一種新型通風網絡對房式倉通風效果影響的模擬研究

李加斌，王遠成，劉家琦，楊泰，楊開敏?

（山東建筑大學 熱能工程學院，山東 濟南 250101）

我國是一個人口大國，儲糧安全一直都是我國的頭等大事。由于糧食在自然儲存過程中會由于自身的呼吸作用和外界環境的影響，導致局部溫度和水分的升高，引起害蟲的產生或者發生霉變，影響食用。為確保糧倉內部的溫度和水分在安全儲存范圍內，需要對糧倉進行機械通風[1]。

房式倉是我國儲糧的主流倉型，而垂直通風是其常用的通風方式，根據地上通風管道布置方式的不同，可分為“U”型通風、“圭”字型通風等?！癠”型通風由于使用了大量風機，功耗較高，且在靠近墻體的位置易形成通風死角，通風均勻性較差。圭字型通風雖然解決了“U”型通風均勻性差的缺點，但是由于地上籠仍布置在地面，在垂直方向上仍然有著較長的通風路徑，并且進風空氣在糧堆內的推進過程中會有損耗，導致進風空氣在垂直方向上的推進速度較慢，可能會導致上部糧食沒有及時得到有效的通風而發生霉變，尤其是進行熏蒸作業時，對于易分解的熏蒸氣體，如：臭氧，在糧堆內停留時間過長會導致自身降解，影響殺蟲除菌效果，不能很好的滿足各種通風作業的需要。

基于計算流體動力學的數值模擬方法為解決儲糧通風問題提供了一個良好的工具[2]。Thorpe等[3]研究了糧堆內溫度變化的機理，并構建了相關數學模型，使用CFD模擬技術得到了不同工況下糧堆內部的溫度分布和變化情況。李祥利等[4]模擬研究了“圭”字型風道垂直通風狀態下糧堆溫度和水分變化規律，但沒有解決進風空氣在垂直方向上推進速度較慢的問題。馬文斌等[5]利用橫向通風系統與原有地上籠豎向通風系統混合使用的方式開展實驗研究，對比分析了橫向通風系統和豎向通風系統在單獨使用和混合使用時效果的差異。俞曉靜等[6]對高大平方倉的橫向與豎向通風方式下進行數值模擬和分析，從糧堆溫度、水分分布和均勻性指數等方面綜合評價了兩種通風方式的優缺點。

盡管國內外對房式倉機械通風時溫度變化情況的模擬仿真和實倉測試研究均已經取得了一定的進展，但是對于圭字型加垂直風管的通風方式的研究還沒有確切定論。為此，本文選擇小麥為研究對象，利用數值模擬的方法對圭字型加垂直風管的新型通風網絡的通風效果進行研究，并利用降溫速率、均勻性以及通風能耗等指標來綜合評價其性能。得到的結果可以進一步完善房式倉垂直通風技術的理論體系，對房式倉通風道的設計改造提供科學的理論指導。

1 房式倉通風模型的建立及條件設置

1.1 物理模型的建立

以高大房式倉為研究對象，如圖1中所示，建立物理模型，長37.22 m，寬22.86 m，高10.5 m，堆糧高度為6 m，采用雙向通風，兩側一共八個通風口，出口窗戶兩側共12個，初選立管高度為1.5 m，立管在房式倉內均勻分布。

圖1 房式倉物理模型Fig.1 Physical model of room warehouse

1.2 數學模型及定解條件

糧堆區域由一顆顆的糧粒堆積而成，糧粒之間的孔隙區域充滿了空氣，所以糧堆是一種具有生物特性的多孔介質。對糧堆進行機械通風的過程，本質上就是多孔介質與周圍空氣進行熱濕耦合傳遞的過程?；诙嗫捉橘|的流動和傳熱傳質理論，可以建立通風糧堆的熱濕耦合傳遞數學模型[7]。

本次模擬的糧種為小麥，糧堆孔隙率為0.4，進口采用雙側質量流量進口，噸糧通風量為5 m3/(t·h)，出口為壓力出口，固體壁面采用無滑移的邊界條件，糧堆平均溫度為30 ℃，倉外大氣溫度為22 ℃，送風溫度和糧堆溫度相差8 ℃。

1.3 數據分析

利用后處理軟件 Tecplot把模擬得到的數據做成云圖，重點關注糧堆內的氣流分布情況，以及不同通風天數下糧倉內不同位置截面的溫度分布情況；利用Origin軟件將模擬監測的數據繪制成折線圖，對新型通風網絡的通風特點進行綜合分析。

2 結果與分析

2.1 糧倉內氣流分析

選取添加了垂直立管和沒有垂直立管的兩個有代表性的截面，觀察氣流在糧倉內的流場分布情況，由圖2可得，糧倉內整體氣流分布較均勻，不存在通風死角。由于采用的是雙向通風，進風空氣在入口處的風速較大，越靠近糧倉的中部位置，氣流速度越小。在垂直立管存在的位置，立管的中上部速度較大，每個立管的風速基本保持一致。加了垂直立管，氣流在垂直方向上的流動阻力減小，明顯縮短了進風空氣在糧堆內的通風路徑和時間，當進行熏蒸作業時，尤其是對于臭氧這種半衰期很短，極容易分解的熏蒸氣體，加了立管可以更快的把臭氧送到害蟲聚集的頂部糧堆，有效地避免了熏蒸劑的降解，可以極大地提高殺蟲效率。

圖2 新型通風網絡糧倉內流線和速度分布圖Fig.2 Streamline and velocity distribution in the granary of the new ventilation network

2.2 小麥糧堆溫度的變化規律

分別選取通風時間分別為2、4和7 d時的代表性的截面來觀察糧倉內溫度分布情況，其中Y=13.8 m和Y=3 m分別為沿糧倉跨度方向，有立管存在和無立管存在位置的不同截面。如圖3所示，糧堆由下到上溫度逐漸下降，且沿通風方向溫度有分層現象。新型通風網絡中，由于加了垂直立管，沿垂直方向的流動阻力減小，所以在立管附近的冷鋒面推進速度更快，冷鋒面呈山峰型，由圖5和圖8可得，而在兩根立管之間的糧堆區域仍主要依靠經由圭字型管道流動過來的空氣進行降溫，溫度降低的會慢一些，在云圖上顯示為凹進去的山谷狀。如圖4和圖7所示，在沒加立管的原有圭字型風道位置，溫度分布也呈一定的波浪型，這是由于位于支風道上方和支風道之間糧食區域溫度降低速率不同所致。

圖3 通風2天，Y=13.8 m溫度分布Fig.3 Temperature distribution of ventilation for 2 days, Y=13.8 m

圖4 通風2天，Y=3 m溫度分布Fig.4 Temperature distribution of ventilation for 2 days, Y=3 m

圖5 通風2天，X=11.43 m溫度分布Fig.5 Temperature distribution of ventilation for 2 days, X=11.43 m

圖6 通風4天，Y=13.8 m溫度分布Fig.6 Temperature distribution of ventilation for 4 days, Y=13.8 m

圖7 通風4天，Y=3 m溫度分布Fig.7 temperature distribution of ventilation for 4 days, Y=3 m

圖8 通風4天，X=11.43 m溫度分布Fig.8 temperature distribution of ventilation for 4 days, X=11.43 m

由圖6可得，垂直立管附近的冷鋒面在通風第4天就已經穿過了糧面，并與糧堆上方空氣進行了換熱。如圖9～11所示，除了最頂部糧面與空氣區域接觸的位置還有極小部分區域糧堆溫度在23 ℃外，其余區域糧堆的溫度都降至22 ℃，可以看出新型通風網絡的降溫效果很好。

圖9 通風7天，Y=13.8 m溫度分布Fig.9 Temperature distribution of ventilation for 7 days, Y=13.8 m

圖10 通風7天，Y=3 m溫度分布Fig.10 Temperature distribution of ventilation for 7 days, Y=3 m

圖11 通風7天，X=11.43 m溫度分布Fig.11 Temperature distribution of ventilation for 7 days, X=11.43 m

由圖12中給出平均溫度和最高溫度隨時間變化情況可得，新型通風網絡在前5天降溫速度較快，5天后降溫趨勢逐漸趨于平緩，這是由于沿垂直方向上的通風路徑有一定的長度，而進風空氣與糧粒的傳熱強度不斷在衰減。隨著通風的進行，在通風第7天時平均溫度降到最低溫度22℃左右并保持穩定。最高溫度在前幾天基本保持在初始溫度 30 ℃不變，這是因為冷鋒面穿透糧層需要一定的時間，雖然立管位置的冷鋒面推進速度變快了，但在兩根立管之間的糧堆降溫速率仍然較慢，沒被進風空氣冷卻的位置一直保持著較高的溫度。

圖12 平均溫度和最高溫度對比折線圖Fig.12 Broken line diagram of average temperature and maximum temperature comparison

2.3 小麥糧堆不同高度糧層溫度對比

圖13為不同高度糧層的溫度變化情況。由圖可得，由于0.5 m糧層距離通風道很近，所以可以更快的與進風空氣進行換熱，因此在第5天左右就可以達到降溫通風的預期效果。糧層高度越高，通風路徑越長，糧層溫度開始下降所需要的通風時間也就越長。加設垂直立管后，高處糧層溫度開始下降所需時間明顯縮短了，5.5 m糧層從第2天開始就出現了降溫，說明新型通風網絡在通風2天冷鋒面的前沿已經達到了5.5 m的高度，所有高度糧層均可以在通風第7天達到安全儲糧溫度的要求。

圖13 不同高度糧層溫度隨時間變化對比折線圖Fig.13 Comparison of grain layer temperature at different heights with time

3 通風均勻性和能耗分析

為了驗證新型通風網絡通風結束時糧堆內部溫度和速度分布的均勻性，在糧堆的高度方向分別設置三層監測點，每層監測點均勻分布。糧堆內部共三層觀測點，最底層距離倉底1 m，最上層距離糧面1 m，中間層高度為糧堆高度的一半[9]。每層的監測點的數量相同，都為13個，一個39個監測點，四個角的監測點距離墻壁的距離為1 m，其余的等距離分布，具體尺寸和分布見圖14，測點分布均勻合理，有利于均勻性的檢測。

圖14 觀測點布局圖Fig.14 Layout of observation points

3.1 速度和溫度均勻性分析

由于通風6天后糧堆平均溫度降低速率變的緩慢，繼續通風為低效通風，所以選擇通風第 6天計算糧堆內的速度和溫度均勻性。

3.1.1 速度均勻性指數

均勻性指數采用 Weltens等[10]建立的評價流動分布特性的均勻性指數來表示流速/混合的均勻性程度計算式：

式中，r為均勻性指數，在 0～1之間取值，越接近1說明糧堆內的速度均勻性越好；vi為各觀測點的速度，m/s；v為全部觀測點的平均速度，m/s；n觀測點數量；

計算得到，新型通風網絡的平均速度為0.006 m/s，均勻性指數為0.95，均勻性較好。

3.1.2 溫度均勻性指數

與速度均勻性的公式相似，評價新型通風網絡的溫度均勻性指數公式為：

式中，ti為各觀測點的溫度，℃；t為全部觀測點的平均溫度，℃；

根據各監測節點的溫度可計算得到，新型通風網絡的溫度均勻性為0.98，溫度均勻性很好。

3.2 通風系統的通風能耗

通風能耗是反映通風節能降耗情況和能源消費水平的主要指標，計算公式：

式中，Ws表示通風系統的能耗，KW；Q為通風過程的通風量，m3/h；P為出風口與進風口的壓差，Pa；η為風機效率，這里取 0.75。

計算可得，新型通風網絡的通風能耗為3.43×106KW，相同條件下的未加立管的圭字型通風網絡的通風能耗為 4.1×106KW，能耗降低了16%。這是由于加設垂直立管后，減小了進風空氣在垂直方向上的流動阻力，從而降低能耗。

4 結論

本研究提出了一種圭字型加垂直立管的新型通風網絡，通過數值模擬方法對其通風效果進行預測分析，并從糧堆溫度、速度均勻性、溫度均勻性和能耗等方面進行綜合分析，討論其對通風效果的影響情況，得到的結論如下：

（1）采用新型通風網絡的糧倉內部速度分布較均勻，無通風死角，加設立管可以明顯提高冷鋒面的推進速度，通風兩天就可以穿透5.5 m糧層，可以快速的將進風空氣或熏蒸氣擴散深入到糧堆內部。

（2）新型通風網絡的降溫效果較好，前五天的降溫速率較快，在第七天可以把糧堆溫度降低到 22 ℃，降溫的后糧堆內的各處溫度分布較均勻，但在通風過程中兩個立管之間的糧堆降溫相對會慢一些。

（3）新型通風網絡由于加設了垂直立管，減小了通風方向上的流動阻力，空氣和熏蒸氣體等更容易從糧面溢出，從而降低了能耗，可以同時滿足降溫、降水、熏蒸、氣調、質調等多項功能作業。