不同通風溫度下儲糧倉橫向降溫保水通風數值模擬研究

王 柯，王遠成，俞曉靜，余 海

（1.山東建筑大學 熱能工程學院，山東 濟南 250101；2.山東大衛國際建筑設計有限公司，山東 濟南 250101）

儲糧的品質好壞與環境的溫度和水分密切相關，當儲糧倉內糧食溫度超過一定標準時，害蟲的繁衍速率會加快，且會從糧倉表層向下發展[1]。糧食在儲存中的損耗尤其是通風過程導致的水分丟失成為全球性糧食危機的重要影響因素[2]。因此，在熱濕耦合理論的基礎上研究隨著通風過程的進行，整個儲糧倉距風口不同糧層的溫度和水分的變化規律，對降低儲糧過程中的損耗、提高經濟效益有現實的應用意義。隨著計算機技術的發展和進步，國內外眾多科學家提出用數值模擬方法進行預測分析通風糧堆內的熱濕環境。Meeso[3]等和Rocha[4]等建立了傳熱傳質的耦合方程。張忠杰[5]等提出了在準靜態過程糧堆內熱濕耦合傳遞的數學模型，陳桂香[6-7]等提出了在通風過程中糧堆內熱濕耦合傳遞的數學模型。呂宗旺[8]等基于數值模擬方法模擬了通風過程及通風效果，且進一步完善了通風模型。王遠成[9-11]團隊在安全儲糧領域，建立了一個完備的儲糧通風數值模擬的技術體系，并對國內外儲糧系統的數學模型等進行了綜述。將機械通風過程視為儲糧倉內糧粒與粒間流體的復雜熱質交換過程，探究了自然對流、水分輸運和熱量傳遞過程之間的聯系，且對儲糧效果預測和優化工藝展開研究。尉堯方[12]基于 FORTRAN語言設計了圓筒倉的迭代計算模型，計算機運行結果與實驗實測相符合，驗證了該模型的精準性。余曉靜[13]對高大平房倉稻谷橫向降溫保水通風工藝進行數值模擬研究。

文章基于糧堆內部的熱濕耦合傳遞特性，借助數值模擬的方法，預測分析了相同濕度時在不同進風溫度條件下，糧倉及糧堆各層水分和溫度的分布，以此確定最佳送風溫度，得到的結果對合理設計通風方案有現實性指導意義。

1 儲糧通風模型的建立

1.1 物理模型

數值模擬對象為高大平方倉，糧倉跨度為27 m、高為12.5 m，糧堆高度為6 m。為了探究糧堆內部溫度場與水分場之間的耦合傳遞特性，主要分析在時間和空間不同維度下糧堆溫度和水分這兩個變量的變化情況。由于高大平房倉在倉高和糧倉跨度方向上尺寸遠遠小于糧倉的長度尺寸，且在對糧倉機械通風時，進風空氣的初始條件恒定，通風道是均勻布置在糧倉的長度方向上，氣流從左側進風道進入糧倉，空氣橫穿過整個糧堆后，從糧倉右側的出風道排出倉外，所以溫度和水分在每個橫截面上的分布情況基本相同。綜上所述，可以忽略不計各類熱物性參數在長度方向上變化的影響，對儲糧倉進行簡化處理，用二維模型來近似模擬三維模型，這樣不但不會影響數值模擬探究的精確性，還能夠減少計算機運算的次數，提高軟件迭代步驟的速度[9-11]。在糧倉的長度方向上截取一個橫截面，橫向降溫保水通風的二維物理模型如圖1所示。

圖1 橫向通風示意圖Fig.1 Diagram of transverse ventilation

1.2 數學模型

基于吸濕性多孔介質的流動和傳熱傳質理論，在滿足糧堆內部局部熱平衡理論的前提下，建立了機械通風時糧堆內熱濕耦合傳遞的數學模型。

1.2.1 連續性方程

根據質量守恒定律，推導得到糧堆內部的連續性方程由式（1）所示：

上式中引入微分算子，由此將連續性方程的微分形式簡化表示為式（2）：

式中：ρa為空氣密度，kg/m3；是速度矢量，m/s，即在直角坐標系下x,y,z三個方向上速度的分量，這里指氣流的表觀速度或達西速度，有公式u=ε.v；v為氣體速度，m/s。ε為孔隙率；t為時間，s。

1.2.2 動量守恒方程

依據動量守恒原理，寫出糧堆內部受迫對流的動量方程式（3）：

式中：Si為流體流過糧粒時的動力源項。

1.2.3 對流傳熱方程

基于熱力學第一定律，得出糧堆內部熱量交換的對流換熱方程（4）：

由于糧堆是復雜的吸濕性多孔介質，在對流傳熱過程中糧粒的相及空氣的焓均應考慮在內，補充后可得對流傳熱方程式（5）：

式中：Ca、Cg、Cw分別是空氣的比熱、糧食的比熱、水的比熱，J/(kg·K)；HW表示對流傳熱過程中由于糧食被冷卻引起的水分的傳遞，此項可以忽略不計；keff是糧堆的有效導熱系數，取0.157。由于受水分含量變化的影響，可以將糧堆內部水分含量的變化問題用水分含量的平均值來簡化。Sh是對流傳熱方程中的源項。

1.2.4 水分輸運方程

糧堆及糧粒間的吸濕與解吸濕過程中的水分遷移是導致糧堆的質量變化的主要因素，基于質量守恒定律，推導出水分守恒方程的一般式（6）：

式中：Dw是空氣中水蒸氣的分子擴散系數；ρa是空氣的密度，kg/m3；w是糧粒間空氣的絕對含濕量，kg/kg；

根據局部熱平衡理論推導出水分遷移方程可以表示為式（7）：

式中：Deff是通過散裝糧粒的水分有效擴散系數；為空氣的達西速度；Sw是糧粒在水分傳遞過程中吸濕解吸濕的源項。

2 橫向通風進風溫度不同時的模擬預測與分析

2.1 模擬進風工況的選擇

以儲存稻谷的儲糧倉為例，在進入糧倉時稻谷的初始條件如下表1。

表1 稻谷儲存的初始參數表Table 1 Initial parameters of rice storage

對儲糧倉進行機械通風時為了保證在糧堆水分含量保持不變的前提下，實現對稻谷糧堆降溫的目的，應以稻谷儲存的初始條件為基準選擇進風空氣的濕度、溫度等參數值。本文模擬研究在相同濕度下進風空氣溫度分別為 15、17、19 ℃的三種工況時糧堆內部溫度場與水分場的變化規律，且進風空氣的濕度與稻谷儲存的初始平衡濕度相同均為 76.5%，進風噸糧通風量均為5 m3/(h·t)。根據糧粒這種吸濕性多孔介質與粒間流動空氣的熱濕耦合規律，模擬預測通風過程中進風空氣的溫度對儲糧降溫保水通風效果的影響，選定的進風工況初始條件如表2所示。

表2 進風工況的初始參數表Table 2 Initial parameters of inlet conditions

2.2 稻谷糧堆溫度的變化規律及分析

為了深入探究一定的通風空氣溫濕度條件下通風過程中糧堆內部熱濕遷移規律，進行為期15 d的降溫保水通風數值模擬，即366 h。對全部模擬工況的結果分析發現，早期通風降溫效果明顯，后期不明顯為無效通風，而繼續延長通風時間只會增加能耗。所以重點研究分析前期降溫通風過程，比較通風時間在144 h內，稻谷糧堆內部溫度場和水分場變化情況。

以儲糧倉的跨度方向為X軸，以高度方向為Y軸，繪制不同工況下糧堆內部溫度、水分的分布云圖。圖2所示的是工況1條件下通風144 h內不同時段的糧堆溫度變化的分布圖。由圖2可知，通風過程中，糧堆上部的儲糧倉空氣區域溫度下降緩慢，明顯滯后于糧堆內部的溫度下降速度。這是因為空氣的熱阻大于稻谷糧堆的熱阻，相同溫差下稻谷糧堆內部的熱量交換速率由于空氣區域。圖2（a）為通風2 h的溫度分布圖，低溫空氣只到達糧堆前部約2 m處，此區域內糧堆溫度均低于初溫，而較遠側溫度依舊保持 25 ℃不變，形成了進風口側低溫區與遠風口側待冷卻高溫區。圖2（c）所示為通風48 h的溫度分布圖，此時低溫冷空氣前沿正好穿過整個糧堆，與進風口距離最遠的糧層也被冷卻。圖2（d）所示通風144 h時，通風后糧倉距風口最近與最遠側的溫差約為 4.6 ℃。由于糧粒屬于吸濕性多孔介質，通風時會吸收進風空氣中的熱量，發生解吸濕過程，通風結束時糧堆的平均溫度降至19.0 ℃左右。

圖3所示的是工況3條件下連續通風144 h糧倉內部溫度場的分布情況。圖3（a）所示的是通風時間為2 h時糧堆內部溫度分布圖，由于通風時間較短，進風空氣僅僅與距風口約3 m內的糧層進行熱量交換，且降溫效果明顯。由于熱量在傳遞過程存在延遲和衰減現象，在與風口距離不同的糧層間存在一定的溫度梯度，離進風口較遠的糧層溫度變化較為緩慢。由圖3（b）可知，通風10 h后低溫冷空氣已經穿過糧堆的中部，距風口5～10 m之間糧堆存在明顯的溫度梯度，而距離風口 5 m內區域，糧堆溫度已降至 18.1 ℃左右，降幅約9 ℃。對比圖2與圖3可知，進風溫度為 17 ℃時，通風結束儲糧倉降溫效果優于進風溫度為15 ℃的工況。

圖3 工況2條件下糧堆內部的溫度分布Fig.3 The temperature distribution inside the grain pile under working condition 2

圖 4所示的是工況三條件下連續通風 144 h糧倉內部溫度場的分布情況。此工況下稻谷糧堆與進風空氣的溫差相比于工況一縮小了4 ℃，明顯看出，儲糧降溫效果明顯變差。如圖4（a）和圖4（b）所示在通風時間10 h內，進風空氣所冷卻的糧層距風口較近，且糧堆溫度下降較小。由4（c）可知，在對糧倉通風48 h時，距風口20～ 25 m糧層溫度依舊為 25 ℃，說明進風溫度與糧倉初始溫度溫差為4 ℃時過小，無法冷卻距風口最遠側糧倉上部空氣區域溫度已經低于初始溫度25 ℃，說明低溫空氣已經流經整個糧倉，而口較遠處的高溫糧堆。由圖4（d）可知，在對糧堆通風144 h后，距風口較遠側糧堆溫度仍保持25 ℃，未達到降溫效果。由圖2～4可知，在相同的進風濕度下，進風溫度為 19 ℃時對儲糧倉降溫效果最差；進風溫度為 17 ℃時降溫效果最佳，整個糧倉降溫更均勻。

圖4 工況3條件下糧堆內部的溫度分布Fig.4 The temperature distribution inside the grain pile under working condition 3

2.3 稻谷糧堆水分的變化規律及分析

進風溫度與糧堆溫差為10 ℃，通風144 h內糧堆水分隨時間變化如圖5所示。由于糧堆與進風空氣之間存在的溫度差會造成蒸汽分壓差，在初始通風階段，糧粒與進風空氣之間會發生明顯的水分遷移過程。不同糧層間的蒸汽分壓力梯度引起水分遷移，從飽和蒸汽分壓高處遷移至飽和蒸汽分壓力低處。因此在通風過程中，距風口最近處糧堆水分最先丟失，且沿橫向通風方向糧堆的水分值逐漸降低。由于通風過程研究水分遷移的對象是稻谷這種吸濕性多孔介質，而在儲糧倉內上部空間不堆積糧食，所以儲糧倉上部藍色空氣區域的水分值為0%。由圖5（a）～（b）可知，通風時間在10 h內，低溫空氣只與近風口糧堆區域完成對流換熱，右側糧堆水分保持初始值，且在此8 h內低溫冷空氣向右推移的距離較短。由圖5（c）可知，通風時間在48 h時，進風空氣已經穿過整個糧倉，糧堆的平均水分下降了0.07%。由圖5（d）可知通風時間在144 h時，進風口側糧層的水分上升為 15.22%，超出糧堆初始水平0.22%，這是由于進風口側糧堆內部發生吸濕過程，并且在進風口附近的糧層聚集大量水分，導致進風口處糧層水分高于初始值，水分在該區域不斷聚集，通風時間過長時會有局部霉變現象的發生。

圖5 工況1條件下糧堆內部的水分含量分布Fig.5 The moisture content distribution in grain pile under working condition 1

圖6所示是工況2條件下通風144 h時間內糧倉內部水分場的分布情況。對比圖6（a）與圖5（a）明顯看出，在通風時長為 2 h時，進風空氣溫度為 17 ℃時，進風口側糧堆水分分層更明顯，在距進風風口3 m內水分值相差0.07%。如圖6（b）所示通風時間在10 h時，進風空氣已經抵達糧倉中部，距進風口約10 m距離的糧堆均發生水分丟失，且糧堆的水分值幾乎相同，均為14.92%，而相比于圖6（b）此時進風口處糧堆水分值已近出現上升趨勢。由圖6（c）可知，通風過程進行到 48 h時低溫冷空氣已經穿過整個糧倉，距離風口最遠側糧堆水分值為14.93%，通風結束時距風口不同糧層水分值相差很小，相比于圖5（c）而言，糧堆水分值整體分布更均勻。而進風口側糧層水分值上升至15.14%，超出糧堆初始水平 0.14%，這是由于隨著通風過程的進行，進風口側糧堆持續與冷空氣產生熱量交換，糧堆內部持續發生吸濕過程。

圖6 工況2條件下糧堆內部的水分含量分布Fig.6 The moisture content distribution in grain pile under working condition 2

圖7是工況3條件下通風144 h時間內糧倉內部水分場的分布情況。對比圖5與圖7可知，進風溫度為15 ℃和19 ℃下通風時間在48 h時稻谷糧堆水分值的變化趨勢幾乎相同。隨著通風時長的增加，進風溫度為15 ℃時在進風口側糧堆內部因吸濕過程水分值會明顯高于初始值，但由圖7（d）可知，在工況3條件下即使通風144 h后進風口側糧堆內部水分值依舊沒有超出15%，且通風結束后各糧層水分值相差很小，基本穩定在14.9%，相比初始值水分丟失0.1%。這是由于工況3進風空氣與糧堆初溫的溫差只有6 ℃，糧堆內部的吸濕和解吸濕過程很快達到平衡。

圖7 工況三條件下糧堆內部的水分含量分布Fig.7 The moisture content distribution in grain pile under working condition 3

2.4 稻谷糧堆各層溫度的變化規律及分析

為了深入探究在相同濕度下不同的進風溫度對儲糧過程的影響，模擬分析了進風溫度分別為15、17、19 ℃三種工況下，距進風口處分別為0.4、7.2、13.5、19.8、26.2 m各糧層溫度及水分的變化規律。如圖8所示是三種工況下各糧層溫度變化分布圖及糧堆平均溫度分布圖，由圖8（a）可知，在三種不同的工況下，距進風口0.4 m糧層溫度隨時間下降趨勢一致，當通風時間超過1.5 h后溫度下降至與進風溫度相同且隨時間基本無變化，進風溫度越高，糧堆溫度的下降幅度越小。如圖8（b）所示，三條折線代表了不同進風溫度下7.2 m糧層溫度隨時間變化的規律，相比于另外兩個工況，進風溫度為 17 ℃時最先出現拐點，此糧層下通風時間至40 h時，糧堆溫度均保持不變。由圖8（c）可知，三條折線代表了不同進風溫度下13.5 m糧層溫度隨時間變化的規律，通風時間40 h后，進風溫度為15 ℃和17 ℃工況下，糧堆溫度均保持不變且均降至 19 ℃。對比圖8（a）～（d）可以看出，當進風溫度為15 ℃時，距進風口19.8 m糧層相比于0.4、7.2、13.5 m糧層溫度開始有上升的趨勢，通風時間在48 h后基本穩定在21 ℃，相比于0.4 m糧層高出6 ℃；進風溫度為 19 ℃時對于此糧層來說，相比于初始糧溫溫度僅下降1 ℃。由圖8（e）可知，當進風溫度為19 ℃時，距風口26.2 m糧層的溫度仍為稻谷糧堆初始溫度25℃，且通風結束后，三種工況下糧堆的最終溫度相差較大。由圖8可知，進風溫度為 17 ℃時最先出現降溫拐點，并且距進風口較遠糧層在通風結束時糧堆溫度相比其他兩種工況最低。綜上，在相同濕度下進風溫度為17 ℃時為最佳的進風溫度。

圖8 3種工況下的各糧層溫度變化Fig.8 Temperature change of each grain layer under three working conditions

2.5 稻谷糧堆各層水分的變化規律及分析

如圖9所示是3種工況下各糧層水分變化分布圖及糧堆平均水分分布圖，由圖9（a）可知在3種工況下距進風口0.4 m糧層的水分變化趨勢相同，且由于糧粒是吸濕性多孔介質，該糧層發生吸濕過程水分值有上升趨勢且高于初始值。如圖9（b）所示，7.2 m糧層與不同溫度的進風空氣進行熱濕耦合傳遞時，進風溫度為 17 ℃工況在通風10 h時已經達到平衡，而另外兩種工況下，通風時間20 h內，水分均無變化。由圖9（c）～（d）可知在通風時間達20 h后，進風溫度17 ℃條件下距進風口中13.5 m和19.8 m糧層的水分穩定在 14.93%，而其他兩種工況水分值則持續下降。如圖 9（e）所示，在進風溫度為19 ℃時，距進風口26.2 m糧層水分值發生變化所需時間最長。綜合圖8與圖9可知，在進風濕度相同下進風溫度為 17 ℃時，儲糧倉橫向降溫保水通風效果最佳。

圖9 3種工況下的各糧層水分含量變化Fig.9 The moisture content distribution of each grain layer under three working conditions

3 結論

基于熱濕耦合的數學模型，對高大平房倉的稻谷糧堆進行橫向通風的數值模擬，得出了3種不同送風溫度工況下糧倉內的溫度和水分以及稻谷糧堆各層的溫度和水分的變化規律，研究結論如下：

在進風濕度相同的條件下，當糧堆初始溫度為25 ℃，進風空氣溫度為17 ℃時儲糧倉內糧堆內降溫保水效果最佳。進風溫度過高或過低均無法實現在對稻谷糧堆降溫的同時達到保水效果。研究結論豐富和完善了現有的儲糧通風理論，同時也為設計最佳通風方案提供理論依據。

在儲糧通風過程中，糧堆的熱傳導過程先于水分遷移過程發生。由于糧粒是吸濕性多孔介質，不同通風工況下距進風口0.4 m糧層會發生吸濕過程，使糧堆的水分含量有上升趨勢且高于初始值，且相較于其它糧層其降溫效果最佳。

在通風初始階段，糧堆溫度和水分隨時間變化較明顯，隨著通風時間的增加，糧堆溫度和水分隨時間變化的速率減緩，通風時間至144 h時，糧堆內部的溫度和水分處于相對平衡的狀態，為了實現綠色儲糧的目標，可以在達到理想的降溫保水通風效果后停止通風。

備注：本文的彩色圖表可從本刊官網（http://lyspkj.ijournal.cn/ch/index.axpx）、中國知網、萬方、維普、超星等數據庫下載獲取。