Comsol稻谷干燥

   

导语

   

民以食为天是一则来源于历史故事的成语，成语有关典故最早出自于西汉·司马迁《史记·郦生陆贾列传》。“民以食为天”的原义是人民以粮食为生存的根本，形容民食的重要。

“水能载舟，亦能覆舟。”历来解决老百姓的吃饭问题是最紧要的问题，也是安定人心的最重要工作。一个家庭也是，一个国家更是。粮食是生存的根本。人们只有解决了温饱问题，才有能力去从事其它活动和创造。所以不管在何时，人们都要珍爱生存之本粮食。

关键词：

稻谷；农业工程；水分湿度；干燥模拟；仿真计算

热流Es | 供稿

小苏 | 编辑

赵佳乐 | 审核

1.1 稻谷

稻谷，是指没有去除稻壳的子实，在植物学上属禾本科稻属普通栽培稻亚属中的普通稻亚种。人类共确认出22类稻谷，但是唯一用于大宗贸易的是普通类稻谷。我国是稻作历史最悠久、水稻遗传资源最丰富的国家之一，位于湖南道县寿雁镇玉蟾岩遗址出土的古栽培稻标本证实，中国的稻作栽培已有1.4万年以上的历史，是已知的世界栽培稻起源地。

稻谷的储藏具有三种明显的特性：容易陈化，不耐高温；容易发热、霉变、生芽；容易黄变。因此，稻谷保管的原则是“干燥、低温、密闭”。按照这个原则保管稻谷，能够实现安全储藏，较长期地保持稻谷品质和新鲜度。

图1a. 金黄的稻谷

1.2 干燥

干燥是指在化学工业中，常指借热能使物料中水分（或溶剂）气化，并由惰性气体带走所生成的蒸气的过程。例如干燥固体时，水分（或溶剂）从固体内部扩散到表面再从固体表面气化。干燥可分为自然干燥和人工干燥两种。并有真空干燥、冷冻干燥、气流干燥、微波干燥、红外线干燥和高频率干燥等方法。

干燥操作的成功与否，主要取决于干燥方法和干燥器的选择是否适当。要根据湿物料的性质、结构以及对干燥产品的质量要求，比较各种干燥方法和设备的特性，并参照工业实践的经验，才能做出正确的决定。

图1b. 大型干燥设备

2. 物理建模

根据粮仓几何尺寸绘制的三维模型如图2所示。仿真过程需设置空气和稻谷的比热容、密度、导热系数和湿度，为保证结果准确性，以上材料参数均从相关论文资料及现有实验数据中获取，如图3所示。

图2. 几何模型

图3. 材料参数

3. 物理边界条件

温度场边界条件：

（1）稻谷设置多孔介质域，空气设置流体域；

（2）初始温度293.15K；

（3）左侧流入温度边界设为293.15K；

（4）右侧流出设置对流换热边界条件。

流场边界条件：

（1）空气域设置流体，稻谷设置多孔介质；

（2）初始值速度和压力均为0；

（3）左侧设置速度入口边界；

（4）右侧设置压力出口边界；

（5）其余边界添加无滑移壁条件。

湿度场边界条件：

（1）空气域设置为湿空气，稻谷设置为吸湿性多孔介质；

（2）湿度初始值为0；

（3）左侧边界设置湿度边界；

（4）右侧设置无通量边界；

（5）其余边界设置湿度绝缘边界。

多物理场耦合条件：

（1）层流和水分输送耦合的水分流动；

（2）水分输送和流体传热耦合的热湿；

（3）层流和流体传热耦合的非等温流。

图4. 物理场边界条件

根据有限元法的求解原理，剖分越精细，求解越准确，数值计算前通过网格划分对模型计算区域进行离散化处理，采用三角形非结构化网格对稻谷干燥模型进行划分，具体网格分布如图5所示。

图5. 计算网格

4. 结果展示

采用稳态全耦合求解器进行求解，通过计算得到稻谷干燥模型温度场、流场和湿度场分布如下图所示。

图6. 温度场和速度箭头分布

图7. 速度场分布

图8. 压力分布

图9. 湿度分布

图10. 液体饱和度分布