CFD技术在农产品干燥领域中的应用研究概述

孟斐

摘 要：本文在介绍CFD技术理论的基础上，通过CFD技术在农产品干燥领域中应用的研究，阐述CFD技术在不同农产品选择最佳干燥工艺参数，以及在干燥机械设备优化中的应用。研究结果表明，CFD技术能够用最低成本、最短时间对干燥过程进行模拟分析及预测，提出当前存在的问题和未来发展的趋势，制定更合理有效的生产方案，并，为CFD技术在农产品干燥领域中的应用提供参考依据。

关键词：农产品干燥;CFD技术;发展趋势

中图分类号：S226.6     文献标识码：A       文章编号：1003-5168（2021）30-0025-03

Abstract： On the basis of introducing CFD technology theory， the application of CFD technology in the selection of the best drying process parameters of different agricultural products and the optimization of drying machinery and equipment were respectively expounded through the research in the field of agricultural products drying by using CFD technology. The results show that CFD technology can simulate， analyze and predict the drying process with the lowest cost and shortest time， make a more reasonable and effective production plan， and put forward the existing problems and future development trend， so as to make a reference for CFD technology in the agricultural drying field.

Keywords： dry agricultural products; CFD technology; development trend

河南省俗称中原粮仓，是中国主要的农产品产区。但时常会发生农产品霉变、害虫污染等情况，造成严重的经济损失。因此，农产品干燥初加工是保障粮食安全质量方面非常重要的环节。20世纪末，研究人员发现，利用干燥设备对农产品进行产后干燥处理后，发现农产品发生霉变的概率降低，农产品品质得到显著提高，但不能把控各干燥因素的影响，无法得到最佳的干燥条件。此外，干燥设备的结构设计不合理也会影响农产品干燥流场的不均匀性，造成干燥效率低下，且不具备广泛适用性。如今，随着计算机技术和数值模拟技术的快速发展，研究人员通过构建物理模型，用合理的求解方法计算出农产品干燥过程中传热传质的控制方程，得到各个干燥因素的分布规律，为农产品提供了最佳的干燥工艺参数、干燥设备的结构优化设计，同时为实验方案的验证提供合理的依据[1]。本文在介绍CFD技术的理论基础上，重点阐述CFD技术在农产品最佳干燥工艺参数选择与干燥设备结构优化中的研究应用，对CFD技术在未来农产品干燥领域中的应用给予总结和展望。

1 CFD技术的理论概述

1.1 CFD技术的控制方程

1.1.1 质量守恒方程。干燥的目的是减少农产品的含水率。因此，质量守恒方程能描述干燥过程中水分的传递，质量守恒方程表达式如式（1）。

1.2 控制方程的离散

描述干燥介质流动与传递热量的基本方程为偏微分方程，很难得到解析解。因此，采用离散化方法将连续的计算域分割成众多子区域，并将连续的偏微分方程按照離散化方法转化为代数问题，得到数值近似解。目前，常用的离散化方法有：有限差分法、有限元法、有限体积法。有限差分法是研究较早、使用方便、发展较成熟的一种离散化方法。但是在处理较复杂的问题时，有限元法、有限体积法更加简单。有限体积法容易理解，能直接应用于各种物理模型，农产品干燥数值模拟领域大多采用有限体积法。表1为三种不同离散化方法的应用特点。

1.3 流场的求解计算

对流场进行求解的本质就是对离散化方程进行求解，常用的求解方法有耦合求解法、分离求解法[2]。表2为两种不同求解方法的特点和缺点对比。

2 CFD技术在农产品干燥中应用的研究现状

2.1 CFD技术在选择最佳干燥工艺参数中的应用

在实际干燥试验中，不合理的干燥条件会降低农产品品质，会导致农产品焦糊或干燥效果不理想，且造成能源消耗、农产品浪费。目前，研究人员利用CFD技术对干燥过程中的温度、速度、压力等干燥因素进行数值模拟分析，可以清晰地了解各干燥因素的变化规律，从而得到最佳的干燥工艺参数，为各干燥因素对农产品干燥过程的影响提供理论依据。

任海伟等[3]为了研究太阳能干燥室内不同入口风速对气流的分布情况，运用CFD技术对不同风速进行模拟仿真，模拟结果表明：在速度为2 m/s时，干燥室中间部分没有热气流流动;速度为10 m/s时，干燥室出现回流，气流流动不均匀;最佳的入口速度为6 m/s。徐雪萌等[4]为确定湿面条干燥过程中的最佳干燥参数，建立湿热传质数学模型，设置干燥箱内温度分别为50 ℃、60 ℃、70 ℃，风速为3 m/s，加热时间为300 s，利用CFD技术模拟分析干燥过程中温度场的分布情况，结果表明：温度为70 ℃、干燥时间为150 s是湿面条最佳干燥工艺参数。龚中良等[5]以油茶籽网带式干燥机为研究对象，采用CFD技术对干燥箱体内温度场进行数值模拟分析，结果表明：当入口风速为6～8 m/s时，干燥箱体内温度分布情况较均匀，干燥后的油茶籽品质最佳。Pierre-Sylvain Mirade[9]等利用CFD技术模拟分析食品在不同成熟期发酵室内气流分布情况，结果表明，室内气流分布不均匀，会不利于食品的成熟，而且也验证CFD技术可以广泛应用于食品加工，为改善发酵室结构提供理论依据。Waseem Amjad[10]等为了解决间歇式干燥机内气流分布不均匀的缺点，通过改进干燥机入口为对角气流通道，并运用CFD技术对改进干燥箱进行模拟仿真，得到气流分布情况有显著的改善，验证干燥箱的结构优化改进具有可行性。王攀[11]等运用CFD技术对食用菌热风干燥装置内气流进行模拟仿真分析，并进一步优化干燥装置结构。热风干燥模拟试验和香菇干燥实验结果表明：增添弧形导流板和均风板能显著提高烘干室内气流均匀性;各组香菇失水率基本保持一致的趋势验证了该优化结构的可行性。

综上所述，为了确保实现干制品具有较好的色泽、较佳的口感、细胞内营养物质变化小的目标，许多研究人员利用CFD技术根据不同农产品自身特性确定最佳干燥工艺参数，为未来干制品产业化提供良好的理论基础。

2.2 CFD技术在干燥设备优化中的应用

近几年，为了提高干燥效率、降低能源消耗，大量研究人员不断对干燥设备进行优化设计。由于干燥设备体型庞大，优化试验成本较高，往往易造成人力和经济的损失。因此，一些学者就利用CFD技术构建物理模型模拟分析干燥设备的流场分布情况，为优化干燥设备结构提供可靠的参考依据。

赵丹华等[6]为解决玉米烘干塔干燥不均匀问题，运用CFD技术模拟分析烘干塔内温度场的分布情况，模拟结果显示：高温入口处存在大量的热损失，为热风入口处的优化改进提供依据。董继先等[7]为改善干燥箱体内部流场分布不均匀的缺点，选择最佳干燥箱的结构，运用CFD技术对传统式、平行送风式、悬挂式三种不同类型干燥箱内流场分布情况进行对比分析，结果表明：平行送风式干燥箱内部流场均匀性高于其他两種类型的干燥箱。于海明等[8]以微波热风耦合干燥机中的气流分配室为研究对象，利用CFD技术模拟分析气流分配室的结构对气流均匀性的影响，结果表明：调整气流分配室的腔前板高度、上顶角角度、边壁倾斜角都会对气流均匀性造成影响，可为气流分配室的结构优化提供可行性依据。

综上所述，研究人员运用CFD技术对干燥设备模拟仿真分析，并进一步优化设计，确保农产品各处干燥均匀，实现农产品干燥品质可靠、提高干燥效率、降低能源消耗的目标，为以后干燥设备的发展奠定基础。

3 总结与展望

为了减少农产品在堆积中发生霉变，提高粮食品质，将CFD技术应用在干燥领域显得尤为重要。国内外学者利用CFD技术能直观模拟分析干燥室内温度、压力、风速等物理场的分布规律，从而优化干燥设备的结构，以及确定农产品的最佳干燥工艺参数，在一定程度上减少了干燥试验工作量，能够用最低成本、最短时间对干燥过程进行模拟分析以及预测，提出更合理有效的生产方案。目前，CFD技术是由建模软件、网格划分软件、求解软件、后处理软件协同工作实现对干燥过程的模拟仿真，操作过程复杂，使用不方便。在未来，应开发融建模、网格划分、求解等为一体的软件，降低操作复杂性，实现CFD技术在农产品干燥领域中有更多的应用。

参考文献：

[1] 王丹阳，王洁，于文泽，等.数值模拟技术在粮食干燥过程中应用的研究进展[J/OL].中国粮油学报，2021，12.[2021-03-16].

[2] 李万平.计算流体力学[M].武汉：华中科技大学出版社，2004.

[3] 任海伟，李金平，刘增光，等.太阳能干燥室内部气流场分布CFD数值模拟[J].农业机械学报，2012（S1）：235-238.

[4] 徐雪萌，林冬华，陈留记，等.基于ANSYS数值模拟的生鲜面条干燥工艺参数的优化[J].中国粮油学报，2018（8）：87-93.

[5] 龚中良，陈昌和，陶宇超，等.油茶籽网带式干燥机的温度均匀性仿真研究[J].农机化研究，2021（6）：42-46.

[6] 赵丹华，李国琳.基于fluent的玉米烘干塔内温度仿真研究[J].农业与技术，2015（17）：38-40.

[7] 董继先，王文茹.果蔬干燥设备的数值分析与设计[J].食品工业，2017（3）：183-185.

[8] 于海明，李海源，汪春，等.秧盘干燥机气流分配室流场均匀性仿真分析[J].农机化研究，2020（2）：15-21.

[9] Mirade P S .Computational fluid dynamics （CFD） modelling applied to the ripening of fermented food products： Basics and advances[J].Trends in Food Science & Technology，2008，19（9）：472-481.

[10] Amjad W ， Munir A ， Esper A ，et al. Spatial homogeneity of drying in a batch type food dryer with diagonal air flow design[J].Journal of Food Engineering，2015，144（1）：148-155.

[11] 王攀，熊昌国，易文裕，等.基于CFD的食用菌热风干燥装置的研究[J].包装与食品机械，2019，37（6）：42-45.