糧倉機械通風阻力和均勻性模擬研究

潘鈺，王遠成,* ，邱化禹，高帥，張曉靜，趙會義

(1.山東建筑大學教育部可再生能源建筑利用技術實驗室, 山東 濟南 250101；2.國家糧食局科學研究院，北京市 100037)

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糧倉機械通風阻力和均勻性模擬研究

潘鈺1，王遠成1,*，邱化禹1，高帥1，張曉靜1，趙會義2

(1.山東建筑大學教育部可再生能源建筑利用技術實驗室, 山東 濟南 250101；2.國家糧食局科學研究院，北京市 100037)

機械通風是保證儲糧品質的主要技術手段，平房倉儲糧地上籠通風系統主要有圭字型和U型一機三道兩種，其中圭字型和不同通風途徑比的U型一機三道地上籠系統的糧堆通風阻力和通風均勻性也不盡相同。文章通過建立圭字型和三種不同途徑比的U型一機三道地上籠通風方式的物理模型，采用計算流體動力學的方法，進行數值模擬研究，獲得小麥糧倉在不同通風工況下的通風阻力數據，并與實驗數據進行對比，分析其糧層阻力變化規律，探究四種通風方式的通風阻力均勻性。結果表明：U型地上籠的通風阻力與其途徑比成正比關系，通風均勻性與其途徑比成反比關系，圭字型通風阻力介于途徑比為1.56和1.83的U型地上籠之間，通風均勻性介于途徑比1.21和途徑比1.56的U型一機三道地上籠之間。

數值模擬；機械通風；糧層阻力；通風均勻性；通風途徑比

0　引言

大型平房倉是我國儲糧的重要設施,機械通風是實現安全儲糧、保證糧食品質、提高經濟效益的重要舉措,因此保證大型平房倉良好的機械通風效果是十分必要的[1]。目前國內常用的機械通風方式是地上籠垂直通風，地上籠通風風網布局主要有U型和圭字型，U型一機三道即一個分配器分出三個支風道，其目的是將風機的風量均勻的分配到各支風道中，保證糧堆送風的均勻性。圭字型即一個分配器連接主風道，主風道兩側不同位置處又分出多個支風道，用多個支風道來保證糧堆送風的均勻性。文中重點研究比較U型一機三道不同途徑比(1.21、1.56、1.83)和圭字型風道的通風均勻性和阻力情況。

倉儲糧堆是由糧食顆粒聚集而成，是一種典型的多孔介質，由于糧堆堆積過程中自溜分級、糧粒堆積時具有“自穩定性”現象以及深層糧堆重力產生的壓力作用，糧堆內部不同區域的孔隙率不同[2]。所以在通風過程中，糧堆內部空氣的流動是一個復雜的過程，其不僅涉及到流體力學和多孔介質內部的流動傳遞理論，它還與糧食顆粒的生物特性等多種因素有關[3-4]。Smith 等人采用有限元的方法對就倉干燥底部水平通風的圓筒倉內部的速度和壓力進行了模擬分析[5]。Garg等使用CFD軟件模擬分析了大型圓筒倉中糧粒非均勻分布時通風過程中糧倉內部流場的分布規律[6]。Lukasse等建立了農產品在就倉通風時倉內微氣候動力學模型[7]。Lukaszuk等采用數值模擬的方法研究了不同糧食顆粒在不同堆積方式下的通風阻力[8]。

以上發展的模型雖然比較準確的模擬了圓筒倉的糧食顆粒在通風過程中的通風阻力情況，但并不適用于國內房式倉大體積糧堆內部垂直通風阻力及通風均勻性的研究，而且對房式倉糧堆進行垂直機械通風時，風道布置方式及通風途徑比不同，糧堆內部通風的均勻性及阻力也不相同。文中主要采用數值模擬的方法，模擬研究房式倉在不同風道布置方式下不同通風量的通風阻力和均勻性，并將數值模擬得出的通風阻力結果與實驗所得經驗公式計算進行比較，同時更加準確分析得出不同風道布置方式的阻力大小關系,利用數值模擬結果評價不同風道布置的通風均勻性，為地上籠通風的合理布局方式提供理論依據和技術參考。

1　平房倉模型建立與條件設置

1.1平房倉物理模型

平房倉物理模型圖如圖1所示。

圖1　平房倉物理模型圖(a)U型途徑比1.21物理模型；(b)U型途徑比1.56物理模型；(c)U型途徑比1.83物理模型；(d)圭字型物理模型

如上圖所示，文中以大型平房倉為研究對象，建立垂直通風的物理模型，圖中糧倉均長為60 m、跨度為21 m、高為10.5 m，而糧堆高度為6 m，糧堆頂部南北兩側各8個窗戶。圖1(a)、(b)和(c)中地上地上籠為U型一機三道布置，通風途徑比分別為為1.21、1.56和1.83，北側分別設有8個、3個和2個分配器，每個分配器連接一個通風口。圖1(d)中地上地上籠為圭字型，北側設有3個分配器，每個分配器連接一個通風口。

1.2平房倉網格

文中選取的前處理器是ICEM，對四個個平房倉進行了網格劃分。采用四面體和六面體相結合的方式，并在通風口和地上籠處進行局部加密，每個平房倉生成的網格數約310萬。

1.3通風過程的數學模型

通風時，糧堆內部空氣流動的驅動力是風機提供的壓力。在通風條件下，糧堆內部的流動采用如下方程描述。

1.3.1連續性方程

連續性方程由式(1)表示為

(1)

式中：ε為孔隙率；ρa為空氣密度，kg/m3；t為時間，s；u為空氣的表觀速度或達西速度，m/s。

1.3.2動量方程

動量方程由式(2)表示為

(2)

式中：ρa為空氣密度，kg/m3；ρb為糧堆的容重，N/m3；dp為谷物顆粒的等效直徑，m；u為糧堆內部空氣的表觀速度或達西速度，m/s；p為壓力，Pa；t為時間，s；是微分算子，μ是空氣的動力粘度，N·s/m2。式(2)描述的是通風時糧堆內部強迫對流流動及其阻力的動量方程，方程右邊第三項為粘性阻力，第四項為慣性阻力，而這兩項是基于Ergun方程得到的。其中，ε為空隙率，當ε=1時為空氣區域流動方程，即N-S方程；當ε≠1時為糧堆區域流動方程，即達西—布林克曼方程。1.4通風過程中的初始條件和邊界條件

U型不同途徑比和圭字型地上籠的進口采用質量流量進口。對于不同的單位通風量(5、7.5、10、15、20和25 m3/t·h)，設置不同的進口質量流量，數值模擬的通風工況如表1所示。南北側共十六扇窗戶作為出口，出口采用自由出流。U型地上籠為無滑移交界面條件；圭字型主風道為不可滲透壁面條件，支風道為無滑移交界面條件。

采用穩態計算法，對控制方程采用有限體積法進行離散，離散格式為二階迎風差分格式，為了防止迭代過程的發散和數值不穩定，對動量方程采用欠松弛技術，壓力與速度耦合采用SIMPLE算法。

2　模擬結果與分析

2.1地上籠速度分布規律

不同途徑比的U型一機三道地上籠速度分布相似，圖2(a)是實倉下途徑比為1.21的U型地上主地上籠速度變化圖，從圖中可以看出，一機三道U型地上籠三個風道內速度較為均勻，其中通風入口處速度較大，到各個主風道末端風速逐漸減小，每個風道的通風效果一致，整體上來看氣流比較均勻合理。

表1　數值模擬通風工況

圖2(b)表明圭字型地上籠主風道內速度變化圖，從圖中可以看出，圭字型地上籠每個支風道內速度較為均勻，其中通風入口處速度較大，到主風道末端風速逐漸減小，支風道速度更小，整體上來看氣流比較均勻合理。

圖2　地上籠速度分布圖(a)U型途徑比1.21地上籠速度分布圖；(b)圭字型地上籠速度分布圖

2.2通風總阻力分析

2.2.1地上籠阻力經驗公式

地上籠阻力經驗公式由式(3)表示為

H=a·Qb

(3)

式中:H為地上籠的阻力，Pa；Q為單位通風量，m3/t·h；其中U型地上籠系數a=43.8，b=1.6879，圭字型地上籠系數a=39.1、b=1.8573。

2.2.2單位糧層阻力經驗公式

單位糧層阻力經驗公式由式(4)表示為

H=9.81·a·ub

(4)

式中:H糧層為糧層阻力，Pa；u為表觀風速，m/s；系數a和b分數為143.31、0.9624。

根據實驗數據處理所得經驗公式(3)、(4)和數值模擬結果進行比較，比較結果如圖3所示。

圖3　四種風道布置方式的總阻力圖

圖3表明，根據數值模擬結果和經驗公式計算結果，均可以清楚看出隨著表觀速度的增大，通風總阻力也同時增大；其中U型地上籠途徑比為1.21的通風阻力最小，途徑比1.56的阻力次之，途徑比1.83的通風阻力最大；途徑比為1.21與1.56的U型一機三道地上籠的數值模擬結果與實驗數據所得經驗公式的通風阻力比較一致，由于途徑比1.83的U型地上籠風道較少，通風時氣流在多孔介質糧堆穿過的路徑最長，受糧堆內部糧食顆粒的自穩定性以及內部孔隙率的不同的影響，途徑比為1.83的數值模擬結果小于實際實驗測量所得經驗公式計算結果。另外，圭字型地上籠布局較復雜，局部阻力損失較大，圭字型的通風總阻力也較大，所以其大于途徑比為1.21和1.56的U型一機三道地上籠的通風阻力，但小于途徑比為1.83的U型一機三道地上籠的通風阻力。

2.3四種風道布置方式均勻性分析

均勻性指數采用Weltens等[9]建立的評價流動分布特性的均勻性指數來表示流速/混合的均勻性程度計算式(5)為

(5)

式中：r為均勻性指數，在0和1之間變化，r越大說明流動越均勻。vi為各觀測點的速度，m/s；v為全部觀測點的平均速度，m/s；n觀測點數，研究共39個觀測點。糧堆內部共三層觀測點，最底層距離倉底1 m，最上層距離糧面1 m，中間層高度為糧堆高度的一半。圖4 為每層觀測點布置示意圖，每層13個觀測點。每層(水平切面)，四個角點距墻1 m，其他點尺寸如圖所示，測點分布均勻合理，有利于均勻性的檢測。

圖4　觀測點布局圖/m

數值模擬結果與實驗數據，代入公式(5)得出四種通風方式不同表觀速度下的糧堆通風均勻性,如圖5所示。

圖5　四種風道布置方式均勻性圖

圖5表明，在表觀風速較小時，模擬數據與實測數據比較一致，表觀風速較大時，實測均勻性系數要小于模擬數據結果，這是由于實際測量中，測量存在誤差，導致測量的速度變化幅度較大，通風均勻性降低。同時，實測數據與模擬數據也均表明隨著表觀速度的增大四種布局方式的通風均勻性均降低。分析認為表觀速度越大時，氣流對對糧堆內部顆粒的擾動作用就越強，影響了速度的均勻分布。U型一機三道中途徑比越小，通風均勻性越好；圭字型的通風均勻性介于途徑比1.21和途徑比1.56之間，其原因是糧堆底部支風道較多，通風時糧堆內部氣流速度分布較為均勻，通風均勻性也越好。

3　結論

通過上述研究可知：

(1) U型地上籠途徑比為1.21的通風阻力最小，途徑比1.56的阻力次之，途徑比1.83的通風阻力最大，圭字型通風阻力介于途徑比為1.56和1.83的U型地上籠之間。

(2) U型一機三道中途徑比越小，通風均勻性越好；圭字型地上籠的通風均勻性介于途徑比1.21和途徑比1.56的U型一機三道地上籠之間。

此研究為糧倉儲糧機械通風采用地上籠通風形式時，風網的布局方式提供了重要的理論依據和技術參考。

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Numerical study on the ventilation resistance and uniformity of mechanical vertical ventilation on the grain storage

Pan Yu, Wang Yuancheng*, Qiu Huayu,etal.

(Key Laboratory of Renewable Energy Utilization Technologies in Buildings of the National Education Ministry, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)

Mechanical ventilation is the main measure of ensuring the grain’s safety and quality. The mechanical vertical ventilation of the grain storage in warehouse can be divided into the GUI-shape and U-shape.The ventilation resistance and ventilation uniformity varies with different mechanical vertical ventilation variety. According to Computational Fluid Dynamics(CFD) method, numerical simulation analysis of different vertical ventilation resistances of wheat in grain bulk is conducted. The foundation for the fan selection of the mechanical ventilation system and the optimization of ventilation system was laid through the comparison between the ventilation resistance under different ventilation pattern and the experimental data, with the analysis of its grains’ layer resistance variation and ventilation uniformity.The results show that the ventilation resistance of the U type ventilation cage is proportional to the ratio of the way, and that the uniformity of the ventilation is inversely proportional to the ratio of the way, ventilation resistance of GUI-shape between 1.56 and 1.83 U-type ventilation cage,uniform ventilation between 1.21 and 1.56 U-type ventilation cage.

numerical simulation; mechanical ventilation; aeration resistance; ventilation uniformity; ventilation rout ratio

2016-03-28

國家自然基金項目(51276102);國家糧食公益專項項目(201513001)

潘鈺(1991-),男,在讀碩士,主要從事多孔介質內流動傳熱等方面的研究.E-mail:465748419@qq.com

*：王遠成(1963-),男,教授,博士,主要從事復雜介質中傳熱傳質等方面研究.E-mail: wycjn1@163.com

1673-7644(2016)03-054-05

TU996

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