■賀占清 郭志平李鳳偉

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010000）

草原地區(qū)因人口增長(zhǎng)和生態(tài)保護(hù)等因素，草原畜牧業(yè)逐漸成為草原地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重心。草原的冬季氣候寒冷，平均氣溫遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于牧草生長(zhǎng)適宜溫度。為了保證牲畜冬季必要的食草量以及草產(chǎn)品的遠(yuǎn)距離調(diào)配，牧草通常在每年的八月份左右開(kāi)始收割打捆、集中干燥并儲(chǔ)藏或遠(yuǎn)距離調(diào)配。牧草成捆時(shí)的打捆濕度和打捆尺寸都將直接影響成捆后期干草調(diào)制質(zhì)量。干草調(diào)制的方法主要有自然干燥和人工干燥。自然干燥簡(jiǎn)便易行，成本低但易受氣候、環(huán)境的影響，養(yǎng)分損失大。而人工干燥的干草質(zhì)量?jī)?yōu)，營(yíng)養(yǎng)損失少，不受氣候影響，但投資大、成本高。因此，找到一種干燥質(zhì)量高、成本低、易操作的干草調(diào)制方法一直是飼草產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的重要研究課題。

為此部分學(xué)者對(duì)牧草干燥所涉及的一些問(wèn)題進(jìn)行了研究。張曉娜等（2010）采用不同處理方法，研究了苜蓿干草調(diào)制過(guò)程中水分散失規(guī)律。得出自然曬制苜蓿干草時(shí)，苜蓿植株內(nèi)水分損失呈現(xiàn)先快后慢的規(guī)律。楊世昆等(2011)提出了牧草濕法收獲工藝的技術(shù)原理和工藝路線(xiàn)，并設(shè)計(jì)了可直接進(jìn)行整捆飼草干燥的太陽(yáng)能草捆干燥設(shè)備，進(jìn)而又進(jìn)行了設(shè)備的性能試驗(yàn)和牧草干法收獲與濕法收獲對(duì)比試驗(yàn)。許留興等(2015)對(duì)喀斯特典型地區(qū)八種主要牧草的干燥過(guò)程和水分散失規(guī)律進(jìn)行了研究。并結(jié)合多年降水和氣溫變化規(guī)律分析了該地區(qū)調(diào)制干草的可行性。劉庭玉等（2016）設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，篩選高水分苜蓿草捆最適的人工輔助干燥的條件。同年，高東明和王德成以苜蓿晾曬過(guò)程中主莖桿為對(duì)象，對(duì)不同部位段苜蓿主莖桿進(jìn)行不同壓扁系數(shù)條件下的含水率變化對(duì)比試驗(yàn)。研究了不同壓扁程度對(duì)紫花苜蓿莖稈不同部位的水分散失規(guī)律影響。羅斗拉太(2017)通過(guò)實(shí)驗(yàn)就人工快速失水、平攤曬干失水和風(fēng)干失水三個(gè)干燥方式對(duì)牧草品質(zhì)的影響進(jìn)行了研究。同年，錢(qián)珊珠和楊哲在已有的太陽(yáng)能干燥試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了單層和多層的草捆干燥試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)獲得草捆的干燥特性曲線(xiàn)，分析了各因素對(duì)干燥特性的影響規(guī)律。

對(duì)牧草草捆的干燥研究，大部分學(xué)者采用試驗(yàn)的方式進(jìn)行。因牧草收獲季節(jié)性和區(qū)域性的影響，試驗(yàn)規(guī)模受到限制。在進(jìn)行對(duì)比研究時(shí)受環(huán)境不穩(wěn)定因素的影響很難得到單個(gè)因素對(duì)草捆干燥狀態(tài)的影響。運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)牧草草捆自然干燥的仿真，可較為準(zhǔn)確的得到單個(gè)因素對(duì)草捆干燥的影響。進(jìn)行牧草自然干燥水分散失過(guò)程的研究有助于對(duì)牧草自然干燥過(guò)程的指導(dǎo)和修正；有助于對(duì)牧草打捆濕度、打捆尺寸和牧草干燥時(shí)間的掌握，提高牧草干燥質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。文章基于多孔介質(zhì)理論，借助FLUENT流體分析軟件對(duì)牧草自然干燥過(guò)程進(jìn)行仿真，并對(duì)不同尺寸及不同初始含水量草捆的干燥速率進(jìn)行了對(duì)比研究。

1 牧草草捆自然干燥過(guò)程分析

1.1 牧草草捆內(nèi)部水分轉(zhuǎn)移分析

對(duì)于一個(gè)特定的系統(tǒng)，物質(zhì)的總能量有束縛能和自由能。研究植物中水分的轉(zhuǎn)移，學(xué)者們普遍采用水勢(shì)來(lái)研究。

式中：μw——溶液的化學(xué)勢(shì)(J/mol)；

水溶液的濃度越高，其水勢(shì)就相應(yīng)越大。水溶液中的水會(huì)由于水勢(shì)差的緣故由水勢(shì)高的水溶液轉(zhuǎn)移至水勢(shì)低的水溶液中，直到兩個(gè)溶液中水勢(shì)相同。收割打捆后的牧草草捆內(nèi)部水分的轉(zhuǎn)移也遵循這一規(guī)律。假定純水的水勢(shì)為零點(diǎn)，則植物葉片水勢(shì)一般為0.3～1.5 MPa。牧草中水勢(shì)分為三部分組成：滲透勢(shì)、壓力勢(shì)和襯質(zhì)勢(shì)。

式中：ψw——水勢(shì)(MPa)；

ψπ——滲透勢(shì)(MPa)；

ψp——壓力勢(shì)(MPa)；

ψm——襯質(zhì)勢(shì)(MPa)。

牧草干燥過(guò)程中同時(shí)存在著水分的蒸發(fā)和吸收，收割后的牧草由于水分的蒸發(fā)，表面會(huì)形成一層一定濃度的水汽層。對(duì)于剛剛收割的新鮮的牧草，水汽層的水汽分壓大于周?chē)h(huán)境的水汽分壓就會(huì)使水汽分子從牧草表面轉(zhuǎn)移到周?chē)h(huán)境中，從宏觀上就表現(xiàn)為水汽的蒸發(fā)。對(duì)于收割時(shí)間比較長(zhǎng)的牧草，牧草中含水量低，表面水汽分壓小于周?chē)h(huán)境水汽分壓，水分就會(huì)從周?chē)h(huán)境中轉(zhuǎn)移到牧草內(nèi)，宏觀上表現(xiàn)為牧草的吸濕過(guò)程。當(dāng)牧草的水汽分壓與周?chē)h(huán)境的水汽分壓相同時(shí)，水汽的蒸發(fā)與吸濕的速率基本保持動(dòng)態(tài)平衡，牧草的含水量相應(yīng)保持不變，此時(shí)的牧草含水量稱(chēng)為平衡含水量。

水分在牧草中的轉(zhuǎn)移目前有擴(kuò)散理論和毛細(xì)管理論兩種觀點(diǎn)，擴(kuò)散理論認(rèn)為牧草草捆中的水分是通過(guò)擴(kuò)散的方式轉(zhuǎn)移的。水分轉(zhuǎn)移速度的大小取決于牧草草捆的溫度梯度和水分在牧草草捆中的擴(kuò)散系數(shù)Ew。

式中：Ew——牧草的濕擴(kuò)散系數(shù)；

K——水分傳導(dǎo)系數(shù)；

γ——牧草的溶度；

毛細(xì)管理論認(rèn)為牧草草捆的內(nèi)部有著很多形狀和直徑各異的毛細(xì)管，由于毛細(xì)管效應(yīng)，外部的水分蒸發(fā)后，內(nèi)部水分會(huì)由于毛細(xì)管效應(yīng)向外轉(zhuǎn)移，直到整個(gè)牧草草捆內(nèi)的水分蒸發(fā)到毛細(xì)管內(nèi)外對(duì)水分子的作用力相同時(shí)停止水分轉(zhuǎn)移，形成平衡。

1.2 多孔介質(zhì)理論分析

對(duì)于多孔介質(zhì)，目前還沒(méi)有嚴(yán)格的界定。廣義上說(shuō)，多孔介質(zhì)就是帶有很多細(xì)小孔洞的固體。在多孔介質(zhì)的內(nèi)部至少會(huì)有一項(xiàng)不是固體，在多孔介質(zhì)的空隙中充滿(mǎn)了流體。我們生活中的多孔介質(zhì)有很多，比如土壤、砂石、建筑材料、陶瓷等。本文所涉及到的牧草草捆也屬于多孔介質(zhì)，具有如下兩個(gè)特點(diǎn)。

①?gòu)浬⑿?。如圖1所示，固體骨架的空穴或空隙填充有液體（液相、氣相或氣液兩相物），多孔介質(zhì)的彌散性具有隨機(jī)性的特點(diǎn)。

圖1 多孔介質(zhì)相態(tài)

②可滲透性。如圖2所示，即使多孔介質(zhì)的孔隙存在盲端，流體也能夠從多孔介質(zhì)的一端遷移到另一端?？紫端鶚?gòu)成的孔道是相互連通的，多孔介質(zhì)的可滲透性反映了多孔介質(zhì)內(nèi)部通道相互連通性的好壞。

圖2 多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)

固體骨架比面積大是多孔介質(zhì)的基本特點(diǎn)，這個(gè)特點(diǎn)在很大層面上影響著流體在多孔介質(zhì)中的狀態(tài)和流動(dòng)特征。多孔介質(zhì)的孔隙細(xì)小程度，以及多孔介質(zhì)孔道排布的疏密程度都直接影響著流體流動(dòng)狀態(tài)。孔隙體積與總體積的比值稱(chēng)為孔隙度，用p表示。人們把互相聯(lián)通的孔隙空間體積與總體積之比稱(chēng)為有效孔隙度，常用孔隙比來(lái)取代孔隙度。

式中：e——孔隙比；

p——孔隙度。

1.3 多孔介質(zhì)的參數(shù)確定

多孔介質(zhì)在流體力學(xué)中有其特殊性，它在宏觀上表現(xiàn)為流體從細(xì)小的孔洞中通過(guò)，減小流體的通過(guò)率和降低流體的通過(guò)速度。在微觀上多孔介質(zhì)實(shí)質(zhì)上是加大了多孔介質(zhì)骨架結(jié)構(gòu)的物質(zhì)與通過(guò)多孔介質(zhì)的流體之間的接觸面積。骨架結(jié)構(gòu)物質(zhì)對(duì)流體的“拖拽力”——分子間的引力，使得流體穿過(guò)多孔介質(zhì)后動(dòng)能降低。多孔介質(zhì)有孔隙率、黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)三個(gè)參數(shù)。

式中：α——黏性阻力系數(shù)；

C2——慣性阻力系數(shù)；

ε——孔隙率；

DP——多孔介質(zhì)的當(dāng)量直徑(mm)。

2 模型的建立

為方便計(jì)算與仿真，將草捆內(nèi)部草料分布視為理想狀態(tài)的均勻分布。將草的莖葉均做同一化處理。整個(gè)草捆視為一個(gè)整體的多孔介質(zhì)。為真實(shí)反應(yīng)草捆內(nèi)部熱傳遞和水分轉(zhuǎn)移，仿真多孔介質(zhì)草捆定義為木質(zhì)。草捆內(nèi)部水分設(shè)置為兩個(gè)相態(tài)，液態(tài)水仿真牧草植株內(nèi)部的細(xì)胞液，氣態(tài)水仿真細(xì)胞液經(jīng)蒸發(fā)作用由牧草內(nèi)部散失到草捆內(nèi)部的水蒸氣。將整個(gè)草捆置于一個(gè)各方向遠(yuǎn)大于草捆直徑的仿真環(huán)境中進(jìn)行模擬仿真。如圖3所示，草捆放置于地面，位于模擬環(huán)境的入口與出口中央。模擬自然風(fēng)以定速由入口吹入，經(jīng)中間湍流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)草捆自然干燥的仿真，自然風(fēng)再由出口流出。頂部模擬陽(yáng)光直射。自然風(fēng)溫度及風(fēng)速依據(jù)仿真要求進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。

圖3 仿真模型

3 仿真模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

本仿真基于多孔介質(zhì)理論，運(yùn)用FLUENT流體分析軟件對(duì)草捆的干燥過(guò)程中水分含量進(jìn)行仿真分析。FLUENT中各個(gè)參數(shù)的設(shè)置都將對(duì)仿真過(guò)程中草捆內(nèi)水分的變化趨勢(shì)有一定影響。文章將仿真數(shù)據(jù)與參考文獻(xiàn)中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，驗(yàn)證仿真模型的正確性。仿真條件如表1所示，仿真與試驗(yàn)對(duì)比如圖4所示。

仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可知，仿真整體含水量變化趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果接近，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)最大偏差為2.36%，最小偏差為0.31%，總體平均偏差為0.86%。認(rèn)為仿真模型可以正確的反應(yīng)出牧草草捆的干燥狀態(tài)以及草捆內(nèi)水分的變化趨勢(shì)。

表1 仿真與試驗(yàn)初始條件

圖4 仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

4 不同尺寸、不同初始含水量草捆的自然干燥對(duì)比研究

為研究圓柱形草捆的直徑及草捆初始含水量對(duì)草捆干燥的影響，現(xiàn)對(duì)圓柱形草捆進(jìn)行建模仿真。分別構(gòu)建0.7、1、1.3 m和1.6 m直徑的圓柱形草捆模型，對(duì)初始含水量為60%、50%和40%時(shí)草捆的自然干燥進(jìn)行干燥仿真。仿真初始參數(shù)如表2所示。

仿真結(jié)果如下：當(dāng)各草捆初始含水量均為60%時(shí)，各尺寸草捆干燥初期含水量都有一定程度的驟降，10 min后干燥速率減慢。直徑為1.6 m的草捆在20 min時(shí)出現(xiàn)快速干燥，40 min后干燥速率減慢。直徑為1.3 m的草捆在30 min時(shí)出現(xiàn)快速干燥，30 min后干燥速率減慢，2 h時(shí)干燥速率略微加快并保持。直徑為1 m的草捆在2 h時(shí)出現(xiàn)并保持較快的干燥速率。直徑為0.7 m的草捆在1.5 h時(shí)出現(xiàn)并保持快速干燥。在4 h內(nèi)直徑分別為1.6、1.3 m和1 m的草捆含水量分別降低了2%、4%和3%，而直徑為0.7 m的草捆含水量降低了6%，是其他尺寸的2倍左右。

當(dāng)各草捆初始含水量為50%時(shí)，各草捆內(nèi)部的水分變化規(guī)律與初始含水量為60%時(shí)基本相同。直徑為1.3 m的草捆在3.5 h時(shí)含水量出現(xiàn)1%的驟降，相比含水量為60%時(shí)，驟降時(shí)間提前了20 min。在4 h內(nèi)直徑分別為1.6、1.3 m和1 m的草捆含水量降低了2.5%左右，而直徑為0.7 m的草捆含水量降低了5%左右，是其他尺寸的2倍。

當(dāng)各草捆初始含水量為40%時(shí)，直徑分別為1.6、1.3 m和1 m的草捆整個(gè)干燥過(guò)程含水量變化緩慢，直徑為1.3 m的草捆在3 h時(shí)出現(xiàn)1%的驟降，相比含水量為60%和50%分別提前了50 min和30 min。直徑為0.7 m的草捆在4 h內(nèi)的干燥速率一直處于高速。在4 h內(nèi)直徑分別為1.6、1.3 m和1 m的含水量降低了2%左右，直徑為0.7 m的草捆含水量降低了7%左右，是其他尺寸的3倍。

圖5 初始含水量為60%時(shí)各草捆的干燥曲線(xiàn)

圖6 初始含水量為50%時(shí)各草捆的干燥曲線(xiàn)

圖7 初始含水量為40%時(shí)各草捆的干燥曲線(xiàn)

5 結(jié)論

①通過(guò)多孔介質(zhì)理論建立了圓柱形草捆自然干燥模型，運(yùn)用FLUENT流體分析軟件模擬仿真草捆的自然干燥過(guò)程，有效避免現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的季節(jié)性及規(guī)模性限制，得出草捆直徑和草捆含水量單因素影響下草捆水分變化曲線(xiàn)。

②直徑分別為1.6、1.3 m和1 m的草捆自然干燥速率基本相同，直徑為0.7 m的草捆自然干燥速率大約是其他尺寸的2～3倍。仿真論證了草捆直徑對(duì)草捆干燥速率的影響，為圓捆捆草機(jī)捆草直徑的設(shè)計(jì)提供參考。

③ 當(dāng)草捆直徑分別為1.6、1.3 m和1 m時(shí)，草捆的初始含水量越低干燥速率越快，但初始含水量對(duì)草捆干燥的影響較草捆直徑對(duì)其的影響小。當(dāng)草捆直徑為0.7 m時(shí)，草捆初始含水量對(duì)草捆的干燥速率影響較大，初始含水量分別為60%、50%和40%時(shí)，草捆4 h內(nèi)含水量分別降低了6%、5%和7%。仿真論證了草捆初始含水量對(duì)草捆干燥速率的影響，為牧草的濕法收獲提供理論支撐，有效提高牧草濕法收獲的干燥質(zhì)量。