牧草干燥裝置干燥效果仿真計算及分析*

張官正，李曉康，李正鎖，李京默，謝艷，楊龍飛，王硯麟

(1.甘肅省機械科學研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730300；2.甘肅省草地農業機械重點實驗室，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

隨著國內對牧草需求量的不斷增加，對牧草品質的要求也隨之提高。牧草儲存的含水率是一項關鍵參數，關系到牧草的儲存時間，直接影響牧草的品質。傳統的干燥方式以自然風干為主，過程中由于長時間受日光暴曬、雨淋以及酶的分解等氣候影響，營養損失嚴重[1]。為改善和提高牧草品質和商業價值，減少干燥過程中營養成分的損失，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]，達到牧草存儲過程中降低營養流失的目的。熱氣流烘干牧草草捆法是將熱源加熱的空氣通過鼓風機和管道吹向草捆，從而加熱草捆使內部水分蒸發，過程中測量含水率，最終達到目標值。該方法具有干燥條件可控，過程中草捆不易受到污染，草捆含水率控制較為精準，干燥效率高的特點。

筆者針對牧草干燥過程耗時估算問題及最終干燥效果評價問題，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程中的草捆內部溫度變化過程，進而獲得特定草捆尺寸下草捆滿足干燥條件所需的時間，以及達到干燥工藝要求溫度后草捆內部水分的分布狀態。將仿真分析的方法應用于牧草干燥裝置關鍵參數研究及參數匹配設計中，可直觀地驗證干燥裝置設計效果，對牧草干燥裝置縮短研發周期、減少研發成本有著重要的意義。

1 計算模型及仿真方法

1.1 計算模型

文中所述牧草干燥裝置，其工作原理為：通過熱風機產生特定溫度的熱氣流，氣流經過導管和整流罩，將熱氣按照一定的速度吹向被干燥牧草草捆。通過監測裝置，監測草捆溫度及含水量的變化情況，判斷牧草草捆是否達到既定的干燥效果。該裝置可以對不同形狀的草捆進行干燥處理，常見的草捆的形狀分為長方體和圓柱體，根據流場的計算和傳熱過程比對，相同材質和外界條件下，長方體小面為正方形且邊長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于長方體。文中以傳熱較為不理想的長方體形草捆為研究對象，并將其作為裝置在額定負載下特性的分析對象，計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 計算模型

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

1.2 計算模型網格劃分

采用前處理軟件對包含6個被干燥草捆的干燥裝置內部流場進行計算模型網格劃分，鑒于本研究流道內介質熱空氣為流體，在網格劃分時選擇適合計算流體力學的離散化網格劃分格式；考慮到該計算模型在形狀上主要以長方體型幾何特征為主，為方便網格劃分，保證網格質量，采用結構化網格劃分形式。網格劃分獲得的網格節點數為618 418個，網格數量為3 081 708個。干燥裝置內部流場計算部分網格劃分結果如圖3所示。

圖3 干燥裝置內部流場計算部分網格

1.3 計算方法及控制方程

在對干燥裝置內部流場及牧草干燥過程進行仿真時，其內部流動介質為熱氣流，固體部分為牧草，做出如下假設[4]：①流道內部空間被氣流完全充滿；②由于重力、體積力遠小于黏滯力，可忽略不計；③流體計算域流體為不可壓縮液體；④計算過程為隨時間變化的非定常過程。

基于以上假設，在進行求解干燥裝置內部流場及牧草干燥過程時，采用基于壓力的非定常求解器，采用標準的k-ε湍流模型[5]，考慮溫度的變化，控制方程如下：

(1) 連續性方程

(1)

(2)

(2) 動量方程

(3)

式中：p為壓力，Pa；υ為運動粘度；fi為體積力，N。

(3) 能量方程

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

1.4 邊界條件及求解方法選擇

干燥裝置內部流場及牧草干燥過程的計算，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，導熱系數3.5 W/m·K。計算時，沿著長方體草捆長邊的粘性阻力系數為2.111e+08，慣性阻力系數為0.4。初始溫度為20 ℃，熱氣流輸入最高溫度為100 ℃，熱氣流進口速度為4 m/s，出口類型為自由出口。在計算長方體草捆內部水分在加熱后發布情況時，采用蒸發/冷凝模型。干燥裝置內部流場及牧草干燥過程計算基于壓力速度耦合，對離散后的計算模型采用SIMPLEC算法[6]。為了減少計算過程中流場偽擴散，離散格式選用適用于多面體網格且基于最小二乘法的Least Squares Cell Based 格式。非定常計算時，每1800 s保存一次，共10次，對應實際5 h的烘干過程。

2 計算結果與分析

通過對上述工況下干燥裝置內部流場及牧草干燥過程計算，獲得了不同干燥時間下，長方體型草捆內部溫度隨時間變化的過程，取中心截面為數據參考面，其分時溫度場計算結果如圖4所示。

圖4 分時溫度場計算結果

由圖4可以看出，在給定計算條件下，隨著時間的增加，不同時間節點長方體型草捆中心截面處的溫度值分布情況均為外層高、內部低；草捆初始溫度為20 ℃，對應293 K，而達到牧草干燥工藝所需70 ℃時，即對應溫度為343 K，對應的干燥時間為300 min；隨著草捆與熱氣流進行溫度的交換，草捆內部溫度較初始值有明顯的上升，導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時間段，草捆內部溫度的變化速率較高，而150～300 min時間段，草捆內部溫度的變化速率較低。取草捆整體平均溫度達到70 ℃草捆中心速度場分布圖，如圖5所示。

由圖5速度場分布圖可以看出，由于長方體型草捆為多孔介質模型，其內部熱氣流速度值遠遠小于草捆外壁熱氣流速度值，內部速度流線稀疏，由此可見，草捆內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 速度場計算結果 圖6 草捆內部兩相分布狀態

牧草在進入干燥裝置前，一般含水率為30%，在求解長方體型草捆內部隨著溫度達到干燥工藝所需值后，草捆內部水分的分布狀態做以下假設：假設草捆壁面為熱源，在草捆內部平均溫度達到70 ℃后，初始水分占比的體積分數為30%，且初始狀態下草捆內部水分均勻分布。計算采用蒸發/凝結模型，計算水分的兩相分別為液體相和水蒸氣相，初始狀態液體相phase3占總體積分數的30%，水蒸氣相phase2占比為0%。計算后得到長方體型牧草捆內部兩相分布狀態如圖6所示。

由圖6可以看出，在溫度達到烘干工藝所需值后，草捆內部在相同位置處，水蒸氣相的體積分數占比明顯高于液態水相的體積分數；在草捆熱空氣直吹端，水蒸氣的體積分數由上至下呈遞減的分布狀態，液態水相分布狀態與之相反。由此可見，草捆內部常溫狀態下的液態水在熱氣流加熱的作用下，變為水蒸氣，從草捆中蒸發，從而達到干燥牧草的效果。

以上結果表明，將仿真分析的方法應用于牧草干燥裝置干燥效果評價，能夠從溫度場、速度場分布云圖和草捆含水的氣相和液相分布圖中，直觀獲得在給定設備工作條件和草捆特性下，干燥過程所需時間和牧草干燥效果。

3 結 語

文中采用仿真分析的方法，對牧草干燥裝置干燥效果進行仿真。根據裝置的三維模型，簡化處理獲得內部流場和牧草的計算模型，完成網格劃分及計算條件設置，在給定工況下對計算模型進行了求解。結果表明：在給定尺寸下，牧草達到干燥工藝所需70 ℃時所需的時間為300 min；草捆內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牧草傳遞的熱量；在溫度達到烘干工藝所需值后，草捆內部在形同位置處，水蒸氣相的體積分數占比明顯高于液態水相的體積分數，實現草捆的干燥效果。

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