■贺占清 郭志平李凤伟

（内蒙古工业大学机械学院，内蒙古呼和浩特010000）

草原地区因人口增长和生态保护等因素，草原畜牧业逐渐成为草原地区经济发展的重心。草原的冬季气候寒冷，平均气温远远低于牧草生长适宜温度。为了保证牲畜冬季必要的食草量以及草产品的远距离调配，牧草通常在每年的八月份左右开始收割打捆、集中干燥并储藏或远距离调配。牧草成捆时的打捆湿度和打捆尺寸都将直接影响成捆后期干草调制质量。干草调制的方法主要有自然干燥和人工干燥。自然干燥简便易行，成本低但易受气候、环境的影响，养分损失大。而人工干燥的干草质量优，营养损失少，不受气候影响，但投资大、成本高。因此，找到一种干燥质量高、成本低、易操作的干草调制方法一直是饲草产业化生产的重要研究课题。

为此部分学者对牧草干燥所涉及的一些问题进行了研究。张晓娜等（2010）采用不同处理方法，研究了苜蓿干草调制过程中水分散失规律。得出自然晒制苜蓿干草时，苜蓿植株内水分损失呈现先快后慢的规律。杨世昆等(2011)提出了牧草湿法收获工艺的技术原理和工艺路线，并设计了可直接进行整捆饲草干燥的太阳能草捆干燥设备，进而又进行了设备的性能试验和牧草干法收获与湿法收获对比试验。许留兴等(2015)对喀斯特典型地区八种主要牧草的干燥过程和水分散失规律进行了研究。并结合多年降水和气温变化规律分析了该地区调制干草的可行性。刘庭玉等（2016）设计了正交试验，筛选高水分苜蓿草捆最适的人工辅助干燥的条件。同年，高东明和王德成以苜蓿晾晒过程中主茎杆为对象，对不同部位段苜蓿主茎杆进行不同压扁系数条件下的含水率变化对比试验。研究了不同压扁程度对紫花苜蓿茎秆不同部位的水分散失规律影响。罗斗拉太(2017)通过实验就人工快速失水、平摊晒干失水和风干失水三个干燥方式对牧草品质的影响进行了研究。同年，钱珊珠和杨哲在已有的太阳能干燥试验台上进行了单层和多层的草捆干燥试验。通过试验获得草捆的干燥特性曲线，分析了各因素对干燥特性的影响规律。

对牧草草捆的干燥研究，大部分学者采用试验的方式进行。因牧草收获季节性和区域性的影响，试验规模受到限制。在进行对比研究时受环境不稳定因素的影响很难得到单个因素对草捆干燥状态的影响。运用现代科学技术，通过软件实现对牧草草捆自然干燥的仿真，可较为准确的得到单个因素对草捆干燥的影响。进行牧草自然干燥水分散失过程的研究有助于对牧草自然干燥过程的指导和修正；有助于对牧草打捆湿度、打捆尺寸和牧草干燥时间的掌握，提高牧草干燥质量和经济效益。文章基于多孔介质理论，借助FLUENT流体分析软件对牧草自然干燥过程进行仿真，并对不同尺寸及不同初始含水量草捆的干燥速率进行了对比研究。

1 牧草草捆自然干燥过程分析

1.1 牧草草捆内部水分转移分析

对于一个特定的系统，物质的总能量有束缚能和自由能。研究植物中水分的转移，学者们普遍采用水势来研究。

式中：μw——溶液的化学势(J/mol)；

水溶液的浓度越高，其水势就相应越大。水溶液中的水会由于水势差的缘故由水势高的水溶液转移至水势低的水溶液中，直到两个溶液中水势相同。收割打捆后的牧草草捆内部水分的转移也遵循这一规律。假定纯水的水势为零点，则植物叶片水势一般为0.3～1.5 MPa。牧草中水势分为三部分组成：渗透势、压力势和衬质势。

式中：ψw——水势(MPa)；

ψπ——渗透势(MPa)；

ψp——压力势(MPa)；

ψm——衬质势(MPa)。

牧草干燥过程中同时存在着水分的蒸发和吸收，收割后的牧草由于水分的蒸发，表面会形成一层一定浓度的水汽层。对于刚刚收割的新鲜的牧草，水汽层的水汽分压大于周围环境的水汽分压就会使水汽分子从牧草表面转移到周围环境中，从宏观上就表现为水汽的蒸发。对于收割时间比较长的牧草，牧草中含水量低，表面水汽分压小于周围环境水汽分压，水分就会从周围环境中转移到牧草内，宏观上表现为牧草的吸湿过程。当牧草的水汽分压与周围环境的水汽分压相同时，水汽的蒸发与吸湿的速率基本保持动态平衡，牧草的含水量相应保持不变，此时的牧草含水量称为平衡含水量。

水分在牧草中的转移目前有扩散理论和毛细管理论两种观点，扩散理论认为牧草草捆中的水分是通过扩散的方式转移的。水分转移速度的大小取决于牧草草捆的温度梯度和水分在牧草草捆中的扩散系数Ew。

式中：Ew——牧草的湿扩散系数；

K——水分传导系数；

γ——牧草的溶度；

毛细管理论认为牧草草捆的内部有着很多形状和直径各异的毛细管，由于毛细管效应，外部的水分蒸发后，内部水分会由于毛细管效应向外转移，直到整个牧草草捆内的水分蒸发到毛细管内外对水分子的作用力相同时停止水分转移，形成平衡。

1.2 多孔介质理论分析

对于多孔介质，目前还没有严格的界定。广义上说，多孔介质就是带有很多细小孔洞的固体。在多孔介质的内部至少会有一项不是固体，在多孔介质的空隙中充满了流体。我们生活中的多孔介质有很多，比如土壤、砂石、建筑材料、陶瓷等。本文所涉及到的牧草草捆也属于多孔介质，具有如下两个特点。

①弥散性。如图1所示，固体骨架的空穴或空隙填充有液体（液相、气相或气液两相物），多孔介质的弥散性具有随机性的特点。

图1 多孔介质相态

②可渗透性。如图2所示，即使多孔介质的孔隙存在盲端，流体也能够从多孔介质的一端迁移到另一端。孔隙所构成的孔道是相互连通的，多孔介质的可渗透性反映了多孔介质内部通道相互连通性的好坏。

图2 多孔介质结构

固体骨架比面积大是多孔介质的基本特点，这个特点在很大层面上影响着流体在多孔介质中的状态和流动特征。多孔介质的孔隙细小程度，以及多孔介质孔道排布的疏密程度都直接影响着流体流动状态。孔隙体积与总体积的比值称为孔隙度，用p表示。人们把互相联通的孔隙空间体积与总体积之比称为有效孔隙度，常用孔隙比来取代孔隙度。

式中：e——孔隙比；

p——孔隙度。

1.3 多孔介质的参数确定

多孔介质在流体力学中有其特殊性，它在宏观上表现为流体从细小的孔洞中通过，减小流体的通过率和降低流体的通过速度。在微观上多孔介质实质上是加大了多孔介质骨架结构的物质与通过多孔介质的流体之间的接触面积。骨架结构物质对流体的“拖拽力”——分子间的引力，使得流体穿过多孔介质后动能降低。多孔介质有孔隙率、黏性阻力系数和惯性阻力系数三个参数。

式中：α——黏性阻力系数；

C2——惯性阻力系数；

ε——孔隙率；

DP——多孔介质的当量直径(mm)。

2 模型的建立

为方便计算与仿真，将草捆内部草料分布视为理想状态的均匀分布。将草的茎叶均做同一化处理。整个草捆视为一个整体的多孔介质。为真实反应草捆内部热传递和水分转移，仿真多孔介质草捆定义为木质。草捆内部水分设置为两个相态，液态水仿真牧草植株内部的细胞液，气态水仿真细胞液经蒸发作用由牧草内部散失到草捆内部的水蒸气。将整个草捆置于一个各方向远大于草捆直径的仿真环境中进行模拟仿真。如图3所示，草捆放置于地面，位于模拟环境的入口与出口中央。模拟自然风以定速由入口吹入，经中间湍流场进行对草捆自然干燥的仿真，自然风再由出口流出。顶部模拟阳光直射。自然风温度及风速依据仿真要求进行相应设置。

图3 仿真模型

3 仿真模型的试验验证

本仿真基于多孔介质理论，运用FLUENT流体分析软件对草捆的干燥过程中水分含量进行仿真分析。FLUENT中各个参数的设置都将对仿真过程中草捆内水分的变化趋势有一定影响。文章将仿真数据与参考文献中试验数据进行对比验证，验证仿真模型的正确性。仿真条件如表1所示，仿真与试验对比如图4所示。

仿真数据与试验数据进行对比可知，仿真整体含水量变化趋势与试验结果接近，仿真数据与试验数据最大偏差为2.36%，最小偏差为0.31%，总体平均偏差为0.86%。认为仿真模型可以正确的反应出牧草草捆的干燥状态以及草捆内水分的变化趋势。

表1 仿真与试验初始条件

图4 仿真数据与试验数据对比

4 不同尺寸、不同初始含水量草捆的自然干燥对比研究

为研究圆柱形草捆的直径及草捆初始含水量对草捆干燥的影响，现对圆柱形草捆进行建模仿真。分别构建0.7、1、1.3 m和1.6 m直径的圆柱形草捆模型，对初始含水量为60%、50%和40%时草捆的自然干燥进行干燥仿真。仿真初始参数如表2所示。

仿真结果如下：当各草捆初始含水量均为60%时，各尺寸草捆干燥初期含水量都有一定程度的骤降，10 min后干燥速率减慢。直径为1.6 m的草捆在20 min时出现快速干燥，40 min后干燥速率减慢。直径为1.3 m的草捆在30 min时出现快速干燥，30 min后干燥速率减慢，2 h时干燥速率略微加快并保持。直径为1 m的草捆在2 h时出现并保持较快的干燥速率。直径为0.7 m的草捆在1.5 h时出现并保持快速干燥。在4 h内直径分别为1.6、1.3 m和1 m的草捆含水量分别降低了2%、4%和3%，而直径为0.7 m的草捆含水量降低了6%，是其他尺寸的2倍左右。

当各草捆初始含水量为50%时，各草捆内部的水分变化规律与初始含水量为60%时基本相同。直径为1.3 m的草捆在3.5 h时含水量出现1%的骤降，相比含水量为60%时，骤降时间提前了20 min。在4 h内直径分别为1.6、1.3 m和1 m的草捆含水量降低了2.5%左右，而直径为0.7 m的草捆含水量降低了5%左右，是其他尺寸的2倍。

当各草捆初始含水量为40%时，直径分别为1.6、1.3 m和1 m的草捆整个干燥过程含水量变化缓慢，直径为1.3 m的草捆在3 h时出现1%的骤降，相比含水量为60%和50%分别提前了50 min和30 min。直径为0.7 m的草捆在4 h内的干燥速率一直处于高速。在4 h内直径分别为1.6、1.3 m和1 m的含水量降低了2%左右，直径为0.7 m的草捆含水量降低了7%左右，是其他尺寸的3倍。

图5 初始含水量为60%时各草捆的干燥曲线

图6 初始含水量为50%时各草捆的干燥曲线

图7 初始含水量为40%时各草捆的干燥曲线

5 结论

①通过多孔介质理论建立了圆柱形草捆自然干燥模型，运用FLUENT流体分析软件模拟仿真草捆的自然干燥过程，有效避免现场试验的季节性及规模性限制，得出草捆直径和草捆含水量单因素影响下草捆水分变化曲线。

②直径分别为1.6、1.3 m和1 m的草捆自然干燥速率基本相同，直径为0.7 m的草捆自然干燥速率大约是其他尺寸的2～3倍。仿真论证了草捆直径对草捆干燥速率的影响，为圆捆捆草机捆草直径的设计提供参考。

③ 当草捆直径分别为1.6、1.3 m和1 m时，草捆的初始含水量越低干燥速率越快，但初始含水量对草捆干燥的影响较草捆直径对其的影响小。当草捆直径为0.7 m时，草捆初始含水量对草捆的干燥速率影响较大，初始含水量分别为60%、50%和40%时，草捆4 h内含水量分别降低了6%、5%和7%。仿真论证了草捆初始含水量对草捆干燥速率的影响，为牧草的湿法收获提供理论支撑，有效提高牧草湿法收获的干燥质量。