淺談糧食流通領域筒倉卸料研究方法

◎ 李坤由

（鄭州中糧科研設計院有限公司，河南 鄭州 450001）

筒倉根據高徑比可分為深倉和淺倉；根據截面形狀的變化，可分為圓形筒倉、矩形筒倉和正多邊形筒倉等；根據倉壁材料不同，可分為木制筒倉、鋼結構筒倉、磚砌筒倉和鋼筋混凝土筒倉等[1]。筒倉吞吐量大，機械化程度高，易于管理，便于長期儲藏且儲藏能力大，被廣泛應用于糧食倉儲物流領域，應用較多的為鋼筋混凝土圓形筒倉和鋼結構圓形筒倉，一般深倉用于中轉，淺倉用于儲藏。

1 筒倉應用現狀

筒倉的坍塌事故偶爾發生，造成坍塌的因素較為復雜，尤其是卸料過程的動態壓力無法準確計算，故筒倉卸料過程其內部物料流動狀態及倉壁測壓力一直是國內外研究學者研究的重點及難點[2-3]。目前，糧食的重要性顯而易見，糧食事關國運民生，糧食安全是國家安全的重要基礎，節糧減損、安全儲藏是確保糧食安全的重要舉措。為此，在糧食轉運儲藏過程中提出降碎減損、安全儲藏等保障糧食安全的要求。由于筒倉倉容大，高度高的特點需要增加輔助裝置達到降低破碎、通風降溫、監管糧情等效果，如折板扶壁降碎裝置、中心減壓管裝置、測溫電纜等。但增加裝置的筒倉散體物料流動狀態研究較少，導致在筒倉卸料過程伴有工程事故發生，如測溫電纜被拉斷，扶壁被破壞、通風地籠受損、中心減壓管破壞等，導致生產效率降低，浪費人力、物力、財力。

2 筒倉卸料研究方法

目前，許多國家的筒倉設計規范均是基于修正后的JANASEN公式，即正壓力乘以靜壓系數，不同之處在于側壓力系數的取值。實際上，對于筒倉受力尤其是動態壓力及散料流動狀態，并沒有系統的設計及計算理論。但國內外研究學者對筒倉卸料的相關研究從未停止過。目前研究方法主要分為理論研究、簡化模型實驗研究、計算機數值仿真結合實驗研究。

2.1 理論研究

JANASEN公式中前提假設條件是顆粒均勻填充且性質一致，不可壓縮，顆粒在同一水平面的鉛錘壓力大小相等，倉內任意一點垂直壓力與水平壓力比值恒定。且該公式只適用于靜態壓力計算，未考慮動態載荷影響。為了能準確分析筒倉卸料動態壓力，JENIKE[4]通過建立圖表方式推算筒倉的動、靜壓力，對JANASEN公式進行了適當修正。李國柱等[5]考慮筒倉流動壓力及側壓力系數隨倉深變化情況，建立方程，得出倉壁動態壓力近似計算公式。MADRID等[6]提出了一個在料倉卸料過程中散體物料流量的微分方程，給出了卸料過程中壓力的解析表達式。但目前尚未見系統的理論計算公式能夠被推廣應用。

2.2 實驗研究

大尺度筒倉實驗研究報道較少，早前蘇聯學者赫塔美謝夫進行過大規模實驗研究[7]，徐志軍等[8]在河南省國家糧食庫庫區29號淺圓倉側壓力的進行了實驗監測，基于實驗數據利用貝葉斯統計理論給出側壓力概率特性的推斷方法。足尺寸的大規模實驗費時費力，實驗過程糧食流動狀態不可見，只能通過分析及傳感器數據傳遞來對結果進行研究，且可變因素較多，如在大規模實驗傳感器類型的選取上，實驗中由于交叉施工、生產作業，傳感器長期掩埋無法標定導致實驗數據不可靠等。因此，通過足尺寸實驗的方式對筒倉進行研究的方法難以被接受。通常采用簡化筒倉模型的方式進行實驗研究。YI等[9]研究了細長顆粒從筒倉旋轉底部卸料的流動狀態，PENG等[10]通過實驗研究了單球形顆粒和一對球形顆粒組成的二元混合料在二維筒倉內的卸料過程，提出了一個用來評估雙球顆粒比例對流量影響的經驗公式，TU等[11]研究了卸料過程中的結構振動對筒倉內流量和壓力的影響，FANK等[12]通過安裝在鋼筋混凝土板上的壓力傳感器和兩根支撐柱下的荷載傳感器來測量大型筒倉在裝載、儲藏和卸載過程的壓力分布情況，FULLARD等[13]對裝滿顆粒物料的有機玻璃三維平底筒倉（卸料口尺寸可變）進行重力驅動卸料過程物料流態進行了實驗研究，CALDERON等[14]通過實驗研究了種子顆粒在筒倉內質量流狀態的卸料過程，驗證了Beverloo方程中涉及到的流動參數與種子顆粒的形狀參數之間的關系，FULLARD等[15]通過實驗研究了裝滿谷物的可視化筒倉卸料過程中發生的流動變化。GELLA等[16]研究了顆粒大小對筒倉卸料過程的影響，并分析了是否還有其他影響速度和體積分數分布情況的因素，吳宏旻[17]通過中心錐體筒倉縮小尺寸的實驗，研究出中心錐體筒倉卸料過程中倉壁超壓系數最大值總是出現在滿倉倉壁側壓力最大的位置。周長明等[18]采用壓實和松散兩種裝料方式，研究了筒倉卸料過程物料流態及對倉壁側壓力的影響。吳承霞等[19]采用高1.1 m直徑為0.5 m 的有機玻璃筒對大豆、小麥和砂子3種貯料進行筒倉卸料實驗，得出卸料過程中3種物料最大超壓系數分別為2.27，1.52和1.24，位置在筒倉高度1/3附近。

2.3 計算機數值模擬仿真技術

隨著科學的進步，計算機技術的提高，數值仿真技術被廣泛應用于各個領域，通過數值仿真與實驗結合手段的研究成果可信度較高。在筒倉卸料研究方面，目前主要分為有限元法和離散單元法。有限元法分析筒倉的結構響應方面成果頗多，但連續介質數學模型研究散粒體存在一定的局限性。散體物料在不同尺度下具有其特殊的物理力學現象，故19世紀70年代研究非連續介質力學行為的離散元理論誕生，隨后被應用到各個領域。

基于離散元理論針對筒倉國內外學者進行了大量研究，為筒倉設計及工程應用提供了有力支撐。徐志軍等[20]通過縮尺模型實驗和離散元數值模擬研究了普通雙側壁卸料和帶流槽雙側壁卸料2種工況下的側壓力環向分布。原方等[21]探討了筒壁雙側卸料方式下高徑比（1.1和2.2）不同的筒倉的靜、動態側壓力大小及分布位置。周劍萍等[22]利用基于離散元法模擬了干顆粒和濕顆粒在筒倉卸料過程，分析了不同水分顆粒在筒倉卸料過程宏觀特性，得出存在液橋力的濕顆粒阻塞概率大。TAKHTAMISHEV等[23]通過改變填倉速度卸料狀況出口布置得出筒倉內散粒體應力狀態圖，LANGSTON等[24]基于離散元法改變顆粒半徑出料口尺寸及漏斗傾角，得出筒倉卸料時倉壁應力分布，H?RTL[25]和YANG等[26]研究了筒倉底部增加分流器后卸料過程中顆粒流動特性，HIDALGO等[27]分析了出料口成拱的筒倉內顆粒受力狀態，JI等[28]研究了外力作用下筒倉卸料過程筒倉與顆粒接觸力的變化。HUINAN等[29]研究了帶有中心減壓管筒倉內顆粒流態與倉壁壓力的變化情況。

從以上的研究中可以看出筒倉卸料數值研究仍局限于縮小尺寸的筒倉與計算機仿真結合的手段，原因在于足尺度的筒倉卸料數值研究計算量難以達到，為了提高簡化的筒倉實驗與數值仿真數據的準確性和計算效率，國內外專家學者在力學模型、計算機軟硬件等方面做了大量研究工作。在力學模型方面，為有效模擬不同形態的離散單元體，由規則的幾何顆粒模型發展到非規則顆粒模型，由二維圓盤、三維球體發展到超二次曲面顆粒單元、擴展多面體單元等，相應的力學接觸模型也在探索中優化完善，很大程度上提高了數值模擬的效率及準確率。在計算手段方面，各類分析軟件也在不斷開拓發展，同時對計算機的計算效率也提出要求。硬件方面CPU多核技術的發展，很大程度上提高了計算效率，但是仍不能滿足研究學者們的計算要求，隨之GPU并行技術、CPU-GPU協同并行技術迅速發展。基于離散元方法的計算軟件方面近年來發展也較為迅速，國外從最初的PFC2D發展到目前的EDEM、Rocky等多種功能強大離散元軟件，國內研究學者也在開發自主產權的離散元軟件，如中國科學院力學研究所李世海等開發的CDEM，南京大學劉春等開發的MatDEM，浙江大學趙永志等開發的DEMSLab，大連理工大學開發的SDEM等。

3 結語

為保障國家糧食安全，對綠色儲糧、安全儲糧、節能減損等方面的要求越來越高，筒倉設計不斷提出創新工藝、創新倉型，為了確保安全生產，提質增效，筒倉卸料過程仍會有不同程度的問題出現，盡管國內外學者做了大量研究工作且得出很多研究成果，但針對筒倉卸料相關研究仍有大量工作要做，然而糧食物料的特有屬性、糧食顆粒與筒倉的尺度差異給筒倉卸料研究帶來了很大挑戰，以下問題仍需要研究人員關注重視。

盡管計算機仿真技術在快速發展，準確的散體物料物理特性參數是影響數值模擬仿真技術的關鍵因素，目前我國設計規范中采用的糧食物理特性數據仍沿用前蘇聯數據，隨著糧食種的改變及基因變化，糧食物理特性有所變化，有必要對目前不同地域、不同品種的糧食物理特性進行系統化研究，為筒倉設計及相關研究提供基礎數據支撐。

由于實驗驗證耗材、耗力、耗時，大尺度筒倉卸料實驗研究較少，實驗研究基本停留在實驗室模型簡化研究，同時結合數值模擬研究對比驗證。但模型縮放的失真率有待進一步商榷，簡化模型的可信度需要進一步驗證。

隨著數值模擬研究的快速發展，很多領域已經將該手段很好地應用于工程實踐，但數值模擬計算效率和計算規模目前仍是難以突破的瓶頸，為了突破這一瓶頸目前一些學者也提出了相應的解決辦法，如粗粒化、多核CPU并行、GPU并行等。綜上，可以看出目前研究筒倉的卸料過程方法也在不斷優化，但目前無論是力學模型還是硬件配套都需進一步升級從而提高計算機數值模擬的準確性。因此，還需進一步加強離散元方法的基礎理論、數值算法，誤差分析以及參數選取等方面的研究，另外，還需要通過與實驗結果，理論解以及其他數值方法的計算結果進行比較，進而支撐工程應用，預防解決工程問題。