牧草干燥装置干燥效果仿真计算及分析*

张官正，李晓康，李正锁，李京默，谢艳，杨龙飞，王砚麟

(1.甘肃省机械科学研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730300；2.甘肃省草地农业机械重点实验室，甘肃 兰州 730300；3.兰州兰石能源装备工程研究院有限公司，甘肃 兰州 730314)

0 引 言

随着国内对牧草需求量的不断增加，对牧草品质的要求也随之提高。牧草储存的含水率是一项关键参数，关系到牧草的储存时间，直接影响牧草的品质。传统的干燥方式以自然风干为主，过程中由于长时间受日光暴晒、雨淋以及酶的分解等气候影响，营养损失严重[1]。为改善和提高牧草品质和商业价值，减少干燥过程中营养成分的损失，提高干燥效率，采用热气流烘干牧草草捆的方法控制牧草的水分[2-3]，达到牧草存储过程中降低营养流失的目的。热气流烘干牧草草捆法是将热源加热的空气通过鼓风机和管道吹向草捆，从而加热草捆使内部水分蒸发，过程中测量含水率，最终达到目标值。该方法具有干燥条件可控，过程中草捆不易受到污染，草捆含水率控制较为精准，干燥效率高的特点。

笔者针对牧草干燥过程耗时估算问题及最终干燥效果评价问题，采用仿真分析的方法，在给定热气流温度、流速以及牧草草捆尺寸、含水率的条件下，研究牧草草捆干燥过程中的草捆内部温度变化过程，进而获得特定草捆尺寸下草捆满足干燥条件所需的时间，以及达到干燥工艺要求温度后草捆内部水分的分布状态。将仿真分析的方法应用于牧草干燥装置关键参数研究及参数匹配设计中，可直观地验证干燥装置设计效果，对牧草干燥装置缩短研发周期、减少研发成本有着重要的意义。

1 计算模型及仿真方法

1.1 计算模型

文中所述牧草干燥装置，其工作原理为：通过热风机产生特定温度的热气流，气流经过导管和整流罩，将热气按照一定的速度吹向被干燥牧草草捆。通过监测装置，监测草捆温度及含水量的变化情况，判断牧草草捆是否达到既定的干燥效果。该装置可以对不同形状的草捆进行干燥处理，常见的草捆的形状分为长方体和圆柱体，根据流场的计算和传热过程比对，相同材质和外界条件下，长方体小面为正方形且边长和圆柱体圆面直径相等的情况下，圆柱体传热速度和均匀性均强于长方体。文中以传热较为不理想的长方体形草捆为研究对象，并将其作为装置在额定负载下特性的分析对象，计算牧草干燥装置的干燥效果，所示牧草干燥装置的三维模型如图1所示。

图1 牧草干燥装置的三维模型 图2 计算模型

由于计算分析的对象为干燥装置内部长方体型草捆，以及草捆所处热气流流场，因此要对牧草干燥装置的三维模型做前处理，即提取热气流流场并置入草捆模型。同时考虑到仿真软件的工作特点，需要忽略计算对象中不影响计算结果的部分模型特征，以减轻计算机计算压力，最终获得可用于仿真分析的计算模型。所需计算模型如图2所示，总共包含6个被干燥草捆，单个草捆的几何尺寸为0.9 m×0.9 m×2.5 m。

1.2 计算模型网格划分

采用前处理软件对包含6个被干燥草捆的干燥装置内部流场进行计算模型网格划分，鉴于本研究流道内介质热空气为流体，在网格划分时选择适合计算流体力学的离散化网格划分格式；考虑到该计算模型在形状上主要以长方体型几何特征为主，为方便网格划分，保证网格质量，采用结构化网格划分形式。网格划分获得的网格节点数为618 418个，网格数量为3 081 708个。干燥装置内部流场计算部分网格划分结果如图3所示。

图3 干燥装置内部流场计算部分网格

1.3 计算方法及控制方程

在对干燥装置内部流场及牧草干燥过程进行仿真时，其内部流动介质为热气流，固体部分为牧草，做出如下假设[4]：①流道内部空间被气流完全充满；②由于重力、体积力远小于黏滞力，可忽略不计；③流体计算域流体为不可压缩液体；④计算过程为随时间变化的非定常过程。

基于以上假设，在进行求解干燥装置内部流场及牧草干燥过程时，采用基于压力的非定常求解器，采用标准的k-ε湍流模型[5]，考虑温度的变化，控制方程如下：

(1) 连续性方程

(1)

(2)

(2) 动量方程

(3)

式中：p为压力，Pa；υ为运动粘度；fi为体积力，N。

(3) 能量方程

式中：ρ(dU/dt)为系统能内的变化率；P:S变形面力所作的功；div(kgradT)热传导输入的热量；ρq其他方式输入的热量。

1.4 边界条件及求解方法选择

干燥装置内部流场及牧草干燥过程的计算，其边界条件主要为：草捆密度500 kg/m3；比热参照木材为2 310 J/kg·K；考虑给定体积草捆密度，将其定义为多孔介质，导热系数3.5 W/m·K。计算时，沿着长方体草捆长边的粘性阻力系数为2.111e+08，惯性阻力系数为0.4。初始温度为20 ℃，热气流输入最高温度为100 ℃，热气流进口速度为4 m/s，出口类型为自由出口。在计算长方体草捆内部水分在加热后发布情况时，采用蒸发/冷凝模型。干燥装置内部流场及牧草干燥过程计算基于压力速度耦合，对离散后的计算模型采用SIMPLEC算法[6]。为了减少计算过程中流场伪扩散，离散格式选用适用于多面体网格且基于最小二乘法的Least Squares Cell Based 格式。非定常计算时，每1800 s保存一次，共10次，对应实际5 h的烘干过程。

2 计算结果与分析

通过对上述工况下干燥装置内部流场及牧草干燥过程计算，获得了不同干燥时间下，长方体型草捆内部温度随时间变化的过程，取中心截面为数据参考面，其分时温度场计算结果如图4所示。

图4 分时温度场计算结果

由图4可以看出，在给定计算条件下，随着时间的增加，不同时间节点长方体型草捆中心截面处的温度值分布情况均为外层高、内部低；草捆初始温度为20 ℃，对应293 K，而达到牧草干燥工艺所需70 ℃时，即对应温度为343 K，对应的干燥时间为300 min；随着草捆与热气流进行温度的交换，草捆内部温度较初始值有明显的上升，导致草捆温度与热气流温度间的温度梯度减小，即图4中前30～150 min时间段，草捆内部温度的变化速率较高，而150～300 min时间段，草捆内部温度的变化速率较低。取草捆整体平均温度达到70 ℃草捆中心速度场分布图，如图5所示。

由图5速度场分布图可以看出，由于长方体型草捆为多孔介质模型，其内部热气流速度值远远小于草捆外壁热气流速度值，内部速度流线稀疏，由此可见，草捆内部牧草温度的上升主要靠外层牧草的传热，而外层牧草的升温则是热气流对牧草传递的热量。且热气流的速度值由草捆上端向下端逐渐减小，在草捆下端尾部，速度降为1.5 m/s。

图5 速度场计算结果 图6 草捆内部两相分布状态

牧草在进入干燥装置前，一般含水率为30%，在求解长方体型草捆内部随着温度达到干燥工艺所需值后，草捆内部水分的分布状态做以下假设：假设草捆壁面为热源，在草捆内部平均温度达到70 ℃后，初始水分占比的体积分数为30%，且初始状态下草捆内部水分均匀分布。计算采用蒸发/凝结模型，计算水分的两相分别为液体相和水蒸气相，初始状态液体相phase3占总体积分数的30%，水蒸气相phase2占比为0%。计算后得到长方体型牧草捆内部两相分布状态如图6所示。

由图6可以看出，在温度达到烘干工艺所需值后，草捆内部在相同位置处，水蒸气相的体积分数占比明显高于液态水相的体积分数；在草捆热空气直吹端，水蒸气的体积分数由上至下呈递减的分布状态，液态水相分布状态与之相反。由此可见，草捆内部常温状态下的液态水在热气流加热的作用下，变为水蒸气，从草捆中蒸发，从而达到干燥牧草的效果。

以上结果表明，将仿真分析的方法应用于牧草干燥装置干燥效果评价，能够从温度场、速度场分布云图和草捆含水的气相和液相分布图中，直观获得在给定设备工作条件和草捆特性下，干燥过程所需时间和牧草干燥效果。

3 结 语

文中采用仿真分析的方法，对牧草干燥装置干燥效果进行仿真。根据装置的三维模型，简化处理获得内部流场和牧草的计算模型，完成网格划分及计算条件设置，在给定工况下对计算模型进行了求解。结果表明：在给定尺寸下，牧草达到干燥工艺所需70 ℃时所需的时间为300 min；草捆内部牧草温度的上升主要靠外层牧草的传热，而外层牧草的升温则是热气流对牧草传递的热量；在温度达到烘干工艺所需值后，草捆内部在形同位置处，水蒸气相的体积分数占比明显高于液态水相的体积分数，实现草捆的干燥效果。

通过此顶研究所述方法，将不同尺寸、不同特性牧草、不同含水率的草捆，作为计算模型的几何参数和仿真计算的边界条件，配合改变热空气流速和温度，模拟匹配不同的干燥设备工作参数，计算获得牧草干燥过程所需时间和最终干燥效果的结果，从而判断各设计方案的干燥效率。此方法获得计算结果云图，可直观显示干燥过程中草捆内部状态，方便设计方案的确定，可以省去大量的物理实验过程，从而缩短研发周期，降低研发成本。