據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布，2014年全國(guó)糧食總產(chǎn)量60710萬(wàn)噸（12142億斤），比2013年增加516萬(wàn)噸（103億斤），增長(zhǎng)0.9%。這是中國(guó)全年糧食產(chǎn)量連續(xù)十一年實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)。同時(shí)中國(guó)的糧食進(jìn)口量也在不斷增加，2014年中國(guó)進(jìn)口糧食總量達(dá)1億噸，達(dá)到歷史最高。作為世界上最大的糧食生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，我國(guó)糧食損耗也不容小視。我國(guó)谷物在收獲、脫粒、干燥、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、加工、消費(fèi)等階段的損失高達(dá)18%左右，遠(yuǎn)超過(guò)了聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織,而這其中因?yàn)闅夂蛟颍瑳](méi)有來(lái)及干燥或是晾曬未達(dá)到谷物存儲(chǔ)安全水分而造成糧食霉變、發(fā)芽等損失就達(dá)到5%。按照2014年的糧食產(chǎn)量，一年就損失了3035萬(wàn)噸糧食。

　　國(guó)外早在上世紀(jì)40年代，在實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化全面推進(jìn)的過(guò)程中，開(kāi)始研究糧食干燥設(shè)備，在60年代到70年代實(shí)現(xiàn)了糧食烘干機(jī)機(jī)械化。到90年代以后谷物烘干設(shè)備已經(jīng)達(dá)到系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。糧食烘干機(jī)在美國(guó)、俄羅斯、日本等得到了良好的應(yīng)用，并且向高效、節(jié)能優(yōu)質(zhì)、低成本、自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展。近年來(lái)，在谷物烘干過(guò)程的計(jì)算機(jī)摸擬方面取得了較大的進(jìn)展，傳統(tǒng)軟件和專用軟件的不斷開(kāi)發(fā)，對(duì)谷物烘干機(jī)械的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品質(zhì)量的改進(jìn)起到了極其重要的作用。

　　國(guó)內(nèi)糧食干燥設(shè)備生產(chǎn)起步較晚，從初期的仿制日本、前蘇聯(lián)等國(guó)外干燥機(jī)開(kāi)始，但是當(dāng)時(shí)谷物烘干機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、耗材多、造價(jià)高昂，只是在國(guó)有糧庫(kù)、大型農(nóng)場(chǎng)使用。80年代以后，隨著我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)體制改革，有關(guān)科研單位以日本、臺(tái)灣的干燥機(jī)為藍(lán)本，研發(fā)適合我國(guó)國(guó)情使用的谷物干燥機(jī)。部分大型糧庫(kù)、國(guó)有農(nóng)墾系統(tǒng)的糧食生產(chǎn)基地也引進(jìn)美國(guó)、日本、加拿大、臺(tái)灣等國(guó)家和地區(qū)的先進(jìn)干燥設(shè)備。進(jìn)入21世紀(jì)以后國(guó)內(nèi)一批機(jī)械企業(yè)、大專院校及有關(guān)科研單位也相繼推出專業(yè)化、集約化、規(guī)?；墓任锔稍餀C(jī)。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展與人民生活水平的不斷提高，糧食用于食用、飼用還是產(chǎn)業(yè)化深加工，對(duì)于糧食品質(zhì)要求也隨之增加。國(guó)家對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械化自動(dòng)化要求以及農(nóng)村土地方式的的流轉(zhuǎn)，農(nóng)業(yè)在整地、耕作、播種、植保、收獲等一系列操作方式的全程機(jī)械化的普及中，靠天氣來(lái)作為糧食主要干燥方式肯定是要淘汰的。進(jìn)入世貿(mào)組織以后，國(guó)外高品質(zhì)糧食也對(duì)我國(guó)糧食市場(chǎng)進(jìn)行沖擊。如何把收到手的谷物損失降低到最低點(diǎn)，生產(chǎn)高品質(zhì)商品糧，谷物烘干的機(jī)械化比田間作業(yè)的機(jī)械化更為重要，它是谷物豐產(chǎn)、豐收的重要保障條件。

　　現(xiàn)在世界上干燥機(jī)主要由以下幾類組成：

　　橫流式循環(huán)谷物干燥機(jī)是熱風(fēng)與谷物流動(dòng)方向相互垂直的一種連續(xù)流動(dòng)式干燥機(jī)，由于橫流式干燥機(jī)干燥處理能力較好，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單投資較少，設(shè)備故障率低易維修且使用年限長(zhǎng)等原因，是世界上使用最廣泛的干燥機(jī)型之一[2]。

　　1 對(duì)橫流式谷物循環(huán)干燥機(jī)整體構(gòu)造分析

　　1.1 谷物干燥機(jī)的分類

　　國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的糧食干燥設(shè)備按照干燥方式分為連續(xù)式和循環(huán)式兩大類。因?yàn)榧Z食品種和原糧對(duì)干燥的要求不同，連續(xù)式主要是針對(duì)玉米、小麥，而循環(huán)式主要是針對(duì)水稻。

　　谷物干燥設(shè)備按照設(shè)備類型來(lái)分主要是倉(cāng)式干燥和塔式干燥兩大類。而現(xiàn)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的是塔式干燥設(shè)備，而這類設(shè)備中又分為循環(huán)式干燥機(jī)和連續(xù)式干燥機(jī)兩類。

　　谷物干燥設(shè)備還可以按照干燥段谷物和熱風(fēng)氣流相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向分為橫流式、順流式、逆流式、混流式、順逆流式、混逆流式和順混流式。本文主要研究橫流式循環(huán)谷物干燥機(jī)。

　　1.1.1 橫流式

　　橫流式谷物干燥機(jī)谷物和熱風(fēng)氣流相對(duì)運(yùn)動(dòng)角度是90度，多為篩孔結(jié)構(gòu)，是我國(guó)最早引進(jìn)的機(jī)型，連續(xù)式和批式循環(huán)式都有這種結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)是制造工藝簡(jiǎn)單、安裝方便、成本低廉。在批式循環(huán)式干燥機(jī)中應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)時(shí)，可消除水分不均，烘干后糧食品質(zhì)比較差的不足[3]。

　　圖1-1為橫流式干燥機(jī)示意圖。

　　1.1.2 逆流式

　　熱風(fēng)運(yùn)動(dòng)方向與糧食流動(dòng)方向相反，多為漏斗形進(jìn)氣道與角狀盒排氣道相結(jié)合的塔式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)形式的干燥機(jī)，原理決定了最干的糧食接觸最熱的熱空氣，最終會(huì)導(dǎo)致谷物裂紋增加、品質(zhì)下降，但其優(yōu)點(diǎn)是干燥速度最快。

　　圖1-2為逆流式干燥機(jī)示意圖。

　　1.1.3 順流式

　　熱風(fēng)運(yùn)動(dòng)方向與糧食流動(dòng)方向一致，其結(jié)構(gòu)形式同逆流式一樣，多為漏斗式進(jìn)氣道與角狀盒排氣道相結(jié)合的塔式結(jié)構(gòu)，它是由多個(gè)熱風(fēng)管供給不同或部分相同的熱風(fēng)。其優(yōu)點(diǎn)是使用熱風(fēng)溫度高，一般一級(jí)高溫的溫度可達(dá)150℃-200℃，單位能耗低，三級(jí)順流以上的烘干機(jī)具有較大降水優(yōu)勢(shì)，并能獲得較高的生產(chǎn)率，連續(xù)烘干室一次降水幅度大，一般可達(dá)10%-15%，適合烘干大水分的糧食作物，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造成本較高，糧層厚度大，所需電機(jī)功率大，價(jià)格高昂。

　　圖1-3為順流式干燥機(jī)示意圖。

　　1.1.4 混流式

　　熱風(fēng)運(yùn)動(dòng)方向與糧食運(yùn)動(dòng)方向具有橫流、順流、逆流性質(zhì)，多由三角或五角盒交錯(cuò)（叉）排列組成塔式結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)是熱風(fēng)供給均勻，烘干的糧食含水差很小，單位能耗比橫流式低5%-15%。相同條件下，風(fēng)機(jī)功率所需要小，便于清理，不易混糧，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本較高，干燥時(shí)，四個(gè)拐角谷物降水偏慢。

　　圖1-4為混流式干燥機(jī)示意圖。

1.2 橫流式谷物循環(huán)干燥機(jī)整體結(jié)構(gòu)

　　橫流式循環(huán)谷物干燥機(jī)是熱風(fēng)與谷物流動(dòng)方向相互垂直的一種連續(xù)流動(dòng)式干燥機(jī)，由于橫流式干燥機(jī)干燥處理能力較好，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單投資較少，設(shè)備故障率低易維修且使用年限長(zhǎng)等原因，是世界上使用最廣泛的干燥機(jī)型之一。在國(guó)內(nèi)有著廣泛地研發(fā)基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)，主要由撥糧層、干燥層、緩蘇層、儲(chǔ)量層、提升部分、監(jiān)測(cè)部分、PLC電控部分、熱風(fēng)系統(tǒng)八部分組成。

　　橫流式循環(huán)谷物干燥機(jī)是熱風(fēng)與谷物流動(dòng)方向相互垂直的一種連續(xù)流動(dòng)式干燥機(jī)，由于橫流式干燥機(jī)干燥處理能力較好，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單投資較少，設(shè)備故障率低易維修且使用年限長(zhǎng)等原因，是世界上使用最廣泛的干燥機(jī)型之一。干燥中上絞龍組件把提升機(jī)中的糧食輸送到緩蘇層（儲(chǔ)糧層）；緩蘇層（儲(chǔ)糧層）是為了給谷物一個(gè)緩蘇時(shí)間，使谷物在經(jīng)過(guò)一輪干燥后在未達(dá)到干燥水分平衡點(diǎn)之前可以將谷物里面的水分?jǐn)U散出來(lái)；干燥層對(duì)谷物進(jìn)行干燥，其中干燥層谷物的速度（干燥時(shí)間）以及熱空氣的溫度是影響谷物干燥后品質(zhì)的重要因素。在撥糧輪的控制下谷物由干燥層進(jìn)入下絞龍，通過(guò)下絞龍輸送將糧食再次送入提升機(jī)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)干燥循環(huán)。

圖1-5  5HPX-15橫流式谷物干燥機(jī)整體構(gòu)造分布

　　1.3 干燥機(jī)底座組件及撥糧層組成

　　干燥機(jī)底座是整臺(tái)橫流式谷物循環(huán)干燥機(jī)承重部分，其作用是安裝機(jī)位、穩(wěn)定機(jī)體，其上安裝有電機(jī)支架為下攪龍鏈輪電機(jī)提供支撐。

　　撥糧層是干燥機(jī)的重要部件之一，作為干燥機(jī)的最下層安裝在干燥機(jī)底座上，它的作用是把剛剛從干燥層經(jīng)過(guò)熱風(fēng)加熱的谷物經(jīng)過(guò)大吊掛、小吊掛、小斜板和R弧的疏導(dǎo)，通過(guò)撥糧輪分別向R弧兩側(cè)撥出，撥糧輪轉(zhuǎn)速確定谷物干燥速度，谷物掉落順著大吊掛組件匯聚到到下攪龍殼體組件，下攪龍組件通過(guò)下攪龍電機(jī)鏈輪鏈傳動(dòng)帶動(dòng)，下攪龍轉(zhuǎn)動(dòng)，下攪龍葉片推動(dòng)下攪龍殼體中的谷物進(jìn)入循環(huán)出料口，并最終進(jìn)入提升機(jī)部分。

圖1 -6  撥糧層組件與干燥機(jī)底座組件爆炸視圖

　　1.4 干燥機(jī)干燥層組件組成

　　干燥層也是干燥機(jī)重要的組成部件之一，安裝在撥糧層上面。其主要部件是網(wǎng)板組件和三尖頭組件。網(wǎng)板組件連接三尖頭組件的下部與大吊掛、小吊掛、小斜板的上部，形成三部分區(qū)域，分別為谷物層、熱風(fēng)通道、冷風(fēng)通道（冷風(fēng)通道是區(qū)別于熱風(fēng)通道而言，是熱風(fēng)爐熱空氣通過(guò)谷物層是帶走谷物中一部份水分后的熱空氣。在橫流式谷物循環(huán)干燥機(jī)中，熱風(fēng)不會(huì)經(jīng)過(guò)二次循環(huán)，通過(guò)谷物帶走濕氣后直接由后置式風(fēng)機(jī)抽走。），網(wǎng)版組件將谷物層和熱空氣分開(kāi)，使從熱風(fēng)爐通過(guò)的熱空氣能從進(jìn)風(fēng)罩從谷物層通過(guò)，從熱風(fēng)通道進(jìn)入到冷風(fēng)通道被風(fēng)機(jī)抽出完成一個(gè)一次干燥過(guò)程。通過(guò)SolidWorks制圖時(shí)分析，網(wǎng)孔板與網(wǎng)孔板之間安裝有等距角鐵支架并安裝在熱風(fēng)冷風(fēng)通道中，保證進(jìn)入各個(gè)干燥層谷物流量一致，網(wǎng)孔孔徑為20mm，網(wǎng)孔板網(wǎng)孔率為69.84%，保證熱風(fēng)順利通過(guò)谷物層，完成干燥。

　　在干燥層網(wǎng)孔板網(wǎng)孔孔徑遠(yuǎn)大于物料粒度，谷物顆粒經(jīng)過(guò)網(wǎng)孔進(jìn)入熱風(fēng)通道或者冷風(fēng)通道谷物同樣也是掉落到大吊掛、小吊掛、大斜板上，最終被下攪龍輸送至循環(huán)出料口。

　　1.5 干燥機(jī)緩蘇層（儲(chǔ)量層）組件結(jié)構(gòu)

　　緩蘇層由干燥層以上至頂層蓋板組件之間的共12層組成，儲(chǔ)量層儲(chǔ)存的糧食經(jīng)過(guò)干燥層干燥撥糧層轉(zhuǎn)運(yùn)以及提升機(jī)部分再通過(guò)上攪龍組件回到儲(chǔ)量層完成一個(gè)干燥循環(huán)后，谷物顆粒內(nèi)部外層水分以氣態(tài)或者液態(tài)形式沿著毛細(xì)管向外遷移至表層最終被熱風(fēng)帶走，而谷物顆粒內(nèi)部?jī)?nèi)層水分還沒(méi)來(lái)得及遷移到谷物表層，這樣形成了一個(gè)水分差值，如果此時(shí)繼續(xù)進(jìn)行熱風(fēng)干燥，谷物會(huì)發(fā)生大面積破損、爆腰現(xiàn)象。于是安排一個(gè)緩蘇層來(lái)給谷物一定水分遷移時(shí)間，以便下一次干燥循環(huán)正常進(jìn)行。研究表明在緩蘇時(shí)間在35min-45min時(shí)最利于谷物高效安全的干燥。

　　循環(huán)式谷物干燥機(jī)的工作過(guò)程是一個(gè)干燥、轉(zhuǎn)運(yùn)、緩蘇、干燥循環(huán)進(jìn)行的。高溫?zé)犸L(fēng)通過(guò)熱風(fēng)管道進(jìn)入干燥層后，穿過(guò)糧食層然后通過(guò)出風(fēng)管道被風(fēng)機(jī)抽走。在此過(guò)程中谷物被干燥加熱，在強(qiáng)制通風(fēng)過(guò)程中也帶走一部分水蒸氣，糧食通過(guò)撥糧層以及提升部分而自上而下進(jìn)入緩蘇層。緩蘇指谷物干燥過(guò)程中從干燥層進(jìn)入儲(chǔ)糧保溫層，谷物顆粒內(nèi)部溫度與谷物顆粒內(nèi)的濕度交換使其均勻的過(guò)程。 在進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)之前，因?yàn)榧Z食在緩蘇層停留時(shí)間有限，故鼓舞內(nèi)部水分可能無(wú)法達(dá)到一個(gè)完全均衡，過(guò)程中稻谷的頻率峰在按照一定的水分梯度緩慢地朝向低濕度、低溫度移動(dòng)，總體的趨勢(shì)是趨向水分、溫度均衡。

　　1.6 頂層蓋板、護(hù)欄、上攪龍組件結(jié)構(gòu)

　　頂層蓋板在緩蘇層（儲(chǔ)糧層)之上，為一塊鈑金剪切板組成，上面安裝有提升機(jī)上座組件、上攪龍組件、除塵風(fēng)機(jī)組件、頂層護(hù)欄組件。

　　提升機(jī)上座與一層撥糧層上面的提升機(jī)下座組件同屬提升組件，其間由提升管道連接。上攪龍組件的作用是把從提升組件畚斗傳輸上來(lái)的谷物通過(guò)螺旋輸送到頂層蓋板上面的進(jìn)料口，落至緩蘇層（儲(chǔ)糧層）進(jìn)行下一步干燥過(guò)程。除塵風(fēng)機(jī)安裝在上攪龍組件上面，通過(guò)其上開(kāi)口與上攪龍相通。谷物其中參雜部分秕谷、稻殼、草籽以及塵土，這些物料在除塵風(fēng)機(jī)抽送之下經(jīng)過(guò)多次循環(huán)之后大部分被排出。頂層護(hù)欄為方管焊接件，作為頂層安裝的工作人員的防護(hù)部件。

　　2 循環(huán)式谷物干燥機(jī)干燥段的熱風(fēng)通道流體分析

　　循環(huán)式谷物干燥機(jī)干燥段主要由干燥層組件、熱風(fēng)罩組件、熱風(fēng)管道組件、風(fēng)機(jī)組件、三角尖組件等組成（具體結(jié)構(gòu)如圖2-1）。

圖2 -1  ５ＨＰＸ－１５循環(huán)式谷物干燥機(jī)干燥段組成簡(jiǎn)圖

　　2.1 計(jì)算流體力學(xué)理論基礎(chǔ)

　　循環(huán)式谷物干燥機(jī)干燥機(jī)的流體設(shè)計(jì)與計(jì)算是機(jī)體機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和前提，同樣也能為我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，為機(jī)械元件設(shè)計(jì)與優(yōu)化、能源優(yōu)化分配提出要求和解決方案。在谷物干燥機(jī)干燥段流體模擬實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)入干燥段熱空氣與谷物物料存在一定的熱質(zhì)交換，因此我們要考慮進(jìn)入谷物干燥機(jī)干燥段內(nèi)熱空氣的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒。我們的模型設(shè)計(jì)中從干燥段空載時(shí)熱風(fēng)爐正常通熱風(fēng)和干燥段滿載時(shí)熱風(fēng)爐同熱風(fēng)分別進(jìn)行分析，以探討干燥段熱風(fēng)通道熱風(fēng)能量利用效率[4]。

2.1.1 流量連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒方程）

　　質(zhì)量守恒方程可以表述為單位時(shí)間內(nèi)的流體微元體質(zhì)量的增加等于相同時(shí)間內(nèi)流入該流體微元的體的凈質(zhì)量[5]。

　　在流體通道中有流體流入同時(shí)也會(huì)伴隨一部分流體流出，在此期間該流體通道中的質(zhì)量也會(huì)發(fā)生變化。

　　那么根據(jù)質(zhì)量守恒定律，單位時(shí)間內(nèi)從出風(fēng)口流出與從進(jìn)風(fēng)口流入干燥段的熱空氣質(zhì)量差之總和應(yīng)等于干燥段內(nèi)因密度變化而減少的質(zhì)量，即：

（2.1）

　　式中：ρ為熱空氣密度，kg/m3；用 μ、ν、ω分別代表熱風(fēng)流體在x、y、z方向作為質(zhì)點(diǎn)的速度V的分量，m/s。

　　2.1.2 流體運(yùn)動(dòng)方程（動(dòng)量守恒定律）

　　在流體微元體中，流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的相對(duì)變化率等于外界作用在微元體上各種力的和，稱為動(dòng)量方程[6]。即在一個(gè)流體微元中動(dòng)量的變化率等于流入流體微元體的動(dòng)量通量之和減去流出流體微元體的動(dòng)量通量之和，同時(shí)還要加上作用在流體微元體上所有剪切力、法向應(yīng)力和作用其質(zhì)量上的力。即：

（2.2）

　　式中：ρ為熱空氣流體密度，kg/m3；V為熱風(fēng)速度，m/s；F是質(zhì)量力，N；是哈密頓算子；為熱風(fēng)速度變化率。質(zhì)量守恒方程可以表述為單位時(shí)間內(nèi)的流體微元體質(zhì)量的增加等于相同時(shí)間內(nèi)流入該流體微元的體的凈質(zhì)量[5]。

　　在流體通道中有流體流入同時(shí)也會(huì)伴隨一部分流體流出，在此期間該流體通道中的質(zhì)量也會(huì)發(fā)生變化。

　　那么根據(jù)質(zhì)量守恒定律，單位時(shí)間內(nèi)從出風(fēng)口流出與從進(jìn)風(fēng)口流入干燥段的熱空氣質(zhì)量差之總和應(yīng)等于干燥段內(nèi)因密度變化而減少的質(zhì)量，即：

（2.1）

　　式中：ρ為熱空氣密度，kg/m3；用 μ、ν、ω分別代表熱風(fēng)流體在x、y、z方向作為質(zhì)點(diǎn)的速度V的分量，m/s。

　　在流體微元體中，流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的相對(duì)變化率等于外界作用在微元體上各種力的和，稱為動(dòng)量方程[6]。即在一個(gè)流體微元中動(dòng)量的變化率等于流入流體微元體的動(dòng)量通量之和減去流出流體微元體的動(dòng)量通量之和，同時(shí)還要加上作用在流體微元體上所有剪切力、法向應(yīng)力和作用其質(zhì)量上的力。即：

（2.2）

　　式中：ρ為熱空氣流體密度，kg/m3；V為熱風(fēng)速度，m/s；F是質(zhì)量力，N；▽是哈密頓算子；為熱風(fēng)速度變化率。

　　2.1.3 能量方程

　　處于流動(dòng)中的流體系統(tǒng)總能量變化率等于外力對(duì)該系統(tǒng)做功功率與外界對(duì)該系統(tǒng)傳熱功率之和[7]。即：

（2.3）

　　式中：ρ為熱空氣流體密度，kg/m3；k為熱傳導(dǎo)系數(shù)；q為熱源項(xiàng)；cv是定容熱容；為熱風(fēng)溫度變化率。

2.2 三維模型個(gè)構(gòu)建與計(jì)算空間的確定

　　2.2.1 三維模型的構(gòu)建

　　采用Solidworks軟件，通過(guò)實(shí)體編輯、鈑金切割等命令建立循環(huán)式谷物干燥機(jī)干燥段的三維轉(zhuǎn)配體模型，在三維建模中完成熱風(fēng)管道組件、進(jìn)風(fēng)罩組件、干燥段左右前后圍板組件、網(wǎng)板組件、網(wǎng)板支架組件、三角尖組件、出風(fēng)罩組件以及風(fēng)機(jī)組件的構(gòu)建。在模型構(gòu)建過(guò)程中，由于我們主要目的是對(duì)循環(huán)式谷物干燥機(jī)干燥段熱風(fēng)通道流體的分析，于是對(duì)三維裝配體模型做了較大的簡(jiǎn)化，比如：忽略了干燥段中網(wǎng)板組件以及網(wǎng)板支架組件可能熱風(fēng)的熱質(zhì)交換[8]，因此沒(méi)有構(gòu)建；循環(huán)式谷物干燥機(jī)滿載干燥時(shí)部分熱空氣會(huì)隨著谷物空隙向緩蘇段（儲(chǔ)糧層）、撥糧層以及順著干燥劑安裝縫隙向外界呈一定比率滲透，但在此系統(tǒng)中除了進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口開(kāi)口之外對(duì)干燥段下約束面、三角尖組件上約束面以及干燥段安裝縫隙進(jìn)行模型封閉處理。模型建好之后，添加約束，把所有零件安裝在一起形成裝配體。如圖2-2為循環(huán)式谷物干燥機(jī)干燥段熱風(fēng)通道截面圖。

　　2.2.2 流體域確定

　　本文研究的5HPX-15循環(huán)式谷物干燥機(jī)干燥段中，冷空氣經(jīng)由熱風(fēng)爐換熱裝置加熱為熱空氣由熱風(fēng)通道、進(jìn)風(fēng)罩通過(guò)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入干燥層兩個(gè)熱風(fēng)區(qū)域，穿過(guò)谷物通道在干燥層中流動(dòng)，加熱谷物物料帶著濕熱空氣通過(guò)三個(gè)冷風(fēng)通道，再?gòu)某鲲L(fēng)罩組件回風(fēng)至出風(fēng)口，經(jīng)由外部風(fēng)機(jī)抽出。如圖2-3是5HPX-15循環(huán)式谷物干燥機(jī)干燥段干燥簡(jiǎn)圖。

2.2.3 網(wǎng)格劃分

　　一般對(duì)流動(dòng)和傳熱問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，其中比較重要的一步就是對(duì)系統(tǒng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即要對(duì)空間上連續(xù)的模擬計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分，讓它形成許許多多個(gè)區(qū)域，然后再確定每個(gè)區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)。

　　Fluent軟件的前期處理就有網(wǎng)絡(luò)生成工具，網(wǎng)格生成的質(zhì)量會(huì)對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算的精度與穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。

　　利用數(shù)值方法來(lái)分析谷物干燥機(jī)干燥段熱風(fēng)通道流體流動(dòng)時(shí)，據(jù)干燥機(jī)中熱風(fēng)流動(dòng)特性，因?yàn)樗蠼饬黧w區(qū)域的復(fù)雜性，所要?jiǎng)澐值膮^(qū)域不可能全部劃分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，本文采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格[9]，在面網(wǎng)絡(luò)劃分中用限制較少的四邊形網(wǎng)絡(luò)單元，在指定區(qū)域用三角形網(wǎng)格單元，實(shí)體的劃分采用四面體形式，個(gè)別單位位置用六面體、錐形體、楔形體網(wǎng)格進(jìn)行混合網(wǎng)格劃分。

　　2.2.4 網(wǎng)格質(zhì)量檢查

　　網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量因素是CFD建模中非常關(guān)鍵的一環(huán)，其質(zhì)量劃分好壞直接印象后來(lái)數(shù)字計(jì)算的精度[10]。網(wǎng)絡(luò)劃分的原則應(yīng)該是根據(jù)實(shí)際模型過(guò)程中不同設(shè)計(jì)要求進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，在對(duì)流體場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，應(yīng)該在保證計(jì)算機(jī)運(yùn)行能力、模型運(yùn)算精度的前提之下盡可能適當(dāng)?shù)脑龃缶W(wǎng)絡(luò)劃分單元的長(zhǎng)度，以減少運(yùn)算量。

　　2.3.1 熱風(fēng)流動(dòng)跡線分析

　　熱風(fēng)跡線是同一時(shí)刻內(nèi)有不同質(zhì)點(diǎn)組成的曲線，其中每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的切線方向與此質(zhì)點(diǎn)在流體場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)方向一致。定常流動(dòng)情況之下，跡線的形狀不會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化，并且流體質(zhì)點(diǎn)的跡線圖與軌跡線圖重合。我們?cè)谘芯垦h(huán)式谷物干燥機(jī)干燥段通道內(nèi)熱風(fēng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)需分析指點(diǎn)的跡線。

　　2.4 干燥段熱風(fēng)通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　在5HPX-15循環(huán)式谷物干燥機(jī)設(shè)計(jì)中，為了安排提升機(jī)以及提升管道組件方便工作人員操作，于是在最初的結(jié)構(gòu)安排時(shí)，把提升機(jī)組件和熱風(fēng)通道彎管安排在同一邊，這樣進(jìn)入熱風(fēng)管道的氣流沒(méi)有正對(duì)輸入干燥段，造成一部分的熱量損失，影響干燥效率以及干燥質(zhì)量。

　　3 橫流式谷物干燥機(jī)對(duì)于不同物料干燥機(jī)理的分析

　　新收獲高水分的谷物得不到及時(shí)的干燥處理將谷物濕度降至安全水分點(diǎn)會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的霉變、蟲(chóng)害和有氧呼吸損失等問(wèn)題，影響農(nóng)民糧食增收。所以橫流式谷物干燥機(jī)最早被應(yīng)用于南方江浙地區(qū)的谷物干燥，谷物干燥機(jī)一般會(huì)配有一臺(tái)熱風(fēng)爐，一臺(tái)或兩臺(tái)風(fēng)機(jī)。通常要求對(duì)于玉米進(jìn)熱風(fēng)溫度≦393K，對(duì)于小麥進(jìn)熱風(fēng)溫度≦373K。在干燥過(guò)程中，除了熱風(fēng)干燥產(chǎn)生的破損率。

　　在利用橫流式谷物干燥機(jī)干燥谷物物料時(shí)，溫度過(guò)高容易產(chǎn)生一定的裂紋增率和爆腰率，溫度過(guò)低又會(huì)使降水率大大降低。因此分析谷物種子內(nèi)部溫度、濕度分布，研究谷物在橫流式谷物干燥機(jī)循環(huán)干燥時(shí)的干燥機(jī)理，制定合理高效的干燥工藝，提高干燥中及干燥后谷物品質(zhì)，具有非常重要的意義。

　　平衡水分點(diǎn)是指在一定的干燥水平條件下，谷物所能干燥到的最低的水分點(diǎn)，決定著谷物干燥終了含水率。

　　3.1 谷物種子的組成形態(tài)

　　玉米、小麥、水稻是世界三大糧食作物，也是世界上高產(chǎn)的三種農(nóng)業(yè)種植作物。可作食用、飼用以及工業(yè)原料。但收獲時(shí)水分含量較大（玉米、小麥、水稻最佳干燥加工水分參數(shù)見(jiàn)表3-1），因起結(jié)構(gòu)特點(diǎn)自然干燥周期長(zhǎng)，對(duì)儲(chǔ)藏條件要求較高。谷物的干燥過(guò)程就是吧谷物內(nèi)部水分降至安全水分點(diǎn)之下，抑制其自身能量消耗以及微生物的活性。其中由于玉米種子籽粒較大，單位比面積較小，表皮結(jié)構(gòu)緊密、表面毛細(xì)管道少等原因，水分不易沖籽粒中排除。

　　玉米的種子主要由果皮和種皮、胚乳、胚和穗軸四部分組成。種皮和果皮在玉米中是是緊密不易區(qū)分的結(jié)構(gòu)。主要由纖維素組成，占種子總重量的6%-8%。具有保護(hù)種子不受外界機(jī)械損傷和防止蟲(chóng)害的作用。玉米的胚乳位于種皮的里面，最外層包裹含有大量蛋白質(zhì)的糊粉粒，組成糊粉層，胚乳占種子總重量的80%-85%。起到貯藏養(yǎng)料，供給種子萌發(fā)的作用。胚是新生植物體的雛體，構(gòu)成種子的最重要部位。玉米的胚占種子總重量的10%-15%。

　　小麥的種子主要由種皮和果皮、胚乳、胚三部分組成。稻谷種子主要由稻殼、種皮和果皮、胚組成。

3-1 玉米、小麥、水稻種子的組成形態(tài)簡(jiǎn)圖

3.2 谷物種子中水分遷移過(guò)程

　　谷物種子是一種濕物質(zhì)，其表面有一定的水蒸氣壓力。而這個(gè)壓力值與谷物本身的種類、谷物水分高低、谷物內(nèi)部溫度以及環(huán)境溫度有關(guān)。

　　谷物中水分的蒸發(fā)過(guò)程，可以概括為兩個(gè)基本過(guò)程：糧粒內(nèi)部的水分以氣態(tài)或液態(tài)的形式沿毛細(xì)管擴(kuò)散（轉(zhuǎn)移）到糧粒表面，再由表面蒸發(fā)到干燥介質(zhì)中去。合理的干燥工藝應(yīng)該是使糧粒內(nèi)部的擴(kuò)散速度等于或接近于糧粒表面的蒸發(fā)速度。當(dāng)谷物表面水蒸氣壓力大于外界空氣中水蒸氣壓力時(shí)，谷物內(nèi)部水分向空氣中擴(kuò)散，谷物含濕量下降。谷物在干燥過(guò)程中首先失去的是種皮和果皮部分的附著水，然后谷物內(nèi)部水分向種皮和果皮部位遷移，補(bǔ)充蒸發(fā)水分兩差值以趨于平衡。谷物種子的含水率越高，越能夠保持毛細(xì)管云水的連續(xù)性，因此更有利于降水速率的提高。但是當(dāng)干燥速率過(guò)快時(shí)，谷物內(nèi)部應(yīng)力緩蘇時(shí)間不足，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的一部分破損、裂紋以及爆腰現(xiàn)象，影響谷物干燥品質(zhì)。在低溫干燥過(guò)程的進(jìn)行，水分通道毛細(xì)管孔徑逐漸變小消失，水分汽化速度減慢[12]。

　　3.2.1 谷物干燥濕分（水分）傳遞機(jī)理

　　濕傳導(dǎo)是在濕度梯度（毛細(xì)管和擴(kuò)散滲透力）的作用下，物料內(nèi)部的水分有含量高的部位向含量低的部位遷移的現(xiàn)象，而濕熱傳導(dǎo)是指溫差引起的水分沿著熱流方向而移動(dòng)的現(xiàn)象[13]。

　　在糧食對(duì)流干燥過(guò)程中，濕傳導(dǎo)是主要的，而濕熱傳導(dǎo)是次要的，可以忽略不計(jì)。但是濕熱傳導(dǎo)對(duì)儲(chǔ)糧影響很大，尤其是外界溫差變化幅度較大的季節(jié)，應(yīng)該密切注意儲(chǔ)量狀態(tài)，做好通風(fēng)降溫降濕措施，否則濕熱傳導(dǎo)會(huì)引起糧食“結(jié)頂”、“掛壁”等現(xiàn)象，造成糧食結(jié)露、發(fā)熱霉變，降低糧食品質(zhì)[14]。

　　3.3 對(duì)于循環(huán)式谷物干燥機(jī)對(duì)于不同物料干燥理論基礎(chǔ)

　　3.3.1 5HPX-15循環(huán)式谷物干燥機(jī)技術(shù)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)

　　干燥機(jī)技術(shù)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)。

表1-1 5HPX-15循環(huán)式谷物干燥機(jī)技術(shù)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)

　　控制系統(tǒng)PLC可編程序控制，變頻調(diào)整，視頻監(jiān)視。

3.3.2 谷物干燥主要技術(shù)參數(shù)

　　糧食干燥的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)是衡量一個(gè)干燥機(jī)性能優(yōu)良的主要標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于玉米和小麥干燥時(shí)和干燥后的指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表3-2：

表3-2 玉米、小麥、水稻干燥時(shí)和干燥后的指標(biāo)參數(shù)

　　3.3.2 循環(huán)式谷物干燥機(jī)谷物干燥特性曲線理論值

　　批式循環(huán)谷物干燥機(jī)設(shè)計(jì)中每循環(huán)一個(gè)周期為45 min-60 min，在5HPX-15循環(huán)式谷物干燥機(jī)中，干燥速率取平均值，為每小時(shí)0.8 %-1.2 %。根據(jù)這個(gè)計(jì)算入倉(cāng)干燥谷物干燥時(shí)間，其中谷物干燥前水分不均勻度小于等于3 %，干燥后允許谷物含水率有1 %的浮動(dòng)。

　　在實(shí)際干燥過(guò)程中，玉米、水稻、小麥其降水速度為水稻最快，玉米次之，小麥最慢。研究表明，谷物的含水率越高其干燥速度也最快。同樣谷物干燥速率越快，干燥時(shí)間就越短，谷物溫度越高，越有利于干燥降水，谷物干燥時(shí)間越短，但是會(huì)產(chǎn)生一定的破損率增值和爆腰率增值（水稻）。

　　3.4 谷物干燥過(guò)程分析

　　3.4.1干燥特性曲線實(shí)驗(yàn)方法

　　實(shí)驗(yàn)器材：5HPX-15批式循環(huán)谷物干燥機(jī)；

　　　　　　　SMART SENSOR非接觸式紅外線測(cè)溫儀AR-872A；

　　　　　　　SMART SENSOR風(fēng)溫計(jì)AVM-01；

　　　　　　　蘭泰糧食水分溫度檢測(cè)傳感器MC7821；

　　　　　　　計(jì)時(shí)器。

　　實(shí)驗(yàn)材料：當(dāng)年新收玉米（含水率28 %，水分差值3 %）10 t；

　　　　　　　當(dāng)年新收小麥（含水率23 %，水分差值3 %）10 t；

　　　　　　　當(dāng)年新收水稻（含水率24 %，水分差值3 %）10 t；

　　實(shí)驗(yàn)時(shí)間：各16 h。

　　傳感器安裝位：（1）進(jìn)熱風(fēng)罩；（2）干燥段谷物通道；（3）提升管道第二節(jié)；

　　　　　　　   （4）緩蘇段第二節(jié)；（5）緩蘇段第六節(jié)。

　　數(shù)據(jù)采集：實(shí)時(shí)監(jiān)控傳感器糧食水分、溫度并記錄制表。紅外測(cè)溫儀每20 min測(cè)一次熱風(fēng)爐溫度、外排煙氣溫度、出熱風(fēng)溫度記錄制表。

　　3.5 谷物干燥的特性曲線分析

　　谷物在循環(huán)式谷物干燥機(jī)的干燥過(guò)程中，熱量傳遞和水分遷移是同時(shí)發(fā)生的。研究干燥過(guò)程就是在不同條件下對(duì)谷物物料熱量傳遞和水分遷移過(guò)程進(jìn)行研究。糧食干燥特性曲線可由含濕量與干燥時(shí)間曲線、干燥機(jī)降水速率與干燥時(shí)間曲線和谷物表面溫度與干燥時(shí)間曲線組合在一起做最完善的表達(dá)[15]。

　　3.5.1 含濕量與干燥時(shí)間曲線

　　谷物種子在干基含濕量與干燥持續(xù)時(shí)間之間呈現(xiàn)出一定的指數(shù)關(guān)系，干燥初期含濕量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)下降加快，干燥后期含濕量下降速率越來(lái)越慢。圖3-3為循環(huán)式谷物干燥機(jī)正常工作狀態(tài)下含濕量與干燥時(shí)間關(guān)系圖。這是一組比較典型的指數(shù)曲線，表明谷物在循環(huán)式谷物干燥機(jī)中的水分蒸發(fā)遵循指數(shù)規(guī)律下降，這也為建立數(shù)學(xué)模型提供了依據(jù)。

圖3-3  谷物含濕量與干燥時(shí)間曲線

　　3.5.2 谷物降水速率與干燥時(shí)間曲線

　　在一個(gè)干燥循環(huán)周期內(nèi)，圖3-4表示了玉米和小麥兩種不同的物料在循環(huán)式谷物干燥機(jī)中降水速率與干燥時(shí)間的關(guān)系。

圖3-4  谷物降水速率與干燥時(shí)間曲線

　　3.5.3 谷物表面溫度與干燥時(shí)間曲線

　　在一個(gè)干燥循環(huán)周期內(nèi)，圖3-5表示了玉米和小麥兩種不同的物料在循環(huán)式谷物干燥機(jī)中降水速率與干燥時(shí)間的關(guān)系。

圖3-4  降水速率與干燥時(shí)間曲線

　　3.5.4 關(guān)于谷物干燥特性曲線的分析

　　預(yù)熱階段：外源熱風(fēng)爐提供熱量主要用于提高谷物物料溫度，此時(shí)有少部分熱量使水分汽化[14]。隨著谷物物料溫度的升高，谷物表面的水蒸氣壓力也在不斷加大，從而此時(shí)干燥速率加快；當(dāng)熱風(fēng)提供的熱量正好等于水分蒸發(fā)所需能量時(shí)，谷物表面以及內(nèi)部溫度不再上升，谷物干燥降水速率此時(shí)從零達(dá)到最高值，干燥進(jìn)入等速干燥階段。而預(yù)熱階段的長(zhǎng)短取決于環(huán)境溫度、初始糧溫、干燥層厚度、進(jìn)熱風(fēng)溫度、進(jìn)熱風(fēng)流速等。

　　等速干燥階段：在該階段中谷物含水量均勻下降，谷物表面溫度基本保持不變，干燥速度在此時(shí)達(dá)到最大值并基本保持不變；谷物干燥速度的快慢取決于谷物表面水分蒸發(fā)的速度，即外部控制；提高烘干機(jī)熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)流速，增大干燥的接觸面積、減小干燥層厚度，可使干燥速度加快；從理論上講，由于所有傳給糧食的熱量都用于汽化水分，糧溫應(yīng)保持不變；在實(shí)際上，由于物料中水分的劇烈汽化，以及干燥機(jī)熱傳導(dǎo)外部能量損耗，物料表面溫度甚至?xí)兴陆怠?/p>

　　降速干燥階段：隨著干燥進(jìn)行，物料水分逐漸下降，其表面上的水蒸氣壓力將下降，使物料表面與熱風(fēng)介質(zhì)之間的水蒸氣壓力之差減小，從而使物料的平均干燥速度減慢，于是干燥進(jìn)入了降速干燥階段。

　　在此階段物料去水更難，干燥速度慢慢下降，而物料的溫度則逐漸上升；當(dāng)干燥速度等于零時(shí)，物料水分達(dá)到在該條件下的平衡水分點(diǎn)，其溫度可以上升到與出熱風(fēng)相同的溫度。在高溫干燥中，糧食烘干會(huì)在此前就結(jié)束。

　　冷卻緩蘇階段：對(duì)物料的溫度曲線來(lái)說(shuō)還應(yīng)有一個(gè)冷卻段。一般講，烘后物料的溫度很高，約在45 ℃～55 ℃，必須通過(guò)緩蘇階段冷卻，才能達(dá)到安全存儲(chǔ)條件；在生產(chǎn)中，常采取人工冷卻方式，把糧溫降至比外溫高5 ℃～7 ℃后進(jìn)行儲(chǔ)藏；在降溫的同時(shí)，也可去除水0.5 %～1 %[15]。

　　4 結(jié)論

　　（1）由于干燥過(guò)程的復(fù)雜性和不確定性，要實(shí)現(xiàn)具有精確的控制系統(tǒng)的干燥機(jī)還有很長(zhǎng)的研究之路要走，要經(jīng)過(guò)不斷的試驗(yàn)與測(cè)試，如對(duì)控制模型的優(yōu)化校正，測(cè)控新方法的研究等工作。本文通過(guò)對(duì)循環(huán)式谷物干燥機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)以及干燥原理分析，以玉米、小麥、水稻三種糧食作物干燥為例，深入分析了玉米、小麥、水稻三種不同物料在不同烘干條件下的干燥機(jī)理，探討了關(guān)于不同物料谷物干燥機(jī)的工作狀態(tài)、干燥效率以及干燥影響因素。通過(guò)分析橫流式循環(huán)干燥機(jī)撥糧層、干燥層、緩蘇層以及提升部分氣固兩相間的熱傳導(dǎo)、氣固兩相溫度和含濕量的變化來(lái)達(dá)到選擇合適干燥方式的以達(dá)到優(yōu)質(zhì)烘干效果的目的。通過(guò)檢測(cè)干燥過(guò)程谷物水分、溫度，并進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)，制作出玉米、小麥、水稻干燥特性曲線，可以說(shuō)對(duì)干燥過(guò)程的測(cè)控方法作了一些研究和試驗(yàn)，但由于時(shí)間和作者專業(yè)水平的限制，再有糧食的干燥過(guò)程涉及不同學(xué)科和不同領(lǐng)域，所以還需要對(duì)干燥控制過(guò)程的理論、測(cè)控方法和試驗(yàn)等進(jìn)行不斷的研究和探索。

　?。?）由于干燥情況復(fù)雜，在干燥作業(yè)過(guò)程中，要建立一個(gè)準(zhǔn)確的干燥模型和測(cè)控系統(tǒng)來(lái)控制整個(gè)干燥過(guò)程是很困難的，因?yàn)楦稍镏胁淮_定性因素太多，所以采用多模型的控制方式更能實(shí)現(xiàn)較精準(zhǔn)的控制，即對(duì)糧食干燥過(guò)程的不同階段分別建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，以提高控制器的自適應(yīng)能力。

　?。?）連續(xù)干燥過(guò)程參數(shù)的模擬分析尚沒(méi)有展開(kāi)，對(duì)連續(xù)干燥的模型及質(zhì)電雙參數(shù)法在連續(xù)干燥過(guò)程中檢測(cè)谷物水分的計(jì)算方法還有待深入研究。

　?。?）緩蘇過(guò)程作為谷物干燥其中一個(gè)重要回復(fù)環(huán)節(jié)，其時(shí)間、控制方法還有待于進(jìn)一步研究。