董航飛，鄭先哲，王建英

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

牧草含有豐富的蛋白質(zhì)、維生素和礦物質(zhì)[1]。傳統(tǒng)的日曬干燥方法會影響牧草中的營養(yǎng)成分，大大降低了牧草的利用價值。利用滾筒式干燥機(jī)對牧草干燥，干燥機(jī)內(nèi)部抄板不斷將其抄起和撒落，同時高溫氣流與飄落的牧草相互作用、向前輸送，所得干草顏色青翠，氣味芳香，牧草營養(yǎng)成分保留率高[2-3]。這種結(jié)構(gòu)的干燥機(jī)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用牧草干燥生產(chǎn)中，代表類型有：俄羅斯的ABM系列滾筒式干燥機(jī)，荷蘭凡登布克廠生產(chǎn)的AS-25型滾筒式干燥機(jī)，國內(nèi)的廣東省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所設(shè)計了三重轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)，尤其是東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的四重滾筒式牧草干燥，與傳統(tǒng)的單回程滾筒干燥機(jī)相比，在筒體長度相同的情況下，四重滾筒干燥機(jī)內(nèi)物料沿軸向方向運(yùn)動的距離大約是單程的三倍，熱效率大大的提升，并且占地面小，節(jié)省空間[4]。

滾筒式干燥機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對干燥效率和干后牧草質(zhì)量有很大影響[5]，尤其是滾筒形狀變化、轉(zhuǎn)折會引起氣流運(yùn)動方式的變化，明顯影響干燥效果。本文應(yīng)用流體力學(xué)模擬軟件Fluent，通過模擬分析干燥過程中四重滾筒干燥機(jī)內(nèi)部的氣流分布，以氣流順暢流動、減少渦流為目標(biāo)，優(yōu)化干燥機(jī)結(jié)構(gòu)，得到生產(chǎn)效率高、干燥品質(zhì)好的四重滾筒干燥機(jī)，從而提高設(shè)計效率，減少研制費(fèi)用。數(shù)值分析和模擬方法已經(jīng)成功應(yīng)用到滾筒干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及過程優(yōu)化[5-8]。

1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)四重滾筒干燥機(jī)的入口條件，筒體內(nèi)的氣體流動屬于湍流，由于湍流的復(fù)雜性，通常需要借助合適的湍流模型，筒體內(nèi)計算區(qū)域較多且存在回流，本文采用應(yīng)用比較多的k-ω兩方程模型，標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型是基于Wilcox k-ω的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚9]，它是為考慮低雷諾數(shù)、可壓縮性和剪切流傳播而修改的。Wilcox k-ω模型預(yù)測了自由剪切流傳播速率，像尾流、混合流動、平板繞流、圓柱繞流和放射狀噴射，因而可以應(yīng)用于墻壁束縛流動和自由剪切流動，k和ω偏微分方程組如（1）和（2）：

式中：ρ，μ分別表示流體的密度和黏度，k是方程特性參數(shù)，ω表示單位時間內(nèi)單位體積能量耗散速率。

這里σk和σω是k、ω方程的湍流能量普朗特數(shù)。湍流粘度：

由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能：

Gω是由ω方程產(chǎn)生的，ω的定義：

Yk和 Yω由于擴(kuò)散產(chǎn)生的湍流：

2 網(wǎng)格的生成和入口條件

四重滾筒干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，第一重滾筒為軸長850 mm、上底面半徑400 mm的圓臺，第二、三、四重滾筒是長度分別為4 500、4 000、3 300 mm、半徑分別為1 800、1 000、400 mm的筒體，邊界條件采用速度型進(jìn)口邊界，近壁區(qū)模擬采用壁面函數(shù)法，設(shè)定包括入口速度邊界、壓力出口邊界和壁面邊界。出口邊界條件，設(shè)定為壓力出口類型，把出口相對壓力設(shè)定為0，出口氣流溫度采用室溫為20℃，進(jìn)口速度為10 m·s-1，空氣的密度 1.225 kg·m-3，動力黏度 1.83×e-05Pa.s，運(yùn)動黏度1.57×e-05m2·s-1，用Gambit對四重滾筒干燥機(jī)進(jìn)行幾何建模并劃分網(wǎng)格，本研究采用非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格（TGrid）劃分[9]，共得到網(wǎng)格684 068個，經(jīng)過網(wǎng)格質(zhì)量檢查，沒有彎曲變形網(wǎng)格的存在，說明質(zhì)量較好。

3 結(jié)果與分析

3.1 原結(jié)構(gòu)流場分析

應(yīng)用Fluent軟件對四重滾筒干燥機(jī)進(jìn)行流場模擬，氣流速度分布如彩版Ⅰ所示，氣流以10 m·s-1的速度進(jìn)入干燥機(jī)第一重滾筒，隨著橫截面面積的增大，氣流速度不斷減小，但由于慣性，在第一重滾筒兩側(cè)區(qū)域氣流速度較小，大約1 m·s-1，而中間部分氣流速度較大，7 m·s-1左右。氣流進(jìn)入第二重滾筒，受第三重滾筒前端迎風(fēng)面影響，氣流急劇擴(kuò)散，速度下降且穩(wěn)定在2 m·s-1左右。當(dāng)氣流到達(dá)第二重滾筒底端時，一部分氣流進(jìn)入第三重滾筒，一部分氣流以垂直方向受到底端壁面的阻擋，速度基本下降到0.02 m·s-1，如果物料運(yùn)動到此，氣流難以帶動物料繼續(xù)前進(jìn)。第三重滾筒的截面積較小，進(jìn)入這里的氣流速度增大，而后逐漸趨于穩(wěn)定，大約4 m·s-1。當(dāng)氣流進(jìn)入第三重滾筒迎風(fēng)端時，受壁面阻擋，速度下降，且壁面夾角過小，受阻氣流矢量方向相對，形成大量渦流，不利于物料的輸送。進(jìn)入第四重滾筒的氣流達(dá)到最大速度18 m·s-1，而后減小到9 m·s-1左右，且逐漸穩(wěn)定。氣流溫度隨著滾筒的第二、三、四重逐漸減小，速度逐漸增大，這樣利于物料干燥和輸送[10]。

通過對模擬結(jié)果的分析可知，第二重筒體的底端壁面和第三重滾筒迎風(fēng)端壁面阻礙了氣流的前進(jìn)，使得氣流速度很小或者形成了渦流，造成了物料的滯留，影響了前進(jìn)速度。第二重滾筒的筒體壁面和底端壁面成直角，壁面風(fēng)阻較大是氣流速度很小的主要原因，第三重滾筒迎風(fēng)端空間過大，壁面夾角過小，氣流矢量方向不同是形成了渦流的主要原因。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)上述分析，我們對四重滾筒干燥機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化：①將第二重滾筒壁面與筒底壁面直角相接改為扇形相接，根據(jù)4 cm牧草段的休止角一般在40～45°之間，設(shè)定扇形弧度為90°，因為高速氣相區(qū)域距離筒底大約200 mm，設(shè)定扇形半徑400 mm，這樣只有距離筒底較遠(yuǎn)的一部分扇形面存有物料，且都在高速氣相區(qū)域運(yùn)動；②反方向增加第四重滾筒的軸向長度200 mm，減少第三重滾筒迎風(fēng)端空間；③在第三重滾筒迎風(fēng)端加一球冠型面，當(dāng)球冠面與錐形壁面相切時，球冠面具有最大弧度，可以極大減少氣流與壁面的垂直接觸，使氣流平穩(wěn)高速運(yùn)動。對設(shè)計后的四重滾筒干燥機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，數(shù)值模擬，得到氣流速度分布如彩版Ⅱ所示。

優(yōu)化后滾筒內(nèi)部氣流最小速度提高了1倍，且低速氣相區(qū)域減少，觀察到氣流速度矢量方向基本一致。彩版Ⅲ（a）為邊緣扇形設(shè)計后滾筒的流場分布圖，將第一重滾筒末端邊緣改為扇形，扇形上大部分點(diǎn)的切線與筒體壁面的夾角都大于物料的休止角，使物料無法存留在弧形板上，只能在氣流速度較高的氣相區(qū)域運(yùn)動，與彩版Ⅲ（b）原設(shè)計干燥機(jī)內(nèi)流場比較，速度曲線平穩(wěn)且不成圓圈，說明結(jié)構(gòu)改變后氣流速度更穩(wěn)定，渦流消失，物料的流動性大幅的提高。

對比彩版Ⅳ（a）和彩版Ⅳ（b），原迎風(fēng)端錐形設(shè)計滾筒內(nèi)速度曲線曲折，多成不規(guī)則圓形，說明氣流不穩(wěn)定，且渦流較多，而迎風(fēng)端球冠形設(shè)計的滾筒內(nèi)速度曲線平滑，表明氣流穩(wěn)定，無渦流產(chǎn)生，可提高草段的運(yùn)動速度。

由上面的數(shù)值模擬可以看出，在優(yōu)化設(shè)計后，滾筒內(nèi)物料容易滯留的位置壁面阻力大幅減小，氣流速度有了明顯的提高，且均勻穩(wěn)定，渦流基本消失。依據(jù)Fluent結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，研制出四重滾筒式牧草干燥機(jī)，已經(jīng)通過驗證試驗，表明本干燥機(jī)具有結(jié)構(gòu)合理，干燥速度快，干燥品質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)，并獲得了優(yōu)化，在苜蓿初始水分為78.5%時，得到合理苜蓿滾筒干燥參數(shù)組合：干燥溫度為360℃，滾筒轉(zhuǎn)速10 r·min-1，熱風(fēng)速度1.8 m·s-1，喂入率25 kg·min-1[10]。

4 結(jié) 論

在四重滾筒牧草干燥機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，平面對氣流的阻力較大，將第二重滾筒底端和第三重滾筒迎風(fēng)面端為弧形面，這樣可以避免氣流垂直方向碰撞壁面，減小阻力、提高了氣流流動平滑性。這表明利用Fluent軟件標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對三回程滾筒烘干機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，從理論上對流場進(jìn)行預(yù)測、分析，模擬結(jié)果符合實際情況，可行性高。

[1] 劉永儒.紫花苜蓿營養(yǎng)與飼用價值的科學(xué)評價[J].榆林科技,2007(5):26-28.

[2] 鄭先哲,王建英,董航飛.干燥條件對苜蓿品質(zhì)指標(biāo)的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2009,40(6):101-105.

[3] 鄭先哲,劉成海,王建英,等.滾筒式牧草干燥機(jī)性能研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2009,40(8):97-99.

[4] 鄭先哲,王忠江,金長江.牧草干燥理論與設(shè)備[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2009.

[5] Heng X,Lan Y,W J,et al.Process analysis for an alfalfa rotary dryer using an improved dimensional analysis method[J].Int J Agric&Biol Eng,2009,2(3):76-82.

[6] Mani S,Sokhansanj S,Bi X.Modeling of forage drying in single and triple pass rotary drum dryers[C].ASAE Annual International Meeting Sponsored by ASAE Tampa Convention Center Tampa,2005.

[7] Adapa P K,Schoenau G J,Arinze E A.Fractionation of alfalfa into leaves and stems using a three pass rotary drum dryer[J].Biosystems Engineering,2005,91(4):455-463.

[8] 羅小燕,王德成,王光輝,等.苜蓿轉(zhuǎn)筒干燥時莖葉分離出口氣流場模擬與優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2009,40(10):71-74,85.

[9] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[10] 鄭先哲,周修理,王建英,等.滾筒式牧草干燥機(jī)參數(shù)模擬與分析[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2009,40(9):97-101.