不同进风方案下隧道烘干窑热风流场CFD模拟和优化

隧道烘干窑内同一横截面的热风均匀性影响着物料干燥均匀性和产品质量,而烘干窑入口风速分布直接影响着窑内热风流场的均匀分布。为了解决单一风机直进风隧道烘干窑存在的风速不均匀问题,提出了多种进风结构设想,并利用计算流体力学方法对实际生产的隧道窑进风流场进行数值模拟,研究3种不同的进风方案(4风机、6风机和9风机)对隧道窑内热风流场均匀性的影响。模拟结果表明:6风机方案下隧道窑入口处进风均匀,热风扩散距离短,窑内热风流场整体均匀性较佳,综合性价比最高。研究结果为隧道窑入口进风的设计提供参考。     

通风改善发芽糙米微波连续干燥均匀性

为了提高发芽糙米微波干燥的均匀性,采用台架试验、计算模拟和理论分析相结合的研究方法,分析微波干燥机内料层上微波能分布规律,研究微波干燥时风速对发芽糙米干燥均匀性影响。结果表明:在波导馈口平行的微波干燥机上,馈口间存在耗损和反射,微波能利用率降低;在微波干燥过程中,通入室温空气带走发芽糙米蒸发出的水蒸气:风速低携带水蒸气能力弱,而风速高会导致气流分布不均匀,合适风速在0.5~1.0 m/s。在微波干燥时引入通风方式,可提高微波干燥均匀性,从干燥工艺方面解决因电场分布引起干燥均匀性差的问题。研究结果为微波干燥机的干燥腔结构设计和干燥工艺优化提供依据。     

基于Shannon-Wiener指数的干燥过程中物料含水率均匀性计算及验证

为了改善带式干燥机内流场结构,提高干燥机内水分均匀度,在计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)理论的基础上,利用FLUENT软件包模拟并探讨堆积厚度、热风流速、热风温度和热风含水率对干燥后物料含水率的影响,并辅以试验验证。在Shannon-wiener指数的基础上计算干燥机内含水率均匀度,并与传统水分均匀性(Mu)计算方法和CFD计算的平均值作比较。利用FLUENT软件包数值模拟并试验验证了2种导流板(普通导流板和翼型导流板)的干燥效果。结果表明:试验测得各测孔的风速与数值模拟的结果吻合。4类因素中堆积厚度对含水率均匀度影响最大,厚度为80 mm的槟榔层的含水率比厚度为40、60 mm的更均匀。含水率均匀度曲线的趋势相似,但含水率均匀度与CFD计算结果更接近。水分均匀性指数曲线显示堆积厚度为80 mm的试验水分均匀性远高于其他试验,当物料厚度为80 mm时,进口热风温度70℃,热风流速1.5 m/s,进口热风含水率0.24的试验条件更有利于水分均匀地分布。翼型导流板使得槟榔含水率从0.285降到0.215,水分均匀性指数提高至0.926,干燥效率提升。     

倾斜料盘式气体射流冲击干燥机优化设计及试验验证

针对现有倾斜料盘式气体射流冲击干燥机流场均匀性差、干燥效率低、干燥产品品质不均一等问题,该研究基于现有气流分配室设计了一种特型均流板并对原有导流板尺寸结构进行优化,利用数值模拟软件Fluent对干燥机中气流场进行模拟,并利用响应面法对料盘倾角、喷嘴间距、料盘至喷嘴间距、喷嘴排列方式等结构参数进行优化。结果表明,喷嘴排列方式由矩形排列改变为交叉排列,喷嘴至料盘高度与喷嘴直径比为6.78、喷嘴间距与喷嘴直径比为1.25、料盘倾斜角度为24°时,气流分配室出口气流速度均匀性得到改善,其速度不均系数和速度偏差比降至1%以下。以新鲜胡萝卜片为例进行干燥机结构优化后性能验证试验。结果表明,优化后的干燥时间缩短28.6%,胡萝卜片干燥成品色泽更好,由于较好地保留了微观结构,收缩率由64.2%降低至50.56%,复水比由3.84提高至4.51。该研究解决了现有倾斜料盘式气体射流冲击干燥机干燥不均匀、产品品质低等问题,可为后续实现高效率、低能耗和高品质的干燥加工提供参考。     

水稻负压混流干燥室结构优化设计与试验

针对水稻竖箱式干燥过程中气流分布不均匀、干燥效率与干后品质同步性差等问题,基于不可逆热力学理论和负压原理,建立了水稻竖箱式干燥室的负压干燥特性解析模型。并结合混流干燥工艺,设计了一种变径开孔式角状管用于改善竖箱式干燥室角状管内风量分配关系,用于进一步提高水稻干燥均匀性。基于Fluent软件分别在空载和满载状态下,对干燥室内的流场进行数值模拟和试验验证。研究表明:采用变径开孔式角状管,可有效解决管内风速高、流动大等问题,干燥室风场不均匀性得到良好地改善,可为水稻均匀干燥提供设备保障。该研究采用自主研制的5HSN-1型负压循环干燥试验机,应用四因素五水平二次正交旋转试验方法进行了参数优化试验,建立了以热风温度、表现风速、排粮辊转速、初始含水率为试验因素,干燥速率和爆腰增值率为试验指标的回归模型,并通过优化分析,得出优化工作参数组合:表现风速为0.75 m/s,热风温度为40℃,排粮辊转速为3.2 r/min,初始含水率为16.9%时,干燥速率为1.407%/h,爆腰增值率为0.574%,试验验证值与优化值的相对误差为6.2%～7.4%,拟合良好,结果表明该模型有效,干燥效率高,干燥后综合品质优良,优化工艺参数具有实际应用价值。     

稻谷四向通风混流干燥段数值模拟与试验

针对稻谷竖箱式干燥段内粮层气流分布不均匀等问题,基于稻谷四向通风混流干燥工艺,设计了一种适用于四向通风混流干燥段的双侧进气变径角状管,用于提高粮层气流分布均匀性和保持稻谷品质。基于计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）和多孔介质传热传质基本理论,建立稻谷层内热湿耦合传递的数学模型,通过运用Fluent软件对干燥段内稻谷静态流场和温湿度分布情况进行数值模拟。研究表明：采用双侧进气变径角状管的干燥段,有效解决了粮层流场和温湿度沿进气角状管纵向分布不均问题。采用自主研制的四向通风混流干燥试验台,应用二次回归正交旋转组合试验方法进行了参数优化试验,优化参数组合：热风温度43 ℃,角状管进口风速为4.1 m/s,初始含水率值为18.2%时,干燥速率为1.116 %/h,爆腰率增值为1.7%,食味值为80.33,试验结果与优化结果相符合,稻谷干燥不均匀度为0.7%,干燥效果较优,采用双侧进气变径角状管的干燥段和优化干燥参数具有实际应用价值。     

5H-1.5A型花生换向通风干燥机研制

为了解自行研发的5H-1.5A型花生换向通风干燥机作业性能,该文介绍了研发设备总体结构、工作原理及烘干箱体、导风组件、换向通风机构、余热回收装置等关键部件,并开展了整机作业性能试验研究,对比了空载工况下有无导风组件时,介质空气穿过承料板后的风场分布特性,测得有导风组件时承料板上方10 cm处风速均在0.68～0.73 m/s范围内,水平方向介质空气通风均匀性显著提高。测试了双入风口并行通风干燥10 h和单入风口换向通风干燥38 h过程中床层物料温度变化及干燥终止含水率分布情况:0～10 h,底层物料温度快速升高,上层物料温度上升缓慢,物料层温差先快速增大后逐渐缩小;10 h后,上、中、下物料层温度呈类波浪式升落,波动幅度逐渐减小,物料层温度逐渐逼近设定干燥温度;干燥终止时,左、右2个干燥半区最大含水率差值分别为1.42%、1.74%,为左、右干燥区含水率总降幅的4.1%、5.1%,干燥均匀性良好。测试并评估了余热回收装置对整机加热贡献率、热效率、能耗成本等的影响:余热回收装置在换向通风阶段对干燥系统的加热贡献率约为61%,系统热效率提高至80%以上,批次干燥能耗成本降低48.7%。与传统固定床干燥设备相比,可节省能耗成本约64.7%,干燥不均匀度降低约82.6%。研究结果可为设备的改进熟化及推广应用提供技术支撑。     

单纵轴流谷物联合收获机清选装置内部流场分析与优化

单纵轴流谷物联合收获机清选装置内部流场对筛面风速分布和清选效果具有显著影响。该研究以雷沃重工RG-60型联合收获机为研究对象,通过田间试验测试了清选装置上筛面风速分布情况,结果表明上筛面右侧的风速大于左侧,风速分布均匀性差,造成振动筛左侧的脱出混合物堆积现象,不利于清选作业。为解决上述问题,对清选装置内部脱出混合物的受力和运动速度进行分析,利用HyperWorks软件对清选装置内部的风速分布进行仿真,结果表明风机前出风口和尾筛中部的风速最大值为8.6 m/s,筛面右侧风速偏大,左右两侧风速平均差值为2.6 m/s,试验和仿真结果的各测点风速变化规律一致。对清选装置的结构进行仿真优化,并进行优化后联合收获机田间试验,结果表明当清选装置右侧挡风板逆时针转动30°时上筛面风速分布最均匀,风速最大值为8.7 m/s;左右两侧流场对称分布,筛面各测点的风速比优化前平均提高2m/s;小麦籽粒损失率为0.89%,含杂率为0.37%;水稻籽粒损失率为1.85%,含杂率为0.51%,清选效果良好。研究结果为单纵轴流收获机清选装置结构设计提供了参考。     

隧道式挂面烘房干燥介质特征分析

为了解隧道式挂面烘房干燥介质（空气）流向、流速、温度、相对湿度的动态变化及分布特征,明确干燥介质参数之间的影响,该研究以5排60 m隧道式烘房为研究对象,利用Kestrel 4500型多功能便携式气候仪在线动态分析挂面干燥过程中干燥介质的流向、流速、温度、相对湿度。结果表明,挂面干燥过程中,风速、温度和相对湿度在烘房的4个干燥区段之间存在显著性差异。隧道式烘房的空气流动分布不均匀,风向主要偏向排潮口一侧,风速则表现为锯齿状波动式降低;温度呈现先上升后下降的趋势,在30～45 m干燥区内最高,均值为45.55℃;相对湿度逐渐降低。风速显著影响烘房内的温度和相对湿度。在15～30 m和30～45 m干燥区内,风速与温度极显著正相关（P＜0.01）;在0～15 m、15～30 m和30～45 m 3个干燥区内,风速与相对湿度极显著负相关（P＜0.01）。风速对烘房内的温度和相对湿度在各干燥区段的影响方向和大小有所不同。     

果园风送喷雾机导流板角度对气流场三维分布的影响

风送喷雾条件下,雾滴是在空气流携带下进入果树冠层的各个部位,所以喷雾机气流场的运动和分布对雾滴的分布和穿透非常重要。为了研究果园风送喷雾机导流板角度变化对外部气流速度场三维空间分布的影响,该文采用ICEM建立几何模型,并进行全结构网格划分,采用k-ε湍流模型和CFX求解器进行数值求解。通过变换上导流板角度(30°、45°、60°、90°)与下导流板角度(0°、10°、20°、30°),来模拟分析风机外部流场在各工况下的空间稳态流场、湍流状态,以及对气流场空间分布的影响。结果表明,下导流板角度由0°增加至30°过程中,由于地面摩擦阻力对气流的影响逐渐减小,同时地面摩擦阻力与两侧空气阻力形成的夹角越来越大,因此单一气流束逐渐分成3条气流束,这样的气流分布优于单一方向气流对果树枝叶的吹动效果,有利于气流携带雾滴进入果树冠层;上下导流板导向气流主要集中在导流板指向区域,因此,导流板的角度设置应根据树冠高度、树干高度来调整。通过设置合理的导流板角度,使得风场分布与果树冠形相吻合,达到仿形喷雾效果。对于行距4 m、树高3.0~3.2 m的果园喷雾,上、下导流板角度均为30°;对于棚架果园,上导流板角度为90°(或卸掉上导流板),下导流板为30°。该研究有利于指导田间喷雾作业、喷雾参数调整,可达到更好的喷雾效果、减少环境污染。     

披碱草种子的气流冲击式转筒干燥试验

为研究气流冲击式转筒干燥结构参数（喷管直径、喷嘴高度与喷管倾角）与工艺参数（风温、风速与转筒转速）变化对牧草种子干燥速率与发芽率的影响,该文将气流冲击式转筒干燥技术应用于披碱草种子干燥,并通过Design-Expert 7.0软件对试验进行优化设计,建立了试验条件范围内平均干燥速率的预测模型。试验结果表明：气流冲击式转筒干燥技术可较好的应用于披碱草种子的干燥,干燥后的披碱草种子达到了国家一级种子标准;在试验条件范围内,风温、风速、风温和分支喷管倾角交互作用、风速和转筒转速交互作用对平均干燥速率的影响显著,影响大小依次为：风温＞风速＞风速和转筒转速交互作用＞风温和分支喷管倾角交互作用;各因素及其交互作用对发芽率的影响不显著。该研究为气流冲击式转筒干燥技术应用于种子的干燥提供了技术依据。     

基于温度和速度均匀性的侧送风烘房设计及仿真

为提高农业机械零部件烘房温度均匀性,该研究设计并优化送风参数,分析其对速度场、温度场的影响。首先,通过理论分析和计算流体力学(Computational Fluid Dynamics)相结合的方法,对所设计的农机零部件烘房速度场、温度场进行数值模拟,得到烘房内速度、温度分布规律。进一步分析各送风参数对速度均匀性、温度均匀性的影响。结果表明:单侧送风回风方式优于双侧送风回风;送风口数量为8时,温度、速度均匀性较好;送风角度15°时,速度、温度均匀性较好。试验数值和模拟数值误差较小,温度误差小于1.68%,风速误差小于1.1 m/s,仿真结果可靠有效。所设计的农机零部件烘房工作稳定可靠,温度不均匀系数低于6%,满足设计要求。该研究可为农机零部件烘房结构设计及参数选取提供理论依据。     

利用CFD模型研究日光温室内的空气流动

在温室内空气流动对室内环境具有重要调节作用,因此有必要研究日光温室内空气流动特性。基于计算流体动力学CFD(computational fluid dynamics)方法,运用大型计算流体动力学软件Fluent对日光温室建立模型,采用标准湍流模型对日光温室内气流分布进行了三维稳态求解。模拟时将日光温室内外空气作为研究对象,并且温室内空间连同其周围的一部分室外空间一起作为CFD模拟的计算领域。对日光温室内气流变化及分布进行了数值模拟,并在温室内进行了气流试验测试,对测量值和计算所得的风速值进行了比较,结果表明,二者最大误差小于9%,说明风速的实测值和模拟值吻合良好,CFD模型有效,且得到了日光温室内部流场速度分布。通过气流流场模拟结果分析表明,直观显示了日光温内的流场特性和流动状态,气流从窗户进入沿着底部通风口流出日光温室,并且气流在底部通风口速度分布较均匀,在温室下部形成了较为明显的涡流。该文模拟结果可为东北地区日光温室的优化设计以及温室环境调节等方面提供理论依据。     

低屋面横向通风牛舍空气流场CFD模拟

低屋面横向通风(low profile cross ventilated,LPCV)牛舍作为中国大型奶牛场一种新的牛舍建筑形式近年来得到了广泛应用,但实际运行中存在舍内气流分布不均匀、夏季高温高湿、冬季低温高湿等环境控制技术瓶颈。为了研究LPCV牛舍空气流场的分布规律,以指导该种牛舍的改进和优化设计,该文在现场实测的基础上,采用计算流体动力学CFD(computational fluid dynamics)方法,根据现场和实验室实测值所确定的风机、湿帘等边界条件,对LPCV牛舍的气流分布进行了三维数值模拟。模拟时将牛只按与实物原型等比例引入到模型中。模拟结果表明:挡风板和颈枷下面矮墙的设置影响了舍内气流分布的均匀性。在既有牛舍挡风板设置和矮墙高度不能改变的情况下对牛舍进行了局部改造,改造后舍内气流分布得到明显改善,平均风速增加了52.8%,气流不均匀性指标降低了41.8%。模拟值与实测值的对比表明,28个测点测试值与模拟值平均相对误差的平均值为17.1%,说明现场实测与数值模拟有较好的吻合度。该研究可为中国LPCV牛舍结构优化设计和环境调控提供参考。     

考虑自然风的气辅式喷雾雾滴飘失特性建模与补偿

气流辅助喷雾在雾滴减飘方面确有效果,然而大田作业时,其减飘效果受到自然风、喷雾流量、风筒出口风速、喷雾角等多种工况的严重影响。该文采用多相流计算流体动力学软件,建立三维流场几何模型,依据不同工况参数对雾滴漂移特性的影响,利用均匀设计安排试验方案,研究雾滴在自然风、辅助气流综合作用下在连续相和雾滴粒子离散相的耦合规律,通过流体动力学仿真完成训练样本采集,采用多元相关向量机回归方法建立不同自然风速下减飘模型,并通过模糊决策支持系统对作物茂密程度和喷嘴与冠层间垂直距离进行控制参数修正。试验结果表明：多元相关向量机回归模型预测飘失率的平均绝对百分比误差为2.56%,自然风扰动中实测和预测飘失率平均误差为8.92%,其飘失规律与所建飘失模型基本吻合。研究结果可为面向雾滴沉积效果的喷雾主动控制系统设计提供参考。     

脉动气流喷雾干燥的数值模拟

利用CFD模型对脉动气流喷雾干燥过程进行了数值模拟，得到了干燥过程中干燥室气体流场和颗粒运动轨迹、气体局部湿度和温度变化及不同初始直径颗粒在干燥室内干燥情况的详细信息， 解决了由于难以动态测量上述参数而不能清楚了解该干燥过程的难题。模拟结果表明脉动气流喷雾干燥具有干燥时间短，蒸发速度大等特点。     

U型隧道式水产品烘房设计及关键技术

针对热风干燥水产品过程中常出现的表面干燥脱水过快、内部水分扩散通道易堵塞,造成产品水分不均匀度值较大,影响产品烘后品质问题,设计了专用U型隧道式水产品烘房,并对横流干燥、气流正反向切换、干燥介质温度及湿度在线控制、以及热能循环利用等关键技术进行了分析与研究。与单通道、双通道烘房相比较,U型隧道内热风温度的均匀度改善,热能利用率提高,烘干时间缩短,烘房单位容积的产量增加。草鱼干燥现场生产的实测结果表明：产品脱水一致,可节省热能约30%,并缩短了生产时间约30%。