基于離散元理論的烘干設(shè)備內(nèi)糧食流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)研究

◎ 孫慧男，夏朝勇，張卓青

（鄭州中糧科研設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450053）

1 概述

糧食干燥是關(guān)系到糧食收儲(chǔ)保質(zhì)保量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，干燥設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)采用科學(xué)可行的設(shè)計(jì)依據(jù)和方法，以保證干燥品質(zhì)、降低能耗。熱風(fēng)干燥技術(shù)是一種高溫快速干燥技術(shù)，該種技術(shù)不受氣候條件限制，干燥時(shí)間短，一般只有幾小時(shí)或一天，生產(chǎn)能力較大，目前市場(chǎng)應(yīng)用較廣[1]。但其也有一些弊端，如影響設(shè)備性能因素較多，烘干塔設(shè)計(jì)不合理，引起熱風(fēng)分布不均，甚至在塔內(nèi)產(chǎn)生渦流。不但使糧食降水不均，而且極易引起烘干塔著火[2]。

熱風(fēng)干燥中干燥介質(zhì)熱風(fēng)的溫度、風(fēng)量和干燥時(shí)間非常重要。熱風(fēng)溫度過(guò)高，會(huì)出現(xiàn)糧食局部焦糊甚至發(fā)生火災(zāi)的情況，溫度過(guò)低則使干燥效率降低，增加成本。因此，烘干設(shè)備各參數(shù)的合理匹配至關(guān)重要，迫切需求科學(xué)的研究方法。國(guó)內(nèi)外對(duì)干燥過(guò)程模擬的研究也在不斷深入，各種干燥技術(shù)軟件的開發(fā)對(duì)干燥機(jī)的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品質(zhì)量的改進(jìn)起到了極其重要的作用[3-5]。如朱學(xué)文等[6]表示，干燥不均勻性既降低了干燥效率又影響了烘干物料的品質(zhì)，干燥室機(jī)構(gòu)、物料在干燥室中的位置等顯著影響物料的干燥特性及干燥均勻性，因此其進(jìn)行穿流箱式干燥機(jī)典型物料干燥特性和干燥均勻性的試驗(yàn)研究。曹崇文[7]利用自行開發(fā)的HL-e軟件對(duì)混流式糧食干燥機(jī)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，研究了角狀盒的結(jié)構(gòu)、尺寸數(shù)目和在機(jī)內(nèi)的分布對(duì)干燥機(jī)生產(chǎn)率熱耗的影響。但是，目前的干燥設(shè)備設(shè)計(jì)制造仍然缺乏先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的支撐，大多依靠設(shè)計(jì)人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，尤其是對(duì)于干燥機(jī)內(nèi)部物料通道、布風(fēng)機(jī)構(gòu)、緩速容積的設(shè)計(jì)無(wú)章可循，造成設(shè)備性能的提升遭遇瓶頸。多年來(lái)，廣大科技人員投入了大量人力、物力，開展了大量實(shí)驗(yàn)研究，由于糧食干燥受外界影響因素較大，即使是相同的實(shí)驗(yàn)條件其結(jié)果也不一定相同；而數(shù)值模擬的方法則避免了實(shí)驗(yàn)研究方法的局限性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)與模擬的有效結(jié)合，不僅減少了大量工作量，而且提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

本文基于離散元理論對(duì)烘干設(shè)備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)內(nèi)部物料流動(dòng)形態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真，并開展對(duì)應(yīng)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)糧食干燥機(jī)內(nèi)物料群運(yùn)動(dòng)的分析研究，探索典型機(jī)構(gòu)對(duì)物料群運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律。找到干燥機(jī)內(nèi)顆粒物料運(yùn)動(dòng)時(shí)間差異的原因，優(yōu)化工藝結(jié)構(gòu)、保證布風(fēng)均勻，減少糧粒運(yùn)動(dòng)時(shí)間差，確保糧粒有較為相等的加熱干燥時(shí)間，為干燥機(jī)設(shè)計(jì)提供一種新的科學(xué)設(shè)計(jì)方法，從而提升干燥品質(zhì)，提高干燥機(jī)性能。

2 基于離散元理論的數(shù)值模擬仿真

離散元理論是近些年快速發(fā)展的一種研究散體物料的新方法，其被廣泛應(yīng)用于航空航天、土木工程、化工、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。離散元理論將研究對(duì)象劃分為一個(gè)個(gè)相互獨(dú)立的單元，根據(jù)單元之間的相互作用和牛頓運(yùn)動(dòng)定律，對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行跟蹤計(jì)算從而得到整個(gè)宏觀介質(zhì)流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。本文基于離散元理論建立烘干設(shè)備烘干段數(shù)值仿真模型，研究干燥段內(nèi)稻谷流動(dòng)現(xiàn)象，以期優(yōu)化干燥段內(nèi)角狀管的排布。

2.1 三維模型建立

對(duì)目前使用較廣的連續(xù)式干燥機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，考慮到角狀管布置形式、排量速度及排糧部件是烘干的關(guān)鍵影響因素，為減小計(jì)算量提高仿真效率，只保留烘干段及排糧段，利用三維軟件進(jìn)行幾何建模，如圖1所示。

圖1 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)三維模型圖

2.2 物料物理特征參數(shù)

實(shí)驗(yàn)選用物料為稻谷，稻谷物理特征參數(shù)是仿真計(jì)算的基本條件，數(shù)值仿真之前要獲得稻谷的物理特征參數(shù)，其基本物理參數(shù)包括稻谷真密度、稻谷之間的靜摩擦系數(shù)、稻谷與接觸材料之間的摩擦系數(shù)、稻谷與不同材料之間的碰撞恢復(fù)系數(shù)等。根據(jù)前期工作基礎(chǔ)，利用自行設(shè)計(jì)的休止角實(shí)驗(yàn)裝置、斜面儀實(shí)驗(yàn)裝置（見圖2、圖3），通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了稻谷間的靜摩擦系數(shù)、稻谷與接觸材料之間的摩擦系數(shù)等。將各物性接觸參數(shù)及通過(guò)文獻(xiàn)查得的稻谷剪切模量及其泊松比[8]輸入到離散元模擬仿真軟件中，各參數(shù)見表1，建立仿真模型，為直觀觀察物料流動(dòng)狀態(tài)，與實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，仿真模型中距排糧軸中心高1 055 mm處生成厚度為120 mm的深色稻谷顆粒，見圖4。

圖2 稻谷之間的靜摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)圖

圖3 稻谷與接觸材料之間的摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)圖

圖4 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)仿真模型圖

表1 物料物理特征參數(shù)表

2.3 其他主要參數(shù)設(shè)置

稻谷顆粒由三球形顆粒組合成非球形稻谷顆粒，顆粒尺寸為6.50 mm～2.25 mm～3.26 mm，排糧軸轉(zhuǎn)速為 8 r·min-1。

2.4 仿真結(jié)果分析

通過(guò)模擬仿真分析，輸出烘干段內(nèi)流動(dòng)速度最快的顆粒時(shí)間位置圖如圖5所示，流動(dòng)速度最慢的顆粒時(shí)間位置圖如圖6所示。圖5中顆粒在相同時(shí)間內(nèi)在Z軸負(fù)方向上即顆粒流出方向移動(dòng)了約18 000 mm，圖6中顆粒在相同時(shí)間內(nèi)在Z軸負(fù)方向上即顆粒流出方向移動(dòng)了約10 000 mm（圖中坐標(biāo)為仿真模型中相對(duì)位置坐標(biāo)，因此未給出相對(duì)位置距離單位）。從圖4中Y-Z平面觀察，運(yùn)動(dòng)較快顆粒在烘干段兩側(cè)，中間部分物料下落速度較慢，兩端物料下落速度大約是中間物料下落速度的2倍。從圖5、圖6中可以看出，稻谷在下降的過(guò)程中，在X軸、Y軸方向上相對(duì)位置改變較小，在Z軸上相差較大，且在Z軸上的速度為線性，則可以判斷中間下落較慢的稻谷顆粒停留時(shí)間是兩端下落較快的稻谷的2倍。

圖5 下落較快稻谷顆粒相對(duì)時(shí)間位置圖

圖6 下落較慢稻谷顆粒相對(duì)時(shí)間位置圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

為與仿真有效對(duì)比，實(shí)驗(yàn)前先將100kg稻谷染成深色備用。在實(shí)驗(yàn)裝置與水平面垂直方向記錄刻度，以便記錄顆粒流動(dòng)時(shí)間位移。將控制電機(jī)的變頻器頻率調(diào)到50 Hz，使排糧輪轉(zhuǎn)速為8 r·min-1。設(shè)備內(nèi)裝糧高度1 360 mm，深色稻谷高度120 mm，距底部排糧軸中心1 055 mm，各實(shí)驗(yàn)條件與仿真模型中條件盡量保持一致，以確保實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比的真實(shí)有效性。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與記錄

記錄實(shí)驗(yàn)開始時(shí)間、實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)間及深色稻谷流出時(shí)間，觀察糧食流動(dòng)狀態(tài)，見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程表

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)象

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，觀察稻谷流動(dòng)狀態(tài)，與角狀管在同一軸線上貼壁的深色稻谷顆粒始終保持著同一水平線下降（見圖7），觀察角狀管切向稻谷流動(dòng)狀態(tài)，兩側(cè)糧食流動(dòng)較快，中間較慢（見圖8），且兩側(cè)與中間相差時(shí)間較長(zhǎng)，即停留在烘干段內(nèi)的糧食時(shí)間差距較大，這將造成干燥不均勻度的增加。

圖7 角狀管在同一軸線上稻谷流動(dòng)狀態(tài)圖

圖8 角狀管切向稻谷流動(dòng)狀態(tài)圖

4 模擬仿真與實(shí)驗(yàn)比對(duì)

4.1 物料流動(dòng)狀態(tài)對(duì)比

仿真中稻谷顆粒在X軸、Y軸方向（X-Z平面）相對(duì)位置改變不大，與實(shí)驗(yàn)中角狀管在同一軸線上貼壁的深色稻谷顆粒始終保持著同一水平線下降現(xiàn)象一致，見圖9。

圖9 模擬仿真于實(shí)驗(yàn)物料流動(dòng)狀態(tài)對(duì)比圖

4.2 物料在塔內(nèi)停留時(shí)間比對(duì)

實(shí)驗(yàn)中物料流速也近似于線性分布狀態(tài)，如圖10所示，稻谷顆粒在設(shè)備內(nèi)停留時(shí)間差較大，同高度（深色稻谷）下中間部分稻谷顆粒在設(shè)備內(nèi)停留時(shí)間約為兩端部分停留時(shí)間的2倍，該現(xiàn)象與仿真一致。

圖10 實(shí)驗(yàn)中最快于最慢稻谷流動(dòng)時(shí)間位置圖

5 結(jié)論

基于離散元理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，證明角狀管排布方式對(duì)物料流動(dòng)形態(tài)影響較大，合理的角狀管設(shè)計(jì)可以使烘干段內(nèi)糧食物料均勻流動(dòng)，減小物料的烘干段內(nèi)停留時(shí)間差，從而使物料均勻受熱，從而降低干燥不均度，提高烘干設(shè)備性能，保證烘干糧食品質(zhì)，達(dá)到高效、環(huán)保、安全、低成本的要求。

除此之外，通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，證明了離散元理論模擬仿真烘干塔內(nèi)糧食流動(dòng)的可行性，為后期糧食烘干塔的設(shè)計(jì)提供了一種新的設(shè)計(jì)手段。與此同時(shí)，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬仿真對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，減少了實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的人力、物力及財(cái)力，縮短了實(shí)驗(yàn)周期。這一理論的引入將提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平，加快產(chǎn)品更新升級(jí)換代的進(jìn)程。