糧食儲存機械通風均勻性的研究

顧超恒+陶樂仁+鄭志皋+陳娟娟+趙月

摘 要：根據流體力學相似性原理與量綱分析理論，以實際糧倉為模型基礎，建立實驗模型倉.以大米為實驗介質，通過實驗及計算并查找相關文獻得出所需模擬邊界條件及實驗數據.利用Gambit軟件建立1/4 3D實驗模型倉模型，采用Fluent軟件中多孔介質模型進行模擬計算，利用Tecplot軟件獲取模擬過程中溫度、速度隨時間變化，得出模型倉內各點溫度、速度分布情況.提取具有代表性的若干點的溫度、速度隨時間的變化情況并作相應對比，找出了機械通風過程中的降溫死角并提出多種解決辦法.

關鍵詞：糧食儲存； 機械通風； 多孔介質； 數值模擬

中圖分類號： TU 834.3+4 文獻標志碼： A

我國是世界上最大的糧食生產、儲藏及消費大國，糧食儲藏是國家為防備戰爭、災荒及其他突發性事件而采取的有效措施，因此糧食的安全儲藏是關系到國計民生的戰略大事[1].但是糧食在儲藏過程中會因為溫度、濕度、自身呼吸、微生物滋生等各方面的原因發霉變質.因此，在糧食儲藏過程中根據其溫濕度變化情況，對其進行降溫降濕來抑制微生物生長及鼠害都是很有必要的[2-3].目前，人們通過人工倒倉、自然通風、機械通風等手段對糧食進行降溫降濕處理.然而，人工倒倉花費較大，自然通風受季節限制，比較而言，相對方便靈活的通風手段主要是機械通風[4].但是機械通風的均勻性很難把握，通風不均勻很容易產生降溫死角.我國制定的儲糧機械通風技術規程[5]規定：在亞熱帶地區，機械通風要在糧食平均溫度與進風溫度之差小于3℃的情況下停止通風.最高溫度區域無疑是降溫死角，但是尋找降溫死角的傳統方法是通過實倉實驗獲得，但實倉實驗周期長、費用高、采集數據設備易老化.因此，目前引入數值計算方法提高糧食儲存技術水平是非常可行、方便的方法.

本文利用流體力學相似性原理和量綱分析理論，以實際糧倉原型建立模型倉，采用數值模擬取代實倉實驗，從而大大減少了實驗成本并克服了設備易老化等缺點.本文根據模型倉實驗取得的數據并參考相關文獻，確定了模擬計算所需的邊解條件，利用數值傳熱方法對糧倉通風時糧堆內部的溫度場、速度場進行了模擬，通過溫度場分析可確定降溫死角區域.這為完善糧倉機械通風、設計更為合理的風道提供了依據.本文使用的模型倉及數值計算方法已在糧倉中使用并得到驗證[6-10].

1 實驗原理及裝置

1.1 實驗原理

本文根據相似性原理和量綱分析理論，將某典型平房倉[11]按幾何比例50∶1縮小成模型倉.原型平房倉與模型倉的尺寸如表1所示.

根據相似性原理，同類現象相似的條件為：① 同名的已定特征數相等；② 單值性條件相似.本文中由于涉及到糧倉速度場和溫度場的變化，因此雷諾數和普朗特數要相等[12].利用熱線風速儀測出模型倉支管段風速υm=22.5 m·s-1.《儲糧機械通風技術規程》[5]規定，支管段風速最好控制在6 m·s-1以下，最高不超過9 m·s-1，一般為4～5 m·s-1.因此，取原型平房倉支管段風速υ=4 m·s-1[4-5]，則有

Re=υdν

（1）

Rem=υmdmνm

（2）

式中：Re、Rem分別為原型平房倉和模型倉雷諾數；d、dm分別為原型和模型倉支管段直徑；ν、νm分別為原型平房倉和模型倉中空氣的運動黏度.

雖然Re不等于Rem，但是根據流體力學相似性原理，當原型的雷諾數處于自模化區時，模型的雷諾數不必保證與原型的雷諾數相等，只要與原型處于同一模化區即可.因為原型平房倉和模型倉的雷諾數均在第二模化區（>103～104）[13]，因此可認為相似.

1.2 實驗裝置與設備

實驗裝置如圖1所示，主要部件有變頻器、風機、模型倉、T型熱電偶、阿爾泰數據采集模塊、計算機等.實驗介質為大米.

根據《糧食平房倉設計規范》[11]要求，模型倉采用最常用的一機四道地槽通風方式.圖2給出了模型倉內通風地槽布置情況.實驗采用壓入式通風，將風機產生的風量通過風管送入通風地槽，通過空氣分配器對風量進行均勻分配后對實驗材料進行冷卻.

實驗時，通過變頻器控制風機轉速來調節通風量.熱線風速儀可測出初始時刻模擬所需的溫濕度，T型熱電偶的信號通過阿爾泰數據采集模塊輸入計算機，再利用采集軟件記錄糧倉內溫度情況.因此可測出模擬計算時所需的初始條件，以便進行數值模擬.

2 CFD數值模擬及理論分析

2.1 模型建立及相應控制方程

本文對多孔介質中的溫度場、速度場隨時間變化進行研究分析.多孔介質由氣固兩相組成，其中：固相為大米，為非連續相，以多孔介質的形式存在；氣相為空氣，為連續相.在層流和牛頓流體的多相系統中，通過體積平均方法獲得計算所用的控制方程[14].

連續性方程

式中：ρ為密度；V為體積；下標β代表空氣；C為滲透張力；P為壓強；g為當地重力加速度；cp為空氣定壓比熱容；λ為導熱系數；t為時間；T為溫度；μ為黏度系數.

式（3）～（5）中所有變量均為體積平均值.基于實驗數據建立數學模型和理論計算的需要，本文假設：① 實驗對象為多孔介質模型且各向同性；② 糧倉為木質結構并配有隔熱材料，壁面絕熱；③ 根據Boussinesq近似在傳熱傳質中的應用，除了浮升力會產生溫度和濃度梯度的雙重擴散影響之外，密度等可視為常數[15-17]；④ 因為糧食的達西數為10-8數量級[18]，因此動量方程適用于達西定律[19].

2.2 模型倉的3D建模

根據模型倉具體尺寸使用建模軟件Gambit建立3D模型，利用模型倉的對稱性，取模型倉的1/4進行計算.模型倉1/4模型如圖3所示.圖中已標出模型的進風口、出風口、大米層和空氣層，2個對稱面和其他沒標處均為模型倉1/4模型墻壁，空氣進口位置即為通風地槽位置.將建好的模型導入Fluent軟件中，利用實驗測得的數據和由文獻[20-22]查到的參數設置多孔介質模型參數并進行模擬計算.

2.3 數值模擬及相關分析

根據《儲糧機械通風技術規程》[5]規定，在亞熱帶地區糧倉平均溫度與進風溫度差小于3℃時，可以停止以降溫為目的的通風.因此，當模擬計算時間t=1 h時，糧倉溫度可達到規定要求.為了更直觀地顯示糧倉內的溫度分布，取Z=0.12 m處的橫截面不同時刻的溫度等值線，如圖4所示.模擬開始時，由T型熱電偶測得糧倉初始溫度為309 K，由熱線風速儀測得空氣層溫度為307 K，通風地槽進口溫度為298 K，風速為0.5 m·s-1；圖4（a）為t=10 min時溫度分布情況，此時空氣層溫度已和糧倉大米層上層溫度相同，糧食層高溫區域溫度為307.5 K，低溫區域溫度為306 K，溫度相差1.5 K；圖4（b）為t=30 min時溫度分布情況，此時糧食層高溫區域溫度為304 K，低溫區域溫度為303 K，溫度相差1 K；圖4（c）為t=60 min時溫度分布情況，此時糧食層高溫區域溫度為301.1 K，低溫區域溫度為300.5 K，溫度相差0.6 K.從圖4可看出糧倉內溫度場分布隨時間的變化情況，冷卻時間越長，糧倉內溫度越低，溫度梯度也越小，且易找出溫度高的區域.這些區域就是因通風不均勻產生的降溫死角.雖然隨著t增加溫度梯度變小，但仍可看出糧倉內存在一定的溫差，而且冷卻速率逐漸變小，并且這是建立在長時間風機冷卻的基礎上.因此，吹風后期能量消耗大但效果卻不好，所以需要完善風道，改善降溫通風的均勻性，以降低能量消耗，便于糧食的保存，防止細菌等滋生從而使糧食產生霉變.

為了便于查看糧倉內通風均勻與否，取Z=0.12 m處的橫截面，該橫截面不同位置的速度和流線分布如圖5所示.從圖中可看出，空氣層速度分布在0.04～0.2 m·s-1，靠近出口處風速較大，遠離出口處風速較小.糧食層速度分布在0.01～0.09 m·s-1，靠近墻壁處速度較小，靠近通風地槽處速度較大.對照圖4顯示的高低溫區域發現，高溫區域風速較小，低溫區域風速較大，這與冷卻效果相吻合.

為不同點溫度隨時間的變化，其中MAX為降溫死角，位于T1附近.從圖中可看出，雖然各點溫度隨時間均呈下降趨勢，但是同一時刻的溫差仍有1～2 K，降溫速率隨時間變化而減小，可見隨著糧食逐漸被冷卻，冷卻效果越來越差.

為了達到降溫要求[5]，需要較長時間的機械通風才能使糧倉內溫度死角的溫度降到所要求的范圍內，即

所謂的短板效應，這造成了機械能的浪費.因此，均勻的機械通風

可使糧倉溫度整體下降，減少不必要的能量消耗.

3 結論與展望

本文將實驗與模擬計算相結合，找出了糧倉在機械通風過程中的降溫死角區域，驗證了普通糧倉在通風降溫過程中的不均勻性；模擬計算糧倉通風降溫的過程方便直觀，不僅節約了實驗費用而且節省了大量的時間.

本文實驗臺采用了應用最廣泛的平房倉一機四道機械通風形式，但其中存在的通風死角值得進一步完善：① 在建立糧倉之前，可先利用計算機進行模擬計算，找出最佳的通風位置和通風方法，對其通風地槽進行優化設置.根據糧倉所處地理環境、具體尺寸等找出一個有利于通風的地槽或將不同通風方式進行比較，選擇通風均勻性最好的一種以供后期糧倉搭建時參考.② 在原有的糧倉基礎上，通過找到降溫死角，利用局部性通風或地槽局部延長配合機械通風，這不僅可去除降溫死角，保證糧食品質，在一定程度上降低能源消耗，而且可控性很強.

本文為建立更為完善的實驗與計算方法、獲得更加準確的數據以及為糧倉的設計與監測提供了一定的指導與幫助.

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