高大平房倉機械通風(fēng)量優(yōu)化數(shù)值模擬

陳桂香，岳龍飛，張 虎，林淼達(dá)

（1.河南工業(yè)大學(xué) 土木建筑學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.河南工大設(shè)計研究院，河南 鄭州 450001）

0 引言

1998 年以后建設(shè)的國家糧食儲備庫，均配備了糧情檢測、機械通風(fēng)、環(huán)流熏蒸和谷物冷卻4 項儲糧新技術(shù)，其中機械通風(fēng)技術(shù)主要用于對糧食進(jìn)行降溫、降水及調(diào)質(zhì)作業(yè)，已成為糧食儲藏過程中控制糧食品質(zhì)的主要手段[1].但在生產(chǎn)實踐過程中發(fā)現(xiàn)，如果單位通風(fēng)量選擇偏小，存在通風(fēng)效果不均勻、降溫效果差、降水效果不明顯等現(xiàn)象；如果盲目增大單位通風(fēng)量，并不能無限縮短降溫和降水時間，還會造成糧食水分損失、能耗過高等，對糧食儲藏的穩(wěn)定性、保鮮效果、糧食品質(zhì)及倉儲企業(yè)效益有一定的影響[2-3].針對具體的平房倉通風(fēng)系統(tǒng)、實際倉容量和機械通風(fēng)目的，選取合適的通風(fēng)量能有效解決上述問題[4].

機械通風(fēng)過程中糧堆內(nèi)熱質(zhì)交換過程和機理復(fù)雜，環(huán)境溫濕度、氣流速度、通風(fēng)系統(tǒng)類型、糧食品質(zhì)狀況等都會影響通風(fēng)效果[5].同時，通風(fēng)過程受到外界環(huán)境的制約，通風(fēng)周期長達(dá)幾十甚至幾百小時，大尺寸實倉試驗很難進(jìn)行有效測量和計算，且成本高.計算流體動力學(xué)（CFD）方法能突破一些現(xiàn)實條件的限制，針對某一個影響因素進(jìn)行多次對比試驗，為儲糧通風(fēng)系統(tǒng)的研究提供了一種新方法.王遠(yuǎn)成等[6]提出糧堆熱濕耦合傳遞模型，研究通風(fēng)狀態(tài)中糧堆內(nèi)水分和熱量遷移規(guī)律；張忠杰等[7-8]給出了倉儲糧堆靜態(tài)儲藏和機械通風(fēng)兩種模式下的CFD 數(shù)值模擬；任廣躍等[9]采用CFD 數(shù)值模擬倉儲糧堆機械通風(fēng)過程中的壓力場分布；顧巍[10]研究了環(huán)形回流通風(fēng)地槽形式，并采用CFD數(shù)值模擬、模型試驗測量和實倉試驗的方法，可有效降低通風(fēng)阻力和消除通風(fēng)死角.

作者以某高大平房倉為研究對象，運用CFD數(shù)值模擬的方法，以機械通風(fēng)量作為變量，選取10個不同單位通風(fēng)量值作為入口邊界條件，進(jìn)行通風(fēng)效果的數(shù)值模擬預(yù)測，并針對《儲糧機械通風(fēng)技術(shù)規(guī)程》[11]的兩個臨界通風(fēng)量值對應(yīng)的通風(fēng)效果，對糧堆平均溫度、水分隨時間的變化進(jìn)行分析.

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

以上海某平房倉為研究對象，該倉長60 m，寬24 m，高11 m，儲糧高度8 m；糧倉采用4 臺相同的離心式風(fēng)機，通風(fēng)管道為4 個1 機3 道系統(tǒng)，通風(fēng)道采用“U”型地籠溝，通風(fēng)方式為壓入式通風(fēng).對研究對象進(jìn)行足尺建模，選取整體倉房和通風(fēng)系統(tǒng)為模擬計算區(qū)域，采用ICEM 軟件進(jìn)行三維模型建立和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，整個糧倉模型共劃分為2 300 萬個網(wǎng)格，建立三維糧倉模型如圖1 所示.

1.2 參數(shù)設(shè)置

入口邊界條件：根據(jù)糧倉儲藏部門記錄的通風(fēng)資料分析，在2009—2012 年中的12 月份對糧堆進(jìn)行機械通風(fēng)時，進(jìn)風(fēng)口空氣平均溫度8 ℃，空氣相對濕度64%，糧堆初始溫度為20 ℃，儲糧水分12%.

《儲糧機械通風(fēng)技術(shù)規(guī)程》[11]指出：以降水為主要目的的通風(fēng)，糧食水分14%以上，最低單位通風(fēng)量不得低于25 m3/（h·t）；以降溫為主要目的的通風(fēng)，低風(fēng)壓緩速降溫通風(fēng)要小于8 m3/（h·t）.因此，選取不同通風(fēng)目的兩個臨界通風(fēng)量25 m3/（h·t）和8 m3/（h·t）作為變量的上下限，依次再選取8 個不同單位通風(fēng)量值作為入口邊界條件，并分別進(jìn)行數(shù)值模擬預(yù)測.

根據(jù)《儲糧機械通風(fēng)技術(shù)規(guī)程》：

式中：Q總為總風(fēng)量，m3/h；q 為單位風(fēng)量，m3/（h·t）；G 為糧食質(zhì)量，經(jīng)計算，研究對象儲存糧食質(zhì)量為3 895 t；Q單位為空氣通過地籠溝的速度，m/s；S 為地籠溝有效通風(fēng)面積，經(jīng)計算取34.675 m2；按照式（1）、（2）計算入口風(fēng)量，結(jié)果如表1 所示.

出口邊界條件：倉儲通風(fēng)中空氣穿過散糧堆積區(qū)域后，由于倉房頂部空間較大，可認(rèn)為充分發(fā)展，因此出口條件采用自由流動.

邊壁邊界條件：由于通風(fēng)時間較短，外界溫度變化通過倉壁對倉內(nèi)環(huán)境影響較小，因此固體壁面和地面采用無滑移條件，并且假設(shè)為絕熱邊界條件.

糧堆區(qū)域邊界條件：在散糧堆積區(qū)域內(nèi)，機械通風(fēng)使空氣在谷物顆粒的空隙之間流動，通過谷粒與表面接觸空氣的溫度和水分交換，實現(xiàn)降溫降濕，因此試驗中將散糧堆積區(qū)域作為多孔介質(zhì)區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬.其中小麥導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.159 W/（m·K），比熱容為Cg=187 l J/（kg·K），容積密度為ρ=750 kg/m3，采用密度法可測得小麥孔隙度φ=0.485[12].在模擬過程中，以降溫為目的的通風(fēng)初始溫度為20 ℃，以降水為目的的通風(fēng)初始儲糧水分14%.

糧食顆粒作為多孔介質(zhì)的骨架，空氣在多孔介質(zhì)孔隙中流動受到糧食顆粒間黏性阻力和慣性阻力的影響.在數(shù)值模擬中，通過標(biāo)準(zhǔn)動量偏微分方程增加動量源項Si（Pa/m）表示空氣流動的阻力.

對于簡單的各向同性均勻多孔介質(zhì)[13].

由于Fluent 軟件中的標(biāo)準(zhǔn)多孔介質(zhì)模型不能模擬多孔介質(zhì)骨架與介質(zhì)之間的水分遷移，采用C語言，將糧堆內(nèi)熱濕耦合傳遞數(shù)學(xué)模型編寫為用戶自定義文件（UDF），進(jìn)行谷粒吸附和解析水分時伴隨的熱量交換和水分遷移的數(shù)值計算.

1.3 模型的建立及選擇

機械通風(fēng)過程中，氣流由通風(fēng)地籠溝進(jìn)入并穿過整個散糧堆積區(qū)域，從通風(fēng)管道到倉房內(nèi)，空氣流動充分發(fā)展，風(fēng)速較大具有典型的湍流特性.在模擬計算中選用目前應(yīng)用最為廣泛且計算量相對較小、精度合適的標(biāo)準(zhǔn)模型.能量守恒方程和質(zhì)量守恒方程構(gòu)成了機械通風(fēng)過程中Fluent 所包含的控制方程.

圖1 高大平房倉的物理模型

表1 機械通風(fēng)入口風(fēng)量取值

1.3.1 能量守恒方程

式中:Keff為糧堆的有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；cα、cg、cw分別為空氣、糧食、水的比熱容，J/（kg·℃）；Hw為糧食吸熱的總熱量，J/kg；Sh是熱量源項，W/m3，并且考慮谷物呼吸作用產(chǎn)生的自發(fā)熱[14].

1.3.2 質(zhì)量守恒方程

式中:φ 為糧食顆粒間空氣的濕度，kg/kg；ρα為空氣密度，kg/m3；Sw為水分源項，kg/m3；t 為時間，s；Deff為有效擴散系數(shù)，m2/s；u 為相對于糧食顆粒之間空氣平均速度的表觀速度或達(dá)西速度，m/s[15].

2 結(jié)果與分析

通過對10個不同入口邊界條件的數(shù)值模擬，并針對模擬結(jié)果從兩方面進(jìn)行討論.一方面分別選取以降水和降溫為目的的單位通風(fēng)量臨界值8 m3/（h·t）和25 m3/（h·t）作為入口邊界條件，糧堆經(jīng)過機械通風(fēng)作用，當(dāng)糧倉內(nèi)平均溫度達(dá)到15 ℃以下時，對比不同單位風(fēng)量所需有效時間和平均水分；另一方面針對得出10 個不同單位通風(fēng)量，糧倉內(nèi)平均溫度達(dá)到15 ℃以下時，所需要的機械通風(fēng)時間，從而得出風(fēng)量大小與降溫效果曲線不同.

2.1 不同單位風(fēng)量的通風(fēng)效果比較

在單位通風(fēng)量為8 m3/（h·t）和25 m3/（h·t）的條件下，糧堆平均溫度和水分隨時間變化情況分別如圖2 和圖3 所示.

從圖2 和圖3 可以看出，機械通風(fēng)在單位通風(fēng)量8 m3/（h·t）條件下，通風(fēng)48 h 糧堆平均溫度自20 ℃降至14.05 ℃，糧堆水分自14.0%上升至14.61%；機械通風(fēng)在單位通風(fēng)量25 m3/（h·t）條件下，通風(fēng)16 h 糧堆平均溫度自20 ℃降至14.35℃，糧堆濕基水分自14.0%下降至13.73%.

圖2 不同單位通風(fēng)量糧堆平均溫度隨時間變化情況

從圖2 可以看出，降溫時間與通風(fēng)量大致呈反比，單位通風(fēng)量越大，需要時間越短.外界溫度小于糧食溫度時，兩者存在絕對溫差，這是熱交換的原因.機械通風(fēng)降溫原理主要是通過將外界低溫空氣壓入糧堆中，低溫空氣在通過糧食顆粒空隙時，與相接觸的糧食顆粒進(jìn)行熱交換.此時空氣作為倉內(nèi)糧食與外界環(huán)境熱交換的媒介存在，當(dāng)入口處空氣溫度和熱容保持不變時，空氣通過糧堆速度越快，兩者的熱交換速率越大.因此風(fēng)量越大，糧倉內(nèi)的空氣被機械通風(fēng)壓入的外界空氣置換越快，空氣通過糧堆速度越快，兩者的熱交換速率越大，糧倉內(nèi)空氣溫度越快的接近于外界空氣的溫度.

從圖3 可以看出，在單位通風(fēng)量為25 m3/（h·t）時，糧堆濕基水分呈下降趨勢，因為在通風(fēng)量較大的情況下，谷物顆粒間隙的空氣流動速度大，糧食內(nèi)部的水分被表面接觸的空隙間高速氣流帶走；單位通風(fēng)量為8 m3/（h·t）時，糧堆濕基水分呈上升趨勢，因為通風(fēng)量較小的情況下，谷物顆粒間隙的空氣流動速度很小，谷物顆粒能充分與顆粒空隙間空氣進(jìn)行水分交換.在常壓下，空氣的飽和水蒸氣濃度是空氣溫度的函數(shù)，糧食顆粒間的空氣溫度降低，引起空氣的飽和水蒸氣濃度減小，導(dǎo)致糧食顆粒間的空氣相對濕度增加.根據(jù)平衡水分的概念可知，糧食與糧食顆粒間的濕空氣會進(jìn)行動態(tài)水分交換，根據(jù)小麥解吸與吸附平衡絕對濕度和平衡相對濕度曲線圖可知[16]，糧食顆粒間的空氣相對濕度增加，會引起小麥糧堆水分的升高.在入口處空氣溫度降低時，濕空氣的水蒸氣分壓力較小，因此，小麥糧堆干基水分變化緩慢且幅度不大.

通過兩者結(jié)果對比分析可以看出，通風(fēng)過程中，選取較大單位通風(fēng)量能實現(xiàn)快速降溫降水，單位通風(fēng)量過大甚至?xí)斐杉Z食失水現(xiàn)象；選取較小單位通風(fēng)量，有降溫保濕的效果，但通風(fēng)時間相對較長.

圖3 不同單位通風(fēng)量時糧堆水分隨時間的變化情況

2.2 不同單位通風(fēng)量降溫效果比較（圖4）

圖4 不同單位通風(fēng)量降溫時間比較

從圖4 可以看出，隨著單位通風(fēng)量的變大，降溫所需時間變小，降溫時間與單位通風(fēng)量大小大致呈反比；隨著單位通風(fēng)量不斷變大，單位通風(fēng)量變化率基本保持不變，降溫所需時間變化率不斷減小，通過提高單位通風(fēng)量縮短降溫時間的效果不斷減弱.由此可知，只有在一定范圍內(nèi)，通過提高單位通風(fēng)量從而縮短降溫時間效果明顯，如果盲目通過增大單位通風(fēng)量，不但不會縮短降溫時間，還會造成糧食一定程度的失水現(xiàn)象.

3 結(jié)論

通過對高大平房倉應(yīng)用CFD 技術(shù)，在10 個不同單位通風(fēng)量的入口邊界條件下進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，糧倉內(nèi)平均溫度自20 ℃降到15 ℃以下時，得到所需要的機械通風(fēng)時間，從而得出風(fēng)量大小與降溫效果曲線，并對不同通風(fēng)目的臨界代表值8 m3/（h·t）和25 m3/（h·t），從兩者降溫時間、糧堆的平均溫度、糧堆的濕基水分進(jìn)行通風(fēng)效果比較，結(jié)論為：

（1）機械通風(fēng)過程中，降溫時間與單位通風(fēng)量大小大致呈反比，但非絕對的線性關(guān)系.隨著單位通風(fēng)量變大，降溫時間縮短趨勢變緩，單位通風(fēng)量過大會造成糧食失水現(xiàn)象，不利于糧食加工.

（2）機械通風(fēng)過程中，選取較小單位通風(fēng)量，有降溫保濕的效果，但需通風(fēng)時間相對較長，受制于外界環(huán)境長期干燥和低溫環(huán)境.

（3）倉儲人員應(yīng)根據(jù)機械通風(fēng)目的、糧堆初始溫濕度、外界環(huán)境合理選擇通風(fēng)量.

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