CFD技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品干燥領(lǐng)域中的應(yīng)用研究概述

孟斐

摘 要：本文在介紹CFD技術(shù)理論的基礎(chǔ)上，通過CFD技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品干燥領(lǐng)域中應(yīng)用的研究，闡述CFD技術(shù)在不同農(nóng)產(chǎn)品選擇最佳干燥工藝參數(shù)，以及在干燥機械設(shè)備優(yōu)化中的應(yīng)用。研究結(jié)果表明，CFD技術(shù)能夠用最低成本、最短時間對干燥過程進行模擬分析及預(yù)測，提出當前存在的問題和未來發(fā)展的趨勢，制定更合理有效的生產(chǎn)方案，并，為CFD技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品干燥領(lǐng)域中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)產(chǎn)品干燥;CFD技術(shù);發(fā)展趨勢

中圖分類號：S226.6 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：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

河南省俗稱中原糧倉，是中國主要的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)區(qū)。但時常會發(fā)生農(nóng)產(chǎn)品霉變、害蟲污染等情況，造成嚴重的經(jīng)濟損失。因此，農(nóng)產(chǎn)品干燥初加工是保障糧食安全質(zhì)量方面非常重要的環(huán)節(jié)。20世紀末，研究人員發(fā)現(xiàn)，利用干燥設(shè)備對農(nóng)產(chǎn)品進行產(chǎn)后干燥處理后，發(fā)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品發(fā)生霉變的概率降低，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)得到顯著提高，但不能把控各干燥因素的影響，無法得到最佳的干燥條件。此外，干燥設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理也會影響農(nóng)產(chǎn)品干燥流場的不均勻性，造成干燥效率低下，且不具備廣泛適用性。如今，隨著計算機技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)的快速發(fā)展，研究人員通過構(gòu)建物理模型，用合理的求解方法計算出農(nóng)產(chǎn)品干燥過程中傳熱傳質(zhì)的控制方程，得到各個干燥因素的分布規(guī)律，為農(nóng)產(chǎn)品提供了最佳的干燥工藝參數(shù)、干燥設(shè)備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，同時為實驗方案的驗證提供合理的依據(jù)[1]。本文在介紹CFD技術(shù)的理論基礎(chǔ)上，重點闡述CFD技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品最佳干燥工藝參數(shù)選擇與干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的研究應(yīng)用，對CFD技術(shù)在未來農(nóng)產(chǎn)品干燥領(lǐng)域中的應(yīng)用給予總結(jié)和展望。

1 CFD技術(shù)的理論概述

1.1 CFD技術(shù)的控制方程

1.1.1 質(zhì)量守恒方程。干燥的目的是減少農(nóng)產(chǎn)品的含水率。因此，質(zhì)量守恒方程能描述干燥過程中水分的傳遞，質(zhì)量守恒方程表達式如式（1）。

1.2 控制方程的離散

描述干燥介質(zhì)流動與傳遞熱量的基本方程為偏微分方程，很難得到解析解。因此，采用離散化方法將連續(xù)的計算域分割成眾多子區(qū)域，并將連續(xù)的偏微分方程按照離散化方法轉(zhuǎn)化為代數(shù)問題，得到數(shù)值近似解。目前，常用的離散化方法有：有限差分法、有限元法、有限體積法。有限差分法是研究較早、使用方便、發(fā)展較成熟的一種離散化方法。但是在處理較復(fù)雜的問題時，有限元法、有限體積法更加簡單。有限體積法容易理解，能直接應(yīng)用于各種物理模型，農(nóng)產(chǎn)品干燥數(shù)值模擬領(lǐng)域大多采用有限體積法。表1為三種不同離散化方法的應(yīng)用特點。

1.3 流場的求解計算

對流場進行求解的本質(zhì)就是對離散化方程進行求解，常用的求解方法有耦合求解法、分離求解法[2]。表2為兩種不同求解方法的特點和缺點對比。

2 CFD技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品干燥中應(yīng)用的研究現(xiàn)狀

2.1 CFD技術(shù)在選擇最佳干燥工藝參數(shù)中的應(yīng)用

在實際干燥試驗中，不合理的干燥條件會降低農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，會導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品焦糊或干燥效果不理想，且造成能源消耗、農(nóng)產(chǎn)品浪費。目前，研究人員利用CFD技術(shù)對干燥過程中的溫度、速度、壓力等干燥因素進行數(shù)值模擬分析，可以清晰地了解各干燥因素的變化規(guī)律，從而得到最佳的干燥工藝參數(shù)，為各干燥因素對農(nóng)產(chǎn)品干燥過程的影響提供理論依據(jù)。

任海偉等[3]為了研究太陽能干燥室內(nèi)不同入口風(fēng)速對氣流的分布情況，運用CFD技術(shù)對不同風(fēng)速進行模擬仿真，模擬結(jié)果表明：在速度為2 m/s時，干燥室中間部分沒有熱氣流流動;速度為10 m/s時，干燥室出現(xiàn)回流，氣流流動不均勻;最佳的入口速度為6 m/s。徐雪萌等[4]為確定濕面條干燥過程中的最佳干燥參數(shù)，建立濕熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型，設(shè)置干燥箱內(nèi)溫度分別為50 ℃、60 ℃、70 ℃，風(fēng)速為3 m/s，加熱時間為300 s，利用CFD技術(shù)模擬分析干燥過程中溫度場的分布情況，結(jié)果表明：溫度為70 ℃、干燥時間為150 s是濕面條最佳干燥工藝參數(shù)。龔中良等[5]以油茶籽網(wǎng)帶式干燥機為研究對象，采用CFD技術(shù)對干燥箱體內(nèi)溫度場進行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明：當入口風(fēng)速為6～8 m/s時，干燥箱體內(nèi)溫度分布情況較均勻，干燥后的油茶籽品質(zhì)最佳。Pierre-Sylvain Mirade[9]等利用CFD技術(shù)模擬分析食品在不同成熟期發(fā)酵室內(nèi)氣流分布情況，結(jié)果表明，室內(nèi)氣流分布不均勻，會不利于食品的成熟，而且也驗證CFD技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于食品加工，為改善發(fā)酵室結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。Waseem Amjad[10]等為了解決間歇式干燥機內(nèi)氣流分布不均勻的缺點，通過改進干燥機入口為對角氣流通道，并運用CFD技術(shù)對改進干燥箱進行模擬仿真，得到氣流分布情況有顯著的改善，驗證干燥箱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進具有可行性。王攀[11]等運用CFD技術(shù)對食用菌熱風(fēng)干燥裝置內(nèi)氣流進行模擬仿真分析，并進一步優(yōu)化干燥裝置結(jié)構(gòu)。熱風(fēng)干燥模擬試驗和香菇干燥實驗結(jié)果表明：增添弧形導(dǎo)流板和均風(fēng)板能顯著提高烘干室內(nèi)氣流均勻性;各組香菇失水率基本保持一致的趨勢驗證了該優(yōu)化結(jié)構(gòu)的可行性。

綜上所述，為了確保實現(xiàn)干制品具有較好的色澤、較佳的口感、細胞內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)變化小的目標，許多研究人員利用CFD技術(shù)根據(jù)不同農(nóng)產(chǎn)品自身特性確定最佳干燥工藝參數(shù)，為未來干制品產(chǎn)業(yè)化提供良好的理論基礎(chǔ)。

2.2 CFD技術(shù)在干燥設(shè)備優(yōu)化中的應(yīng)用

近幾年，為了提高干燥效率、降低能源消耗，大量研究人員不斷對干燥設(shè)備進行優(yōu)化設(shè)計。由于干燥設(shè)備體型龐大，優(yōu)化試驗成本較高，往往易造成人力和經(jīng)濟的損失。因此，一些學(xué)者就利用CFD技術(shù)構(gòu)建物理模型模擬分析干燥設(shè)備的流場分布情況，為優(yōu)化干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)提供可靠的參考依據(jù)。

趙丹華等[6]為解決玉米烘干塔干燥不均勻問題，運用CFD技術(shù)模擬分析烘干塔內(nèi)溫度場的分布情況，模擬結(jié)果顯示：高溫入口處存在大量的熱損失，為熱風(fēng)入口處的優(yōu)化改進提供依據(jù)。董繼先等[7]為改善干燥箱體內(nèi)部流場分布不均勻的缺點，選擇最佳干燥箱的結(jié)構(gòu)，運用CFD技術(shù)對傳統(tǒng)式、平行送風(fēng)式、懸掛式三種不同類型干燥箱內(nèi)流場分布情況進行對比分析，結(jié)果表明：平行送風(fēng)式干燥箱內(nèi)部流場均勻性高于其他兩種類型的干燥箱。于海明等[8]以微波熱風(fēng)耦合干燥機中的氣流分配室為研究對象，利用CFD技術(shù)模擬分析氣流分配室的結(jié)構(gòu)對氣流均勻性的影響，結(jié)果表明：調(diào)整氣流分配室的腔前板高度、上頂角角度、邊壁傾斜角都會對氣流均勻性造成影響，可為氣流分配室的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供可行性依據(jù)。

綜上所述，研究人員運用CFD技術(shù)對干燥設(shè)備模擬仿真分析，并進一步優(yōu)化設(shè)計，確保農(nóng)產(chǎn)品各處干燥均勻，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品干燥品質(zhì)可靠、提高干燥效率、降低能源消耗的目標，為以后干燥設(shè)備的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

3 總結(jié)與展望

為了減少農(nóng)產(chǎn)品在堆積中發(fā)生霉變，提高糧食品質(zhì)，將CFD技術(shù)應(yīng)用在干燥領(lǐng)域顯得尤為重要。國內(nèi)外學(xué)者利用CFD技術(shù)能直觀模擬分析干燥室內(nèi)溫度、壓力、風(fēng)速等物理場的分布規(guī)律，從而優(yōu)化干燥設(shè)備的結(jié)構(gòu)，以及確定農(nóng)產(chǎn)品的最佳干燥工藝參數(shù)，在一定程度上減少了干燥試驗工作量，能夠用最低成本、最短時間對干燥過程進行模擬分析以及預(yù)測，提出更合理有效的生產(chǎn)方案。目前，CFD技術(shù)是由建模軟件、網(wǎng)格劃分軟件、求解軟件、后處理軟件協(xié)同工作實現(xiàn)對干燥過程的模擬仿真，操作過程復(fù)雜，使用不方便。在未來，應(yīng)開發(fā)融建模、網(wǎng)格劃分、求解等為一體的軟件，降低操作復(fù)雜性，實現(xiàn)CFD技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品干燥領(lǐng)域中有更多的應(yīng)用。

參考文獻：

[1] 王丹陽，王潔，于文澤，等.數(shù)值模擬技術(shù)在糧食干燥過程中應(yīng)用的研究進展[J/OL].中國糧油學(xué)報，2021，12.[2021-03-16].

[2] 李萬平.計算流體力學(xué)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2004.

[3] 任海偉，李金平，劉增光，等.太陽能干燥室內(nèi)部氣流場分布CFD數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2012（S1）：235-238.

[4] 徐雪萌，林冬華，陳留記，等.基于ANSYS數(shù)值模擬的生鮮面條干燥工藝參數(shù)的優(yōu)化[J].中國糧油學(xué)報，2018（8）：87-93.

[5] 龔中良，陳昌和，陶宇超，等.油茶籽網(wǎng)帶式干燥機的溫度均勻性仿真研究[J].農(nóng)機化研究，2021（6）：42-46.

[6] 趙丹華，李國琳.基于fluent的玉米烘干塔內(nèi)溫度仿真研究[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2015（17）：38-40.

[7] 董繼先，王文茹.果蔬干燥設(shè)備的數(shù)值分析與設(shè)計[J].食品工業(yè)，2017（3）：183-185.

[8] 于海明，李海源，汪春，等.秧盤干燥機氣流分配室流場均勻性仿真分析[J].農(nóng)機化研究，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，熊昌國，易文裕，等.基于CFD的食用菌熱風(fēng)干燥裝置的研究[J].包裝與食品機械，2019，37（6）：42-45.