淺圓倉壓入式和吸出式通風(fēng)效果對比研究

張修霖,楊開敏*,王遠(yuǎn)成,石天玉

淺圓倉壓入式和吸出式通風(fēng)效果對比研究

張修霖1,楊開敏1*,王遠(yuǎn)成1,石天玉2

1. 山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250101 2. 國家糧食與物資儲備局科學(xué)研究院, 北京 100037

基于CFD數(shù)值模擬技術(shù)，對淺圓倉儲糧不同通風(fēng)方式降溫下溫度的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了分析，對比了通風(fēng)降溫的效果。文章研究的糧種為不易儲藏的大豆，數(shù)值模擬了壓入式通風(fēng)和吸出式通風(fēng)方式下，糧堆內(nèi)溫度分布及速度分布的變化規(guī)律，對比四種通風(fēng)條件下糧堆內(nèi)部的溫度變化，分析了其均勻性及降溫速率。研究發(fā)現(xiàn)四種通風(fēng)方式下淺圓倉糧堆區(qū)域的通風(fēng)效果接近，通風(fēng)均勻性較好；但吸出式（中心集風(fēng)管頂部密閉）通風(fēng)時(shí)，降溫速率更高，糧溫均勻性更好，研究結(jié)果對淺圓倉倉儲大豆通風(fēng)降溫方式的選擇提供了理論指導(dǎo)和依據(jù)。

糧倉; 通風(fēng)效果; 對比分析

淺圓倉是一種倉內(nèi)裝糧高度與直徑之比小于1.5倍的地上立筒倉[1]，淺圓倉自上世紀(jì)后期引入中國，經(jīng)過二十多年的發(fā)展和研究，淺圓倉徑向通風(fēng)技術(shù)相關(guān)研究已比較成熟，并被大規(guī)模推廣應(yīng)用。與傳統(tǒng)平房倉相比，淺圓倉具有占地面積小、堆糧高度高、機(jī)械化作業(yè)水平高，倉儲物流費(fèi)用低等特點(diǎn)，在糧食倉儲行業(yè)應(yīng)用更為廣泛[2]。

大豆不耐高溫，過高的溫度會引起大豆的主要成分發(fā)生物理、化學(xué)和生物變化，例如蛋白質(zhì)變性、脂肪分解等[3]，因此溫度是大豆儲藏過程中至關(guān)重要的影響因素。淺圓倉由于儲量大、糧堆高、自動分級嚴(yán)重，存在通風(fēng)阻力大、通風(fēng)效率低、能耗高，通風(fēng)后溫度水分分層明顯，通風(fēng)過程中水分丟失嚴(yán)重的問題。特別是在儲存進(jìn)口大豆過程中，因大豆發(fā)熱升溫速度較快，對通風(fēng)效率要求極高，如果短時(shí)內(nèi)解決不了發(fā)熱問題極易造成板結(jié)、結(jié)塊，甚至走油赤變，嚴(yán)重時(shí)可能會出現(xiàn)碳化等現(xiàn)象[4]。因此對大豆進(jìn)行通風(fēng)降溫，將溫度控制在合理范圍內(nèi)就可以安全儲存。

使用數(shù)值模擬方法求解糧堆內(nèi)傳熱傳質(zhì)問題是近年來的一種新方法[5,6]。目前，對通風(fēng)時(shí)糧堆內(nèi)部溫度變化的模擬計(jì)算主要使用Thorpe建立的數(shù)學(xué)模型[7]，該模型可以較好地反映糧堆內(nèi)部溫度分布。Gadton A等[8]通過建立糧堆熱濕耦合模型研究糧食內(nèi)部溫度變化。王遠(yuǎn)成等[9]和高帥等[10]建立了儲糧通風(fēng)模型，對糧堆內(nèi)部空氣流動及熱濕耦合規(guī)律進(jìn)行模擬研究，重點(diǎn)研究了房式倉垂直和橫向通風(fēng)過程中溫度前沿的變化。戚禹康等[11,12]運(yùn)用CFD技術(shù)，模擬分析了淺圓倉模擬分析了淺圓倉橫向和垂直通風(fēng)兩種狀態(tài)下糧堆溫度場和流場的分布及變化趨勢。

盡管國內(nèi)外對淺圓倉機(jī)械通風(fēng)時(shí)溫度變化的模擬計(jì)算和實(shí)倉測試研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，但缺乏對徑向壓入式通風(fēng)和吸出式通風(fēng)的對比研究，也大都沒有考慮糧食儲存中初始溫度分布不均勻的情況。為此，本研究以大豆為研究對象，探究在相同通風(fēng)量條件下，壓入式和吸出式徑向通風(fēng)時(shí)糧堆內(nèi)溫度場和速度分布的情況及變化趨勢，并通過分析不同通風(fēng)方式對糧堆溫度均勻性、降溫速率等指標(biāo)的影響。得到的結(jié)果可以為淺圓倉儲糧最優(yōu)通風(fēng)方式的選擇提供理論依據(jù)。

1 淺圓倉物理模型及數(shù)學(xué)模型建立

以淺圓倉為研究對象，建立物理模型，直徑2 m，高3.3 m，裝糧高度為2.0 m，倉頂部有四個(gè)直徑口為0.1 m的風(fēng)機(jī)出口。如圖1所示，淺圓倉徑向通風(fēng)系統(tǒng)是由沿壁面上的16根支風(fēng)道和中心集風(fēng)管組成，支風(fēng)道為緊貼倉壁的弧面，中心集風(fēng)管為變徑開孔圓管。壓入式通風(fēng)時(shí)，氣流由垂直支風(fēng)道水平進(jìn)入糧堆，并沿著半徑方向移動至糧倉中心的集風(fēng)管，經(jīng)過集風(fēng)管和糧面排到糧倉上部的空氣區(qū)域，然后通過倉頂?shù)念A(yù)留風(fēng)機(jī)口排出倉外；吸出式通風(fēng)期間氣流經(jīng)糧面及中心集風(fēng)管進(jìn)入糧堆，并沿圓周方向進(jìn)入垂直支風(fēng)道，最后匯入四周環(huán)形支風(fēng)道，經(jīng)預(yù)留風(fēng)機(jī)口排出倉外。

圖1 淺圓倉物理模型圖

圖2 淺圓倉徑向通風(fēng)網(wǎng)格圖

1.1 淺圓倉壓入式通風(fēng)和吸出式通風(fēng)物理模型

本模型是根據(jù)試驗(yàn)淺圓倉的實(shí)際尺寸通過ICEM建立了淺圓倉徑向壓入式通風(fēng)和吸出式通風(fēng)的數(shù)值模擬的物理模型。糧堆分為三個(gè)區(qū)域，即第一層為最下層，高度為1 m；第二層為中層，高度為0.5 m；第三層為最上層，高度為0.5 m，各層的初始溫度分布皆不相同。當(dāng)壓入式通風(fēng)時(shí)，支風(fēng)道底部邊界條件為inlet，淺圓倉頂部四個(gè)離心機(jī)出口為outlet；當(dāng)吸出式通風(fēng)時(shí)，出入口邊界條件互換，即倉頂部離心機(jī)出口邊界條件為inlet，支風(fēng)道底部為outlet。同時(shí)為了探究更優(yōu)通風(fēng)方式，還建立了集風(fēng)管頂部邊界條件為wall，其余條件和上述條件一致設(shè)立物理模型。然后對模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，如圖2所示。經(jīng)過網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，最終確定網(wǎng)格數(shù)量約為37萬。

1.2 通風(fēng)過程數(shù)學(xué)模型

1.2.1 連續(xù)性方程糧堆是一種典型的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)，根據(jù)流體力學(xué)理論和質(zhì)量守恒定律，糧堆上部空氣區(qū)域的連續(xù)性方程為：

式中一空氣密度，㎏·m-3；-時(shí)間，s；一氣體流速，m/s-1；▽一哈密頓微分算子。

在多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)模型中，根據(jù)谷物顆粒對氣流的影響，在流體的連續(xù)性方程中加入谷物顆粒的體積分?jǐn)?shù)項(xiàng)[13]，即：

式中—?dú)怏w的體積分?jǐn)?shù)項(xiàng)。

1.2.2 動量守恒方程空氣區(qū)域的流體的運(yùn)動微分方程（N-S方程）為：

式中—?dú)怏w微元體上的壓強(qiáng)，Pa；—重力加速度，m·s-2；—?dú)怏w動力粘度，Pa·s。

因?yàn)榻o糧堆進(jìn)行通風(fēng)時(shí)，谷物顆粒會對氣流形成阻力，所以在流體對流流動及其阻力的動量方程中加入動量源項(xiàng)S，

式中動量源項(xiàng)S=-Rv-2。其中—?dú)怏w的動力粘度，Pa·s；是空氣的表觀速度或達(dá)西速度，m·s-1。

1.2.3 對流傳熱方程

1.3 邊界及初始條件

模擬研究對象為大豆，本次模擬噸糧通風(fēng)量選用5.2 m3/(t·h)。送風(fēng)溫度即進(jìn)口溫度為15 ℃，糧堆初始平均溫度為22.75 ℃，糧堆區(qū)域溫度分層，最下層溫度為22 ℃、中層溫度為23 ℃、最上層溫度為24 ℃，空氣區(qū)域溫度為24 ℃，送風(fēng)溫度與糧堆平均溫度溫差約為8 ℃。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 壓入式通風(fēng)過程中糧堆溫度變化的模擬結(jié)果及分析

圖3和圖4為主風(fēng)道頂部密閉及開孔壓入式通風(fēng)時(shí)的氣流流線分布圖，從圖中可以看出兩種通風(fēng)氣流方向十分相似，氣流由垂直支風(fēng)道水平進(jìn)入糧堆，并沿著半徑方向移動至糧倉中心的集風(fēng)管，隨著高度升高，一部分氣流斜向上進(jìn)入集風(fēng)管，另一部分氣流垂直向上通過糧面排到倉體上部空氣區(qū)域，唯一區(qū)別是當(dāng)集風(fēng)管頂部密閉時(shí)，集風(fēng)管內(nèi)的氣流通過就近的糧面排至倉體上部空氣區(qū)域。在支風(fēng)道及集風(fēng)管中速度較大，糧堆內(nèi)速度較小且均勻，無通風(fēng)死角。

圖 3 壓入式通風(fēng)（中心集風(fēng)管頂部密閉）流線圖

圖4 壓入式通風(fēng)（中心集風(fēng)管頂部開孔）流線圖

圖5和圖6為壓入式通風(fēng)時(shí)各層糧堆溫度及總糧堆平均溫度的變化曲線圖，可以看出各層糧堆溫度及總糧堆平均溫度都是隨著通風(fēng)時(shí)間下降的，下層糧溫較低，上層糧溫較高，這是由于上層初始溫度就較下層初始溫度高，且低溫氣流首先通過最下層糧堆，會帶走一部分熱量，然后通過糧堆或集風(fēng)管排出。通過對比圖5和圖6，可以看出兩種通風(fēng)方式，各層糧堆及總糧堆平均溫度下降趨勢基本吻合，下邊兩層糧食及糧堆平均溫度在通風(fēng)1~4 d內(nèi)下降趨勢更為明顯，這是由于隨著通風(fēng)時(shí)間增加，下邊兩層糧堆與低溫氣流間的溫差逐漸變小，降溫趨勢由前幾天的下降明顯也逐漸變緩；最上層糧堆溫度在通風(fēng)3~6 d內(nèi)下降趨勢更為明顯。

圖 5 壓入式通風(fēng)（中心集風(fēng)管頂部密閉）溫度變化

圖6 壓入式通風(fēng)（中心集風(fēng)管頂部開孔）溫度變化

圖7和圖8為主風(fēng)道頂部密閉及開孔兩種情況下壓入式通風(fēng)第5 d的溫度分布圖，由圖可以看出溫度分布與速度矢量相關(guān)，糧堆等溫線與風(fēng)速方向幾乎成90°夾角，由倉壁沿著通風(fēng)氣流方向糧溫逐漸增加，這是由于倉壁處糧溫先快速下降直至接近通風(fēng)溫度。圖9和圖10為主風(fēng)道頂部密閉及開孔2種情況下壓入式通風(fēng)第11 d的溫度分布圖，表1為壓入式通風(fēng)第11 d時(shí)各糧層溫度情況。

表1 壓入式通風(fēng)第11 d時(shí)糧堆溫度

圖7 壓入式通風(fēng)（頂部密閉）5 d溫度分布

圖8 壓入式通風(fēng)（頂部開孔）5 d溫度分布

圖9 壓入式通風(fēng)11 d（頂部密閉）溫度分布

圖10 壓入式通風(fēng)11 d（頂部開孔）溫度分布

由圖和表中可以看出，通風(fēng)11 d時(shí)，在上層糧堆靠近集風(fēng)管處都會形成一小塊高溫區(qū)域，這是由于此處位于通風(fēng)中氣流在糧堆最長流動路線的末端，同時(shí)該處阻力較大，風(fēng)量較小，故溫度變化會有延遲。通過溫度分布圖可以看出，除去小塊高溫區(qū)域外，溫差都在1 ℃以內(nèi)，糧堆的溫度也都均勻降低，說明通風(fēng)均勻性較好。在通風(fēng)第11 d時(shí)，上層糧堆最低糧溫接近15 ℃，已經(jīng)接近通風(fēng)溫度，平均糧溫也降至16 ℃以下，但也在上層糧堆局部存在最高溫度16.37 ℃和16.25 ℃，從溫度變化趨勢圖亦可看出從第7~8 d糧溫下降趨勢已經(jīng)非常緩慢，這是由于低溫通風(fēng)氣流和糧堆的溫度梯度已經(jīng)變得很小，而且上層糧堆大多處于通風(fēng)氣流流動路線的末端。

2.2 吸出式通風(fēng)過程中糧堆溫度變化的模擬結(jié)果及分析

圖11和圖12為主風(fēng)道頂部密閉及開孔吸出式通風(fēng)時(shí)的氣流流線分布圖，可以看出兩種通風(fēng)方向十分相似，一部分氣流由糧堆表面和大部分氣流中心集風(fēng)管進(jìn)入糧堆，斜穿過糧層后進(jìn)入倉壁四周的垂直支風(fēng)道，然后排出倉外，區(qū)別是兩種通風(fēng)方式產(chǎn)生渦流區(qū)域不同，且當(dāng)集風(fēng)管頂部密閉時(shí)，氣流會就近通過糧面進(jìn)入中心集風(fēng)管。通過流場可以看出，在支風(fēng)道及集風(fēng)管內(nèi)速度較大，糧堆內(nèi)速度較小且均勻，無通風(fēng)死角。

圖13和圖14為吸出式通風(fēng)時(shí)各層糧堆溫度及總糧堆平均溫度的變化曲線圖，可以看出各糧層溫度及糧堆平均溫度都是隨著通風(fēng)時(shí)間下降的，但有部分糧堆平均溫度在通風(fēng)初始會先升高然后再隨著通風(fēng)時(shí)間下降，剛開始通風(fēng)降溫時(shí)，下層糧溫較低，上層糧溫較高，這是由于上層糧食初始溫度就較下層糧食初始溫度高；隨著通風(fēng)時(shí)間增加，上層糧溫較低，下層糧溫較高，這是由于低溫氣流從上層糧堆進(jìn)入對糧堆進(jìn)行降溫且會帶走一部分熱量經(jīng)過下層糧堆然后排出倉外。通過對比圖13和圖14，中層糧堆當(dāng)中心集風(fēng)管上部密閉時(shí)降溫趨勢比較明顯，與上層糧堆降溫趨勢趨于接近。上邊兩層糧食及糧堆平均溫度在通風(fēng)1~5 d內(nèi)下降趨勢更為明顯，這是由于隨著通風(fēng)時(shí)間增加，上邊兩層糧食與低溫氣流溫度梯度逐漸變小，降溫趨勢由前幾天的下降明顯也逐漸變緩；最下層糧食溫度在通風(fēng)降溫時(shí)下降趨勢比較緩慢，這是由于下層糧堆溫度與通過中上層糧堆的空氣溫度溫差較小，溫度梯度較小且通風(fēng)氣流會攜帶熱量通過下層糧堆排出倉外。

圖11 吸出式通風(fēng)（中心集風(fēng)管頂部密閉）流線圖

圖12 吸出式通風(fēng)（中心集風(fēng)管頂部開孔）流線圖

圖13 吸出式通風(fēng)（頂部密閉）溫度變化

圖14 吸出式通風(fēng)（頂部開孔）溫度變化

圖15和圖16為主風(fēng)道頂部密閉及開孔吸出式通風(fēng)第5 d的溫度分布，由溫度分布圖可以看出溫度有明顯的分層現(xiàn)象，糧倉上部空氣區(qū)域及中心集風(fēng)管附近溫度最低，水平方向糧堆溫度由中心集風(fēng)管順著通風(fēng)氣流方向逐漸增加，豎直方向遠(yuǎn)離集風(fēng)管靠近倉壁糧堆區(qū)域溫度變化不大，但糧堆頂部越靠近空氣區(qū)域溫度已經(jīng)有明顯降低。

圖17和圖18為主風(fēng)道頂部密閉及開孔吸出通風(fēng)第11 d的溫度分布圖，表2為由數(shù)值模擬導(dǎo)出的各層糧堆溫度。從中可以看出，通風(fēng)11 d時(shí)，在下層糧堆靠近支風(fēng)管處都會形成一小塊高溫區(qū)域，這是由于此處位于通風(fēng)中氣流在糧堆最長流動路線的末端，同時(shí)該處阻力較大，風(fēng)量較小，故溫度降低會有延遲。通過溫度分布圖可以看出，除了小塊高溫區(qū)域外，溫差都在1 ℃以內(nèi)，糧堆的溫度也都均勻降低，說明通風(fēng)均勻性較好。在通風(fēng)第11 d時(shí)，下層糧堆最低糧溫為15 ℃，已經(jīng)接近通風(fēng)溫度，平均糧溫也降至16 ℃以下，但也在下層糧堆存在最高溫度16.44 ℃和16.84 ℃，從溫度變化趨勢圖亦可看出從第7~8 d糧溫下降趨勢已經(jīng)非常緩慢，這是由于溫度梯度已經(jīng)變得很小，而且下層糧堆大多處于通風(fēng)氣流流動路線的末端，溫度變化略有延遲。

表2 吸出式通風(fēng)第11 d時(shí)糧堆溫度

圖 15 吸出式通風(fēng)（頂部密閉）5 d溫度分布

圖 16 吸出式通風(fēng)（頂部開孔）5 d溫度分布

圖 17 吸出式通風(fēng)（頂部密閉）11 d溫度分布

圖 18 吸出式通風(fēng)（頂部開孔）11 d溫度分布

2.3 壓入式和吸出式通風(fēng)效果對比分析

由兩種工況計(jì)算結(jié)果的流線圖可以看出，4種通風(fēng)方式均能夠達(dá)到近似的效果，在支風(fēng)道及集風(fēng)管速度較大，糧堆內(nèi)速度較小且均勻，無通風(fēng)死角。但通過對比4種通風(fēng)方式對糧堆平均溫度變化的影響，由圖19可以看出當(dāng)通風(fēng)量相同時(shí)，隨著通風(fēng)時(shí)間增加，糧堆平均溫度都呈相似的下降趨勢，都是在前5 d溫度下降明顯，5 d后下降趨勢逐漸平緩。通過對比不同工況下的糧堆平均溫度變化曲線，可以得出淺圓倉吸出式通風(fēng)且中心集風(fēng)管頂部密閉時(shí)的通風(fēng)方式糧堆平均溫度下降趨勢最為明顯。

圖 19 四種通風(fēng)方式糧堆平均溫度變化

3 結(jié) 論

當(dāng)通風(fēng)量為5.2 m3/(t·h)時(shí)，通過對淺圓倉徑向壓入式與吸出式通風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬對比研究，得出以下結(jié)論。

（1）淺圓倉徑向壓入式與吸出式通風(fēng)降溫的糧堆平均溫度變化趨勢基本一致，大致都在11天時(shí)降至到15 ℃；

（2）受空氣流動的影響，在通風(fēng)降溫一段時(shí)間后，壓入式通風(fēng)時(shí)糧堆上部存在小塊高溫區(qū)域，吸出式通風(fēng)時(shí)在糧堆下部靠近支風(fēng)道區(qū)域存在小塊高溫區(qū)域，由于其體積很小，對平均溫度基本沒有影響，且該區(qū)域與糧堆平均溫度不超過1 ℃，在允許的溫差范圍內(nèi)，所以對糧食品質(zhì)不會產(chǎn)生明顯影響；

（3）通過對4種通風(fēng)降溫方式對糧堆降溫效果進(jìn)行模擬，并進(jìn)行對比分析，得出當(dāng)通風(fēng)量相同時(shí)，淺圓倉吸出式通風(fēng)且中心集風(fēng)管頂部密閉時(shí)的通風(fēng)方式糧堆平均溫度比其余三種通風(fēng)方式下降較快，通風(fēng)效果更優(yōu)；

（4）通過進(jìn)行各糧層及糧堆最高溫度的對比分析，可以得出淺圓倉壓入式通風(fēng)時(shí)，糧堆除最上層糧堆還有部分高溫區(qū)域，其余糧層溫度都降至通風(fēng)氣流溫度；淺圓倉吸出式通風(fēng)時(shí)，糧堆除最下層糧堆還有部分高溫區(qū)域，其余糧層溫度都降至通風(fēng)氣流溫度。通過計(jì)算，淺圓倉吸出式通風(fēng)且中心集風(fēng)管頂部密閉時(shí)的通風(fēng)方式，糧溫下降較快且糧溫均勻性較好。綜上所述，當(dāng)淺圓倉徑向通風(fēng)對儲藏大豆進(jìn)行降溫時(shí)，設(shè)立中心集風(fēng)管頂部密閉吸出式通風(fēng)時(shí)降溫效果更優(yōu)。

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ZHANG Xiu-lin1, YANG Kai-min1*, WANG Yuan-cheng1, SHI Tian-yu2

1250101,2.100037,

In this paper, based on the CFD numerical simulation technology,the numerical simulation results of the temperature under different ventilation modes of shallow-circle storage grains were analyzed, and the effects of ventilation and cooling were compared. The grains studied in this article are soybeans that are not easy to store. Numerical simulations of the change law of temperature distribution and velocity distribution in the grain pile under the blowing ventilation and exhaust system of ventilation methods, compares the temperature change inside the grain pile under four ventilation conditions, and analyze its uniformity and cooling rate. The study found that the ventilation effect of the shallow-circle silo grain pile area under the four ventilation modes is similar, and the ventilation uniformity is better. However, the cooling rate is higher and the grain temperature uniformity is better when the suction type (the top of the central air collector is closed) is ventilated. The research results provide theoretical guidance and basis for the selection of ventilation and cooling methods for soybeans in shallow-circle silo storage.

Grain store; ventilative effect; comparative analysis

X954,X956

A

1000-2324(2021)01-0063-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2021.01.011

2020-05-26

2020-06-05

國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2016YDF0401002,2016YFD0400104)

張修霖(1996-),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)閯恿φ扯? E-mail:1315659455@qq.com

Author for correspondence. E-mail:ykm_168@163.com