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水稻种子的干燥特性及其数学模拟分析研究

严平宇  
【摘要】:干燥是水稻种子收获后的重要处理环节,水稻种子的干燥对种子活力有显著影响。如果干燥参数不合理,干燥后种子品质会下降。干燥过程对种子的影响主要是表现在种子发芽率和活力的降低,高温干燥可能使得种子蛋白质变性,而有裂纹的种子由于胚芽所能获得的营养物质减少,因此发芽率和活力也会下降。我国对粮食干燥的研究较多,而对种子干燥方面的研究则相对较少。本文为此进行了以下几个方面的研究:(1)系统研究了水稻种子的干燥特性。由于水稻种子对干燥过程很敏感,要求种子干燥后依然具有旺盛的生命力,它相对于商品粮来说其干燥条件更为严格,因此,本文选择了较低风温对水稻种子进行干燥试验。在进行干燥试验前,对文献中大量的水稻种子数据进行了平衡相对湿度和平衡含水率模型的模拟比较分析,发现改进的Guggenheim-Anderson-deboer (GAB)模型具有最大的决定系数和最小的误差,最适合描述不同温度下水稻种子的吸附和解吸特性,从而绘制了水稻种子的平衡含水率曲线,为在一定相对湿度下水稻种子能达到的干燥终了含水率提供了计算依据。研究了水稻种子在干燥初始阶段和干燥过程中的含水率随机分布,发现种子在干燥初始时其含水率随机分布近似服从正态分布,而随着干燥的进行则逐渐偏离正态分布。研究了不同干燥温度和干燥风速时,水稻种子干燥的特性曲线,并对干燥特性曲线进行了10种比较经典模型的拟合,发现渐进扩散模型是模拟水稻种子干燥时的最佳模型,并通过回归分析得出了渐进扩散模型中各参数与干燥温度和风速之间的关系。(2)通过差示扫描量热仪(DSC)对干燥后水稻种子的热学特性进行了研究,尝试用较高的加热速率来提高DSC的检测信号,但由此也导致了在试验中水稻种子热转变特征值的滞后。为了消除由于较高加热速率对试验结果的影响,通过外推法推测到DSC加热速率为“0”时的玻璃化转变温度,并建立了水稻种子玻璃化转变温度与含水率之间的线性回归方程和戈登-泰勒方程。(3)通过动态机械分析仪(DMA)对干燥后水稻种子的力学特性进行了研究,分析了水稻种子的粘弹特性和蠕变松弛特性。在种子玻璃化转变温度处的详细动态力学特性显示,水稻种子的储能模量和损耗模量均随着含水率的增加而降低,且各数据间有显著差异;而力学损耗因子随含水率的增加而增大,但是只有在含水率较低以及含水率相差较大的情况下数据间才有显著差异。用五元件和三元件力学模型对种子的蠕变和松弛曲线进行数学模拟分析的结果表示,水稻种子的含水率和长度共同显著影响其蠕变特性,但只有含水率显著影响其应力松弛特性。(4)进行了干燥后水稻种子的发芽试验,分析了干燥条件对种子发芽势和发芽率的影响,发现种子发芽势比发芽率更容易受到干燥条件的影响。简单分析了水稻种子的劣变机理,并确定了种子发芽率一阶动力预测模型及其参数,模拟了在干燥过程中水稻种子的发芽率变化,由此方程可以很好的预测水稻种子干燥后的发芽率。(5)通过假设水稻种子为三层椭球体,建立了水稻种子在干燥过程中颗粒内部的热质传递规律,运用有限元法对种子内部各节点的温度和含水率进行求解。通过计算机模拟和试验验证水稻种子的平均温度和平均含水率,以及模拟种子内部各点处的温度值,发现种子内部温度梯度最大时是在刚开始干燥的几分钟内,因此提出控制干燥初期的温度,将有助于减少种子的裂纹,提高种子品质。


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