糧倉通風(fēng)CFD 技術(shù)研究

呂宗旺，馮黎明，孫福艷

（河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

0 引言

糧倉糧堆是由無數(shù)糧食顆粒集聚而成，糧堆中糧粒之間的孔隙被各種氣體填充，這些糧堆中的“生物成分”（基本糧粒、有機(jī)雜質(zhì)、昆蟲和所攜帶的微生物）的活動及代謝，會影響到糧堆內(nèi)溫度、濕度及氣體成分的變化[1].糧堆內(nèi)的溫、濕度，氣體成分同時也會影響糧堆內(nèi)的“生物成分”的代謝.其中，糧堆微生物旺盛的呼吸作用是導(dǎo)致糧食發(fā)熱的主要因素.糧食在儲藏過程中，采用通風(fēng)來降低糧食水分和溫度，以達(dá)到低溫和干燥儲糧的目的.我國對糧倉通風(fēng)研究始于20 世紀(jì)50 年代，經(jīng)過數(shù)十年的攻關(guān)研究，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面成績顯著.但是，儲糧通風(fēng)方面仍然存在如下問題：通風(fēng)風(fēng)量設(shè)置不合理造成能源消耗大，通風(fēng)條件不夠精確造成效率低等[2].如何改良當(dāng)前的糧倉通風(fēng)系統(tǒng)，是安全生態(tài)儲糧需要迫切解決的問題.因此，需要準(zhǔn)確提出最佳儲糧通風(fēng)指標(biāo)，實(shí)時監(jiān)控糧堆的溫濕度變化情況，通過模擬結(jié)果得出最優(yōu)的通風(fēng)方案.

1 糧倉通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 糧倉通風(fēng)現(xiàn)狀

控制糧堆溫濕度的傳統(tǒng)方法有自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)和谷物冷卻技術(shù)，機(jī)械通風(fēng)和谷物冷卻技術(shù)是比較常用的.機(jī)械通風(fēng)是比較廉價的儲糧通風(fēng)技術(shù)，在糧食倉儲安全方面起到了非常大的作用.我國北方地區(qū)常年溫度偏低，利用通風(fēng)技術(shù)并輔以隔熱保溫技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)常年安全低溫儲糧.南方一些地區(qū)，通過隔熱降溫、補(bǔ)充冷源技術(shù)和機(jī)械通風(fēng)，也基本實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)低溫安全儲糧.糧倉通風(fēng)就是利用通風(fēng)設(shè)備在合適的條件下對糧食的溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制糧堆溫濕度在理想的范圍，以保證糧食的安全儲藏.糧倉通風(fēng)的關(guān)鍵技術(shù)在于進(jìn)行通風(fēng)儲糧時，如何保證通入風(fēng)的溫濕度和通風(fēng)量對糧堆溫濕變化的有效控制.其研究核心是確定糧堆溫濕度的安全范圍并利用通風(fēng)技術(shù)控制這些溫濕度參數(shù)在合理的范圍內(nèi).

1.2 糧倉風(fēng)網(wǎng)現(xiàn)狀

我國的糧倉以立筒倉和房式倉兩種倉型為主，房式倉占80%以上.立筒倉成本較大，常用作糧食加工廠和港口中轉(zhuǎn)倉庫.房式倉的容量較大、建造的成本相對低，通常不固定設(shè)置通風(fēng)設(shè)備，不存在設(shè)備使用率低問題，因此房式倉的性價比高且適合長期儲糧.房式倉通風(fēng)分為單管通風(fēng)、排風(fēng)扇通風(fēng)、箱式通風(fēng)和應(yīng)用廣泛的地上籠通風(fēng)系統(tǒng).一般來說，我國儲糧通風(fēng)研究以實(shí)倉為主，因此人力財(cái)力的研究成本較高，而且受氣候條件、試驗(yàn)周期、測量精度等影響，試驗(yàn)不具有可重復(fù)性，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也無法保證.因此，研究人員多采用數(shù)值模擬研究糧堆通風(fēng)的溫濕度變化過程.

2 CFD 技術(shù)在糧倉通風(fēng)中的應(yīng)用

2.1 計(jì)算機(jī)流體力學(xué)

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是流體力學(xué)的一個分支，伴隨著數(shù)值計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展向前發(fā)展.其基本思想是把自然界中的在時間域和空間域上連續(xù)的物理量，如速度場、溫度場，用有限個離散點(diǎn)上的相應(yīng)變量的集合來代替，通過質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒等原則建立各變量的非線性方程組，最后離散求解得到各變量的近似值.CFD 方法克服試驗(yàn)測量法和理論分析求解的難題，所有涉及流體運(yùn)動、熱交換、質(zhì)量傳遞等現(xiàn)象的難題，通過計(jì)算流體力學(xué)的方法進(jìn)行分析模擬，實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的研究目的.

2.2 CFD 在工程中的應(yīng)用情況

CFD 技術(shù)具有預(yù)測精度高、低耗、高效且可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時進(jìn)行模擬計(jì)算，通風(fēng)模擬結(jié)果分析比較，提出改進(jìn)方案和建議，提高工程質(zhì)量和效益.糧食倉儲及糧倉通風(fēng)的重點(diǎn)在于實(shí)際工程應(yīng)用，盡管倉儲通風(fēng)模型模擬研究有效地促進(jìn)儲糧安全.但這方面理論研究較少，基于CFD 模擬研究糧堆通風(fēng)的成果也較低少.隨著計(jì)算技術(shù)的不斷提高和流場算法的改進(jìn)，復(fù)雜的數(shù)值模擬越來越多.計(jì)算采用的數(shù)學(xué)模型由全速勢方程到Euler 方程，再過渡到Navier-Stokes 方程.CFD 技術(shù)在糧倉干燥及溫室控制等領(lǐng)域模擬研究，為倉儲糧堆通風(fēng)的工程實(shí)際難題提供思路.李瓊、彭威等[3-4]利用CFD 軟件Fluent 對平房倉通風(fēng)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了有效的壓力場及流場分布，數(shù)值模擬與試驗(yàn)吻合.

糧食可以看作是多孔介質(zhì)及孔隙流體，流體流動伴有發(fā)熱、霉變和蟲害等.CFD 技術(shù)利用糧堆內(nèi)熱量、動量、質(zhì)量運(yùn)動來描述其內(nèi)部流體流動情況.針對糧倉糧堆動量、熱量、質(zhì)量三傳數(shù)學(xué)模型研究相對有限，目前只對糧食溫度預(yù)測并建立簡單的數(shù)學(xué)模型.研究建立的模型忽略了糧倉糧堆籽粒與周圍氣流間復(fù)雜的相互作用，沒有辦法得到真實(shí)狀態(tài)下糧堆特殊結(jié)構(gòu)對流體運(yùn)動的影響.目前糧倉糧堆內(nèi)部溫度變化多采用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行研究.國外學(xué)者采用數(shù)值方法研究糧食熱質(zhì)傳遞和糧倉通風(fēng).Jayas 等[5-6]研究了糧堆孔隙在通風(fēng)系統(tǒng)下對氣流的阻力，孔隙率與顆粒大小、形狀、壓力狀態(tài)等有關(guān).Khankari 等[7]通過研究谷物中水分和空氣中水分的傳輸，構(gòu)建了水分傳輸模型，除水分傳輸外，該數(shù)值模型試驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測結(jié)果相同.

2.3 CFD 數(shù)學(xué)模型

糧倉通風(fēng)的過程模擬，主要指糧堆區(qū)域的通風(fēng)過程及溫濕度場的變化.模擬對象為通風(fēng)設(shè)備系統(tǒng)和倉內(nèi)流體，包括倉房邊壁條件、通風(fēng)入口、出口空氣溫濕度條件都是影響糧倉系統(tǒng)內(nèi)部的主要參數(shù).邊界條件的處理會影響數(shù)值模擬結(jié)果，CFD技術(shù)用來模擬糧倉通風(fēng)后溫濕度的變化情況.

糧堆中各個參數(shù)的控制可用標(biāo)準(zhǔn)k—ε 湍流模型，湍動能和耗散率的模型方程：

式中：ρ 為液體密度，kg/m3；k 為湍動能，kg·m2/s2；ε為湍流能量的黏性耗散，m2/s2；μ 為黏度，Pa·s；ui為i 方向的速度分量；Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能的產(chǎn)生項(xiàng).

其中經(jīng)驗(yàn)常數(shù)：Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3，C1ε=1.44，C2ε=1.92.

能量守恒方程：所解的能量方程的形式為：

式中：keff為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)，Jj1為組分j 的擴(kuò)散流量.方程（4）右邊的前3 項(xiàng)分別描述了熱傳導(dǎo)、組分?jǐn)U散和黏性耗散所引起的能量輸動.方程（4）中的定義為：

焓hj1的定義為：dT，其中Tref=298.15 K，

Sh包含了化學(xué)反應(yīng)以及其他用戶自定義的體積熱源項(xiàng).堆積散糧的傳熱方程：

3 糧倉通風(fēng)模擬結(jié)果

3.1 試驗(yàn)環(huán)境

試驗(yàn)在某中央直屬庫儲備庫的糧倉一個廒間中進(jìn)行.倉型選擇高大平房倉，廒間長48 m，跨度24 m，頂棚高8.5 m，裝糧高度為6 m，糧食品種為小麥，糧堆的初始平均溫度為20 ℃，初始含水率為13.4%.實(shí)倉如圖1 所示.

本次試驗(yàn)選用北京某公司研制的智能通風(fēng)系統(tǒng)對糧倉內(nèi)糧情進(jìn)行檢測.通風(fēng)設(shè)備選用功率為15 kW 風(fēng)量為13 643 m3/h 離心風(fēng)機(jī)，通風(fēng)時長為25 d（24*25 h）.

圖1 糧倉外觀

3.2 模擬環(huán)境及CFD 建模

采用Fluent 軟件對糧倉糧堆通風(fēng)過程進(jìn)行仿真.Fluent 是目前功能最全面、適用性最廣、國內(nèi)使用最廣泛的CFD 軟件之一[8].在流體建模中被廣泛使用：任意復(fù)雜外形二維、三維的可壓縮和不可壓縮流動，熱傳導(dǎo)、對流傳熱和輻射傳熱計(jì)算，流體傳熱的耦合計(jì)算，化學(xué)組元混合與反應(yīng)計(jì)算，源項(xiàng)體積任意變化的計(jì)算等.

利用Fluent 軟件對糧倉糧堆進(jìn)行建模，幾何模型如圖2 所示，網(wǎng)絡(luò)劃分如圖3 所示.

圖2 糧堆幾何模型

圖3 糧堆通風(fēng)體網(wǎng)格劃分

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果

試驗(yàn)是在高大平房倉中進(jìn)行，按照國家糧食儲藏技術(shù)規(guī)范中有關(guān)糧食溫濕度檢測的標(biāo)準(zhǔn)對糧食溫濕度傳感器進(jìn)行布置，在糧倉的水平方向上以5 m 的間距設(shè)置測溫電纜和濕度傳感器；測溫電纜在南北方向上要距墻邊2 m，在東西方向上距墻邊1 m，每根測溫電纜上有5 個溫度傳感器和5 個濕度傳感器，在糧堆安裝的深度分別為1.5 m（M層）、3 m（L 層）、4.5 m（H 層）.通風(fēng)25 d，對實(shí)倉糧層溫度進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖4 所示，糧溫CFD 模擬結(jié)果見圖5，糧溫實(shí)倉監(jiān)測與CFD 模擬對比見圖6，對糧食水分進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖7 所示.

圖4 糧溫實(shí)倉監(jiān)測結(jié)果

由圖4 可知，上層平均糧溫從25.4 ℃降至8.6℃，降幅達(dá)16.8 ℃.中層和下層屬于冷心區(qū)，降溫幅度最小，僅為5.3 ℃和3.8 ℃.

圖5 糧溫CFD 模擬結(jié)果

圖6 糧溫平均溫度模擬與試驗(yàn)對比

圖7 糧溫水分模擬與試驗(yàn)對比

3.4 分析

通過圖6 和圖7 可以看出，通風(fēng)降溫的實(shí)測數(shù)據(jù)和CFD 數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，同時驗(yàn)證了CFD 技術(shù)在模擬糧倉通風(fēng)降溫研究的可行性.

精準(zhǔn)的糧倉通風(fēng)模型可使糧堆處于均勻合理的溫濕度，保持儲糧安全與穩(wěn)定.利用CFD 技術(shù)進(jìn)行糧倉通風(fēng)建模，可以對糧堆內(nèi)部溫濕度場的數(shù)值進(jìn)行模擬分析，建立糧堆內(nèi)部溫濕場分布模型，預(yù)測糧堆內(nèi)部濕熱變化情況，以便及時進(jìn)行糧倉通風(fēng)，降低糧食水分，提高儲糧安全.根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對通風(fēng)系統(tǒng)方案和參數(shù)模型進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到減少設(shè)備的投入數(shù)量和均勻通風(fēng)的目的.

4 結(jié)論

對靜態(tài)倉儲糧堆進(jìn)行物理建模并使用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型、湍動能和耗散率的模型方程對糧倉通風(fēng)降溫進(jìn)行CFD 數(shù)值模擬是可行的.因此，在已建立的模型條件下，通過改變邊界條件和參數(shù)的設(shè)置，CFD 可以實(shí)現(xiàn)糧堆通風(fēng)降溫模型的優(yōu)化.

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