從顆粒中蒸發(fā)出來。通過對比可知，內(nèi)加熱方案時顆粒水分最大降幅為0.6%，外加熱方案時顆粒水分最大降幅為0.7%，這是由于谷粒在裝置內(nèi)運動時主要是靠近外壁面，外加熱時谷粒距離輻射源較近，內(nèi)加熱時谷粒距離輻射源較遠，說明在該條件下外加熱方案的干燥效果優(yōu)于內(nèi)加熱方案。

圖5 谷粒在不同時間的運動及含水率分布Fig.5 Movement and water content distribution of paddy particles at different time

2.2.2 谷粒的溫度和運動分布 內(nèi)加熱方案和外加熱方案下谷粒的溫度和運動分布情況如圖6所示，顆粒隨著攪龍的轉(zhuǎn)動沿軸向上升，谷粒的溫度不斷上升，內(nèi)加熱方案時顆粒溫度在1.0 s內(nèi)最大上升了1.34℃，外加熱方案顆粒溫度則最大上升了2.13℃。這是由于外加熱時谷粒與輻射源的距離更近，能吸收更多的能量，所以升溫較快。

2.2.3 裝置內(nèi)谷粒數(shù)量隨時間的變化 圖7為干燥裝置內(nèi)谷粒數(shù)量隨仿真時間的變化曲線，干燥裝置內(nèi)的谷粒數(shù)量在t=0.9 s時達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時進入裝置內(nèi)的顆粒數(shù)量等于離開裝置的顆粒數(shù)量。

圖7 干燥裝置中谷粒數(shù)量的變化Fig.7 Change of particles quantity in drying unit

2.2.4 裝置內(nèi)谷粒含水率隨時間的變化 圖8為谷粒含水率變化，谷粒的含水率在不斷下降，外加熱方案谷粒的脫水速率大于內(nèi)加熱方案脫水速率。外加熱方案中，谷粒含水率在干燥裝置內(nèi)下降了0.5%；內(nèi)加熱方案中，谷粒含水率在干燥裝置內(nèi)下降了0.4%。這是由于稻谷被攪龍?zhí)嵘倪^程中，谷粒主要分布在攪龍外筒內(nèi)表面，而距離攪龍軸較遠，外加熱方案相比于內(nèi)加熱方案縮短了輻射距離，谷粒能吸收更多能量，有利于水分的蒸發(fā)。

圖8 谷粒含水率變化Fig.8 Change of paddy particles moisture content

2.2.5 裝置內(nèi)谷粒溫度隨時間的變化 圖9為內(nèi)加熱方案和外加熱方案谷粒溫度變化。由于稻谷在起始階段主要是熱風對其進行加熱，2種加熱方案谷粒溫度上升速度一致；當谷粒進入輻射加熱階段時，外加熱方案谷粒在運動過程中更加靠近外筒的外壁面，谷粒因此可以吸收較多能量，升溫也更快。

圖9 谷粒溫度變化Fig.9 Temperature change of paddy particles

2.3 兩種干燥方案對稻谷的干燥效果分析

2.3.1 不同攪龍轉(zhuǎn)速下干燥效果對比分析 圖10為不同攪龍轉(zhuǎn)速下2種方案的脫水速率變化，外加熱方案的稻谷顆粒脫水速率一直處于內(nèi)加熱方案的上方，外加熱方案比內(nèi)加熱方案的脫水速率最大提高了14.04%，最小提高了7.55%。隨著攪龍轉(zhuǎn)速的升高，2種加熱方式脫水速率都逐漸降低，這是由于轉(zhuǎn)速越大，谷粒運動速度也隨之增大，谷粒在干燥裝置內(nèi)的停留時間越短，干燥的時間也越短，谷粒吸收的能量減少，溫度上升得慢，因此脫水速率越慢。

圖10 脫水速率隨攪龍轉(zhuǎn)速的變化Fig.10 Change of dry-down rate with screw conveyor rotation speed

2.3.2 不同熱風溫度下干燥效果對比分析 谷粒的干燥離不開干燥介質(zhì)，而熱風作為干燥介質(zhì)的主要性質(zhì)就是溫度和速度。從圖11可以看出，外加熱方案脫水速率一直處于內(nèi)加熱方案脫水速率的上方，外加熱方案比內(nèi)加熱方案的脫水速率最大提高了5.88%。這是由于熱風溫度升高，有更多的能量從熱風傳遞至谷粒表面，谷粒表面的溫度升高，谷粒外部和內(nèi)部形成了較高的溫度梯度，加速了水分的遷移。

圖11 脫水速率隨熱風溫度的變化Fig.11 Change of dry-down rate with hot air temperature

2.3.3 不同熱風速度下干燥效果的對比分析 從圖12可以看出，外加熱方案脫水速率一直處于內(nèi)加熱方案脫水速率的上方，外加熱方案比內(nèi)加熱方案的脫水速率最大提高了7.99%，最小提高了3.79%。隨著熱風速度的增大，脫水速率也逐漸增大，這是由于隨著熱風速度的增大，及時帶走處于谷粒蒸發(fā)出的水分，增大了稻谷顆粒內(nèi)外的水分梯度差，加快了稻谷顆粒中的水分的向稻谷表面遷移，帶走水分的同時也帶走了能量，谷粒的溫升也因此下降。

圖12 脫水速率隨熱風速度的變化Fig.12 Change of dry-down rate with hot air velocity

2.3.4 不同喂入量下干燥效果的對比分析 從圖13可以看出，外加熱方案脫水速率一直處于內(nèi)加熱方案脫水速率曲線的上方，外加熱方案比內(nèi)加熱方案的脫水速率最大提高了7.99%，最小提高了5.33%。隨著喂入量的增大，脫水速率也逐漸減小，這是由于喂入量越大，裝置內(nèi)的顆粒數(shù)量越多，而熱風和加熱管提供的能量是一定的，單個顆粒吸收的能量則會變少，谷粒溫升減小，谷粒內(nèi)外表面的溫度梯度減小，不利于水分遷移，脫水速率則會越慢。

圖13 脫水速率隨喂入量的變化Fig.13 Change of dry-down rate with feed amount

2.4 驗證結(jié)果分析

驗證結(jié)果如圖14所示，試驗值和模擬值變化趨勢一致。可以看出，脫水速率模擬值和試驗值相對誤差最大為8.34%。模擬值和試驗值的最大誤差均小于10%，說明試驗與模擬結(jié)果基本吻合，驗證了模型的準確性。

圖14 外加熱方案試驗和模擬結(jié)果對比Fig.14 Comparison between experimental and simulation results of the external heating scheme

3 討論

目前，模擬方法已被廣泛應用于研究稻谷的干燥過程。王潤發(fā)[22]使用計算流體力學軟件對紅外對流谷物干燥樣機內(nèi)氣流分布和壓力場分布進行模擬，得到了氣流分布的速度云圖和糧層壓力云圖，通過仿真結(jié)果分析了干燥介質(zhì)分布的均勻性。王珊珊[23]使用COMSOL Muitiphysics多物理場耦合軟件實現(xiàn)了單個稻谷在干燥過程中的傳熱傳質(zhì)模擬。本研究利用CFD-DEM耦合方法探究了不同因素對脫水速率的影響。相比于其他模擬方法，該方法既能分析流場的變化情況，也能直觀地觀察到谷粒的運動情況。而傳統(tǒng)的試驗方法無法精確地控制試驗條件，可能存在誤差，導致結(jié)果產(chǎn)生偏差，而且試驗成本高、周期長。本文采用的CFD-DEM耦合方法可精準的控制試驗條件，不受人為因素干擾，節(jié)約時間和成本，可用于探究谷粒的干燥研究。

影響谷粒干燥效果的因素有很多，熱風溫度和熱風速度對谷粒的脫水速率有著較大影響[24]。本文根據(jù)實際的工作條件，在已有的研究基礎上增加了攪龍轉(zhuǎn)速和喂入量對干燥效果的影響。結(jié)果表明，谷粒的脫水速率隨著攪龍轉(zhuǎn)速的增大而減小，隨著喂入量的增大而減小。該研究結(jié)果為研究聯(lián)合收割機在機干燥提供了理論基礎。