儲糧庫地上通風籠的仿真與優(yōu)化

張海紅 阮競蘭

（河南工業(yè)大學機電工程學院，河南 鄭州 450007）

儲糧庫地上通風籠的仿真與優(yōu)化

張海紅 阮競蘭

（河南工業(yè)大學機電工程學院，河南 鄭州 450007）

采用CFD技術對通風籠的機械通風過程進行仿真，并對普通U型風道進行優(yōu)化。結果表明：小u型風道提高了通風的均勻性、有利于消除通風死區(qū)且降低了能量損失；另外，間歇通風比連續(xù)通風更節(jié)能，是一種可行的實際操作方式。

糧庫；機械通風；通風籠；仿真；優(yōu)化

機械通風是《糧油儲藏技術規(guī)范》標準中規(guī)定的儲糧通風技術之一，是儲糧庫最常用、最有效和最重要的調溫、調水、調質的通風技術。在高大平房倉中，地上通風籠是最常用的通風裝置，它的布置形式直接影響機械通風的時間和效率。中國在糧食倉儲及通風系統(tǒng)領域的研究一直側重于工程的可靠性，設計主要依據(jù)經驗或小規(guī)模規(guī)范性試驗，而對機械通風機理的理論和應用研究較少［1］。因而，在現(xiàn)有工程技術的基礎上必須引入新的研究方法，從而加深對儲糧機械通風領域的理論和實際應用研究。

在各個通風和氣力輸送領域，計算流動動力學（computational fluid dynamics，CFD）技術早已證明其可行性和可靠性［2］。目前，CFD技術也已經被逐步運用于儲糧庫的機械通風設計之中［3，4］。本試驗采用CFD技術，對高大平房倉的機械通風過程進行三維動態(tài)數(shù)值仿真。首先分析常用風道的設計優(yōu)點和應用效果，然后探索具有高效能特性的新型風道布置形式，重點在于改善通風的均勻性、減少能量損失等問題。

1 常用風道的對比分析

目前，常用的機械通風道大多是對稱形式的設計，如一機兩道（普通U型）型、一機三道型、一機四道型、土字型和主字型，等等。筆者在前期曾對各種機械通風道的通風降溫效果進行過深入研究，結果表明不同形式的風道對儲糧的降溫效果差別比較大，圖1為4種常用風道系統(tǒng)各經歷72h機械通風后的溫度分布情況。

由圖1可知，在通風過程中，各風道系統(tǒng)的中間和側面區(qū)域都存在程度不同的死區(qū)；但隨著通風時間的延長，死區(qū)逐漸減小并消失。分析認為：風道的布置形式是影響機械通風效果的主要因素；除此之外，風量分配不均勻也是一個影響因素，因而應當避免通風支管風道正對風機進風管，或者使用空氣分配器均勻分配各支管的通風量；還應盡量減少風道中彎管和三通管的數(shù)量、改進它們的結構，強化側面通風以消除通風死區(qū)等，從而降低通風的流動能量損失。

進一步研究發(fā)現(xiàn)：墻體內部3m范圍內是整個儲糧庫內溫度變化最大的區(qū)域，溫度上升比較快，是危險區(qū)域。因此，調整機械通風的風量和風壓分布使之與真實條件相適應才能夠實現(xiàn)有效降溫。基于此，顧巍等［5］曾提出了一種改良設計－環(huán)形風道。但該風道在交叉處存在氣流分流現(xiàn)象，使得一小部分氣流逆向進入風道產生相向干擾，從而產生了一定的流動能量損失、降低了通風效率。

2 新型風道的布置方案

通過對各種常用通風道的分析總結，本試驗針對普通U型風道提出了一種優(yōu)化設計形式——小u型風道，見圖2。總進風管道沿45°方向進入，然后對稱的向兩側分出兩支管風道－其中一條風道是直的，另一條風道包括兩段，但其總長度與直管風道相等。依據(jù)儲糧機械通風技術規(guī)程［6］，小u型風道的設計布局充分符合糧庫的實際溫度場特征，是一種反對稱的布局。小u型風道系統(tǒng)中減少了一個彎管的存在，改進了三通管的結構，并且不需要空氣分配器。

圖1 常用風道通風72h后溫度分布Figure 1 Temperature of ventilated paths after 72hours’ventilation

圖2 小u型風道布局Figure 2 Composition of the small u

3 數(shù)值建模與計算

采用Gambit軟件進行建模前處理，采用Fluent軟件進行數(shù)值計算。本試驗研究的是通風道和糧堆內部的氣流流動以及熱傳導情況，計算域為風道和糧堆所占的三維空間。氣流湍流的計算模型采用標準k－ε模型；而糧堆表現(xiàn)為多孔介質的特性，故利用多孔介質的理論模型進行計算。

為了簡化模型，僅取儲糧庫的一個通風單元11m（長）×23m（寬）×6m（高）進行計算，風道采用魚鱗式地上通風籠，截面尺寸為0.34m×0.5m，開孔率為35%。各進風口處采用普通離心風機進行壓入式通風。通風籠進口邊界依照風機流量設定為速度進口邊界（Q＝6 000m3/h），空氣為15℃恒溫；出口是將糧堆的上表面設為完全發(fā)展的自由流出口邊界（忽略上部空氣的影響）。對于糧庫壁面，溫度場邊界設為熱傳導邊界，比熱Cp＝1 000J/（kg·k），熱傳導系數(shù)k＝3W/（m·k），墻面壁厚為0.6m；流場邊界設為墻邊界。模型兩側面設為對稱邊界。

空氣流場的初始氣速為0m/s；糧食的初始溫度分布均勻為25℃，內部無任何發(fā)熱源。對模型采用非穩(wěn)態(tài)計算求解，從而模擬系統(tǒng)隨通風時間的氣流流動情況和降溫效果。

4 結果與討論

4.1 溫度場分析

對普通U型和小u型風道系統(tǒng)分別進行連續(xù)72h的機械通風后，各系統(tǒng)的糧堆溫度的空間分布如圖3所示。研究發(fā)現(xiàn)：普通U型風道系統(tǒng)的溫度呈對稱分布，在墻角處和中間區(qū)域仍存在小部分死區(qū)，若要消除死區(qū)必須進一步延長機械通風的時間。相對而言，小u型風道系統(tǒng)的降溫效果比較好。由于其風道是非對稱的布局，且兩條支管的總長度相等，致使糧堆的溫度也呈非對稱分布，兩條風道末端的降溫效果也比較接近，這種結構有利于提高整體降溫的均勻性。由圖3可知，該系統(tǒng)整體的降溫效果比較明顯，且基本上消除了死區(qū)。

圖3 通風72h后的溫度對比Figure 3 Contrast of ventilated paths’temperature after 72hours’ventilation

另由體積平均的統(tǒng)計數(shù)據(jù)得知：整個糧堆經歷72h的機械通風后，小u型風道系統(tǒng)的糧堆平均溫度降為17.4℃，而普通U型風道系統(tǒng)降為18.1℃。因此，優(yōu)化后的小u型風道改善了通風均勻性，使降溫效果更顯著，小u型風道對高大平房倉有較好的適應性。

4.2 能量損失分析

圖4所示是普通U型和小u型風道系統(tǒng)中的氣流湍動能分布，對比（a）、（b）兩圖可以發(fā)現(xiàn)：在整體分布中，小u型風道系統(tǒng)中的湍動能普遍小于普通U型風道系統(tǒng)對應處的湍動能，且最大值也較小（從左邊數(shù)據(jù)條可以看出），這說明小u型風道系統(tǒng)中氣流能量耗散較少。另外，結合流場的矢量圖可知，在風道的交叉處和彎管處并沒有流動大渦結構出現(xiàn)，即只有小渦耗散部分內能。因此，小u型風道系統(tǒng)有利于減小能量損失。分析認為這是因為小u型風道的設計布局減緩和避免了氣流在流速較高的地方撞擊壁面造成能量損失。

圖4 系統(tǒng)湍動能對比Figure 4 Contrast of onflow’s kinetic energy

4.3 間歇通風效果分析

前文研究的通風條件是連續(xù)通風、氣溫恒定，但這在實際操作中是不可能實現(xiàn)的。由于糧庫外界環(huán)境溫度的變化，實際的連續(xù)操作的通風溫度是變化的，白天氣溫升高對儲糧的降溫很不利。因此，有必要研究間歇通風的操作方式。

間歇通風指只在晚上進行機械通風，白天停機（每階段時間長短依具體情況而定），如此循環(huán)。實際上，停止通風后糧堆內部的氣流處于自由擴散狀態(tài)，糧食之間仍然在進行熱傳導。如圖5所示，考察了小u型風道系統(tǒng)的糧堆內部一中間位置（z＝2m、y＝5.5m處的水平線）的溫度分布，分別采用連續(xù)通風A和間歇通風B（通風12h后停12h）方式進行通風，總通風時間相等，均為72h。

圖5 不同通風方式的溫度對比Figure 5 Contrast of temperature for different types of ventilation

由圖5可知，間歇通風系統(tǒng)的糧食平均溫度較低，最高溫度也比連續(xù)通風系統(tǒng)的低2℃。間歇通風明顯優(yōu)于連續(xù)通風的降溫效果，停止通風的時間段內會強化而不是消弱降溫效果。因此，為達到同樣的降溫效果，采用間歇通風可以降低風機能耗、減少實際的通風時間，這也是切實可行的操作方式。

5 結論

（1）對比普通U型風道，優(yōu)化后的小u型風道更適應儲糧庫實際的溫度場特性，它提高了系統(tǒng)整體的通風均勻性，有利于消除通風死區(qū)和降低流動能量損失。

（2）間歇通風能強化而不是消弱降溫效果，相對連續(xù)通風而言，它是一種可行的、節(jié)能的操作方式。

1 陳福海，曹琨.綜合儲糧技術在處理糧堆發(fā)熱中的應用［J］.中國糧油學報，2006，21（3）：380～383.

2 賈景福，郝滿晉，趙建華.通風管管徑對冷庫地坪通風防凍系統(tǒng)傳熱性能影響的研究［J］.食品與機械，2009，25（4）：163～166.

3 李瓊，汪喜波，楊德勇.CFD方法在倉儲糧堆溫度場研究中的應用探索［J］.糧食儲藏，2008，37（3）：21～24.

4 Griffith Faulkner.Numerical investigation into the aeration of grain silos［D］.Toowoomba：University of Southern Queensland，2004.

5 顧巍.環(huán)形通風地槽對實際溫度場特征的適應性研究［J］.中國糧油學報，2009，24（1）：102～106.

6 國家糧食局.LS/T 1202——2002儲糧機械通風技術規(guī)程［S］.北京：中國標準出版社，2002.

Simulation and optimization for the overground ventilated path of the grain depot

ZHANG Hai－h(huán)ongRUAN Jing－lan

（Henan University of Technology，Zhengzhou，Henan450007，China）

The course of mechanical ventilation for overground ventilated path was simulated by CFD，and the“U”ventilated path was optimal designed.The study indicated：The improved “u”ventilated path improved the ventilated auniformity，was advantageous for eliminating the dead area and reducing the energy losing.In addition，intermittent ventilation economized the energy’s use，was a feasible operation.

grain depot；mechanical ventilation；overground ventilated path；numerical simulation；optimization

10.3969 /j.issn.1003－5788.2011.06.050

河南工業(yè)大學校科研基金（編號：08XJC004）

張海紅（1979－），女，河南工業(yè)大學講師，碩士。E－mail：fluent＠haut.edu.cn

2011－08－10