交替混合流动干燥机中稻谷流动的DEM研究：水分含量和出料滚筒速度的影响

《Journal of Stored Products Research》：DEM study of rice grain flow in an alternating mixed-flow dryer: Effects of moisture content and discharge roller speed

　　

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  稻谷表现出质量流动行为和空间S形轨迹。
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  稻谷中很少观察到垂直方向的运动。
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  在干燥过程中，稻谷的孔隙度分布存在空间异质性。
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  水分含量和排料滚筒速度对稻谷流动行为的影响被量化。

引言

水稻生产是全球粮食安全和经济稳定的基石（Zhao等人，2022年）。新鲜收获的水稻通常具有较高的初始水分含量，如果不及时干燥，很容易导致发霉、变质和品质下降（Wang等人，2023a；Dolatabadi等人，2026年）。因此，需要对水稻进行干燥，以将其水分含量降低到安全存储的水平。作为收获后的关键操作，干燥对于减少储存和加工过程中的品质和数量损失至关重要（Wang等人，2023b；Ziegler等人，2021年）。

在各种机械干燥系统中，混合流干燥器被广泛用于大规模粮食干燥（Weigler等人，2017年；Che等人，2024年）。这主要归功于它们较高的除湿效率和紧凑的结构。然而，干燥器的性能受到系统内部复杂的颗粒流动行为的强烈影响。在典型的垂直柱式干燥器中，颗粒流动受设备内部几何形状的控制（Scaar等人，2016年；Chen等人，2022年）。不均匀的颗粒流动会导致不均匀的停留时间分布，从而可能引起干燥不均和稻谷品质下降（Khatchatourian等人，2014年）。为了阐明这些颗粒流动动态，采用了非侵入式诊断技术来捕捉颗粒流动行为。数字颗粒图像测速（DPIV）可以提供关于近壁颗粒运动的信息（Maiti等人，2016年）。然而，这种方法有局限性，因为它无法捕捉颗粒床内部的颗粒运动。相比之下，动态X射线成像为探测密集颗粒系统中的内部流动结构和空隙分布提供了一种可行的方法（Guillard等人，2017年）。然而，其应用受到诸如测试模型大小等因素的限制。

近年来，由于计算模拟技术的进步，离散元方法（DEM）被广泛用于研究颗粒材料的运动（Zeng等人，2021年）。DEM可以模拟颗粒流动过程，并提供实验难以获得的详细信息。它已被广泛应用于预测流动模式（Xiao等人，2023年）、分析颗粒对储仓压力的影响（Wang等人，2016年）、研究颗粒材料的输送和混合行为（Herman等人，2022a，2022b；Mahto等人，2024年）以及表征排料过程中的孔隙度分布（Li等人，2025年）。对于通风管道排列方向相同的干燥器，颗粒流动可以被视为二维（2D）过程（Cao等人，2007年）。在这方面，Iroba等人（2011年）使用PFC-2D软件模拟了混合流干燥器中的小麦运动。结果表明，颗粒停留时间是不均匀的，这与通风管道的布置有关。由于壁面摩擦，靠近壁面的颗粒比中心区域的颗粒移动得更慢（Mellmann等人，2011年）。Keppler等人（2012年）使用EDEM软件分析了干燥器中的颗粒运动，并得出了类似的结论。Weigler等人（2013年）优化了混合流干燥器的结构，改变了颗粒流动轨迹并提高了颗粒排料的均匀性。同时，Mellmann等人（Mellmann和Teodorov，2011年）推导了混合流干燥器中颗粒材料传输的控制方程。Khatchatourian等人（2014年）开发了一个简化的物理模型来模拟混合流干燥器中的大豆流动。在2D模拟中观察到垂直截面上孔隙度分布不均匀，这可能会影响干燥器内部的空气流动分布。此外，颗粒大小的变化对停留时间没有显著影响（Lorenzoni等人，2020年）。总的来说，这些研究中的数值模拟和实验结果证明了DEM准确预测颗粒流动行为的能力。此外，这些发现为优化干燥设备的设计和操作参数提供了重要的指导。

在影响混合流干燥器中颗粒流动的因素中，水分含量是一个重要因素，它影响稻谷颗粒的物理和接触特性。先前的研究表明，水分含量的变化会导致颗粒大小、密度、摩擦特性、安息角和堆积行为的相应变化（Wang等人，2022年）。在干燥器尺度上，混合流干燥器中颗粒的停留时间与稻谷的水分含量密切相关（Lorenzoni等人，2020年），表明水分引起的颗粒物理和接触特性的变化可能会进一步影响干燥器内的颗粒流动和停留时间特性。除了颗粒的内在特性外，排料滚筒速度是另一个影响混合流干燥器中颗粒流动的重要操作因素。通过调节颗粒床的整体向下运动，排料装置进一步影响颗粒速度和停留时间特性（Weigler等人，2013年；Che等人，2021年）。

为了确保稻谷的干燥质量并在干燥过程中减少颗粒损失，先前的研究设计并开发了一种交替式混合流干燥器（Che等人，2024年；Chen等人，2022年）。与传统干燥器相比，这种干燥器的主要区别在于通风管道的布置。以往关于混合流干燥器的DEM研究主要集中在传统通风管道布置下的颗粒速度、停留时间和流动轨迹上。然而，交替式混合流干燥器中稻谷的流动特性仍然了解不足。特别是，对不同水分含量和颗粒排料滚筒速度下稻谷动态行为的系统研究仍然缺乏。因此，作为对先前研究的重要扩展，本研究采用DEM系统研究了交替式混合流干燥器中稻谷的动态特性。进行了定性和定量分析，以揭示水分含量和排料滚筒速度对颗粒速度分布、颗粒取向和孔隙度分布的影响。特别关注了不均匀孔隙度分布的形成机制及其与颗粒流动行为、壁效应和堆积结构演变的关系。预计这些结果将进一步阐明干燥器内颗粒流动的动态行为，并为改进混合流干燥器的整体性能提供理论基础。

章节片段

数值方法

本研究关注交替式混合流干燥器中稻谷颗粒的机械流动和堆积行为，因此采用了仅解决固相颗粒动态的DEM模型。先前的研究表明，在水稻干燥条件下，表面空气速度远低于最低流化速度，且相对较低的风流速度对流动颗粒床的动态孔隙度没有显著影响（Li等人，2025年；Che等人

颗粒流动轨迹分析

为了阐明交替式混合流干燥器内部结构对稻谷颗粒流动轨迹的影响，在高度为Z = 1290 mm的横截面上随机选取了五个稻谷颗粒进行轨迹跟踪。稻谷的水分含量为18.25%，排料滚筒的转速为30 r/min。稻谷颗粒的运动特性如图7所示。在垂直方向上，稻谷的运动模式为

结论

本研究使用DEM对简化后的交替式混合流干燥器中的稻谷流动进行了数值模拟。主要研究了不同水分含量和排料滚筒速度下的稻谷颗粒的流动行为。详细分析了颗粒轨迹、速度场、空间取向特性和孔隙度分布特性。本研究的主要结论如下：

• (1)
  干燥单元中的稻谷流动表现出周期性

CRediT作者贡献声明

Zhengfa Chen：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，软件，方法论，调查，概念化。Gang Che：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，资源，方法论，资金获取。Lin Wan：资源，方法论，资金获取。Yi Zhang：软件，正式分析，数据管理。Zhengpeng Dong：调查，正式分析。Panpan Wu：软件，正式分析。Hongcao Wang：资源，方法论，资金获取。

资金支持

本项目得到了黑龙江省双一流学科合作创新成就项目（LJGXCG2025-F22）、国家重点研发计划（2021YFD2100901）、黑龙江省应用技术研发计划重大项目（GA15B402）以及黑龙江省青年自然科学基金（QC2025C033）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

Zhengfa Chen|Gang Che|Lin Wan|Yi Zhang|Zhengpeng Dong|Panpan Wu|Hongcao Wang