倉儲糧堆機械通風時壓力場的模擬研究

任廣躍 彭 威 張忠杰 吳子丹 王 芳

(河南科技大學食品與生物工程學院1，洛陽 471003)

(國家糧食局科學研究院2，北京 100037)

倉儲糧堆機械通風時壓力場的模擬研究

任廣躍1彭 威1張忠杰2吳子丹2王 芳1

(河南科技大學食品與生物工程學院1，洛陽 471003)

(國家糧食局科學研究院2，北京 100037)

以倉儲糧堆機械通風試驗為基礎，以實倉試驗相關數據為依據，建立了倉儲糧堆機械通風過程中內部壓力場分布的計算流體動力學(CFD)模型，并進行了不同通風風量條件下開環流熏蒸口和開人孔時的數值模擬計算。最后通過實倉試驗數據和模擬結果進行驗證。結果表明，倉儲糧堆機械通風過程CFD模型能夠真實反映機械通風過程中糧堆內部壓力場的分布情況，將計算流體力學模擬技術應用于倉儲糧堆壓力場的預測分析是可行的。

倉儲糧堆 機械通風 壓力場 計算流體動力學

糧食是國民經濟重要的戰略物質，糧食安全儲藏關系到國家安全穩定、國民經濟發展以及可持續發展等重大戰略問題，糧食生產的季節性與消費的常年性矛盾長期存在，加之糧食是有生命的活體［1］，因此如何實現糧食的安全儲存成為世界性難題。我國糧食產量大，儲備量高，同時由于儲藏時間長，導致儲備期間的損耗也較高。據調查，一個儲藏周期內，僅因儲糧損耗減量就高達1%～2%，如以我國糧食儲備動態數量1.5億噸來計算，儲糧損失約為150～300萬噸，折合人民幣23～45 億元，造成巨大的經濟損失［2－3］。

目前，國內糧庫在儲糧過程中廣泛采用了機械通風技術［4］，作為智能糧情檢測、低劑量環流熏蒸、智能機械通風和高效谷物冷卻“四合一”儲糧新技術之一［5］，其在降溫降水、降溫干燥和增濕調質等方面發揮越來越重要的作用。機械通風技術主要是利用通風機產生的壓力，將外界低溫、低濕的空氣送入糧堆，促使糧堆內外氣體進行濕熱交換，降低糧堆內的溫度與水分，增加儲糧穩定性的一種安全儲糧技術［6］。通過大量實踐表明，機械通風在糧食儲藏中的應用，使糧食整年處于低溫儲糧狀態，糧食的品質明顯提高，延緩陳化速度，抑制新陳代謝，降低儲糧損耗，有效地控制儲糧害蟲和微生物的活動、危害，它代表著未來糧食安全儲藏的方向。但在機械通風時倉儲糧堆內部流場的分布情況比較復雜，很難進行有效地測量和計算，而計算流體動力學(CFD)方法不但能突破一些現實條件的限制，而且通過計算模擬達到減少操作成本的目的，基于此，CFD方法可以有效的應用于糧食儲藏中內部流場模擬研究［7］，如張忠杰等［8］利用FLUENT軟件對平房倉的機械通風情況進行了數值模擬，獲得了倉儲糧堆的溫度場分布及其變化規律;王遠成等［9］采用CFD方法對就倉通風時糧堆內部熱濕耦合傳遞過程的數值預測，建立了通風儲糧過程中控制糧堆內部熱量和水分傳遞的數學模型，并對就倉通風時糧堆內部熱濕耦合傳遞過程進行了預測，獲得了就倉通風時糧堆內部熱量和水分遷移的基本規律。

糧食倉儲內部生態系統決定儲糧的安全，倉儲糧堆內部壓力場的CFD模擬研究，目的就是應用CFD模擬，采用對比分析實倉試驗的方法，對倉儲糧堆內部壓力場分布變化情況進行驗證，掌控糧食在機械通風過程中其壓力場的分布情況，以期為儲糧安全提供新的檢測方法和手段。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設備

試驗糧倉位于北京市昌平區國家糧食局科學研究院小湯山中試基地內，該倉為室外180 t淺圓鋼板倉，倉高為10 m，其中圓柱形倉高8.5 m，錐形頂部高1.5 m，倉半徑為3 m，倉內糧食堆高7.5 m，其儲糧品種為小麥;試驗中通過U型壓力計注水讀mm水柱數后轉化為Pa進行對比驗證。

1.2 試驗方法

1.2.1 實倉試驗

在倉儲糧堆機械通風過程中對其外界及內部狀態參數變化進行測量，分析測量數據并最終得到一定結論。本研究所采用的CFD模擬研究就是基于實倉試驗基礎之上的，因此，實倉試驗既是模型模擬的前提，也是對數值計算結果進行對比驗證的標準。

實倉試驗的主要內容為測量倉儲糧堆在全底板通風形式下不同通入風量時內部靜壓分布變化情況。對于壓力的測量采用的是特制測壓管，測壓管長有3種規格，分別為35、55、85 cm，樣圖如圖1所示。

圖1 特制測壓管示意圖

在實倉試驗中，3種規格的特制測壓管橫向入倉深度分別為5、20、50 cm，分別將6根管布置和編號如下:1(西面短管)，2(西面中管)，3(西面長管)，4(南面長管)，5(東面短管)，6(東面中管)，其中3號管位于糧高5.16 m處，2號和 6號管位于糧高2.64 m處，1 號，4 號和5 號管位于糧高0.48 m 處，具體布置如圖2所示。

圖2 測壓管布置示意圖

1.2.2 數學模型建立及求解

1.2.2.1 模型的建立及選擇

因研究對象為糧食儲藏在通風狀態下糧堆內壓力分布的問題，故模型模擬的區域為包括堆積散糧的整個儲倉，倉房內的壓力場分布是三維問題，所以對倉房的整體結構建立笛卡坐標。

通風過程中，整個散糧堆積區域內部糧層溫度場的分布狀態均隨時間而變化，整個空間內的相關參數大多也隨時間而變，因此糧食倉儲的通風過程必須作為一個非定常問題來進行計算。建立通風條件下的糧食倉儲的物理模型，須對整體倉房作相應的合理簡化，對于糧倉的空氣入口及出口采用相應的邊界條件處理，忽略通風地槽的導熱影響，底面熱傳導可以忽略不計，內部環境的變化主要由通風地槽的氣流輸入和倉房壁面與外界的熱傳導作用所導致，同時將糧食堆積區域看作與糧食物理特性等效的多孔介質區域，通風過程中氣體穿過該區域的運動采用FLUENT中的多孔介質模型進行計算［10－13］。

倉儲糧堆機械通風過程中，氣流由通風地槽進入并穿過整個散糧堆積區域，從通風管道到倉房內，空氣流動充分發展，風速較大具有典型的湍流特性，因此必須考慮湍流的問題。

在實際數值模擬中，要根據具體問題的特點來決定所選用的模型。本研究在模擬計算中選用目前應用最為廣泛且計算量相對較小、精度合適的標準k－ε模型。k－ε模型主要是基于湍流動能和擴散率，其中湍流動能方程是精確方程，湍流擴散方程是由經驗公式導出的方程，該模型對較小壓力梯度下的自由剪切流具有較好的擬合度［14］。

1.2.2.2 邊界條件及計算區域

入口及出口:流體入口條件按照速度入口邊界條件處理，需確定風速大小、入口方向以及湍流參數情況。由于模擬主要涉及壓力場的分布，則空氣入口溫度的設定對模擬的結果沒有影響，可將其設為與外界溫度一致。流體出口按照壓力出口邊界條件處理，需確定出口表壓及湍流參數情況，采用湍流強度及湍流長度尺度(I－l)來表示湍流情況，其具體相關參數的計算公式如下所示:

湍流強度I的計算公式為:

式中:ReDH為按水力直徑DH計算得到的雷諾數，對于圓管，水力直徑DH等于圓管直徑。

湍流長度尺度l的計算公式為:

式中:L為關聯尺寸，對于完全發展的湍流流動，選擇在水力學直徑流場中指定L=。

倉房壁面邊界條件:糧倉壁面為不銹鋼結構鋼板材料，固體壁面為無滑移邊界，靠近壁面處采用壁面函數法進行處理。由于通風時間相對較短，壁面換熱邊界對整個倉儲糧堆機械通風過程中溫度場變化的影響很小，因此在模擬過程中將壁面設置固定溫度且與外界溫度一致。

多孔介質區域:在散糧堆積區域內，谷物顆粒作為多孔介質的骨架在谷物彼此之間構成了一定的空隙，同時固體骨架遍及整個多孔介質所占的體積空間，空隙空間相互連通，在機械通風過程中，氣流充滿整個介質區域并在谷物空隙之間流動。試驗中將散糧堆積區域作為多孔介質區域進行數值模擬。糧食顆粒作為多孔介質的骨架，空氣在多孔介質孔隙中流動時要受到糧食顆粒的阻力，包括黏性阻力和慣性阻力。

多孔介質的模擬是通過在流體流動標準運動方程中添加一個運動源項來實現的。黏性損失項(Darcy)和慣性損失項組成運動源項［16］:

式中:Si是i方向(x，y，z)動量源項，D 和C 是指定的系數矩陣。在多孔介質單元中，動量損失和壓力梯度相關聯，壓降與流體速度(或速度方陣)成比例，此運動損失造成了多孔介質內的壓力梯度，從而產生了與流體速度(或速度的平方)成比例的壓力降。

對于簡單的各向同性的均勻多孔介質［15］:

式中:α是滲透性，C2時內部阻力因子，簡單指定D和C分別為對角陣和C(其他項為零)的矩2陣。

定義滲透性和內部損失系數的計算公式為［16］:

式中:Dp為谷物的平均直徑，φ為空隙率。

1.2.3 CFD 模擬

1.2.3.1 建模及網格劃分

選取整體倉房和全底板通風系統為模擬計算區域，采用CFD模擬專用前處理軟件GAMBIT進行模擬區域的三維模型建立和網格劃分，由于通風為全底板通風模式，故將倉房區域和機械通風區域一起處理，分別建立開環流熏蒸口和開人孔的三維模型并進行網格的劃分，具體通風模型和網格劃分參見圖3至圖6。

圖6 開人孔網格劃分

1.2.3.2 邊界條件及參數的確定

整個計算區域的邊界條件主要涉及通風過程中進口及出口的邊界參數，同時包括在全部流動區域內的流體—空氣的狀態參數以及壁面熱邊界相關參數，糧堆小麥本身物性參數及多孔介質相關參數也要進行設置。

入口邊界:在通風計算過程中，假設空氣為不可壓縮流體，計算時采用速度入口邊界條件，在FLUENT的邊界條件設定中需要確定空氣入口風速、方向、溫度、密度、黏度以及相應的湍流情況。

機械通風過程中，假設空氣溫度與外界溫度一致為27℃，空氣密度 ρ=1.293 kg/m3，動力黏度μ =0.000 018 Pa·s。

根據不同通入風量計算得到入口風速，方向垂直于底板，再由通風入風口平面尺寸計算入口湍流情況，對于入口處的湍流情況采用標準k－ε模型的湍流強度及湍流長度尺度(I－l)來描述，其值可由公式(1)和公式(2)計算得出，具體風速及湍流相關參數的設置見表1。

表1 風速及湍流相關參數

出口邊界:流體出口按照壓力出口邊界條件處理，需確定出口表壓及湍流參數情況。因出口邊界與外界大氣相通，故設置出口表壓值為0，相關湍流參數設置亦參考表1。

墻體壁面邊界:糧倉不銹鋼鋼板厚度為5 mm;熱傳導系數為48 W/m·K;熱容為480 J/kg·K及鋼板密度為7 800 kg/m3。

多孔介質參數:谷物堆積區域采用FLUENT中的多孔介質模型，需對涉及多孔介質的一些特性參數進行設定［17］。設倉儲糧堆為小麥，小麥的熱傳導系數為 λg=0.13 W/m·K，比熱容為 Cg=1 780 J/kg·K，容積密度為ρg=750 kg/m3。同時在FLUENT中需要定義黏性和內部阻力系數，即需要輸入滲透性α和慣性阻力因素C2。小麥是具有吸滲特性的顆粒，采用密度法可測得其孔隙度φ為0.468 6，同時可測得小麥平均顆粒直徑Dp，代入公式(3)和公式(4)可得到模擬小麥物料物性參數 C2=

2 結果與討論

2.1 實倉試驗

按“1.2.1實倉試驗”方法，開環流熏蒸口時各測壓管所測定的糧堆內壓力如表2所示，開人孔時各測壓管所測定的糧堆內壓力如表3所示。

表2 開環流熏蒸口時測得糧堆內壓力數值

表3 開人孔時測得糧堆內壓力數值

2.2 CFD 模擬結果

根據已知邊界條件及相關參數，采用定常法SIMPLE算法進行了倉儲機械通風的計算，計算時各項參數的收斂度設為10－4，在開環流熏蒸口和人孔時分別計算不同風量條件下倉儲糧堆內部壓力場的分布。其中開環流熏蒸口時的壓力場分布見圖7，開人孔時壓力場的分布見圖8。

2.3 結果分析

依據倉房整體結構建立的笛卡坐標，可以得到6個測壓管對應的三維坐標值分別為1(0，0.15，0.48)，2(0，0.2，2.64)，3(0，0.5，5.16)，4( －2.5，0，0.48)，5(0，－2.95，0.48)，6(0，－2.8，2.64)，通過Fluent后處理軟件CFD－Post分析模擬結果，分別得到各點的模擬數值，結合實倉試驗結果(表2及表3)分別對開環流熏蒸口和人孔時的數據進行驗證分析，具體對比分析結果如表4和表5所示。

表4 開環流熏蒸口試驗值與模擬值對比

表5 開人孔試驗值與模擬值的對比

從表4和表5可以看出，盡管由于受到測壓人工讀數的誤差影響及所建模型部分簡化等因素的限制，模擬結果與試驗結果還存在一定的誤差，但整體看來，模擬結果與試驗結果有較高的擬合度，試驗結果能夠真實的體現機械通風過程中糧堆內部壓力場的分布情況。

3 結論

為了驗證分析CFD方法模擬機械通風過程中倉儲糧堆壓力場分布的可行性和準確性，試驗以室外淺圓倉為模擬對象，利用CFD方法模擬了打開不同出口及不同通入風量條件下的糧堆壓力場，并將模擬結果與實倉試驗數據比較分析，得出以下結論:

模擬結果與試驗結果存在一定的誤差，但兩者有較高的符合度，能夠真實的體現機械通風過程中糧堆內部壓力場的分布情況，證明了利用CFD模擬技術研究倉儲糧對機械通風過程中壓力場分布是可行的。

由于試驗條件和糧倉結構的限制，試驗只設定6個測壓管進行倉內壓力值的監測，獲取的數據較少。后期可以選擇合適倉房進行大批量的糧堆內部壓力的測定，以期得到較多數據，為CFD模擬和后續倉儲糧堆糧層阻力的研究提供實例支撐。

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Study on Simulation for Pressure Field Under the Condition of Mechanical Ventilation in Grain Storage

Ren Guangyue1Peng Wei1Zhang Zhongjie2Wu Zidan2Wang Fang1
(College of Food and Bioengineering，Henan University of Science and Technology1，Luoyang 471003)
(Academy of State Administration of Grain2，Beijing 100037)

This paper is based on the experiments under the condition of mechanical ventilation in grain storage，according to the results of mechanical ventilation in real warehouse experiment，and then established the computational fluid dynamics(CFD)model of pressure field in grain heap.Pressure field distributions are simulated under the air outlet for recirculation fumigation and entrance for workers at the different blast volume respectively.The results showed that the CFD model of pressure field in grain heap could express well with the experimental results.And it prove that the CFD method which is applied to research and analyze of pressure field in grain storage.

grain storage，mechanical ventilation，pressure field，CFD

S226.6

A

1003－0174(2012)09－0090－06

國家科技支撐計劃(2009BADA0B04)

2012－01－13

任廣躍，男，1971年出生，博士，副教授，農產品干燥技術