橫向谷冷通風(fēng)過程的數(shù)值模擬研究

王遠成 高 帥 邱化禹 魏 雷 趙會義 曹 陽

橫向谷冷通風(fēng)過程的數(shù)值模擬研究

王遠成1高 帥1邱化禹1魏 雷2趙會義2曹 陽2

（山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院1，濟南 250101）
（國家糧食局科學(xué)研究院2，北京 100037）

基于局部熱濕平衡原理和多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)理論，建立了儲糧通風(fēng)過程中糧堆內(nèi)部流動及熱濕耦合傳遞的數(shù)學(xué)模型。采用計算流體動力學(xué)的方法，對橫向谷冷通風(fēng)時糧堆空氣內(nèi)部流動、熱量傳遞和水分遷移過程進行了數(shù)值分析。研究發(fā)現(xiàn)，橫向通風(fēng)約72 h，糧倉進風(fēng)口冷空氣平均溫度為17.5℃、相對濕度為85%，倉內(nèi)糧堆一次降溫從32.2℃降低到23.6℃，降溫幅度為8.6℃。水分從12.2%降到12.0%，降水幅度為0.2%。相對于地上籠垂直通風(fēng)而言，橫向通風(fēng)時糧堆內(nèi)部速度分布均勻、溫度梯度較小，且具有降溫速度快，冷卻效率高的特點。

數(shù)值模擬 橫向通風(fēng) 傳熱傳質(zhì) 儲糧

糧倉機械通風(fēng)在糧食儲藏中具有降溫效果顯著、費用較低等特點，在確保儲糧安全方面，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用［1］。目前國內(nèi)常用的機械通風(fēng)方式大多是地上籠垂直通風(fēng)，但這種通風(fēng)方式給糧食出入庫帶來極大的不便，加大了糧食進出庫的工作量，增加了儲糧成本。橫向通風(fēng)是把2組通風(fēng)籠垂直安裝在糧倉寬度方向的2個內(nèi)墻上，通過吸式或吹式的方式實現(xiàn)了沿著糧倉寬度方向的橫向通風(fēng)。橫向通風(fēng)避免了地上通風(fēng)籠所帶來的糧食進出倉的不便，使得糧食的裝卸可以在糧倉內(nèi)部完成，大大地提高了糧食進出倉的效率。

基于計算流體動力學(xué)的數(shù)值模擬方法是國外近年發(fā)展起來的一種研究流動、傳熱傳質(zhì)等現(xiàn)象的新方法，它可以形象地再現(xiàn)流動、熱濕傳遞過程的情景，為解決儲糧通風(fēng)問題也提供了一個良好的數(shù)值分析和優(yōu)化設(shè)計的工具［2］。

基于計算流體動力學(xué)的方法，對橫向分布式谷冷通風(fēng)時糧堆內(nèi)部流動和熱濕耦合傳遞過程進行了數(shù)值模擬研究，探究了橫向通風(fēng)時糧堆內(nèi)部溫度和水分的變化規(guī)律，分析評價了橫向通風(fēng)時糧堆降溫的均勻性和降溫效果，并通過與試驗結(jié)果的比較驗證了數(shù)學(xué)模型。

1 糧堆內(nèi)部流動和熱濕耦合傳遞過程的數(shù)學(xué)模型

假設(shè)糧堆是連續(xù)性的、均勻分布的多孔介質(zhì)，糧堆內(nèi)部滿足局部熱濕平衡原理［3－5］，考慮糧食顆粒的吸濕和解吸濕特性，由于通風(fēng)時間相對較短，谷物和蟲霉呼吸作用所產(chǎn)生的熱量和水分可以忽略不計。糧堆內(nèi)部流動及熱濕耦合傳遞的控制方程［6－8］：

連續(xù)性方程

動量方程

能量方程

水分遷移方程

式中：ε為空隙率；ρa為空氣密度；ρb為糧堆的容重；dp為谷物顆粒的等效直徑；u為糧堆內(nèi)部空氣的表觀速度或達西速度；p為壓力；t為時間；?為微分算子；ca、cb分別為空氣和糧堆的比熱；T為糧堆絕對溫度；W為糧堆的水分；keff為糧堆的有效導(dǎo)熱系數(shù)；μ為空氣的動力黏度；w為糧粒間空氣中的絕對含濕量；Deff為濕空氣在糧堆中的有效擴散系數(shù)；hs為谷粒吸濕或解吸濕熱。

2 數(shù)值方法及初始和邊界條件

數(shù)值模擬的糧倉為房式倉，糧倉長度為60 m，寬度為21 m，裝糧高度為5.8 m，儲存5 700 t小麥。為了便于分析，本研究取出長度方向一半的中截面上的溫度和水分變化進行分析和討論，如圖1所示。

圖1 房式倉橫向通風(fēng)系統(tǒng)和中截面示意圖

2.1 數(shù)值方法

對控制方程采用有限體積法進行離散，離散格式為二階上風(fēng)差分格式。為了防止迭代過程的發(fā)散和數(shù)值不穩(wěn)定，對動量方程、能量和標量輸運方程采用了欠松弛技術(shù)，壓力與速度耦合采用SIMPLE算法。

2.2 初始條件及熱物性參數(shù)

糧堆（小麥）平均初溫為32.2℃（絕對溫度為305.2 K），平均濕基水分為12.2%（干基水分為13.98%）。糧堆的容重為ρb＝ 805 kg／m3，糧堆的比熱容為cp＝1 790 J／kg·K，糧堆的導(dǎo)熱系數(shù)為λ＝0．159 W／m·K ，糧堆的孔隙度ε 取為0.4［6－8］。

2.3 邊界條件

出口邊界沿流線方向各流動參數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)取為零，在固體壁面和地面采用無滑移條件，并且為絕熱邊界，由于糧面覆膜，糧面假設(shè)不可滲透，但與上部空氣有熱量交換。由于采用的是橫向分布式谷冷通風(fēng)，即將谷冷機作為冷源放在糧倉的一側(cè)，并通過糧倉另一側(cè)的引風(fēng)機把谷冷機產(chǎn)生冷風(fēng)引入糧倉內(nèi)部。為了避免通風(fēng)過程中糧堆水分損耗過大，一方面選取較小的通風(fēng)量；另一方面，調(diào)節(jié)谷冷機出口空氣的濕度，谷冷機出風(fēng)口的空氣保持在較高濕度。因此，在實際操作中，糧倉進風(fēng)口冷空氣平均溫度為17.5℃，糧倉進風(fēng)相對濕度為85%，單位通風(fēng)風(fēng)量為q ＝4.9 m3／（h·t）。

3 模擬結(jié)果與分析

模擬通風(fēng)時間為72 h，糧堆平均表觀風(fēng)速為0.023 m／s，由于流動速度很小，糧堆內(nèi)的流動主要是靜壓驅(qū)動。圖2是橫向通風(fēng)時糧堆內(nèi)部的速度分布，其中圖2上部三角形區(qū)域為膜上空間的空氣自然對流運動，下部矩形區(qū)域為糧堆內(nèi)部流動的流場。從圖2可以看出，橫向通風(fēng)時糧堆內(nèi)部的流場分布非常均勻，這給糧堆的快速均勻降溫奠定了基礎(chǔ)。

圖2 橫向通風(fēng)在糧堆內(nèi)的速度分布

圖3 通風(fēng)72 h時糧堆溫度分布

圖4 通風(fēng)72 h時糧堆水分分布

圖5 不考慮吸濕／解吸濕作用通風(fēng)72 h時糧堆溫度分布

圖3 和圖4是通風(fēng)72 h時糧堆內(nèi)部溫度（開爾文溫度）和水分分布。從圖3和圖4可以看出，由于通風(fēng)時進入糧堆的空氣溫度低于糧堆的初始溫度，隨著冷風(fēng)前沿的推進，糧粒與周圍空氣之間進行對流換熱，糧堆與冷空氣進行熱量交換而降低溫度。在糧堆與空氣進行熱量交換的同時，糧粒還與周圍空氣進行質(zhì)量交換，從而導(dǎo)致糧堆水分發(fā)生遷移。從圖3還可以看出，糧堆內(nèi)部溫度前沿（冷鋒面）是波浪式的，即糧堆內(nèi)部存在著溫度不同的多個冷鋒面，而不是只有1個冷鋒。為了說明這個問題，數(shù)值計算了不考慮水分變化，即只考慮通風(fēng)時糧堆與空氣之間的熱量交換，不考慮糧堆與空氣之間的質(zhì)量交換。也即僅僅求解流動和傳熱，并且忽略方程3右邊第二項（吸濕或解吸濕熱）。此時糧堆內(nèi)部溫度隨著時間變化規(guī)律如圖5所示，比較圖3和圖5可以發(fā)現(xiàn)二者之間差別較大，前者降溫較快且存在多個冷鋒面，而后者的降溫較慢且只有1個冷鋒，主要原因是后者沒有考慮糧食吸濕性特征，忽略了糧堆的解吸濕作用，此時糧堆類同于沙堆，其內(nèi)部水分被認為是恒定不變的，這顯然與事實不符。由于在糧堆水分蒸發(fā)（解吸濕）而降低時，水分蒸發(fā)潛熱沒有被考慮，而水分的蒸發(fā)必然消耗糧堆的熱力學(xué)能量，使得溫度降低加快。因此，在計算糧堆內(nèi)部熱濕傳遞過程時，必須要考慮糧堆內(nèi)部質(zhì)量交換，即糧粒與糧粒間空氣的水蒸氣交換，否則模擬計算的結(jié)果會產(chǎn)生較大的誤差，甚至產(chǎn)生謬誤。

圖6 糧堆平均溫度隨時間的變化規(guī)律

圖7 糧堆平均水分隨時間的變化規(guī)律

圖6 和圖7是糧堆平均溫度和水分的時間變化圖，從圖3和圖6看出，通風(fēng)約72 h，倉內(nèi)糧堆溫度從32.2℃降低到23.6℃，降溫幅度為8.6℃。同時，從圖6還可以看出，溫度的數(shù)值模擬與試驗測定結(jié)果相符，說明本研究建立的數(shù)學(xué)模型可以用于儲糧通風(fēng)過程中糧堆內(nèi)部熱濕傳遞的模擬研究。從圖4和圖7看出，通風(fēng)72 h，糧堆平均水分從12.2%降到12.0%，降水幅度為0.2%，水分降低很小。這因為本研究模擬的是分布式谷冷通風(fēng)，進風(fēng)口的空氣濕度為85%，因此，通風(fēng)過程中糧堆的水分降低較少損耗較小。

圖8和圖9是寬度方向各個立面上和高度方向各個水平面上（見圖1所示）糧食溫度隨時間變化圖。從圖中可以看到，在糧堆寬度方向上，冷風(fēng)從進口糧堆的北1立面推進到冷風(fēng)出口的南1立面，冷鋒面逐步推進，糧溫降低。在間距為5 m的相鄰2個立面之間的平均糧溫相差不大于2℃，北1和南1 2個立面的溫差為4.6℃。從圖8還可以看出，橫向谷冷通風(fēng)時糧堆的降溫速度快，平均每3.6 h冷風(fēng)向前推進1 m（以通風(fēng)結(jié)束時刻南1立面上的平均溫度為準），冷鋒面移動速度為0.28 m／h。從圖9可以看出，在糧堆高度方向，除了頂層以外，相鄰的2層之間糧堆的溫差不超過0.2℃。頂層糧溫也有明顯降低，較空氣區(qū)域平均溫度低約0.5℃，頂層與底層之間的溫差為0.4℃。由此可以看出橫向谷冷通風(fēng)時糧堆高度方向溫度梯度較小，沒有出現(xiàn)地上籠垂直通風(fēng)造成的沿著高度方向溫度梯度過大的問題。

圖8 寬度方向各立面上溫度變化規(guī)律

圖9 高度方向各水平面上溫度變化規(guī)律

4 結(jié)論

4.1 橫向谷冷通風(fēng)時糧堆內(nèi)部表觀風(fēng)速為0.023 m／s，冷鋒前沿移動速度為0.28 m／h。橫向通風(fēng)約72 h，倉內(nèi)糧堆一次降溫從32.2℃降低到23.6℃，降溫幅度為8.6℃。水分從12.2%降到12.0%，降水幅度為0.2%。橫向通風(fēng)時糧堆內(nèi)部速度分布均勻，且具有降溫速度快，冷卻效率高的特點。

4.2 橫向通風(fēng)時在糧堆寬度方向上，相鄰的間距為5 m的相鄰2個截面之間的平均糧溫變化不大于2℃；糧堆高度方向水平上，各層之間溫差不超過0.2℃。相對于地上籠垂直通風(fēng)而言，橫向谷冷通風(fēng)時糧堆內(nèi)部溫度梯度較小。

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Numerical Study During the Horizontal Grain Aeration with Cooling Air

Wang Yuancheng1Gao Shuai1Qiu Huayu1Wei Lei2Zhao Huiyi2Cao Yang2
（College of Thermal Energy Engineering，Shandong Jianzhu University1，Jinan 250101）
（Academy of State Administration of Grains2，Beijing 100037）

A mathematical model of internal flow and heat and humidity coulped transport of grain bulk during the aeration of stored grains based on the principle of local heat and humidity balance and theory of heat and mass transfer in porous media is established.Based on the method of computational fluid dynamics，numerical analysis has done for internal air motion，heat transfer and water migration process of grain bulk during the horizontal grain aeration with cooling air.It’s found by study that in case of horizontal aeration for about 72 h，average temperature of cold air at the air intake of grain elevator，with relative humidity being 85%，temperature of grain bulk inside decreases from32.2℃to 23.6℃，with temperature drop range being 8.6℃.Moisture decreases from12.2%to 12.0%with dropping extent being 0.2%.Compared to ground cage vertical aeration，horizontal aeration is characterized by homogeneous distribution of internal speed of grain bulk，less temperature gradient，quick cooling rate and high cooling efficiency.

numerical simulation，horizontal aeration，heat and mass transfer，stored grains

TH432

A

1003－0174（2016）07－0103－04

國家自然科學(xué)基金（51276102），國家糧食公益專項（201313001，2015449 －001 －03）

2014－11－19

王遠成，男，1963出生，教授，博士，復(fù)雜系統(tǒng)流動和傳熱傳質(zhì)