農戶用機械通風鋼網式小麥干燥儲藏倉的氣流場分析

劉立意，汪雨晴，趙德巖，王旭光，婁 正，柳芳久

農戶用機械通風鋼網式小麥干燥儲藏倉的氣流場分析

劉立意1，汪雨晴1，趙德巖1，王旭光1，婁 正2，柳芳久3

（1. 東北農業大學工程學院，哈爾濱 150030；2. 農業農村部規劃設計研究院，北京 100125；3. 黑龍江中良倉儲技術工程有限公司，哈爾濱 150008）

為保障農戶收獲后高水分糧食不落地安全儲藏，針對一種倉壁透氣中心帶通風立筒的圓形鋼網式農戶儲糧干燥倉，應用CFD法對收獲后高水分小麥在進行機械通風時的氣流場進行仿真分析，將倉內小麥堆等效為多孔介質，分析靜壓、動壓、流量等空間分布規律。結果表明：倉內靜壓和動壓值隨半徑（橫向）增加呈指數衰減；柱面流量隨半徑呈冪函數衰減；橫截面流量隨高度呈指數衰減；糧堆區豎向通風均勻度顯著優于橫向（徑向）；流量分布為倉底>上糧面>倉壁，倉壁氣流流量只占總流量的24.6%；實倉風速測試結果與仿真分析結果規律一致，平均相對誤差為16.35%，表明基于多孔介質模型和CFD法分析鋼網式儲糧干燥倉的流場分析具有較好的準確性，研究結果為此類鋼網式儲糧倉流場分析和優化提供了方法和依據。

糧食；儲藏；農戶儲糧倉；機械通風；流場分析；CFD法；多孔介質

0 引 言

中國作為糧食生產大國，糧食產后損失仍很嚴重[1-3]。在中國，每年農戶家庭儲糧約占糧食總產的50%左右[4]；由于農戶裝具與技術落后，每年糧食產后總損失（收獲、運輸、干燥和儲藏）達7%～11%[5]；其中干燥和儲藏環節的損失占總損失的近60%[6]。“十一五”以來國家大力投入糧食產后減損技術與裝備的研發與應用，特別是適于農村的科學儲糧技術和裝備研發與應用，使中國農戶儲糧技術與裝備得到很大的改善。

關于儲糧通風分析，國內外學者有較多研究。陳軍濤等[7]對平房倉橫向通風技術分析，安置于倉房頂部墻壁兩側且低于裝糧線位置的通風道可使氣流從一側風口吸入并橫向穿過糧堆后從另一側風口排出。盧洋等[8]驗證了橫向通風和立式通風對高大平房倉和小型圓倉內溫濕度的影響，立式通風更適合小型圓倉。吳曉宇等[9]在高大平房倉底部設計U型排風道，利用軸流風機糧食邊入倉邊通風換氣，以此降低糧食含水率。袁攀強等[10]對圓形臥式通風儲存倉小麥干燥進行試驗研究，對干燥過程中小麥水分、溫濕度、真菌孢子數等指標的變化規律進行試驗分析。仇素平等[11]通過對不同儲糧倉型進行機械通風形式的試驗，分析了通風特點、經濟性和適用性。上述研究均采用試驗方法，通過試驗檢驗倉通風設計的合理性。

另一類研究則從流體基本理論方程出發通過解析法來分析，徐泳等[12]以流函數為基本量導出了與布魯克的以壓力為基本量的谷倉通風方程（即壓力模型）的流函數模型，所得結果和繪出的等壓線與壓力模型完全等價。Sun[13]和Lukasse[14]等通過建立通風氣流的模型，預測了倉內溫度和水分的變化。解析法建模難度大，計算工作量大，很難做到精確定量。

隨著軟件的發展，基于CFD法的仿真分析逐漸被國內外學者應用于糧倉通風分析與設計。孫福艷等[15]基于CFD法研究了大型平房倉恒溫恒濕通風條件下，糧倉內溫度場、壓力場、速度場和水分分布情況。彭威[16]利用CFD法對倉儲糧堆靜態儲藏過程中的溫度和機械通風過程中的壓力的分布和變化進行數值模擬研究。任廣躍等[17]以倉儲糧堆機械通風試驗為基拙，以實倉試驗相關數據為依據，基于多孔介質模型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模型。俞曉靜等[18]基于多孔介質的傳熱傳質理論，建立了橫向通風過程中糧堆熱濕傳遞的數學模型，著重對橫向送風溫濕度不同的工況進行模擬和分析。顧巍[19]采用計算機仿真模擬和模型試驗相結合的方法設計了一種環形回流通風地槽。Thorpe[20]構建了糧堆中的水分及質熱傳遞的數字模型，利用Fluent軟件分析，并用試驗加以驗證。魯子楓等[21]對圓筒倉儲糧通風微環境進行模擬。Garg等[22]對機械通風時雜亂散布在圓筒倉內的糧食顆粒使用CFD軟件進行模擬，分析通風過程中流場在糧堆內部的分布形式。張成等[23]對平房倉糧食通風中空氣流速分布問題進行CFD數值模擬，通過糧堆插管的合理布置，可使糧食內部空氣流動速度得到有效改善，給出了插管提升通風效果的原理和插管優化設計的方向。潘鈺等[24]和Lukaszuk等[25]等利用CFD數值模擬，對糧倉阻力進行研究。Cerconse等[26]和Jia等[27]采用數值模擬的方法，對糧倉內的溫度和水分進行研究。

綜上，國內外針對糧倉通風降水研究較多應用CFD數值模擬方法進行可視化、定量化分析，并用試驗加以驗證；內容上以糧倉或糧堆的濕熱傳遞居多，對影響濕熱傳遞的主要因素氣流場的分布較少；研究對象針對的都是糧食倉儲和加工企業用于儲藏糧食的高大房式倉和淺圓倉，這些倉的結構特點多采用地籠豎向通風，倉壁不透氣。

本文針對JSWD-200鋼網式機械通風農戶儲糧干燥倉，應用CFD數值分析方法對該糧倉機械通風干燥時的氣流場進行仿真分析和實倉測試，以期研究結果為此類鋼網式倉型流場分析和優化提供方法和依據。

1 材料與方法

1.1 JSWD-200農戶儲糧干燥倉

如圖1所示，該倉為鋼骨架拼裝式圓倉，外徑3.8 m，裝糧段高2 m，總高3.28 m。倉體以矩形鋼管、鋼帶作骨架，倉壁和倉底為4 mm×6 mm菱形孔拉制鋼網，貼鋼網內壁再敷以密目尼龍紗網，倉頂有遮雨帽，倉壁外圈設有遮雨拉簾，倉中心設有直徑1m的鋼網式通風立筒，通風立筒上部設有擋風門，下端配有風機，自然通風時，打開擋風門，機械通風時，關閉擋風門，啟動風機，氣流由下部吹入通風立筒中，橫向穿過通風立筒進入糧層從倉壁、倉底和糧頂面流出，帶走水分，使糧層較快干燥或降溫。該倉為小麥儲藏、干燥、自然通風和機械通風結合的多用途倉。

1.遮雨帽 2.遮雨簾 3.支柱 4.倉體 5.倉頂 6.通風立筒 7.風機

1.2 模型建立及參數條件確定

基于Gambit構建農戶糧倉幾何模型，忽略骨架和鋼網等結構件，劃分網格，網格數30 290個；設置通風立筒底部入口為速度邊界，由實倉測得通風立筒入口風速為1.35 m/s；設置倉壁、倉底和上糧面為壓力出口邊界，因出口與大氣相通，設置壓強為0；通風管與糧粒接觸面的邊界設為內部面，擋風門設置為墻面；并劃分糧堆區域為多孔介質。實測入倉小麥含水率平均值為17.0%，溫度為27 ℃。

堆積的糧粒間存在孔隙，氣流在孔隙間流動，故可將其簡化為均勻且各向同性的多孔介質（porous zone）[16]，并確定孔隙率、等效直徑，流動類型和黏性阻力系數與慣性阻力系數。

1.2.1 孔隙率測定

由公式（1）計算孔隙率[16-17]：

1.2.2 等效直徑測定

式中、、為麥粒3個方向上的平均長度，mm

1.2.3 確定流動類型

流體在管道或孔隙中流動有湍流和層流2種狀態，在CFD中對應不同的計算模型，通常基于雷諾系數R判定，當R<2 000時流動狀態為層流；R>2 000時流動狀態為湍流。如式（3）

針對通風立筒區域，入口風速為1.35 m/s，管徑=1 m，計算得雷諾數R= 86 472 >2 000，由此判定通風立筒中流場為湍流狀態，故選用模型分析。

1.2.4 黏性阻力系數與慣性阻力系數計算

在多孔介質區，氣流穿過迂曲聯通的孔隙路徑到達倉壁，會產生較大的壓力損失，包括黏性損失和慣性損失，其損失系數采用Ergun方程項進行計算

2 結果與分析

2.1 倉靜壓、動壓和流量場分析

從糧倉底網起向上每間隔0.2 m高建立水平截面，再由半徑0.5 m的通風立筒壁面至半徑1.9 m倉壁面每間隔0.2 m建立的同心圓柱面，分析各水平截面和各同心圓柱面上流場變化規律。

2.1.1 氣流跡線分析

跡線是流體質點在空間運動軌跡的表示，倉內糧堆是由無數微小糧粒堆積而成，堆積的糧粒間存在孔隙，對極為微小的空氣分子而言糧粒間孔隙可視為相互連通的一個立體網路，在糧堆中從一點到另一點有巨量路徑聯通，有長有短。氣流分子的流動總是趨向于壓力梯度大阻力小的路徑。通過跡線圖可直觀清晰地表達流體粒子穿過糧層的路徑，圖2為分析得到的跡線圖。

圖2 農戶儲糧干燥倉氣流跡線圖

風機將氣流從下向上吹入通風立筒，沿途一部分氣流從筒側壁網橫向穿入糧堆，一部分氣流繼續向上被筒頂部擋風門阻擋，從擋風門周邊區域斜向上穿過上部較薄的糧層吹出，擋風門上方凌亂的跡線為少部分氣流形成的湍流區。因此，擋風門高度最好可調，使通風立筒周邊覆蓋足夠厚的糧層，以阻擋氣流過多的泄漏。

在糧倉中層區域，氣流橫向徑直穿過糧堆排出倉壁；在糧倉上、下層區域，氣流先橫向穿入糧堆，而后分別逐漸以水平面為基準偏轉向上和下穿過糧層從糧面和倉底網排出，偏轉角隨半徑加大逐漸增大。

2.1.2 倉內靜壓場分析

圖3所示為倉各水平截面靜壓分布曲線，代表截面高度。

靜壓值沿倉軸線呈對稱分布。

在通風立筒內（<0.5 m），各水平截面上靜壓值大小相等，約106 Pa，且為系統最大值；接近通風立筒壁區域靜壓值開始下降。

注：h為截面高度，m。下同

=0.5 m的通風立筒壁處各水平截面靜壓值相近，約95 Pa，隨半徑增大靜壓值迅速下降，相差迅速加大，在1/3糧層徑向厚度處（約半徑1 m）附近相差最大22 Pa（0.8 m水平截面靜壓最大37 Pa，0.2 m水平截面靜壓最小15 Pa），半徑繼續增大后，靜壓值逐漸收斂，差值逐漸收斂，至倉壁處（=1.9 m）各截面靜壓值降至零（大氣壓）。即在各水平截面上，從通風立筒壁向外隨半徑增大靜壓值和靜壓梯度值均呈非線性下降趨勢。

各水平截面靜壓值與半徑的關系可用式（6）的指數函數形式表達，如表1所示。

式中為系數，為半徑，m。為靜壓值，Pa。

表1 靜壓值與半徑關系函數系數及擬合度

2.1.3 倉內動壓場分析

動壓是流體流速大小的度量，倉內氣流流速分布如圖4所示，從圖中分析可得：水平各截面上軸線附近氣流流速最大，在<0.5m的通風立筒內，隨半徑加大流速下降，至半徑0.5 m的通風立筒壁附近，流速曲線出現拐點，從通風立筒壁至倉壁的糧層區域各水平截面流速值隨半徑呈緩慢下降趨勢。豎直方向上，在通風立筒內，各水平截面流速值差異大，=0的底部截面流速最大，隨截面高度增加流速迅速下降，在=1.6 m截面上流速值約為0.3 m/s，上下差值達1 m/s，這是由于氣流向上流動時不斷從通風立筒側壁橫向流出，筒上層氣流流量逐漸下降，從而流速逐漸降低，在1.8和2.0 m截面處由于擋風門存在，流速接近0。

圖5為=0.7 m的通風立筒壁面至1.9 m倉壁，各同心圓柱面上的氣流流速隨高度分布的曲線，分析可得：各柱面上、中、下流速不一致；在=0.7 、0.9 m柱面上流速分布特征是中間偏小，上下偏大，呈C形；分析原因是此區域有較多氣流就近從上下表面溢出，因此建議在上糧面和倉底網遮蓋0.5～0.9 m半徑的環形擋流板；而在=1.1～1.9 m柱面上流速分布剛好相反中間大，上下小，呈反C形；說明在靠倉外圈上下端附近的流速小，原因是氣流到倉四角的距離最長，壓力損失大，速度小，流量小，存在通風死角；不過倉外圈會受外界自然風作用，可彌補正壓機械通風的不足。

圖4 農戶儲糧干燥倉內各截面氣流流速隨半徑分布曲線

注：r為半徑，m。

各水平截面動壓值（Pa）與半徑的關系可用式（7）的指數函數形式表達，如表2所示。

表2 動壓值與半徑關系函數系數及擬合度

2.1.4 倉內流量場分析

流量及分布均勻性是反映糧倉通風性能的關鍵指標。

1）各圓柱截面流量分析

各柱面通過的氣流流量數值如表3。

表3 各圓柱面流量分析表

注：0.5 m處柱面高為1.8 m

Note: the cylindrical height at 0.5 m is 1.8 m

表3表明，各柱面總流量和單位面積流量均隨半徑增加非線性減小，半徑0.5 m處的通風立筒壁面有最大流量1.054 m3/s，倉壁流量最小，為0.259 m3/s，差值達0.795 m3/s。

采用中心內筒正壓吹入式通風的圓倉，隨半徑增加單位通風量按冪函數規律降低，其干燥降水性能內外不同。其單位面積流量的均勻性可由公式（10）[29]評價

計算得=0.046，值近于零，說明流量均勻度差，不利于干燥降水的均勻性。

2）橫截面流量分析

糧堆中氣流沿半徑橫向流動時還有部分向上、下方分流，各橫截面總流量和單位面積流量分析如表4：各截面總流量和單位面積流量均隨高度增加而非線性減小，底網處有最大流量0.474 m3/s，糧層上表面流量最小，為0.32 m3/s，內外差值0.154 m3/s。

再由公式（10）計算得=0.866

因此，圓倉氣流的縱向（高度）均勻性比橫向（徑向）好很多。

表4 各橫截面流量分析表

3）各出口面流量比

根據流體力學流體進出流量相等原理，有

表5 各出口面流量比值

分析表5，倉底網流出流量最大，其次為上糧面，而倉壁流出流量只占總流量的24.6%，也就是說該倉型有3/4的流量是從上下面流出，這會導致中層流量偏小，中層降水和降溫能力不足。

2.2 實倉風速測試

測量裝置：沈陽加野科學儀器有限公司的加野KANOMAX熱式風速儀KA31，分辨率0.01m/s；自制底徑275 mm，頂徑25 mm，變比為121∶1的表觀風速測定器。

測試方法：用風速儀直接測通風立筒入口截面中心、半徑0.2 、0.4 m處風速，得入口平均風速值為1.35 m/s，用表觀風速測定器配合風速儀測定上糧面、倉壁面和倉底網風速分布，上糧面測點半徑分別為0.9、1.2、1.7 m；倉壁測東、西、南、北4個方向，測點高度分別為1.75、1.25、0.75、0.25 m；倉底網測量西南、西、南3個方向，測點半徑分別為1.2、1.7 m。結果如表6、7和8。表中實測均值為風速儀示值經121∶1變比換算后的實際風速值的均值，差值為仿真值與實測均值之差。

由上表6~8可看出，風速實測值與仿真值相近，各測點仿真值略小于實測值，存在一定系統誤差，最大差值為-0.005 9 m/s，平均相對誤差為16.35%；實測風速在倉壁面中部大，上下部位略小；上糧面和倉底網實測風速隨半徑增大遞減與仿真結果的分布規律相同；按公式（10）計算實測風速沿倉壁面豎向均勻度為0.946，沿上糧面橫向（徑向）均勻度為0.422，沿倉底網橫向（徑向）均勻度為0.594，實測風速值進一步驗證了糧倉豎向通風均勻度優于橫向（徑向）的仿真分析結果。

表6 上糧面風速實測值與仿真值

表7 倉壁風速實測值與仿真值

表8 倉底網風速實測值與仿真值

3 討 論

在結構上，該倉特點是外壁透氣，中心有立式通風網筒，氣流橫向（徑向）穿入糧層；論文基于多孔介質模型和CFD方法，給出了氣流場靜壓、動壓、流量隨半徑及高度的分布曲線，得到了流場分布的函數規律為靜壓和動壓值隨半徑（橫向）增加呈指數衰減，柱面流量隨半徑增加呈冪函數規律（指數<0）衰減；橫截面流量隨高度增加呈指數規律衰減的流場變化規律。論文還從縱橫（徑）向分析了氣流場的均勻性。

針對糧倉通風分析，國內外已有研究較多在倉壁不透氣的高大平房倉和淺圓倉型，其結果與本文有異同。文獻[13]對高大型平房倉（矩形倉、倉壁不透氣、地籠垂直通風方式）通風期間糧堆內部流場模擬研究；發現風速底層最小，二層最大，而后各層逐漸遞減的趨勢；其中底層和二層風速呈正弦變化，其規律與本文不同，這正是由于倉型結構和通風管網布置不同所致；底下二層流速正弦規律應是間隔布置的通風地籠間氣流耦合所致；文獻未對速度或壓力變化的數值關系以及流場均勻性進一步探究。

文獻[11]對外壁透氣圓形臥式通風儲存倉（直徑3 m，長3 m，中部設有直徑300 mm通風管）進行小麥干燥試驗研究。該倉結構和尺寸與本論文相近，但臥式放置；對干燥過程中小麥水分、溫濕度、真菌孢子數等指標的變化規律進行了試驗分析，文獻為純試驗研究，該文未進行氣流場研究。

文獻[28]以1 m ×1 m ×0.5 m通風性能試驗裝置對小麥糧堆橫向和豎向通風性能參數進行試驗研究，得到小麥堆豎向通風條件下的均勻性好于橫向通風，這與本文分析結果一致。

此外，文獻[10]和文獻[28]提出反向通風能有效降提高通風效果，本文也進一步提出間歇式換向通風以改進通風效果的方法還有待進一步研究。

4 結 論

針對側壁透氣中心帶通風立筒的圓形鋼網式農戶儲糧干燥倉，采用正壓吹入式機械通風并對其仿真分析與實倉測試，結果表明：

1）在倉糧堆區，靜壓、動壓和流量均隨谷層半徑增加呈下降趨勢；其中靜壓和動壓隨半徑增加呈e指數遞減；柱面總流量和單位面積流量隨半徑呈冪函數遞減；橫截面總流量和單位面積流量隨糧層高度呈指數規律下降。

2）倉糧堆區豎向（縱向）通風均勻度顯著優于橫向（徑向）；在通風立筒壁至半徑0.9 m柱面區間，上下糧層區流速偏大；建議在上糧面和倉底網上遮蓋0.5～0.9 m半徑的環形擋流板，以改善徑向均勻性。

3）倉底網氣流流量最大，其次為上糧面，而倉壁流量最小只占總流量的24.6%，也就是說該倉型只有1/4流量從倉壁排出，而有3/4的流量是從上下層面流出，倉壁排風量偏低。

4）正壓吹入通風時氣流由內圈向外圈流動，內圈單位流量大于外圈，這是由該倉結構特點所致，建議采用正壓吹入和負壓吸出結合的間隔換向通風方式，以補償圓倉內外圈風量不均問題。

5）基于CFD方法和多孔介質模型應用于糧倉的流場仿真具有較好的準確性，實倉風速測試結果與仿真分析結果規律一致，平均相對誤差為16.35%。

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Analyzing airflow in dry grain storage silo with ventilation using CFD

Liu Liyi1, Wang Yuqing1, Zhao Deyan1, Wang Xuguang1, Lou Zheng2, Liu Fangjiu3

(1.150030,;2.,,100125,; 3..,.,150008,)

In order to ensure safe storage of highly moist grain after harvest and alleviate grain loss, we took a dry circular steel grain storage silo with a vertical ventilation tube in its center as an example and simulated airflow in the silo filled with highly moist wheat grain after harvest, using CFD. The effect of the wheat grain on airflow was approximated by a porous medium model, and the static and dynamic pressure in the silo was analyzed. The results showed that the static and dynamic pressure and the flow rate decrease exponentially with distance from the ventilation tube. Horizontally, the radial flow rate and the flow velocity (flow rate through per unit areas) both decreased with the distance from the ventilation tube in a power law. Vertically, both the flow rate and velocity decreased exponentially with the height of the grain. The ventilation in the grain stack area was more uniform in the vertical (longitudinal) direction than in the transverse (radial) direction, and the air velocity in the upper and lower part of the grain in the silo was higher than that in region from the vertical ventilation wall to 0.9m away from the central ventilation tube. It was found that the annular baffle with radius of 0.5 m and 0.9m could cover the upper surface and bottom of the silo respectively to improve uniformity of the ventilation. The airflow in the bottom of the silo was highest, followed by the upper surface. The minimum flow rate in the silo wall was only 24.6%, meaning that 1/4 of the flow was discharged from the silo wall and 3/4 was from the upper and low sides. The volume of the exhaust of the silo wall was on the low side. Wind speed test results were consistent with the simulations, with an average relative error of 16.35%. When pressurized air was flow into the ventilation, air flowed radially and the air velocity in the central silo was higher than that in region proximal to the silo wall. It was suggested that periodically ventilating the silo by blowing pressurized air followed by suction with vacuumed air can improved evenness of the air in the silo. The wind speed measurements in the silo were in good agreement with the simulations, proving that combing CFD with the porous media model was accurate to simulate airflow in the silo. The simulation results provide guidance for improving and optimizing silo management.

grain; storage; farmer’s grain storage; mechanical ventilation; flow field analysis; CFD method; porous media

劉立意，汪雨晴，趙德巖，王旭光，婁 正，柳芳久.農戶用機械通風鋼網式小麥干燥儲藏倉的氣流場分析[J]. 農業工程學報，2020，36(2)：312－319. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.036 http://www.tcsae.org

Liu Liyi, Wang Yuqing, Zhao Deyan,Wang Xuguang, Lou Zheng, Liu Fangjiu. Analyzing airflow in dry grain storage silo with ventilation using CFD[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 312－319. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.036 http://www.tcsae.org

2019-07-01

2019-12-03

公益性行業（農業）科研專項（201003077）；國家重點研發計劃子課題（2017YFD0401405-02）

劉立意，研究員級高級工程師，研究方向：農業工程測控技術。Email：lyliu2468@sina.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.036

S229+.3

A

1002-6819(2020)-02-0312-08