玉米干燥过程中湿热传递的数值模拟及实验研究

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干燥是保障玉米品质的必要加工过程,能有效防止玉米发生霉变和降低虫害,对玉米安全储藏有重要意义。玉米的干燥过程是一个复杂的湿热传递过程,与干燥工艺及干燥机结构密切相关。与传统的实验研究方法相比,运用数值模拟技术具有高效、低成本、适应复杂工况的优点,可以对玉米干燥工艺参数以及干燥设备结构进行优化从而提高玉米的干燥均匀性和品质。本文将玉米烘干机中的玉米区域视为多孔介质模型,概述了在热风干燥过程中玉米的湿热传递机理,建立了适用于玉米干燥的热量传递和水分迁移的数学模型,基于FLUENT软件,研究了干燥过程中玉米区域中风速、温度、压力、玉米湿度和空气湿度的变化规律,以及分别从不同干燥工艺参数、角状管结构改变对玉米区域中玉米湿度的影响进行讨论。通过将数值模拟结果与实验结果对比分析,验证了FLUENT在玉米热风干燥过程中模拟的可行性。主要研究内容与结果如下:(1)通过实验测试,确定了玉米的主要物性参数。通过对玉米烘干机结构的分析和简化,利用ANSYS前处理软件Geometry创建了玉米烘干机的几何模型,并根据烘干机实际工作情况确定了合理的边界条件类型和初始条件。(2)利用综合同步热重分析仪研究玉米质量随温度变化的趋势以及在不同温度下玉米内部物质的热稳定性,分析玉米的TGA、DTG曲线变化得出90℃~120℃为玉米适宜的干燥温度范围。(3)探究了玉米区域中湿热传递规律,建立了玉米热风干燥过程中热量传递和水分迁移的数学模型。利用FLUENT软件的二次开发功能UDF定义了玉米干燥过程中的能量源项和水分迁移源项,编写了相应的湿度计算模块,在FLUENT软件中实现对玉米区域中玉米湿度的模拟计算功能。(4)利用FLUENT软件,模拟计算了影响玉米干燥效果的各种物理量(干燥风速度、干燥温度、干燥压力、空气湿度和玉米初始湿度等)在干燥过程中的分布规律。(5)研究了不同进口热风速度、热风温度、干燥时间等干燥工艺参数对玉米区域中玉米湿度的影响,发现玉米湿度随着进口热风速度、热风温度、干燥时间的升高而降低。研究了通气角状管不同尺寸大小以及不同数量排布对玉米区域中玉米湿度的影响,发现通气角状管尺寸大小、数量排布对玉米湿度有明显的影响。通气角状管尺寸过小、数量过少会因为热风流动扩散性差导致高含水率的玉米区域较多;通气角状管尺寸过大、数量过多会出现干燥过度以及降低玉米干燥处理量等问题,从而确定了通气角状管尺寸大小(进气角状管为大型角状管,出气角状管为小型角状管)和数量排布(第一排出气角状管数量为4个、第二排进气角状管数量为5个、第三排出气角状管数量为5个)的结构较为合理。(6)针对玉米干燥实验对出口热风速度、玉米湿度、玉米区域中水平特征截面(在X-Z平面上Y=1.015m处)上温度进行实验测量。将数值模拟结果与实验结果进行对比分析,可知两者的相对误差在10%以下,验证了FLUENT软件对玉米干燥过程中各物理场的模拟仿真分析具有可行性。
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