在垂直压缩条件下，利用CFD（计算流体动力学）和DEM（离散元方法）对玉米粮堆中的热风干燥过程进行模拟

《Journal of Stored Products Research》：CFD–DEM simulation of hot-air drying in maize grain piles under vertical compression

　　

摘要

在深层的玉米颗粒堆中，垂直压力会压缩颗粒，改变孔隙连通性，从而影响热风干燥过程中的空气流动以及热量和水分的传输。本研究通过干燥实验和耦合的CFD–DEM框架来探讨这些效应。在0、50、150和250千帕的垂直应力作用下，使用DEM重建了玉米颗粒堆的结构，而CFD则模拟了颗粒间的空气流动以及颗粒内部的瞬态热量和水分传输。随着应力的增加，孔隙率降低，颗粒形状变得更加扭曲，空气流动阻力增大。CFD–DEM模型考虑了颗粒的非球形特性以及颗粒间的壁面约束效应，并预测的压力降与实验结果的平均偏差低于15%。在入口速度为0.5米/秒的情况下，随着应力从0千帕增加到250千帕，颗粒间的最大空气流动速度从4.35米/秒下降到3.56米/秒，同时低速区域扩大，对流传输能力减弱。达到328.15开尔文的干燥时间从0千帕下的20.6分钟分别增加到50千帕下的22.4分钟、150千帕下的24.8分钟和250千帕下的29.3分钟。同样，干燥至14%水分含量所需时间分别为323分钟、356分钟、406分钟和475分钟。这些结果表明，垂直压缩会增加空气流动阻力，并逐渐延缓玉米颗粒堆中的热量和水分传输。

引言

在收获后储存和加工过程中，控制玉米的含水量对于保持其质量至关重要。强制热风干燥被广泛用于将玉米籽粒的含水量降至安全存储水平，从而抑制生物活动并减少腐败和霉菌生长的风险（Jimoh等人，2023年；Zhu等人，2023年）。在对流干燥过程中，热空气流经颗粒间的空隙，将热量传递给籽粒表面并带走水蒸气。同时，水分从籽粒内部向表面迁移（Chen等人，2024年）。

干燥性能受空气流动、热量和水分传输的联合控制，这些因素影响着干燥速率、能耗和产品质量的均匀性（Ostanek和Ileleji，2020年）。这些过程发生在多个尺度上。在单个籽粒内部，瞬态热传导和水分扩散控制着内部的传输；而在颗粒层层面，通过孔隙网络的对流控制着热量的供应和水分的去除。因此，整体的干燥行为在很大程度上取决于颗粒堆积形成的孔隙几何结构（Wei等人，2019年）。颗粒解析方法能够明确表示单个颗粒及其连接的空隙空间，使局部空气流动路径及相关的温度和水分分布与颗粒堆积的异质性直接相关联（Ge等人，2024a，2024b）。

离散元方法（DEM）通过解析颗粒间的接触、重新排列和不规则的颗粒几何形状有效重建了颗粒堆积体（Liu等人，2023a）。Yue和Zhang（2017年）重建了大豆颗粒堆，并开发了一种用于估算空气流动阻力的孔隙尺度方法。Li等人（2023a）利用基于DEM的颗粒堆积模型研究了干燥过程中的热量和水分传输，而Liu等人（2023b）指出颗粒形状和堆积结构会影响固定床层中的局部空气流动和热量传输。这些研究强调了在颗粒堆积体中解析孔隙尺度结构的重要性。

在实际的储存和深床干燥系统中，颗粒会受到持续的堆压应力作用，导致颗粒的压实和自压缩。垂直应力的增加会降低孔隙连通性，增加空气流动路径的扭曲程度，从而提高空气流动阻力（da Rocha等人，2020年；Ramaj等人，2022年）。尽管之前的研究已经考察了颗粒堆积结构、空气流动阻力以及热量和水分传输，但垂直压缩对孔隙结构、空气流动和干燥性能联合演化的影响尚未得到充分量化。

因此，本研究探讨了在0、50、150和250千帕垂直应力作用下玉米颗粒堆的热风干燥过程。使用DEM重建了压缩后的颗粒堆，然后通过耦合的CFD–DEM框架模拟了颗粒间的空气流动以及颗粒内部的瞬态热量和水分传输。在不同压缩水平下分析了压力降、空气流动分布、温度变化和水分去除情况，并将预测结果与实验数据进行了验证。本研究旨在量化压缩引起的孔隙结构变化如何影响空气流动阻力以及随后的热量和水分传输。

章节摘录

材料

玉米品种Zhengdan 958的籽粒是从中国河南省的一个平仓仓库中获得的，选择了没有可见裂纹、大小相似的完整籽粒。通过在103±2°C下烘烤72小时，三次重复测量得到初始含水量为12.41±0.03%（干基百分比，根据ASAE S352.2 APR1988标准，2017年）。在干燥实验中，根据初始样品质量计算出蒸馏水的量，并加入初始含水量与目标干基含水量之间的差值以调节空气湿度。

玉米颗粒堆结构的离散元模拟（DEM）

颗粒形状会影响高水分玉米颗粒堆积体在DEM模拟中的堆积形态和颗粒运动（Baidhe和Clementson，2026年）。因此，本模型明确考虑了籽粒的非球形特性。玉米籽粒被表示为由六个重叠的球体构成的刚性非球形团块。通过调整球体的中心和半径，再现了玉米的平均长度、宽度、厚度、体积以及整体外部轮廓。

孔隙率分布

由于壁面约束限制了颗粒的重新排列，重建的玉米颗粒堆积体显示出径向和轴向的孔隙异质性。为了进行径向分析，将堆积部分划分为50个同心环形层，通过将颗粒解析得到的几何结构计算每个层的平均孔隙率（即孔隙体积除以总层体积）。所得到的孔隙率分布结果与de Klerk提出的受壁面影响的堆积体孔隙率分布模型进行了比较（de Klerk，2003年）。

结论

开发了一个耦合的DEM–CFD框架，用于量化垂直压缩对玉米颗粒堆积体中空气流动以及热量和水分传输的影响。该模型再现了实验测量得到的压力、温度和水分变化情况，并得出以下结论：

(1)

径向孔隙率从靠近墙面的部分向堆芯部分呈现出阻尼振荡。压力从0千帕时的0.46降低到50千帕时的0.43、150千帕时的0.39和250千帕时的0.36，这一变化是一致的。

CRediT作者贡献声明

Wenlei Liu:概念构思、公式分析、资金获取、监督、初稿撰写。Rufang Guo:公式分析、实验研究、验证、修订与编辑。Xulong Zhang:数据整理、实验研究、软件开发。Panqi Wang:公式分析、方法论研究、验证。Ranran Wang:数据整理、实验研究、软件开发。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究结果的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了河南省科技研发计划联合基金（资助编号：252102110341）和河南省高等学校重点科研项目计划（资助编号：26B210002）的资助。

Wenlei Liu|Rufang Guo|Xulong Zhang|Panqi Wang|Ranran Wang

中国河南省安阳市安阳师范大学土木工程与建筑学院，455000