淺圓倉橫向和垂直通風數值模擬對比研究

戚禹康，王遠成，俞曉靜

(山東建筑大學熱能工程學院，山東濟南250101)

0 引言

1994年在遼寧試建了第一座淺圓倉，并從1998年起國家開始大規模地建設儲備糧庫。目前，已有90個糧庫新建或續建約720個淺圓倉，其倉容達5.69×109kg[1]。淺圓倉倉內直徑一般≥20 m，倉壁高度與倉內直徑之比≤1.5[2]。我國傳統倉型多為平房倉，具有隔熱、保溫性能好和儲糧穩定的特點。淺圓倉作為新引進的倉型，與平房倉相比，多采用鋼筋混凝土條形基礎，倉頂為聚乙烯夾心預制裝配整體式鋼筋錐面薄殼，能將糧食對壁面推力轉換成對環鋼筋的拉力，充分發揮鋼材抗拉強度大的特點[3]。淺圓倉可以采用較少的常規輸送機械組合，以較低的運行成本完成糧食的入倉和出倉作業，在配備了機械通風、環流熏蒸等新技術裝備后，比較容易實現現代化倉儲管理。淺圓倉占地面積較小、堆糧高度高、倉間不需再留道路，因此噸糧土建投資與平房倉相近[4]。所以，淺圓倉已成為我國近年來大力發展的一種新倉型。然而，由于淺圓倉糧層高、單倉儲量大，給冬季通風降溫帶來了許多新問題。目前，國內常用的淺圓倉通風方式為在倉底設置地槽風道的垂直通風，但由于倉壁高度與倉內直徑之比約為1.5，所以垂直通風的空氣流動距離較長，通風過程中溫度、水分分層現象較為明顯，可能會出現頂部的糧食溫度還未達到標準，但底部糧食已經過度干燥的現象[5-6]。為此，文章基于多孔介質流動理論，提出了橫向通風的解決方案。通過在壁面安裝垂直支風道使空氣沿半徑方向移動至糧倉中心的集風管內，再排到糧倉上部的空氣區域。

目前，對通風時糧堆內部溫度變化的模擬計算主要使用Thorpe建立的數學模型[7]，該模型可以較好地反映糧堆內部溫度分布，文章也是在此模型的基礎上構建數學模型。Gadton等[8]通過建立糧堆熱濕耦合模型研究糧食內部溫度變化。Jian等[9]研究了實驗圓倉的溫度、濕度和儲藏周期等主要因素對油菜籽儲藏狀態的影響并建立了相關模型。Xu等[10]建立了筒倉內糧堆孔隙率對儲糧通風系統均勻性影響的相關數學模型。Khankari等[11]研究了糧食水分和空氣水分之間的傳輸關系，構建了與試驗數據相符的水分傳輸模型。Jia等[12]在笛卡爾坐標系下建立了二維圓筒倉糧堆溫度場模型。其研究結果對淺圓倉通風數學模型的建立有一定的參考作用。張燕君等[13]采用有限元數值模擬方法深入分析了在冬、夏不同季節平房倉的糧堆溫度分布。李祥利等[14]模擬研究了“圭”字形風道垂直通風狀態下糧堆溫度和水分變化規律。王雪等[15]模擬了在內熱源干擾下糧堆溫度場分布及變化情況。白忠權[16]基于多孔介質局部熱質平衡原理研究了淺圓倉中小麥糧堆在非人工干擾狀態下溫度、濕度分布及遷移變化規律。尹君等[17]利用實測糧溫數據，通過Matlab模擬軟件和糧溫擬合算法，重現了淺圓倉糧堆場分布并根據溫濕度場耦合理論分析預測儲糧狀態的短期變化，并基于溫水分場耦合原理進行了分析。王遠成等[18]和高帥等[19]建立了儲糧通風模型，對糧堆內部空氣流動及熱濕耦合規律進行模擬研究，重點研究了房式倉垂直和橫向通風過程中溫度前沿的變化。陳桂香等[20]、王遠成等[21]和任廣躍等[22]運用CFD模擬技術，模擬分析平房倉的準靜態儲藏和淺圓倉機械通風2種狀態下糧堆溫度場、介質流場的分布及變化趨勢。吳子丹等[23]提出采用糧堆多場耦合理論結合模型，可應用于各種倉型結構、結合糧堆實測溫度值對糧堆狀態進行短期預測，其研究結果對淺圓倉通風物理模型的建立以及模擬軟件的選擇和參數設置有一定的指導意義。盡管國內外對淺圓倉垂直通風時溫度變化的模擬計算和實倉測試研究已經取得了一定進展，但缺乏對橫向通風方式效果的模擬對比。

1 淺圓倉模型建立、條件設置與實際測點分布

以日照庫淺圓倉為研究對象建立物理模型，其直徑為30 m、檐高為30 m、裝糧高度為20 m、倉頂傾斜角度為19°，倉頂有4個直徑各為1 m的軸流風機出口。

1.1 淺圓倉垂直通風物理模型

底部風道為梳狀鋪設，分為2部分，每部分各設置1個進口，風道寬度為600 mm、高度為500 mm，出風面與糧倉地面平齊。淺圓倉垂直通風梳狀風道平面布置如圖1所示，淺圓倉垂直通風的物理模型如圖2所示。

圖1 淺圓倉底部梳狀風道平面布置圖

圖2 淺圓倉垂直通風網格圖

糧面及底部風道上側面邊界條件為可通過面，軸流風機出口為壓力出口。由于使用ICEM軟件可以比較簡便地畫出三維非結構網格，文章使用ICEM進行網格劃分。采用四面體和六面體相結合的方式劃分網格，在通風口和通風籠處加密，生成的網格數約為30萬。

1.2 淺圓倉橫向通風物理模型

淺圓倉橫向通風時通過沿壁面垂直安裝安裝的8根支風道使空氣沿半徑方向移動至糧倉中心的集風管，共設2臺風機，通過底層2個環形主風道將空氣分別均勻地分配至4個支風道。集風管直徑為2 m，考慮到底部需裝設出糧機，集風管底部距糧倉底部距離為1 m。淺圓倉橫向通風的物理模型如圖3所示。

圖3 淺圓倉橫向通風網格圖

糧面、通風籠、主風道內側面及集風管邊界條件為面，支風道頂面及主風道上側面邊界條件為壁面，軸流風機出口邊界條件為壓力出口。

使用ICEM進行網格劃分，生成的網格數約為30萬。

1.3 通風過程數學模型

1.3.1 連續性方程

小麥是一種典型的多孔介質，根據質量守恒理論，建立糧堆內的連續性方程，由式(1)表示為

式中：ε為孔隙率，%；ρa為空氣密度，kg/m3；t為時間，s；u為糧堆內部空氣的表觀速度或達西速度，m/s；?為哈密頓算子。

1.3.2 動量方程

通風時糧堆內部強迫對流流動及其阻力的動量方程由式(2)表示為

式中：p為壓力，Pa；μ為空氣的動力黏度，Pa·s；dp為谷物顆粒的等效直徑，mm。

式(2)中，方程右邊第3項為黏性阻力，第4項為慣性阻力，都是基于Ergun方程得到。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。

1.3.3 對流傳熱方程

糧堆內的熱量傳遞過程滿足熱力學第一定律，根據能量守恒方程可建立通風時糧堆內部熱量傳遞的對流傳熱方程，由式(3)表示為

式中：ca、cg、cw分別為空氣、糧食和水的比熱，J/(kg·℃)；W為糧食的含水量；keff為糧堆的有效導熱系數，W/(m·℃)；T為溫度，℃；hs為糧食中每千克水的吸附熱。式(3)中為熱源項，即糧食吸濕和解吸濕時產生的熱量。

1.4 數值模擬方法及初始、邊界條件

采用非穩態計算法，共計算14 d，時間步長為10 s。為了防止迭代過程不收斂或數值不穩定，采用欠松弛技術。研究噸糧通風量選用5.2 m3/(t·h)。經計算，每個進口的風量為9.104 kg/s。進口溫度為17℃，糧堆及空氣區域初始溫度為25℃，溫差為8℃。

1.5 實際測點分布

將糧堆按半徑1.5、5.5、9.5、13.5 m 分成4個環，由內到外分別設置3、6、12、18根，共計39根電纜，每根電纜均勻分布11個測點，共計429個測點，截面如圖4所示。裝糧9 000 t，噸糧通風量為5.2 m3/(t·h)。

圖4 淺圓倉測點分布截面圖

2 結果與分析

文章主要對比垂直與橫向通風7 d后的結果。底部梳狀風道的速度分布圖如圖5所示。通風入口處風速較大，到環形風道末端風速逐漸降低。各支風道風速基本一致，通風均勻性較好。

圖5 垂直通風底部梳狀風道速度分布圖

垂直通風第7天的速度和溫度分布圖如圖6所示。由圖6(a)中可以看出空氣均垂直向上通過糧面，因為糧堆表觀風速較為均勻，所以在糧堆的空氣區域并沒有產生渦流。由圖6(a)～(d)中可以看出，由于倉底風道位置分布的關系，糧堆中部的區域溫度降低的速率明顯慢于兩側區域溫度降低的速率。相比于橫向通風，因為糧倉空氣區域沒有渦流，所以空氣區域存在較大的溫度梯度，且空氣區域溫度大于糧堆溫度，中下部接近糧面處溫度最高。垂直通風通風阻力計算方法為進口平均壓力減去出口平均壓力，為1 643.7124 Pa。

橫向通風的底部環形主風道與支風道的速度變化圖如圖7所示。通風入口處風速較大，到主風道末端時，風速已逐漸降低。各支風道風速基本一致，通風均勻性較好。而且，相對于垂直地槽通風來說，橫向通風不會出現通風死角，通風降溫的均勻性大大提高。

橫向通風第7天的速度、溫度分布圖如圖8所示。從圖8(a)中可以看出，在糧堆底部，空氣沿水平方向進入集風管，但隨著高度上升，空氣無法水平進入集風管，更傾向于斜向直接通過糧面，支風管頂部的空氣直接垂直上升通過糧面。由于集風管內流量升高，空氣進入集風管的阻力逐漸提高，但集風管仍是十分必要的，如果沒有集風管，空氣短路的現象會更加明顯。由于大部分空氣從集風管排至糧倉空氣區域，倉頂風口無法直接將空氣排出，故會在倉頂空氣區域產生在壁面向下的渦流。由圖8(b)～(d)可以看出，糧堆中上部會形成一小塊高溫區域，這是由于空氣都是斜向通過該區域，是空氣在糧倉中的最長流動路線，阻力最大，所以通過該位置的風量較小。同時，該位置位于空氣流動的末端，溫度的降低會有延遲。比較圖6和8可以發現，橫向通風14 d后，糧堆上部的高溫區明顯小于垂直地槽通風，所以，橫向通風的降溫效果優于垂直通風。而且由于糧堆空氣區域存在渦流的緣故，空氣區域的溫度也能較為均勻地降低。橫向通風通風阻力計算方法同垂直通風通風阻力計算方法，為1 689.6016 Pa，與垂直通風阻力相近。這是由于文章模擬的裝糧線高度較低，與半徑長度接近，故與垂直通風相比沒有明顯優勢。后續又針對半徑為25 m、檐高為32 m、裝糧高度為30 m的倉型進行了模擬，發現其橫向通風阻力為1 614.96 Pa，垂直通風阻力為3 409.74 Pa。可以看出，當裝糧高度較高時，橫向通風通風阻力就會有明顯優勢。

圖6 垂直通風速度、溫度分布圖

圖7 橫向通風環形主風道與支風道速度分布圖

2種不同通風方式通風1～14 d的最高溫度和平均溫度模擬值以及通風實驗實測溫度對比如圖9所示。可以看出，2種通風方式的糧堆平均溫度變化基本一致，均在通風第7天時降低到15℃，并保持穩定。最高溫度在第8天之前維持初始溫度基本不變，這主要是由于通風前8天時，糧堆內部的溫度無法均勻降低，所以部分區域仍保持初始溫度。在第8天之后垂直通風平均溫度的降低快于橫向通風，垂直通風第10天時，糧堆最高溫度就已經接近糧堆平均溫度，而橫向通風第14天時糧堆最高溫度才接近糧堆平均溫度。這主要是由于橫向通風時，糧堆中上部的一小塊區域溫度無法快速降低，但由于此區域體積很小，對整體的平均溫度沒有顯著影響，且在第10天時最高溫度已降低至19℃，與平均溫度的溫差僅為2℃，在可接受范圍內。通過模擬值與實測值的對比可以看出，模擬值與實測值較為接近，模擬結果是可靠的。

圖8 橫向通風速度、溫度分布圖

圖9 垂直、橫向通風1～14 d最高、平均溫度模擬值及通風實驗實測溫度對比圖

3 結論

通過上述研究得出以下結論：

(1)垂直與橫向通風的平均溫度變化趨勢基本一致，且均在第7天時降低到15℃。受空氣流動影響，橫向通風時糧堆中上部存在一小塊高溫區域，但由于其體積很小，對平均溫度基本沒有影響，且該區域與糧堆平均溫度的溫差在允許的范圍內，故對糧食品質不會產生明顯影響。相對于垂直地槽通風來說，橫向通風不會出現通風死角，通風降溫的均勻性大大提高，總體上降溫效果優于垂直通風。

(2)橫向通風的空氣區域存在渦流，所以溫度降低較快且梯度較小，在通風第7天時空氣區域溫差為1℃；垂直通風的空氣區域存在較大的溫度梯度，在通風第7天時空氣區域溫差為3.5℃，且糧倉內最高溫度在空氣區域中下部。

(3)當裝糧高度為20 m時，橫向與垂直通風的通風阻力都約為1 600 Pa。當裝糧高度為30 m時，橫向通風阻力為1 614.96 Pa，垂直通風的通風阻力是橫向通風阻力的2倍，其值為3 409.74 Pa。可以看出橫向通風的通風阻力受裝糧高度影響較小，同時當裝糧高度較高時，橫向通風通風阻力就會有明顯優勢。