李子翰 周泽华 刘鑫宇
摘 要：提出一种太阳能烟囱的粮食干燥装置的设计方案，针对该方案的通风性进行研究，建立数学模型，通过利用流体分析软件fluent对集3个不同高度的集热模型进行空气温度和流速进行仿真，并分析系统内的空气的流动和传热情况，找出最优结构。通过分析速度和温度分布图得出：烟囱高度为340mm的太阳能烟囱模型为最优干燥结构。
关键词：太阳能烟囱；粮食干燥；数值仿真
中图分类号：TU746.5 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）10-0085-01
我国粮食干燥设备主要采用大型机械设干燥，其消耗能源极高，而小型农户采用的晒场式干燥法作业周期长，人工物资费用较高，因此，提出了一种小型太阳能粮食烟囱干燥装置，该装置采用烟囱式设计利用太阳能辐射为空气流动提供浮生力，将热能转化为动能，强化了自然通风，从而达到干燥粮食的目的。
1 物理模型
1.1 工作原理
如图1所示该装置由集热模块、储粮模块和烟囱模块构成。集热模块基于集热器设计，当太阳光入射时，面板吸收太阳光线中的热量，同时热量通过空气介质从导管流出。烟囱模块提供了一个上下高度差，集热模块集热将热能传递给底部空气，上下空气温度存在差值，热对流效应增强，使粮食得到热量，粮食内部水蒸气不断蒸发。
1.2 样机参数设计
经过简化后，如图2所示整个模型底部直径为290mm。通过集热器集热加热模型内空气，装置底部温度高于顶部温度，从而产生热压，通过压力差产生的浮升力带动空气向上流动，干燥粮食作物。干燥舱内直径为390mm，高为340mm，烟囱为普通烟囱，高度 h选取了三种不同高度，图中高度为416mm，通道直径为90mm，空气出口也为90mm，入口直径为40mm。
2 数学模型
2.1 控制方程
通过数学模型的建立分别列出连续性方程、动量方程、和能量方程，由于热压和风压联合作用下自然通风系统的气流流动属于湍流，所以对于模型内气流流动应用方程对其进行求解。
方程为：
2.2 边界条件
在进行分析是采用非均匀网格划分，太阳能集热器和空气进口进行加密，并运用标准的数学模型。
（1）为了使仿真结果更明显，设定环境里环境温度为285k，而进风口温度为330k。（2）进口为速度进口，根据文献中的计算公式可以算出出口速度为0.675m/s。为了使模拟结果更明显，设进口速度为0.8m/s。（3）在整个过程中，自然通风是由热压和风压共同作用下產生，所以在湍流强度中选用6%，水利直径为0.14m（4倍的进口面积与湿周的比）。（4）出口设为压力出口。（5）其他墙体为默认设置。
3 数值计算结果与分析
利用Fluent软件对太阳能烟囱内的温度和速度分别进行模拟，效果图如图3～图4所示。
图4为烟囱高度为960mm太阳能烟囱整体的温度和速度分布图，图4（a）为温度分布图，图4（b）为速度分布图。取干燥模块为主要分析部分。并截取以上2种不同高度的部分模拟图。
由于数值模拟时，集热板设为定温条件。对比两组图片所示的温度分布图，温度分布差异不大。
在速度分布图中，空气从入口进入，气体速度降低，在沿烟囱中速度升高，对比两组图，h=340mm气体速度分布更好，稳定性更高经济性更好。
4 结果与讨论
得出结论如下：
（1）当烟囱高度变化时，干燥舱内部温度变化不明显，但温度变化较少；（2）模型内空气流动稳定性主要烟囱高度有关。
参考文献
[1]Tu J Y， Yeoh G H， Liu C Q.刘晓冬，译.计算流体力学——从实践中学习[M].沈阳：东北大学出版社，2009.
[2]朱丽，王一平，胡彤宇，等.不同蓄热方式下太阳能烟囟的温升性能[J].太阳能学报，2008，29（3）：290-294.
