數(shù)值模擬技術在糧食干燥過程中應用的研究進展

王丹陽 王 潔 于文澤 魏志鵬 張本華

(沈陽農業(yè)大學工程學院1，沈陽 110866)(北京交通大學機械與電子控制工程學院2，北京 100044)

我國是糧食生產與消費大國，但產后初加工技術薄弱，每年都會因未合理烘干而使糧食霉變、能源浪費，造成巨大的經濟損失[1，2]。因此，糧食干燥成為產后初加工的重要環(huán)節(jié)。目前，數(shù)值模擬技術已被廣泛應用于糧食干燥過程的研究中，其通過建立物理模型，求解熱質傳遞控制方程，可以得到糧食籽粒內部水分、溫度等場域參數(shù)的分布規(guī)律[3，4]。應用數(shù)值模擬技術研究糧食干燥過程，對于探究宏觀控制參數(shù)與微觀水分遷移機理提供了可行方法，且實驗成本低、研究效率高，為制定合理的實驗方案、實現(xiàn)干燥過程可視與可控、選取較優(yōu)的干燥工藝參數(shù)范圍、實現(xiàn)較好的干燥品質提供有效途徑。雖然已有學者綜述了數(shù)值模擬技術在食品領域的應用[5，6]，如成芳等[7]概述了數(shù)值模擬技術在食品冷凍過程研究中的應用及發(fā)展前景；Shubham等[8]綜述了利用數(shù)值方法模擬儲糧生態(tài)系統(tǒng)內的熱質傳遞過程的研究進展。但針對大宗糧食干燥應用數(shù)值模擬技術的研究進展鮮有報道。本文在介紹數(shù)值模擬技術基本應用框架基礎上，研究了其在糧食干燥研究中的應用實例，并對該技術在糧食干燥領域未來研究的發(fā)展應用做出展望，為促進糧食干燥實際問題的深入研究提供參考。

1 數(shù)值模擬技術概述

數(shù)值模擬技術結合有限單元思想，借助計算機通過數(shù)值計算和圖像顯示的方法，達到對工程等各類問題研究的目的。1959年，二維兩相模擬方法標志著現(xiàn)代數(shù)值模擬技術的起步[9]。近年來，隨計算機技術快速發(fā)展及計算數(shù)學與應用數(shù)學的不斷進步，數(shù)值模擬技術已廣泛應用于航空航天、能源動力等各領域。目前，糧食干燥過程數(shù)值模擬研究是該技術應用研究的熱點之一。

1.1 糧食干燥的數(shù)學模型

1.1.1 動力學模型

干燥動力學是研究干燥過程中失水率與主要影響因素間關系的數(shù)學模型[10]。一般分為理論方程、半經驗方程和經驗方程。其中理論方程即擴散方程，由菲克定律推導而來，通常較為復雜，實際應用困難，如薄層干燥的理論方程，如式1所示[11]。半經驗方程部分來源于菲克第二擴散定律，如Logarithmic模型和Two-term模型；部分來源于牛頓冷卻定律，如Lewis模型、Page模型及其改進形式。該類方程相對簡單，有較好操作性和實用性，能滿足基本應用精度要求。王安建等[12]為優(yōu)化花生熱泵干燥參數(shù)，研究了不同干燥溫度下花生的干燥特性，并建立相應干燥動力學Page模型，結果表明該模型預測效果良好。該類模型的應用相對廣泛。經驗方程是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)直接得到含水率與干燥時間的關系式。Rahmanian- Koushkaki等[13]研究玉米熱風-紅外干燥中不同參數(shù)對水分變化的影響時，對比了4種常用干燥模型，發(fā)現(xiàn)Page模型描述玉米薄層干燥效果最佳；王鳳賀等[14]比較了9 種數(shù)學模型在油茶籽熱風干燥中的適用性，得出Lewis模型為描述油茶籽熱風薄層干燥的最優(yōu)模型。

綜上所述，通過構建動力學模型，可很好地描述干燥過程特性參數(shù)的變化，為糧食干燥加工提供理論指導，局限性在于無法利用該模型深入研究其熱質傳遞機理。表1為部分物料干燥半經驗、經驗方程。

表1 部分物料干燥半經驗、經驗方程

(1)

式中：M(t)為t時刻物料的含水率/%；Me為平衡含水率/%；M0為初始含水率/%；D為擴散系數(shù)/m2/s；L為薄層物料厚度的一半/m。

1.1.2 多物理場數(shù)學模型

糧食干燥中求解的多物理場主要有溫度場、濕度場以及周圍氣流分布場。建立的基本數(shù)學模型包括連續(xù)方程、三維方向動量方程和伯努利方程，其三者分別由質量守恒、動量定律與能量守恒定律推導而來，也是研究糧食干燥過程必須滿足的基本定律[15,16]。其中由質量守恒得出的三維連續(xù)方程，如式(2)所示。

(2)

式中：ρ為流體密度/kg/m3；t為時間/s；u、v、ω分別為x、y、z三維方向上流體速度分量/m/s。

動量守恒方程能準確地描述干燥熱空氣的流動狀態(tài)，代表流體動量對時間的變化率等于外界作用在該微元上的合力。笛卡爾坐標系下具體方程如式(3)所示。

(3)

式中：μ為動力黏度系數(shù)/N·s/m2；p為流體微元體上的壓強/Pa；Su、Sv、Sw為廣義源項。

能量守恒方程單元時間間隔內流體的能量增長量與外界的熱量傳遞加周圍流體對此單元做功之和相等。方程式如式(4)所示。

(4)

式中：Cp為比熱容/J/(kg·℃)；T為通風溫度/℃；k為流體傳熱系數(shù)。

基于多物理場數(shù)學模型，胡眾歡等[17]計算了物料熱風流場與溫度場的變化；王會林[18]建立了描述可變形多孔介質對流干燥過程的數(shù)學模型。與干燥動力學模型相比，多物理場耦合模型的建立更加準確地描述了糧食干燥熱質傳遞過程，可進一步明確不同工藝參數(shù)與干燥機理間的量化關系，其計算結果對優(yōu)化工藝參數(shù)、改善糧食干燥品質有指導意義。

1.2 控制方程的離散方法

描述流體流動與傳熱現(xiàn)象的非線性方程間相互影響和制約，難以直接求得其解析函數(shù)。為分析熱質傳遞的具體規(guī)律，通常用離散函數(shù)解代替解析函數(shù)解[19]。目前常用的數(shù)值解析方法包括有限元法、有限體積法和有限差分法。其中，有限元法計算精度高，處理問題能力強，可實現(xiàn)大規(guī)模復雜計算，在糧食干燥研究中較為常用。吳中華等[20]對稻谷籽粒熱濕傳遞模型進行有限元迭代求解，得到熱風干燥過程中稻谷籽粒內部的溫度和水分分布；有限體積法一般用來求解積分形式方程，針對不規(guī)則的復雜邊界區(qū)域有較好的求解能力，多用于流體計算，但其計算精度有待提高。牟國良[21]在循環(huán)式紅棗干燥機流場研究中利用有限體積法建立離散化方程，驗證了該方法是解決流體流動和傳熱問題中有效的數(shù)值計算方法；有限差分法一般求解微分形式方程，該方法簡單、靈活、通用性強，易在計算機上實現(xiàn)。胥芳等[22]利用該方法研究了干燥中各向同性農業(yè)物料內部各層溫度水分間的計算式。

1.3 常用工程軟件

數(shù)值模擬軟件主要分為建模、網格劃分、編程、求解四方面功能，其中用于建模的軟件主要有CAD、SolidWorks；網格劃分軟件主要有ANSYS ICEMCFD；編程軟件主要有C語言、Matlab；模型求解軟主要有FLUENT、ComSol Multiphysics、FLAC3D等。根據(jù)不同任務要求及科研條件，需選擇不同軟件以實現(xiàn)整個數(shù)值模擬過程。表2為糧食干燥過程中常用仿真軟件的應用對比。

表2 糧食干燥過程中各軟件的應用對比

2 數(shù)值模擬技術在糧食干燥中的應用

糧食干燥過程十分復雜，干燥倉內不同位置糧食的水分、溫度及干燥介質的速度等參數(shù)實時變化，借助數(shù)值模擬則能更加清晰認識干燥過程。早在20世紀50年代，國內外就提出了利用數(shù)值模擬技術預測谷物干燥過程中熱質傳遞規(guī)律。隨著該技術不斷發(fā)展，其不但可以預測糧食干燥過程中水分、溫度等參數(shù)變化，還可以闡釋糧食干燥過程中熱質傳遞規(guī)律，這些都為制定更加合理、節(jié)能、環(huán)保的生產方案以及進行干燥設備的升級改造提供了科學基礎。

2.1 干燥過程各物理場分布的數(shù)值模擬應用

糧食干燥目的是保證其品質的同時高效降低其水分含量，但不合理的干燥條件易降低糧食品質。如稻谷、大豆等顆粒作物干燥時易產生裂紋，Cnossen等[28]認為裂紋產生的原因是糧食籽粒局部干燥應力超過其抵抗能力。干燥應力包括籽粒內部的溫差應力和水分梯度引起的應力，這些參數(shù)難以在實驗中測得，因而國內外學者多結合數(shù)值模擬技術進行分析。Zhao等[29]模擬了緩蘇干燥中玉米籽粒內部水分變化規(guī)律，探究了組成成分和物理結構對傳熱傳質過程的影響，并得出較優(yōu)干燥參數(shù)；Wei等[30]利用COMSOL軟件分析發(fā)現(xiàn)玉米裂紋率隨溫度升高或水分含量的降低而增加，且應力裂紋主要生成于硬胚乳和軟胚乳中。此外，通過利用仿真軟件模擬分析干燥中糧食溫濕度場的變化規(guī)律，杜傳致[31]得出橫向通風條件下溫濕度鋒面的遷移速度均大于縱向通風。但僅憑溫度與水分分布規(guī)律評價糧食干燥效果并不充分，糧食區(qū)域速度場與壓力場的分布也是影響糧食干燥品質的重要參數(shù)。郝世楊[32]利用Fluent軟件模擬了稻谷籽粒在不同風速及谷層厚度下通風阻力的變化規(guī)律，得出計算通風阻力時應考慮稻谷粒型以及其在物料筒內的排布方式的差異；陳桂香等[33]建立了冷卻干燥過程中糧倉的COMSOL物理模型，模擬了糧堆溫度場、空氣速度場、空氣壓力場及水分分布規(guī)律，全面地展現(xiàn)了冷卻干燥通風過程中糧堆內熱濕耦合傳遞規(guī)律。

數(shù)值模擬技術可以模擬出不同干燥條件下稻谷、玉米、小麥等糧食作物干燥過程中內部流場的分布狀態(tài)，可從微觀角度探索其變化規(guī)律，闡釋干燥中作物的熱質傳遞機理，為后續(xù)各參數(shù)對干燥過程的影響及其優(yōu)化奠定基礎，為揭示糧食品質變化機理提供參考。

2.2 干燥設備結構參數(shù)及工藝參數(shù)優(yōu)化的數(shù)值模擬應用

近年來，大量學者對干燥設備與工藝參數(shù)的優(yōu)化設計不僅加快了糧食干燥速率、提升了糧食干燥品質，同時也降低能耗。但在實際生產中進行優(yōu)化所需的實驗數(shù)量龐大、成本較高，而數(shù)值模擬技術通過建立數(shù)學模型可直觀低成本地分析不同干燥條件下實驗指標的變化規(guī)律，為優(yōu)化設計提供了捷徑。

部分學者通過計算機模擬糧食干燥過程發(fā)現(xiàn)由于設備的部分結構不合理，干燥機熱效率依然不高，并在此基礎上對設備進一步改良[34]。為設計一套高效環(huán)保的油菜籽干燥設備與新型的中央送風干燥器，安蕾等[35]、Ashfaq等[36]分別利用Fluent仿真軟件模擬干燥機內部流場分布規(guī)律并進行優(yōu)化設計，結果表明優(yōu)化后設備的干燥效率及均勻性有了很大的提高。這些優(yōu)化設計提高了干燥設備的整體性能，為實現(xiàn)糧食的均勻、優(yōu)質干燥奠定了基礎。

也有學者研究了干燥工藝參數(shù)的優(yōu)化，如干燥方式、熱風溫度等。糧食干燥技術中應用最為廣泛的是熱風干燥，其熱效率高、操作簡單、易于控制[37]。高敏[38]基于該方法對稻谷籽粒熱風干燥進行數(shù)值模擬，計算了不同參數(shù)對物料內部干燥特性的影響，研究表明熱風干燥存在烘干溫度高、時間長等缺點，使糧食爆腰嚴重，食味品質下降。為此一些學者利用真空干燥技術在減壓低溫環(huán)境中使物料內部保持原有狀態(tài)的同時水分迅速排除的特點，更好地滿足了糧食的干燥生產作業(yè)。諸凱等[40]利用COMSOL軟件探究了真空壓力以及溫度對蠶豆的低溫真空干燥過程中水分變化的影響規(guī)律；張世偉等[41]通過玉米籽粒真空干燥數(shù)值模擬，得出真空干燥技術可實現(xiàn)低溫干燥，糧食干燥品質好，能耗低。此外，微波干燥加熱速度快、能耗少、營養(yǎng)物質破壞少，干燥品質較傳統(tǒng)的熱風干燥方式優(yōu)良諸多優(yōu)點。王康[42]利用數(shù)值模擬軟件對玉米微波干燥過程取得了較好的描述，發(fā)現(xiàn)微波干燥較傳統(tǒng)干燥方式速率快、干燥品質好；為闡明發(fā)芽糙米的連續(xù)微波干燥特性，Shen等[43]對其在連續(xù)微波干燥條件下的熱質傳遞過程進行了數(shù)值模擬與實驗研究。結果表明，在微波加熱、水分蒸發(fā)和通風對流的協(xié)同作用下，發(fā)芽糙米實現(xiàn)了溫度和水分的均勻分布。這些研究表明，不同干燥方式對糧食品質影響顯著。而當今利用計算機模擬控制糧食干燥品質仍為一大難題，需要不斷積累干燥過程參數(shù)與品質參數(shù)間協(xié)同關系數(shù)據(jù)，結合先進算法，反復模擬優(yōu)化實驗方案，進而改善糧食干燥品質。20世紀80年代，Steffe等[44]利用已知淀粉、麩皮、稻殼等稻谷成分的液相擴散系數(shù)從理論上模擬了稻谷的緩蘇干燥工藝，為干燥工藝的優(yōu)化奠定基礎；在此基礎上，陳興付等[45]利用COMSOL軟件進行了玉米籽粒緩蘇干燥熱質傳遞過程的模擬研究，通過探究不同干燥條件對干燥速度的影響，對工藝參數(shù)進行優(yōu)化設計，節(jié)能的同時實現(xiàn)了很好的干燥緩蘇效果；吳中華等[46]通過建立稻谷籽粒熱風干燥的熱質傳遞數(shù)學模型，將緩蘇干燥段進行優(yōu)化設計，使籽粒爆腰率有所降低。

這些學者通過建立糧食干燥數(shù)學模型直觀地揭示了不同工藝參數(shù)對干燥過程的影響，并在此基礎上做了進一步優(yōu)化，提高了干燥效率與糧食干燥品質，增強了導熱和傳質效果，降低了能耗，高效地提升了我國糧食干燥技術水平。

3 討論

利用數(shù)值模擬技術模擬糧食干燥過程可以直觀分析溫度場、濕度場、速度場等物理場分布規(guī)律，依此可提出高效合理的實驗與生產方案，使干燥效率與干燥均勻性有所提高，為改善作物干燥品質提供捷徑。但現(xiàn)有研究成果仍存在不足，需要引起進一步關注。

數(shù)值模擬精度有待提升。在以往的數(shù)值模擬糧食干燥研究案例中，建立數(shù)學模型時通常會對邊界條件和材料屬性等參數(shù)進行簡化與假設，進而導致模擬值與實際實驗結果間產生一定誤差。如王艷麗[47]應用Fluent軟件模擬大豆干燥過程時，假設大豆傳熱系數(shù)、熱容為定值；干燥室壁面為絕熱絕緣體，結果顯示入口溫度為308 K時，干燥室內的溫度場試驗測量值與模擬值有所偏離。因此，研究者利用數(shù)值模擬技術建模時應嚴格控制初始條件的準確度、網格劃分的精細度、邊界條件和材料屬性的簡化度，并基于嚴謹?shù)臄?shù)學模型進行推理論證，以增加模擬結果的可信度。

數(shù)值模擬軟件間的銜接性與兼容性問題有待解決。當前應用數(shù)值模擬技術進行糧食干燥的研究時，通常需要多個軟件的相互配合。如陳竹筠[48]分析玉米順流干燥箱體內流場分布時，將利用SolidWorks軟件建立的物理模型，導入到ICEM軟件里劃分網格，再導入到Fluent軟件中進行求解，過程繁雜、容易出錯。結合前人研究可以得出，軟件開發(fā)商應根據(jù)實際需求實現(xiàn)建模與求解軟件間的參數(shù)同步或開發(fā)適用于糧食干燥并集建模求解于一體的仿真軟件，以降低數(shù)值模擬的復雜度。

然而，利用數(shù)值模擬技術研究糧食品質變化機理仍不夠深入。數(shù)值模擬軟件不具備復雜過程的實時決策能力，無法建立適合干燥品質控制的模型，而在人工神經網絡中可以自動提取并存儲糧食品質的變化過程。Mahmoud等[49]提出了一種預測熱聲制冷機制冷溫度和性能的人工神經網絡模型，結果表明，人工神經網絡具有很高的預測能力，R2達到0.97。因此，下一步研究中可以探討將數(shù)值模擬技術與模糊邏輯、人工神經網絡或其他人工智能辨識方法相結合，使用人工智能辨識模型實現(xiàn)干燥過程中糧食品質的智能預測，利用數(shù)值模擬技術探究其相應的品質變化機理，宏觀與微觀相結合，可即時、精準得到干燥中糧食品質變化的數(shù)學模型與內在的變化機理，為改善糧食品質提供更加全面的理論與技術支持。

4 結論與展望

總體上看，我國應用數(shù)值模擬技術進行糧食干燥的研究已取得了巨大進展，但其還存在著模擬精度不高、軟件間銜接性不良、研究糧食品質變化機理不夠深入等問題。而隨著數(shù)值模擬技術控制算法進一步優(yōu)化，其在糧食干燥領域解決的問題將更加微觀；同時，應開發(fā)集建模、網格劃分、求解于一體的數(shù)值模擬軟件，降低其操作的復雜性；此外，還可結合模糊邏輯、人工神經網絡等算法，進一步揭示如何提高糧食干燥后的碾磨品質、營養(yǎng)品質等科學問題。