不同二氧化碳含量對(duì)馬鈴薯貯藏室內(nèi)溫度分布的影響

甄琦， 閆廣澤， 塔娜， 趙志勇， 于慧敏

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)能源與交通工程學(xué)院，呼和浩特 010018）

馬鈴薯作為常見(jiàn)的糧菜飼兼用作物之一，目前已成為中國(guó)的第四大主糧，對(duì)保障國(guó)家糧食安全意義重大，如何延長(zhǎng)其保鮮周期是農(nóng)產(chǎn)品貯藏領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向[1-4]。半地下式貯藏室作為中國(guó)北方地區(qū)農(nóng)戶(hù)普遍采用的貯藏設(shè)施，在馬鈴薯貯藏過(guò)程中起著至關(guān)重要的載體作用，其優(yōu)點(diǎn)是建設(shè)成本低、調(diào)控溫濕度簡(jiǎn)單、操作方便等[5-6]；但該類(lèi)貯藏室無(wú)排氣和通風(fēng)裝置，導(dǎo)致貯藏環(huán)境與馬鈴薯的生理特性出現(xiàn)偏差從而影響馬鈴薯的貯藏質(zhì)量[7-10]。二氧化碳作為馬鈴薯貯藏呼吸熱的副產(chǎn)物，其溫室效應(yīng)對(duì)密閉貯藏室內(nèi)溫度的分布有較大影響。已有學(xué)者基于二氧化碳的含量問(wèn)題[11-13]展開(kāi)了研究，為各類(lèi)果蔬在二氧化碳影響下的貯藏條件和方法提供了研究基礎(chǔ)。若能平衡二氧化碳對(duì)貯藏室的溫室效應(yīng)與抑制馬鈴薯呼吸作用的關(guān)系，可從溫度控制及生理抑制2 個(gè)角度提升馬鈴薯貯藏期間的保鮮效果，所以研究不同含量的二氧化碳對(duì)貯藏室內(nèi)溫度分布的影響有重要的意義。

計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamic，CFD）是一種通過(guò)計(jì)算機(jī)解析數(shù)學(xué)模型流體流動(dòng)和傳熱問(wèn)題的可靠工具[14]。目前有較多學(xué)者利用CFD 研究冷庫(kù)、貯藏室等農(nóng)業(yè)設(shè)施室內(nèi)的氣體流速分布與溫度分布[15-17]。He等[18]建立了11跨塑料溫室大棚的三維CFD 數(shù)值模型，研究通風(fēng)口配置和開(kāi)口尺寸對(duì)溫室小氣候模式及內(nèi)部氣候時(shí)空變化的影響。Zhang 等[19]通過(guò)模擬單個(gè)貨架生產(chǎn)系統(tǒng)中的生長(zhǎng)環(huán)境，設(shè)計(jì)并提出了1 種改進(jìn)的空氣循環(huán)系統(tǒng)，有助于防止生菜生產(chǎn)中發(fā)生變質(zhì)。Echaroj等[20]采用CFD 數(shù)值仿真對(duì)3種幾何形狀的儲(chǔ)藏室進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了不同幾何形狀儲(chǔ)藏室的氣流速度分布，發(fā)現(xiàn)貯藏室?guī)缀涡螤顚?duì)氣流速度分布的影響。目前，氣體含量對(duì)果蔬貯藏質(zhì)量影響的研究主要集中在氣體對(duì)果蔬相關(guān)生理指標(biāo)的作用上[21-22]，而二氧化碳?xì)怏w造成的溫室效應(yīng)對(duì)密閉環(huán)境的貯藏室內(nèi)溫度變化影響較為顯著，卻鮮有相關(guān)的研究。

本研究綜合考慮了室內(nèi)馬鈴薯堆垛呼吸熱、二氧化碳含量等多方面因素，以我國(guó)西部地區(qū)典型的半地下式馬鈴薯貯藏室為載體，構(gòu)建三維CFD 數(shù)值計(jì)算模型，將仿真計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證相關(guān)數(shù)學(xué)模型的有效性和準(zhǔn)確性，基于該模型討論不同含量二氧化碳貯藏室內(nèi)溫度分布情況。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究以呼和浩特市內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)基地半地下式貯藏室為試驗(yàn)載體，該貯藏室主要貯藏食用型馬鈴薯，外觀如圖1A 所示。貯藏室為東西走向，整體尺寸為長(zhǎng)40.0 m，寬11.5 m，高2.6 m，其內(nèi)部共分為10 個(gè)南北走向的單間貯藏室，每個(gè)貯藏室的尺寸為8.0 m×4.0 m×2.6 m，本研究選取1 個(gè)貯藏室作為試驗(yàn)場(chǎng)所。貯藏室的墻體為磚墻，厚度為0.37 m，貯藏室有1.87 m 處于地平面之下，北墻外部堆積有厚度為1.0 m 土層，南墻開(kāi)2.0 m×1.5 m 的大門(mén)，東西居中且距門(mén)1.60 m，貯藏室底部距外地表深度為1.56 m。

圖1 半地下式貯藏室外觀、尺寸及設(shè)備布置Fig. 1 Appearance， size and equipment layout of the semi-underground storage room

圖2 馬鈴薯貯藏室?guī)缀文Ｐ虵ig. 2 Diagram of numerical model of potato storage room

以‘冀張薯12 號(hào)’作為供試材料，試驗(yàn)周期為2022 年9 月25 日（入庫(kù)）至2023 年3 月2 日（出庫(kù)），貯藏室均按照正常的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行貯藏保溫，半地下式貯藏室的尺寸及設(shè)備布置示意圖如圖1B~D所示。

1.2 試驗(yàn)方法

將澤豐ZFC-0型二氧化碳發(fā)生器（體積1.30 m×0.71 m×0.62 m，出氣口直徑1.2 cm，出氣速度2 m·s-1，中國(guó)）布置于貯藏室北墻的中心位置，用于保持貯藏室有穩(wěn)定的二氧化碳?xì)怏w含量。馬鈴薯以1.35 m×1.10 m×0.91 m 的近立方體結(jié)構(gòu)堆積在貯藏室中心位置，分別將5 個(gè)DigiTH 型溫度傳感器（量程-40~80 ℃，精度≤±2 ℃，分辨率0.01 ℃，中國(guó)）布置在馬鈴薯堆垛的5 個(gè)外表面（除了底面）的中心位置，分別命名為北側(cè)T1，南側(cè)T2，西側(cè)T3，東側(cè)T4，頂部T5，長(zhǎng)、寬、高分別距馬鈴薯堆垛邊界約0.675、0.550、0.450 m（尺寸及位置參考圖1~2），傳感器以2 次·h-1的頻率記錄溫度數(shù)據(jù)，試驗(yàn)用堆體及設(shè)備布置如圖3所示。

圖3 貯藏室內(nèi)馬鈴薯堆體及設(shè)備Fig. 3 Diagram of potato stack and equipment in storage room

考慮到馬鈴薯入庫(kù)周期集中在我國(guó)北方冬季，通過(guò)對(duì)外界小型氣象站數(shù)據(jù)的監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)2022 年1 月31 日（晴，氣溫-6~-18 ℃，北風(fēng)3~4 級(jí)）為典型的北方冬季天氣條件，以該天14∶00時(shí)的貯藏室內(nèi)外環(huán)境因子數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)條件，對(duì)貯藏室內(nèi)溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并通過(guò)數(shù)值建模對(duì)比不同二氧化碳含量下的貯藏室內(nèi)溫度的變化。

1.3 半地下式貯藏室CFD建模

此模型建立是以上述貯藏室為參考模型，詳細(xì)尺寸為：長(zhǎng)8.0 m，寬4.0 m，高2.6 m；南墻開(kāi)設(shè)貯藏室門(mén)，其尺寸為2.0 m×1.5 m。在貯藏室北墻放置ZFC-0 型二氧化碳發(fā)生器，其尺寸為：長(zhǎng)1.3 m，寬0.71 m，高0.62 m，在二氧化碳發(fā)生器的中心處設(shè)有1 個(gè)出風(fēng)口，直徑為1.2 cm。馬鈴薯堆垛近似繪制為長(zhǎng)1.35 m、寬1.10 m、高0.91 m 的幾何體，放置在貯藏室中心位置?？紤]到貯藏室常閉狀態(tài)，但門(mén)與墻體間存在間隙，故出風(fēng)口位于門(mén)與墻體的縫隙處。馬鈴薯貯藏室模圖如圖2所示。

1.4 數(shù)學(xué)模型及模型假設(shè)

因馬鈴薯在貯藏過(guò)程中釋放出大量的呼吸熱，將馬鈴薯堆體假設(shè)為中心具有內(nèi)熱源的多孔介質(zhì)[23]，考慮馬鈴薯堆體與室內(nèi)空氣的傳熱作用，在貯藏過(guò)程中氣溫較低，熱輻射作用不明顯故可以忽略。本研究應(yīng)用到的數(shù)學(xué)模型具體如下。

1.4.1內(nèi)熱源數(shù)學(xué)模型 內(nèi)熱源在流場(chǎng)中的傳熱主要是因?yàn)閮?nèi)熱源自身散熱在流場(chǎng)中產(chǎn)生熱量的傳遞。在導(dǎo)熱的過(guò)程中其熱量傳遞符合導(dǎo)熱微分方程[24]。

其中，ρ表示密度，kg·m-3；c為定壓比熱容，J·kg-1·K-1；ρc為單位體積的物體溫度升高1 K 所需的熱量，J·m-3·K-1；λ為熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1；w是內(nèi)熱源的發(fā)熱量，J；T表示時(shí)間為t時(shí)的瞬時(shí)溫度，K；t為時(shí)間，s；x、y、z是直角坐標(biāo)下的不同的方向上的距離，m。

內(nèi)熱源加熱的時(shí)間越長(zhǎng)，其熱量擴(kuò)散情況也會(huì)隨著時(shí)間變化，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的傳遞后會(huì)使整個(gè)流場(chǎng)內(nèi)的熱量傳遞達(dá)到物理平衡的狀態(tài)。

1.4.2多孔介質(zhì)模型 由于在本研究中，馬鈴薯被視作多孔介質(zhì)與外界空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，需明確多孔介質(zhì)內(nèi)的流體流動(dòng)狀態(tài)所產(chǎn)生的影響及其能量、質(zhì)量、熱量傳遞等狀態(tài)，涉及到的低速的流體流動(dòng)的連續(xù)方程（達(dá)西定律）如公式（2），對(duì)流換熱方程如式（3）[25]。

式中，v為流體流速，m·s-1；k為滲透率系數(shù)，%；μ為流體的黏度系數(shù)，kg·m-1·s；ρa(bǔ)為馬鈴薯的密度，kg·m-3；ρb為馬鈴薯堆垛內(nèi)部的空氣密度，kg·m-3；φa為馬鈴薯的孔隙率，%；φb為空氣的孔隙率，%；H為馬鈴薯的比焓，J·kg-1；h為馬鈴薯之間空氣的比焓，J·kg-1；keff為馬鈴薯堆垛傳熱系數(shù)，W·m-1·K-1；qr為內(nèi)熱源釋放的熱量，J。

1.4.3氣體區(qū)數(shù)學(xué)模型 貯藏室內(nèi)熱質(zhì)傳遞過(guò)程較為復(fù)雜，為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，根據(jù)文獻(xiàn)[26]對(duì)模型做出如下假設(shè)：①室內(nèi)氣體為牛頓流體且不可壓縮；②氣體物性參數(shù)為常數(shù)；③室外溫度穩(wěn)定不變，忽略墻壁引起的熱質(zhì)損失；④庫(kù)內(nèi)氣體在壁面上無(wú)滑移?；谝陨霞僭O(shè)，并忽略由于溫度、含量差所引起的升浮力影響，室內(nèi)的流場(chǎng)可以簡(jiǎn)化為三維穩(wěn)態(tài)、不可壓縮、粘性的湍流流場(chǎng)，選擇k-ε湍流模型，在直角坐標(biāo)系下，聯(lián)立連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及能量方程，上述控制方程可以表示為公式（4）。

式中，φ表示通量，當(dāng)φ為1時(shí)，代表該方程表示質(zhì)量守恒方程，當(dāng)φ為速度矢量v=[u v w]時(shí)，代表該方程表示動(dòng)量守恒方程，u、v、w是速度矢量v在3 個(gè)方向的速度標(biāo)量，當(dāng)φ為T(mén)時(shí)，代表該方程表示能量守恒方程，T為溫度，K；Γ 為與φ相對(duì)應(yīng)的廣義擴(kuò)散系數(shù);S為與φ相對(duì)應(yīng)的廣義源項(xiàng)。

1.4.4其他條件參數(shù)設(shè)置 根據(jù)文獻(xiàn)[25]設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)。

①邊界條件。入口參數(shù)：速度入口，風(fēng)速設(shè)置為2 m·s-1；湍流強(qiáng)度5.88%；水力直徑0.012 m；溫度4 ℃。出口參數(shù)：壓力出口，壓力為0 Pa；湍流強(qiáng)度7.04%；水力直徑0.099 m；溫度0 ℃；壁面邊界條件具體設(shè)置如表1。

表1 壁面邊界條件參數(shù)設(shè)置Table 1 Setting parameters of wall boundary conditions

②多孔介質(zhì)。將馬鈴薯堆體假設(shè)為多孔介質(zhì)，其參數(shù)設(shè)置如下：孔隙率0.436，滲透率0.734，慣性阻力系數(shù)136 239，黏性阻力系數(shù)0.119。

③內(nèi)熱源參數(shù)。將幾何模型的馬鈴薯堆垛中心設(shè)置為熱源，溫度設(shè)置為2 ℃，其材料參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 材料參數(shù)設(shè)置Table 2 Material parameter settings

④入口氣體含量條件。入口氣體含量為進(jìn)氣口氣體含量，參考GB/T 51124—2015《馬鈴薯貯藏設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》[27]，分別設(shè)置0.00%、0.15%、0.30%（體積分?jǐn)?shù)）的二氧化碳?xì)怏w作為對(duì)比。

1.5 室內(nèi)數(shù)值方法可靠性驗(yàn)證

因目前尚未有關(guān)于半地下式馬鈴薯貯藏室三維數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性研究。白通通[28]在蘋(píng)果冷藏庫(kù)中豎直壁面貼附送風(fēng)模式下送風(fēng)溫度與送風(fēng)速度的研究比較深入和成熟，其團(tuán)隊(duì)在該方面的研究中應(yīng)用的模型較為準(zhǔn)確，因馬鈴薯貯藏過(guò)程與蘋(píng)果在冷藏過(guò)程具有相似性，故采取了此方法開(kāi)展室內(nèi)數(shù)值方法可靠性的驗(yàn)證工作。為了驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的正確性，采用尹海國(guó)等[29]的豎壁貼附送風(fēng)方式的軸線(xiàn)風(fēng)速的計(jì)算公式，

式中，u(y*)為距送風(fēng)口距離為y*時(shí)的軸線(xiàn)速度，y*為房間高度和對(duì)應(yīng)高度的差值，u0為送風(fēng)速度，b為條縫風(fēng)口寬度。

1.6 馬鈴薯堆體等效熱模型有效性的驗(yàn)證

考慮到馬鈴薯貯藏過(guò)程中釋放出大量的呼吸熱，為進(jìn)一步準(zhǔn)確描述貯藏室內(nèi)馬鈴薯堆體與環(huán)境換熱的溫度分布，將堆體虛擬為多孔介質(zhì)，并在其內(nèi)部添加內(nèi)熱源，將馬鈴薯堆體整體等效為1 個(gè)發(fā)熱體。為研究該數(shù)值模型的精確程度，將通過(guò)傳感器所采集的貯藏室內(nèi)馬鈴薯堆表面不同測(cè)點(diǎn)的溫度實(shí)測(cè)值與數(shù)值計(jì)算獲得的模擬值進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而驗(yàn)證馬鈴薯堆體等效熱模型應(yīng)用的準(zhǔn)確性。根據(jù)1.2方法中布置的溫度測(cè)點(diǎn)位置（北側(cè)T1、南側(cè)T2、西側(cè)T3、東側(cè)T4、頂部T5，如圖2 所示），提取相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)。并通過(guò)后處理軟件提取與試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1.7 網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

在數(shù)值模擬的過(guò)程中，網(wǎng)格質(zhì)量和網(wǎng)格數(shù)量都會(huì)對(duì)仿真計(jì)算產(chǎn)生極大的影響，網(wǎng)格數(shù)量增加會(huì)增加仿真計(jì)算的精度，但會(huì)造成計(jì)算資源的極大消耗。在數(shù)值仿真計(jì)算前進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。條件及參數(shù)設(shè)置不變的情況下，改變計(jì)算域內(nèi)的網(wǎng)格密度，看相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)變化，將3 種網(wǎng)格數(shù)的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2 結(jié)果與分析

2.1 室內(nèi)數(shù)值方法可靠性驗(yàn)證結(jié)果分析

室內(nèi)數(shù)值方法可靠性驗(yàn)證結(jié)果如圖4 所示，通過(guò)模擬仿真得到的3 種風(fēng)速的數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[28]結(jié)果進(jìn)行比較，得到軸線(xiàn)的速度的均方根誤差分別為3.15%、2.74%、3.35%，證明了此數(shù)值方法是正確的，可以較為精準(zhǔn)的模擬冷藏庫(kù)、貯藏室內(nèi)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)狀態(tài)。

圖4 數(shù)值方法驗(yàn)證結(jié)果Fig. 4 Numerical method verification results

2.2 馬鈴薯堆體等效熱模型有效性驗(yàn)證結(jié)果分析

由圖5 可知，測(cè)點(diǎn)位置的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)基本吻合且變化規(guī)律一致，最大相對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差分別為9.77%和8.26%，模型的計(jì)算誤差在允許范圍之內(nèi)，故將馬鈴薯堆體虛擬為具有內(nèi)熱源模型的多孔介質(zhì)的等效熱模型，能夠?qū)︸R鈴薯堆體發(fā)熱情況的溫度分布進(jìn)行較為精確的描述，確認(rèn)了馬鈴薯堆體等效熱模型有效性。

圖5 模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig. 5 Comparison of simulated value and measured value

2.3 網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證分析

網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果表明，在條件及參數(shù)設(shè)置不變的情況下，改變計(jì)算域內(nèi)的網(wǎng)格密度，相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)分別為153 萬(wàn)、230 萬(wàn)、420 萬(wàn)。將3 種網(wǎng)格數(shù)的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，其橫方向截面的溫度和結(jié)果如圖6 所示。根據(jù)仿真結(jié)果，153 萬(wàn)、230 萬(wàn)這2 種網(wǎng)格數(shù)的結(jié)果相近，230 萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)的溫度與420 萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)的溫度最大誤差大于17%，而153 萬(wàn)、230 萬(wàn)的溫度結(jié)果的最大誤差為11%，因此可以得出153 萬(wàn)網(wǎng)格結(jié)果較為合適，且與430 萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)相比網(wǎng)格數(shù)少，計(jì)算速度快，因此本研究采用153 萬(wàn)左右的網(wǎng)格數(shù)。劃分網(wǎng)格的尺寸設(shè)置為300 mm，增長(zhǎng)率為1.2，目標(biāo)偏度0.8。并對(duì)模型的速度入口、壓力出口以及馬鈴薯堆垛位置進(jìn)行了加密。

圖6 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果Fig. 6 Grid independence verification results

2.4 二氧化碳環(huán)境因子對(duì)貯藏室溫度的影響

通過(guò)不同入口氣體含量模型的模擬仿真溫度云圖，分析其對(duì)半地下式馬鈴薯貯藏室傳熱的影響。當(dāng)充入的二氧化碳含量為0.00%、0.15%、0.30%時(shí)，貯藏室平均溫度與馬鈴薯堆平均溫度分別為1.34 和1.93 ℃；1.36 和1.93 ℃；1.36 和1.94 ℃。為更清晰展示所獲得的結(jié)果，在貯藏室?guī)缀文Ｐ椭蟹謩e進(jìn)行3 個(gè)方向上的取面，X、Y、Z方向截面的立體圖如圖7所示。

圖7 貯藏室不同位置截面Fig. 7 Different positions in the storage room

二氧化碳?xì)怏w含量為0.15%的情況下，半地下式貯藏室內(nèi)溫度分布如圖8 所示。通過(guò)添加內(nèi)熱源模型的方式模擬馬鈴薯堆體在貯藏室中的發(fā)熱情況，可以看到在X=4 m 位置馬鈴薯堆體的中心位置溫度最高，熱量在堆體內(nèi)部進(jìn)行傳遞，繼而加熱整個(gè)馬鈴薯貯藏室。X=7.5 m 處接近出口位置，故在其切面頂部和底部溫度較低（圖8A）。Y=0.3 m 處，由于左側(cè)遠(yuǎn)離貯藏室出口溫度較高，向右側(cè)依次遞減，貯藏室地面（Y=2.3 m處）由于接近貯藏室大門(mén)，受到外界較低溫度空氣的影響較為明顯，可以看到靠近大門(mén)位置的地面溫度較低（圖8B）。

圖8 0.15% CO2含量下貯藏室內(nèi)溫度分布Fig. 8 Temperature distribution in storage room under 0.15% CO2 gas content

由圖8C 可知，不同Z切面反映出貯藏室左上方溫度較高，這是由于二氧化碳發(fā)生器氣體出口位置靠前，噴出后氣體由于溫度較高向上運(yùn)動(dòng)，由于左上方頂墻、左墻及二氧化碳發(fā)生器壁面的共同作用，使得較熱的氣體堆積在左上方。貯藏室大部分區(qū)域受到馬鈴薯堆體與出口氣體的共同加熱，溫度較均衡，在1.21~1.29 ℃之間，能夠較好地貯藏馬鈴薯。而受到出口溫度的影響，右側(cè)地面及右墻的整體溫度較低，該位置影響馬鈴薯貯藏，應(yīng)合理改進(jìn)。該結(jié)果與實(shí)際馬鈴薯貯藏室內(nèi)溫度分布較為符合，能夠在一定程度上真實(shí)反映靜態(tài)條件下的馬鈴薯貯藏?zé)崃總鬟f情況。

2.5 不同二氧化碳含量對(duì)馬鈴薯貯藏過(guò)程中傳熱的影響

為研究不同組分的二氧化碳?xì)怏w對(duì)馬鈴薯貯藏過(guò)程中傳熱的影響情況，分別截取二氧化碳含量為0.00%、0.15%、0.30%時(shí)，貯藏室在X=4 m、Z=2 m處的溫度分布云圖截面進(jìn)行對(duì)比。從圖9的溫度云圖可以得到貯藏室內(nèi)的整體溫度分布狀態(tài)。云圖中紅色中心區(qū)域是馬鈴薯堆垛的存放區(qū)，可以看到這個(gè)位置的溫度是由馬鈴薯堆垛的中心區(qū)域向外部逐漸發(fā)散，表明熱源的加入會(huì)以輻射的方式對(duì)馬鈴薯周邊溫度產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)二氧化碳含量由0.00%提高到0.30%時(shí)，馬鈴薯堆體表面的空氣溫度由1.23 ℃提升至1.37 ℃，因受多孔介質(zhì)模型的影響，堆體內(nèi)部溫度呈近球形分布，由1.85 ℃逐層遞減至室溫。貯藏室內(nèi)低于1.05 ℃的溫度區(qū)域，隨著二氧化碳含量的提升越來(lái)越小，而室內(nèi)頂部接近1.35 ℃的區(qū)域卻越來(lái)越大。

圖9 貯藏室在X=4 m處不同CO2氣體含量的溫度分布Fig. 9 Temperature distribution of different CO2 gas content in the storage room at X=4 m

從圖10 可以看出，貯藏室內(nèi)溫度整體分布由屋頂?shù)降孛孢f減，北側(cè)墻溫度高于南側(cè)墻，發(fā)熱的馬鈴薯堆對(duì)底層空氣有加熱作用，二氧化碳含量的提升擴(kuò)大了高溫區(qū)域的范圍。由二氧化碳發(fā)生器輸入的較高溫度（3.85 ℃）的二氧化碳?xì)怏w在北墻附近形成了1 個(gè)溫度較高的回流區(qū)，隨著二氧化碳含量的提升，回流區(qū)的中心溫度由0.75 ℃提升至1.28 ℃。由于發(fā)生器噴出氣體速度較快，在噴口及斜上方形成了高溫區(qū)域，該區(qū)域的整體溫度也隨著二氧化碳含量的提升而變大。二氧化碳的噴出對(duì)發(fā)熱的馬鈴薯堆體溫度分布也造成了影響，接近發(fā)生器一側(cè)的馬鈴薯堆體附近的整體溫度明顯高于另外一側(cè)，這會(huì)造成堆體溫度分布不均，影響馬鈴薯的品質(zhì)。

圖10 貯藏室在Z=2 m處不同CO2氣體含量的溫度分布Fig. 10 Temperature distribution of different CO2 gas content in the storage room at Z=2 m

2.6 貯藏室中心溫度點(diǎn)分析

當(dāng)二氧化碳?xì)怏w的含量分別為0.00%、0.15%、0.30%時(shí)，半地下式馬鈴薯貯藏室中心位置的橫向切面溫度如圖11 所示，含有0.30%二氧化碳?xì)怏w的半地下式馬鈴薯貯藏室整體各點(diǎn)溫度均高于其他2 個(gè)處理的半地下式馬鈴薯貯藏室整體各點(diǎn)溫度。其中，在貯藏室橫切面取點(diǎn)中心位置，3 個(gè)二氧化碳組分的貯藏室點(diǎn)溫度均達(dá)到最大值，是因?yàn)樵隈R鈴薯堆垛中心加入了熱源，表明熱源對(duì)于馬鈴薯貯藏室溫度有一定的影響，可以輻射的方式使周?chē)鷾囟壬摺?/p>

圖11 貯藏室中心橫切面溫度分布Fig. 11 Temperature distribution in the cross-section of the center of the storage room

不同二氧化碳含量下，半地下式馬鈴薯貯藏室中心位置的豎向切面溫度如圖12 所示，在豎切面取點(diǎn)坐標(biāo)的初始位置，0.15%和0.30%二氧化碳?xì)怏w含量所對(duì)應(yīng)的溫度均處于較高狀態(tài)，因?yàn)榇颂幘嚯x二氧化碳發(fā)生器的出氣口最近，而二氧化碳是溫室氣體，且二氧化碳發(fā)生器在生成二氧化碳時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，從而導(dǎo)致此處溫度略高。在豎切面取點(diǎn)坐標(biāo)的中心位置，3 組溫度點(diǎn)線(xiàn)圖均達(dá)到了最大值，同樣是因?yàn)闊嵩吹挠绊憽６谌↑c(diǎn)坐標(biāo)末尾處0.15%和0.30%二氧化碳含量所對(duì)應(yīng)的貯藏室溫度取點(diǎn)數(shù)據(jù)均達(dá)到了最低值，一方面是因?yàn)榇颂幘嚯x二氧化碳發(fā)生器位置較遠(yuǎn)，另一方面因?yàn)樘幱谥虚g位置的馬鈴薯堆垛阻擋住了二氧化碳?xì)怏w的擴(kuò)散，致使此處溫度相較于貯藏室整體溫度略偏低。

圖12 貯藏室中心豎切面溫度分布Fig. 12 Temperature distribution of the vertical section in the center of the storage room

3 討論

為了明確半地下式貯藏室貯藏馬鈴薯的過(guò)程中二氧化碳含量對(duì)室內(nèi)熱量傳遞的影響，本研究基于實(shí)際場(chǎng)地獲得的環(huán)境因子數(shù)據(jù)，利用CFD 數(shù)值技術(shù)對(duì)密閉狀態(tài)下貯藏室內(nèi)二氧化碳含量對(duì)室內(nèi)溫度分布的影響展開(kāi)研究，通過(guò)對(duì)數(shù)值方法、網(wǎng)格無(wú)關(guān)性及與實(shí)測(cè)值的對(duì)比，多角度驗(yàn)證了數(shù)值方法在半地下式貯藏室內(nèi)開(kāi)展相關(guān)研究的有效性，發(fā)現(xiàn)在密閉環(huán)境下二氧化碳的含量提升，明顯地提高了貯藏室內(nèi)溫度，長(zhǎng)期積累對(duì)馬鈴薯的貯藏產(chǎn)生不利影響。周博等[11,30]利用近似的數(shù)值模型研究了在氣調(diào)庫(kù)的快速降氧環(huán)節(jié)中，庫(kù)內(nèi)氧氣和二氧化碳含量隨時(shí)間變化的規(guī)律以及氮?dú)饧兌葘?duì)降氧時(shí)間的影響，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)有較好的一致性，確保了模擬方法的精確性，證明了CFD 數(shù)值方法在半地下式貯藏室內(nèi)的密閉環(huán)境中研究氣體含量與環(huán)境因子的相互作用具有可行性。受馬鈴薯呼吸作用的影響，二氧化碳含量的逐漸升高使貯藏室內(nèi)溫度逐步提升，馬鈴薯在高溫及缺氧狀況下造成果體二氧化碳積累，無(wú)氧呼吸作用增強(qiáng)，導(dǎo)致馬鈴薯塊莖活性降低，內(nèi)部出現(xiàn)黑心病變，影響馬鈴薯的貯藏品質(zhì)。

因受條件限制，對(duì)照試驗(yàn)中使用的馬鈴薯堆體體積較小且測(cè)點(diǎn)布置數(shù)量有限，本研究采用穩(wěn)態(tài)模擬馬鈴薯堆體的發(fā)熱以及貯藏室內(nèi)的環(huán)境，若考慮真實(shí)情況，馬鈴薯的散熱和室內(nèi)各項(xiàng)環(huán)境因子的變化更趨向于非穩(wěn)態(tài)，如能將時(shí)間變化考慮到室內(nèi)環(huán)境的模擬中，能夠獲得更符合實(shí)際的室內(nèi)溫度分布規(guī)律。