CFD-DEM方法对填充床颗粒干燥过程的洞察：揭示颗粒内部的热量和水分传递动态

《Powder Technology》：CFD-DEM insights into packed bed grain drying: Capturing intra-particle heat and moisture dynamics

粮食颗粒在 packed bed 中的干燥过程采用 CFD-DEM 方法模拟，揭示内部热质传递机制及外部对流的主导作用，轴向干燥均匀性优异。

　　

苏子睿|李坤|车汉桥

广西大学机械工程学院，中国广西南宁530004

摘要

填充床被认为是一种低成本且温和的谷物颗粒干燥方法。干燥过程中的瞬态热量和质量传递行为，尤其是颗粒内部的传递过程，无法通过传统的一维模型或计算流体动力学（CFD）方法来准确描述，因此仍然了解不足。本研究采用计算流体动力学-离散元方法（CFD-DEM）来探讨填充床中农业颗粒干燥过程中的热量和质量传递现象。研究了各种干燥因素对颗粒干燥速率的影响。在离散元求解器中引入了两个一维扩散方程，以考虑颗粒内部的热量和质量传递。为了降低计算成本，选择了填充床的一部分作为模拟域，并应用了周期性边界条件。结果表明，填充床中的轴向干燥均匀性非常好，干燥600秒后，顶部和底部颗粒的平均含水量差异小于0.5%；颗粒内部的质量传递明显不如热量传递显著。研究发现，外部对流热传递主导了整个热量传递过程，占颗粒所经历总热量的99%以上，而颗粒内部的水分扩散则控制着质量传递。本研究为分析和优化填充床干燥过程的参数提供了有效的工具和宝贵的见解。

引言

随着全球粮食产量的增加，高静态存储容量的短缺问题日益严重[1]。为了解决这一问题，不能忽视粮食中的霉菌毒素污染问题，因为产生霉菌毒素的微生物的生长在很大程度上依赖于粮食的含水量[2]。干燥是一种有效的去除作物水分的方法[3]，通过降低水分含量来抑制酶促和氧化降解，从而便于运输、处理和储存[4]。

常见的农产品干燥方法包括太阳能干燥、微波干燥、冷冻干燥、真空干燥和热风干燥[5]。另一种方法是填充床干燥，这是一种热风干燥的形式，与喷流床不同，喷流床中强烈的颗粒循环运动显著增强了相间热传递和质量传递[6]，而填充床的特点是颗粒静止排列且孔隙率恒定。在填充床中，气体流动仅通过颗粒间的间隙，导致气固接触时间延长；热量和质量传递主要由气固对流和颗粒内部扩散主导，并沿床层形成连续的轴向梯度[7]、[8]。相比之下，喷流床主要用于高含水量颗粒的快速干燥，其核心要求是提高热传递和质量传递效率[8]。填充床具有结构简单、成本低、对材料损伤小以及适用于热敏材料等优点[9]、[10]、[11]。作为一种高效的反应器，填充床已广泛应用于能源和化学工程[12]、食品干燥[13]、太阳能储存[14]和生物反应器[15]等领域。它是一种经济高效且温和的干燥方案，因此在处理对高温和机械损伤敏感的农业颗粒时具有不可替代的优势[10]、[11]。

了解填充床干燥过程中气体-固体质量和热量传递的原理对于实现均匀干燥、提高产品质量和降低能耗至关重要。虽然已有实验研究农产品干燥过程[16]、[17]、[18]，但这些实验通常成本较高，无法全面描述整个干燥过程。目前，计算流体动力学（CFD）等模拟工具为这类研究提供了经济高效的选择。早期的理论工作侧重于开发固定填充床中瞬态热传递的解析或半解析描述[19]。后续研究则侧重于简化数值模型来模拟填充床的热过程。Mahmoudi等人[20]使用了一维径向温度模型来模拟填充床干燥过程，模拟结果与实验测量结果吻合良好。在更细的尺度上，Dong等人[21]通过经验相关性考虑了颗粒内部的热量传递，并采用了欧拉框架来描述颗粒尺度上的热传导。最近，基于CFD的先进方法被开发出来，以捕捉颗粒尺度上的耦合现象，如颗粒收缩和颗粒内部热传导[22]。尽管这些模型在计算效率和工程应用性方面具有优势，但它们无法提供详细的颗粒尺度信息，从而限制了它们解释微观机制和准确预测复杂过程的能力。

计算流体动力学与离散元方法（CFD-DEM）是一种能够实现颗粒尺度分辨率的数值方法[23]、[24]、[25]。该技术已成功应用于模拟颗粒干燥过程[26]、[27]。与传统干燥模型相比，CFD-DEM具有多个优势：它可以直接解析颗粒尺度现象，如颗粒运动、碰撞以及颗粒间的热量和质量传递，提供传统模型无法获得的微观见解。此外，CFD-DEM方法能够充分考虑颗粒特性（尺寸分布、形状和机械性能）对干燥过程的影响。

谷物颗粒通常是热厚颗粒，这意味着颗粒内部的质量和热量传递不可忽视。因此，将CFD-DEM应用于填充床建模面临两个挑战：高昂的计算成本[28]以及构建颗粒内部热量和质量传递模型的难度。粗化方法和周期性边界条件的应用是降低填充床模型计算成本的两种方法。然而，粗化方法无法充分解析单个真实颗粒的运动、温度或湿度梯度，而周期性边界条件则保持了完整的颗粒尺度物理特性，准确性更高[29]、[30]、[31]。另一方面，尽管在CFD-DEM模拟中通常假设颗粒是均匀的[32]、[33]、[34]，但这仅适用于Biot数较低的热薄颗粒系统，这种情况通常是由高热导率、小颗粒尺寸和低对流热传递系数共同导致的[35]。为了克服这一限制，有必要建立颗粒内部的热量和质量传递模型。

大多数现有的基于CFD-DEM的干燥研究集中在流化床、喷流床和其他颗粒运动强烈的系统上[36]、[37]、[38]，而关于填充床中谷物干燥的颗粒尺度研究极为罕见。本研究旨在通过在CFD-DEM框架中引入一维径向扩散方程，来增强对填充床中农业颗粒干燥过程中颗粒内部热量和质量扩散的理解。在x-y方向上应用周期性边界条件以降低计算成本并消除边缘效应，这有望为填充床提供一个高效的模拟框架。本研究阐明了填充床中农业颗粒干燥的潜在机制，并为工业应用中的颗粒干燥过程优化提供了分析工具和理论基础。

CFD-DEM的控制方程

用于干燥的空气被视为不可压缩流体[39]，使用体积平均纳维-斯托克斯方程[40]进行计算。流体相的连续性方程和动量方程为