关键词：
粮食干燥
DEM-CFD
热湿耦合传递
孔隙特征
变空气参数
摘要：
粮食供应是人们日常生活和国家发展的重要组成部分,直接关系到国家的经济、安全和社会稳定。在粮食储存过程中,如果温度和水分控制不当,可能会导致粮堆内部局部发热、霉变和黄变等问题,从而降低粮食的品质。因此,确保粮食品质,实现安全储存,对于保障国家粮食安全和人民生活有着重要的意义。
本研究以粮堆为研究对象,在使用离散元方法构建不同粮种的堆积物理模型的基础上,基于多孔介质局部质量和热量非平衡理论,建立描述其内部流体流动和热湿耦合传递的数学模型,并采用离散元法-计算流体动力学(Discrete Element Method-Computational Fluid Dynamics,DEM-CFD)耦合的方法进行了求解。通过将数值模拟结果与实验数据进行对比分析,验证了数值模型的合理性和可靠性,还进一步分析和讨论了粮堆孔隙特征及通风干燥工况时粮堆内部流体流动、温度和水分的变化规律。此外,深入探讨了入口空气参数对粮堆热湿耦合传递的影响规律。主要研究内容及结论如下:
1.针对现有的粮堆热湿耦合传递理论的局限性,本研究建立了离散元方法中描述粮食颗粒行为的运动和接触模型,以及粮堆双扩散热湿耦合传递数学模型,并通过实验数据验证了相关数学模型的合理性。
2.通过实验确定不同粮种离散元方法涉及的本征参数及颗粒模型,进一步构建了球形和异形颗粒粮堆物理模型,并结合自编译程序对粮堆物理模型进行重构。研究发现对于球形颗粒粮堆,可采用添加“桥梁”的方式来处理颗粒间的接触,且桥梁的直径宜选为颗粒直径的10%,而对于异形颗粒粮堆的接触处理,建议将颗粒尺寸缩小1%。
3.数值分析了不同尺寸球形颗粒粮堆孔隙特征、气流流动、温度和水分传递特性,研究了入口空气参数,如空气温度、相对湿度等对粮堆热湿耦合传递的影响。发现颗粒尺寸较小的粮堆具有更为均匀的孔隙率分布,但存在着相对较大的气流路径迂曲度和压降,而颗粒直径较大的粮堆传热传质毕渥数大,相应的粮堆温度和水分变化也较缓慢。相比于水分扩散率,大豆颗粒的热扩散率通常大3-4个数量级,使得干燥过程的大部分时间消耗在水分调控上。干燥空气的温度和相对湿度均能对粮堆的热湿传递产生较大的影响,而增加入口空气速度虽然能加强粮粒和空气间的换热,但对水分传递的影响很小。
4.对异形颗粒粮堆的孔隙特征和热湿耦合传递规律进行了研究,发现大麦和稻谷颗粒的不规则形状增加了颗粒与壁面的接触面积,减小了壁面处的径向孔隙率,导致粮堆局部具有了更大的气流流动阻力。热扩散率的不同,使得大麦粮堆内部的温度变化速率明显高于稻谷粮堆,而受到水分扩散阻力和颗粒形状的影响,稻谷粮堆的水分传递速率较大。变温和变相对湿度条件均可以在一定程度上缩短干燥所需的时间,但有可能出现异常干燥速率曲线,因此,需要谨慎控制干燥过程中空气参数的变化。得到的研究结果有助于解决干燥系统的设计和优化问题,以期为实现粮食安全储藏提供参考和理论指导。
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