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倉儲玉米孔道網(wǎng)絡(luò)模擬與實驗研究

發(fā)布時間:2020-09-28 12:16
   在儲藏過程中,環(huán)境溫度和濕度是影響儲藏品質(zhì)的重要因素。利用傳感器可實時反映糧倉局部糧堆糧情,但存在檢測設(shè)備成本高、無法有效預(yù)測糧情和滯后等問題;而數(shù)學(xué)模型模擬方法能便捷地獲取倉內(nèi)溫濕度等參數(shù)的變化規(guī)律,利于了解糧情變化趨勢和提前采取相應(yīng)的控溫控濕操作;谶B續(xù)介質(zhì)假設(shè)的模型,將倉內(nèi)糧食顆粒與孔隙空間假設(shè)為連續(xù)均勻介質(zhì),與糧堆結(jié)構(gòu)不符?椎谰W(wǎng)絡(luò)模型能解釋孔隙空間內(nèi)許多現(xiàn)象,但存在無法有效描述多孔介質(zhì)骨架信息的問題。本文創(chuàng)新性地從糧食顆粒堆積結(jié)構(gòu)出發(fā),通過EDEM軟件模擬一定容器中的玉米顆粒自然堆積過程,通過voro++軟件處理堆積體中的顆粒坐標(biāo)及半徑等數(shù)據(jù),并設(shè)計相應(yīng)算法編程獲取孔、喉、顆粒間的連接關(guān)系及各自尺寸等參數(shù),建立了倉儲糧堆孔道網(wǎng)絡(luò)物理模型,減少了模型與真實堆積體間的差異;提出了描述該物理模型的三大結(jié)構(gòu)參數(shù):模型規(guī)模數(shù)、幾何信息和拓?fù)湫畔。這三大結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠清楚描述多孔介質(zhì)的各項參數(shù),為后續(xù)的數(shù)值模擬計算奠定了理論基礎(chǔ)。以已有描述干燥過程的二維多尺度規(guī)則孔道網(wǎng)絡(luò)模型為基礎(chǔ),改進了容器尺度和顆粒尺度上的質(zhì)量、熱量和動量守恒方程,以及兩尺度間的熱質(zhì)交換方程,結(jié)合初始條件和邊界條件,得到了可描述糧堆機械通風(fēng)降水過程的三維多尺度不規(guī)則孔道網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型。本文利用C++程序語言開發(fā)了一款基于孔道網(wǎng)絡(luò)理論的倉儲糧堆三維模擬軟件,采用DHE數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)非規(guī)則凸多面體的構(gòu)造和拼接,為物理模型結(jié)構(gòu)參數(shù)獲取及存儲提供了新途徑,并通過MKL求解庫實現(xiàn)數(shù)學(xué)模型的高效求解,實現(xiàn)了孔隙氣相內(nèi)的分壓、蒸汽密度和溫度,玉米顆粒的平均含水率和溫度、玉米顆粒不同層的含水率等參數(shù)的分布以及變化規(guī)律的模擬預(yù)測。利用自行搭建的實驗臺進行了機械通風(fēng)降水實驗,測定了孔隙氣相溫度、孔隙氣相相對濕度以及相應(yīng)孔隙周圍顆粒的含水率,獲得了上述參數(shù)的分布以及變化規(guī)律。對構(gòu)建的規(guī)則糧堆進行機械通風(fēng)降水模擬,結(jié)果表明:模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致,該倉儲玉米多尺度孔道網(wǎng)絡(luò)模型能夠滿足定性分析要求。
【學(xué)位單位】:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】:博士
【學(xué)位年份】:2018
【中圖分類】:S379
【部分圖文】:

示意圖,孔道,網(wǎng)絡(luò)模型,示意圖


圖1-1孔道網(wǎng)絡(luò)模型示意圖逡逑孔道級傳輸模型,視物料為離散介質(zhì),通過孔(節(jié)點)和喉道來描述多孔介質(zhì)孔隙的拓?fù)浣Y(jié)逡逑構(gòu),能從物料結(jié)構(gòu)、分布等方面考慮其對干燥過程的影響[44](如圖1-1所示)。模型以傳輸過程逡逑中流體在孔道內(nèi)的流動、擴散、相變機理為基礎(chǔ),描述孔道內(nèi)多相流體的傳輸過程t21]?椎兰墏麇义陷斈P鸵钥椎谰W(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ),孔道網(wǎng)絡(luò)理論和侵入滲流理論一直在石油、水文、干燥、燃料電逡逑池以及土壤科學(xué)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用,主要用于描述土壤、砂巖和谷物等多孔介質(zhì)內(nèi)部的多相流動、逡逑傳質(zhì)等問題。在干燥領(lǐng)域中,運用孔道網(wǎng)絡(luò)理論描述多孔介質(zhì)中的傳輸現(xiàn)象,多孔介質(zhì)中的流體逡逑僅在孔道空間中進行傳輸,僅在骨架表面與孔道發(fā)生質(zhì)量傳遞和動量傳遞;熱量傳遞則在骨架和逡逑孔道空間中同時發(fā)生。雖然糧食干燥不同于糧食儲藏,但是二者的傳輸過程都涉及到濕熱傳遞,逡逑因而糧食儲藏中也可以運用孔道網(wǎng)絡(luò)理論分析儲藏過程中的問題,并建立對應(yīng)的孔道網(wǎng)絡(luò)模型。逡逑孔道級傳輸模型具體實現(xiàn)方法是:根據(jù)研宄的多孔介質(zhì)具體特點

狀態(tài)圖,顆粒堆積,狀態(tài)


在重力的作用下,糧食顆粒從糧倉入口處落入糧倉底部并不斷堆積,M軟件中模擬顆粒堆積的過程類似,因而本文通過EDEM軟件模擬糧倉內(nèi)部糧取穩(wěn)定狀態(tài)下顆粒在倉內(nèi)的空間坐標(biāo)和尺寸信息。文中軟件版本為EDEM2.3,默認(rèn)的Hertz-Mindlin無滑動接觸模型,為了簡化后續(xù)孔隙信息提取,假設(shè)玉米粒,設(shè)置玉米顆粒以及倉壁的物性參數(shù)[1()1],具體如下表:逡逑表2-1玉米種子物性參數(shù)泊松比剪切模量絕干密度逡逑邐0.4邐1.37e+08邐1.197邐0.182邐0.431邐0.0782逡逑邐0.25邐2.7e+10邐2.7邐0.621邐0.342邐0.0515逡逑擬容器尺寸,顆粒尺寸之后(具體設(shè)置后文有介紹),將模擬瑞利時間步長百輸出時間步長為0.01邋s,網(wǎng)格大小2邋mm,模擬時間總長為20邋s。當(dāng)顆粒堆積達,模擬完畢。在模擬過程中,設(shè)置的模擬容器尺寸增加、堆積顆粒數(shù)量增加,所需要的時間也隨之增加。同時考慮到后續(xù)計算耗時,本文在后續(xù)模擬堆積、均采用固定數(shù)量的顆粒進行研宄分析。逡逑

凸多面體


邐第二章倉儲糧堆多尺度孔道件(MATLAB中的QHULL軟件)可以處理類似問維相關(guān)問題,其優(yōu)勢明顯。它是通過C++語言實現(xiàn)模,因而具備較好的靈活性;它能夠直接針對每個細(xì)數(shù)據(jù)的截斷誤差,同時能夠處理復(fù)雜的邊界條件:準(zhǔn)似計算曲面表面(圖2-2的右圖)。同時,v0r0++軟體顆粒對應(yīng)一個凸多面體,而凸多面體的頂點和棱邊為本文物理模型的構(gòu)建提供了思路。逡逑員獲取數(shù)據(jù)以進行后續(xù)研宄工作,取圖2-2右圖的圓柱應(yīng)的凸多面體進行分析,對應(yīng)+/examples/cylinder/,如圖2-3所示。為便于觀察,將中,設(shè)置尺寸容器并處理EDEM軟件得到的顆粒信邋%a邋%n邋%F邋%v%f邋%t”將得到的凸多面體的信息保存,部分信息加粗顯示):逡逑

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前7條

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本文編號:2828780

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