基于离散元法的稻谷红外—热风干燥数值模拟

肖石华

（江西农业大学 工学院，江西 南昌330045）

水稻是我国主要粮食作物之一，2019年全国稻谷总产量达到4.192×108t[1]。由于刚收获的稻谷含水率较大（含水率为23.1%[2]），如果不及时进行脱水，稻谷容易霉变。目前在售的谷物干燥设备存在结构复杂、体积大等缺点，难以整合在联合收割机上[3]。远红外辐射联合热风干燥可以缩小设备体积，缩短干燥时间，减少能耗，同时有利于提高干燥品质[4]。

红外—热风搅龙内部的流场、温度场变化和颗粒的干燥情况难以观察。CFD-DEM是一种新的耦合模拟方法，通过CFD求解流场、温度场，通过DEM计算颗粒的运动受力情况，二者进行质量、动量和能量等的传递实现耦合[5]。刘立强[6]等基于CFD-DEM耦合数值模拟方法对烘干筒料帘区的传热过程进行了仿真，重点分析了烘干筒出口温度随着时间的变化以及烘干筒达到稳定状态时轴向颗粒温度的变化。虞文俊[7]等采用CFD-DEM耦合茶叶杀青过程中的离散场、流场和温度场，耦合求解计算得到杀青筒内的温度分布和杀青温升曲线。Jannatul Azmir[8]等基于CFD-DEM耦合方法，建立了一种数值干燥模式，用于描述气固两相流系统中的传热和传质过程。Hobbs,Andrew[9]研究了CFD-DEM耦合方法来模拟沥青生产中使用的骨料鼓式干燥机中的传热情况。周佳妮[10]在离散元法的基础上采用EDEM与Fluent软件耦合方法对垂直搅龙输送过程进行了分析，但该模型只分析了颗粒运动的情况，没有分析颗粒温度变化情况。

文章重点通过CFD-DEM耦合仿真模拟远红外—热风干燥输粮搅龙干燥稻谷过程中稻谷颗粒的干燥和搅龙内部的流场、温度场分布情况，对研究搅龙干燥有重要参考价值。

1 具有干燥功能的输粮搅龙结构及工作原理

用试验台架的方式模拟输粮搅龙在机干燥的工作过程，输粮搅龙总体结构见图1，由电机、联轴器、无轴搅龙、红外加热管、搅龙筒、料斗、机架等组成。外筒由支架支撑，红外加热管位于搅龙筒中心，无轴搅龙与法兰盘固定，通过联轴器与电机连接以模拟搅龙在收割机内工作。

如图1所示，稻谷从料斗进入搅龙筒内，热风从热风入口进入搅龙筒，无轴搅龙通过联轴器与电机相连，搅龙在电机的带动下将稻谷向上运输，红外加热管固定在搅龙筒中心，稻谷在往上运动的过程中，通过热风和红外辐射对稻谷进行干燥，当稻谷到达出口之后完成对稻谷的干燥，同时废气也一同排出。

图1 红外干燥搅龙试验台总体结构Fig.1 The overall structure of infrared drying auger test bench

2 数值模拟及分析

整个模拟按以下步骤进行：第一，在三维软件中画出搅龙模型，如图2所示，并导入Workbench中进行网格划分，如图3所示；第二，搅龙模型导入EDEM中，建立稻谷颗粒的仿真模型，定义好材料属性，如图4所示；第三，将网格文件导入到Fluent软件中，并且设置好边界条件；第四，通过耦合文件将Fluent软件和EDEM软件进行耦合；第五，设置迭代步数，并进行后处理。

图2 干燥搅龙模型图Fig.2 Themodel diagram of drying auger

图3 干燥搅龙网格局部图Fig.3 Thepartial view of drying auger grid

图4 稻谷颗粒仿真模型Fig.4 The simulation model of rice grain

3 稻谷干燥过程中搅龙流场分布模拟结果分析

图5（a）、5（b）、5（c）分别为搅龙内部温度场、速度场和压力场云图。由图5（a）可以看出靠近辐射源的气体温度较高，热空气沿着运动的方向逐渐升温，说明热空气经过搅龙内部时被加热。由图5（b）可以看出热空气在通过搅龙时被搅龙加速，这是由于搅龙给空气施加了竖直方向的作用力，所以热空气会被加速，热空气在通过搅龙段时速度分布比较均匀。由图5（c）可以看出搅龙筒内部压力主要集中在热风入口，气体压力从下至上呈现不断减小的趋势。

图5 搅龙温度场、速度场和压力场云图Fig.5 Thecloud diagram of temperature field,velocity field and pressurefield of auger

在EDEM模型中，搅龙内部的颗粒运动和分布情况如图6所示，颗粒从颗粒工厂不断生成颗粒，生成的颗粒从入口进入到搅龙，随着搅龙的转动不断上升，在0.8 s时稻谷从出口流出，完成干燥过程。由图6可知稻谷颗粒从入口到出口温度升高了6.73℃。由图7可知，稻谷颗粒初始段温度上升较为缓慢，在中间段温度上升较快，在末尾段温度上升较为缓慢，这是由于刚开始颗粒位于入料口，此时是热风对颗粒进行加热，中间段是由于红外辐射和热风对颗粒进行加热，末尾段是只有热风进行加热。

图6 稻谷从入口到出口颗粒温度和运动情况Fig.6 Thegrain temperature and movement from inlet to outlet

图7 稻谷颗粒温度变化曲线Fig.7 The temperature change curve of rice grain

4 结论

通过CFD-DEM耦合仿真模拟了气固耦合作用下搅龙内稻谷干燥过程的运动与传热，分析了空气在搅龙内的温度、压力和流速变化以及稻谷颗粒在干燥搅龙内的温度、速度变化情况。仿真结果表明：稻谷的温度在干燥搅龙内有明显升高；空气的温度在干燥搅龙内不断升高，空气的速度在搅龙段较为均匀，空气的压强从下至上逐渐减小。由此可见，该干燥搅龙对稻谷具有良好的干燥效果。