張海紅，文向前，阮競(jìng)蘭

（1.河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450007；2.河南省經(jīng)濟(jì)管理學(xué)校，河南 南陽(yáng) 473034）

高大平房倉(cāng)U型通風(fēng)道的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張海紅1，文向前2，阮競(jìng)蘭1

（1.河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450007；2.河南省經(jīng)濟(jì)管理學(xué)校，河南 南陽(yáng) 473034）

針對(duì)常用的普通U型通風(fēng)道采用CFD技術(shù)，對(duì)高大平房倉(cāng)的機(jī)械通風(fēng)降溫過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了動(dòng)態(tài)數(shù)值仿真.研究表明：改進(jìn)后的小u型通風(fēng)道采用反對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充分考慮了糧倉(cāng)的實(shí)際溫度場(chǎng)特征，改善了通風(fēng)均勻性，消除了通風(fēng)死區(qū)，有利于降低能量損失.

平房倉(cāng)；通風(fēng)道；優(yōu)化設(shè)計(jì)；數(shù)值仿真；CFD

0 引言

儲(chǔ)糧庫(kù)的機(jī)械通風(fēng)技術(shù)自從20世紀(jì)80年代開(kāi)始投入試驗(yàn)，應(yīng)用至今已越來(lái)越成熟.機(jī)械通風(fēng)在降低儲(chǔ)糧溫度、避免糧堆結(jié)露、減少儲(chǔ)糧損耗、降低熏蒸用藥量和節(jié)能降耗等方面具有十分明顯的作用[1].自1998年起，國(guó)家不斷建設(shè)了一批大型糧庫(kù)——高大平房倉(cāng)，其中都配置有機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，并且多采用地上通風(fēng)籠進(jìn)行儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng).常見(jiàn)的風(fēng)道多為對(duì)稱(chēng)形式，如一機(jī)兩道（普通U型）、一機(jī)三道、土字型和主字型等.但是，在總通風(fēng)量和能耗相等的情況下，不同形式風(fēng)道的通風(fēng)降溫降水效果差別較大.風(fēng)道的形式對(duì)通風(fēng)均勻性、儲(chǔ)糧整體降溫效果以及能耗等方面都有影響.

本文旨在研究具有高效、低耗特性的新型風(fēng)道的設(shè)計(jì)，即在總結(jié)常用機(jī)械通風(fēng)道應(yīng)用效果的基礎(chǔ)上，致力于提高通風(fēng)均勻性、降低能量損失等，從而利用已有的通風(fēng)條件達(dá)到通風(fēng)高效節(jié)能的目的.

1 U型通風(fēng)道的優(yōu)化設(shè)計(jì)

儲(chǔ)糧庫(kù)的實(shí)際溫度場(chǎng)特性主要受糧食自然發(fā)熱特性、庫(kù)房熱傳導(dǎo)特性以及機(jī)械通風(fēng)特性等幾個(gè)因素影響[2].筆者在前期曾對(duì)多種常用的風(fēng)道形式進(jìn)行了對(duì)比研究，如圖1所示.研究發(fā)現(xiàn)：儲(chǔ)糧庫(kù)的墻體內(nèi)側(cè)3 m以?xún)?nèi)的范圍受到較大影響，升溫較快，屬于危險(xiǎn)區(qū)域；而溫度變化最大的位置位于墻體附近0.3～0.5 m.機(jī)械通風(fēng)的風(fēng)壓和風(fēng)量必須適應(yīng)這種實(shí)際的初始條件才能夠有效實(shí)現(xiàn)均勻降溫.基于此，國(guó)內(nèi)專(zhuān)家顧巍[2]曾提出了環(huán)形風(fēng)道的改良設(shè)計(jì).但是，在環(huán)形風(fēng)道交叉處存在氣流分流，使得兩條通風(fēng)道氣流相向干擾，造成了一定的能量損失并降低了通風(fēng)效率，實(shí)際應(yīng)用效果并不理想.

本研究在普通U型風(fēng)道基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，設(shè)計(jì)了小u型通風(fēng)道（區(qū)別于普通U型風(fēng)道），如圖2所示.進(jìn)風(fēng)管與墻體成45°方向進(jìn)入后向兩側(cè)對(duì)稱(chēng)的伸出兩條支管；其中一條管道為直管道，而另一條管道包括兩段，兩管道總長(zhǎng)度相等.

圖1 常用機(jī)械通風(fēng)道形式

圖2 小u型通風(fēng)道

小u型通風(fēng)道采用了反對(duì)稱(chēng)的設(shè)計(jì)形式，適應(yīng)了糧倉(cāng)的實(shí)際溫度場(chǎng)特征.另外，風(fēng)道整體系統(tǒng)中不需要空氣分配器，減少了一個(gè)彎管，并且改進(jìn)了三通管的結(jié)構(gòu)，從而有望降低能量損失.

2 研究?jī)?nèi)容與方法

目前，大尺度物理模型和實(shí)倉(cāng)試驗(yàn)仍然是糧食儲(chǔ)藏領(lǐng)域研究問(wèn)題的最基本方法，但由于它們具有工作量大、成本高、誤差大和研究周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，尤其是實(shí)倉(cāng)試驗(yàn)還會(huì)受到氣溫變化和季節(jié)的限制，因而，都不是理想的研究方法[3].儲(chǔ)糧的機(jī)械通風(fēng)降溫過(guò)程實(shí)際上可認(rèn)為是非固結(jié)多孔介質(zhì)及通風(fēng)氣流之間的動(dòng)量、質(zhì)量和熱量傳輸過(guò)程，其數(shù)學(xué)模型的建立是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn).而計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) CFD（Computational Fluid Dynamics）技術(shù)能夠較容易地解決上述難題，它具有研究成本低、周期短、仿真能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并早已滲透到通風(fēng)、干燥、空調(diào)等相近領(lǐng)域的研究.目前，CFD方法早已被證明其可行性和可靠性并逐步運(yùn)用于儲(chǔ)糧倉(cāng)的機(jī)械通風(fēng)設(shè)計(jì)和倉(cāng)房的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)之中[3～4].

因此，本文將采用CFD技術(shù)對(duì)小u型通風(fēng)道的機(jī)械通風(fēng)降溫過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值仿真，并通過(guò)與普通U型通風(fēng)道的通風(fēng)降溫過(guò)程進(jìn)行對(duì)比，說(shuō)明該小u型通風(fēng)道的實(shí)用價(jià)值.

3 數(shù)值建模與計(jì)算

為簡(jiǎn)化計(jì)算，研究對(duì)象只取一個(gè)通風(fēng)單元11m×23m×6m，地上通風(fēng)道截面為0.34m×0.5m（魚(yú)鱗式地上通風(fēng)籠），模型計(jì)算域?yàn)橥L(fēng)道和糧堆所占的整個(gè)三維空間，研究過(guò)程為儲(chǔ)糧系統(tǒng)的通風(fēng)和降溫情況隨時(shí)間的變化過(guò)程.風(fēng)道的具體結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)《儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)技術(shù)規(guī)程》的要求而設(shè)計(jì)[5].

3.1 網(wǎng)格模型

采用Gambit軟件進(jìn)行建模前處理，建立三維的幾何模型、劃分模型網(wǎng)格并設(shè)置體的類(lèi)型和邊界條件類(lèi)型.劃分網(wǎng)格時(shí)要根據(jù)幾何體特征控制網(wǎng)格分布，使通風(fēng)籠附近分布的網(wǎng)格較密，其余區(qū)域網(wǎng)格逐漸變稀.這種網(wǎng)格劃分能合理地減少網(wǎng)格數(shù)量，提高計(jì)算速度.如圖3所示，小u型風(fēng)道系統(tǒng)模型的網(wǎng)格總數(shù)約為42萬(wàn).

圖3 模型網(wǎng)格

3.2 邊界條件

進(jìn)口處設(shè)為速度邊界條件（速度大小為風(fēng)機(jī)流量Q=6 000 m3/h），通風(fēng)氣流溫度恒為15℃；出口是糧堆上表面，設(shè)為自由流出口邊界條件.對(duì)于墻體壁面，溫度場(chǎng)邊界設(shè)為熱傳導(dǎo)邊界，墻面壁厚為0.6 m，比熱為 1 000 J·kg-1·K-1，熱傳導(dǎo)系數(shù)為3W·m-1·K-1；流場(chǎng)邊界設(shè)為固定墻邊界.兩側(cè)面為對(duì)稱(chēng)的介質(zhì)邊界.糧堆呈現(xiàn)多孔介質(zhì)的特性，因而將其設(shè)為Porous Zone，計(jì)算模型采用多孔介質(zhì)理論模型.

<1)，且各件產(chǎn)品是否為不合格品相互獨(dú)立．

3.3 初始條件

為了仿真通風(fēng)氣流的流動(dòng)狀況和糧食的降溫情況隨時(shí)間的變化，數(shù)值計(jì)算采用瞬態(tài)求解.系統(tǒng)內(nèi)初始?xì)馑贋? m/s，初始糧溫為25℃，均勻分布，糧堆內(nèi)無(wú)熱源.

4 結(jié)果與討論

4.1 溫度場(chǎng)分析

圖4 小u型風(fēng)道通風(fēng)12 h和72 h后的溫度

如圖 4（a）、4（b）分別是小 u型風(fēng)道系統(tǒng)通風(fēng)12 h和72 h后糧堆的溫度平面分布云圖，小u型風(fēng)道通風(fēng)降溫12 h后，地面附近（1 m以下）僅一半?yún)^(qū)域得到了降溫，其他區(qū)域仍未受影響.進(jìn)口處降溫效果較好，而隨著管道的深入降溫效果逐漸變差.通風(fēng)72 h后降溫效果顯著，20℃以下的區(qū)域占整個(gè)糧堆的90%，基本上消除了死區(qū).還可以看出：兩條支管道末端的降溫效果接近，這是因?yàn)閮蓷l支管的總長(zhǎng)度相等，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有利于提高整體降溫的均勻性.可見(jiàn)，小u型通風(fēng)道對(duì)于高大平房倉(cāng)的適應(yīng)性較好.

圖 5（a）、5（b）分別是普通 U型和小 u型風(fēng)道系統(tǒng)通風(fēng)72 h后糧堆的溫度空間分布云圖，通過(guò)對(duì)比可以看出：普通U型風(fēng)道系統(tǒng)的糧堆溫度呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布，該系統(tǒng)的降溫效果較差，在邊角處以及管道之間仍存在部分死區(qū)，若要消除必須繼續(xù)延長(zhǎng)通風(fēng)時(shí)間.小u型風(fēng)道系統(tǒng)由于風(fēng)道結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱(chēng)致使糧堆溫度也呈現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)分布，該系統(tǒng)整體的降溫效果較好，且基本上消除了死區(qū).另外，根據(jù)整個(gè)糧堆體積平均的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：普通U型風(fēng)道通風(fēng)降溫12 h后平均糧溫降為23.6℃，72 h后降為18.1℃；小u型風(fēng)道通風(fēng)降溫12 h后平均糧溫降為23.4℃，72 h后降為17.4℃.因此可以認(rèn)為：改進(jìn)后的小u型風(fēng)道比普通U型風(fēng)道更適應(yīng)糧倉(cāng)的實(shí)際溫度場(chǎng)特征，改善了通風(fēng)均勻性，使整體降溫效果更好.

圖5 U型和小u型風(fēng)道通風(fēng)72 h后的溫度

4.2 壓力場(chǎng)分析

圖6 小u型風(fēng)道沿程壓力

圖6是小u型風(fēng)道的沿程壓力分布線圖（進(jìn)口壓力為400 Pa），可以看出：沿跨度方向的壓力分布呈現(xiàn)兩端高、中間低的特點(diǎn)，這正好與糧倉(cāng)的實(shí)際溫度場(chǎng)特征相適應(yīng).也就是說(shuō)，風(fēng)道的最大壓力正好位于糧倉(cāng)的危險(xiǎn)區(qū)域（墻體內(nèi)部3 m內(nèi)），這有利于消除墻體附近的通風(fēng)死區(qū).

4.3 能量損失分析

圖 7（a）、7（b）分別是普通 U型和小 u型風(fēng)道系統(tǒng)內(nèi)的氣流湍動(dòng)能（湍流脈動(dòng)動(dòng)能）分布云圖，通過(guò)對(duì)比可以看出：普通U型風(fēng)道的三通管和彎管處的湍動(dòng)能分別大于小u型風(fēng)道交叉管和彎管處的湍動(dòng)能.另一方面，結(jié)合氣流流動(dòng)的矢量圖可知此兩處的湍流渦動(dòng)結(jié)構(gòu)并沒(méi)有大渦，只有將能量耗散為內(nèi)能的小渦.因此，普通U型風(fēng)道在流速較高的區(qū)域存在兩次90°轉(zhuǎn)角，造成了較大的能量損失；而小u型風(fēng)道的結(jié)構(gòu)降低了氣流撞擊管壁引起的能量損失，且有利于減少氣流流動(dòng)過(guò)程中內(nèi)能的產(chǎn)生.

圖7 普通U型和小u型風(fēng)道系統(tǒng)湍動(dòng)能

5 結(jié)論

通過(guò)采用CFD技術(shù)對(duì)高大平房倉(cāng)的機(jī)械通風(fēng)降溫過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值仿真，對(duì)通風(fēng)機(jī)理做了一定的理論研究，為進(jìn)一步研究?jī)?chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)提供了很好的思路和參考.

針對(duì)常用的普通U型通風(fēng)道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析了小u型通風(fēng)道的設(shè)計(jì)原理和可行性.對(duì)比普通U型和小u型通風(fēng)道系統(tǒng)的通風(fēng)降溫過(guò)程后得出結(jié)論：改進(jìn)后的小u型通風(fēng)道采用反對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充分考慮了糧倉(cāng)的實(shí)際溫度場(chǎng)特征，改善了通風(fēng)均勻性，并有利于消除墻體附近的通風(fēng)死區(qū)；風(fēng)道中不需要空氣分配器，減少了彎管的存在，并且改進(jìn)了三通管的結(jié)構(gòu)，從而有利于降低能量損失.因此，小u型通風(fēng)道具有較大的實(shí)用價(jià)值.

［1］王德學(xué)，楚宜民，王風(fēng)玲，等.機(jī)械通風(fēng)儲(chǔ)糧節(jié)能降耗技術(shù)［J］.糧油加工，2010（9）：68-69.

［2］顧巍.環(huán)形通風(fēng)地槽對(duì)實(shí)際溫度場(chǎng)特征的適應(yīng)性研究［J］.中國(guó)糧油學(xué)報(bào)，2009，24（1）：102-106.

［3］李瓊，汪喜波，楊德勇.CFD方法在倉(cāng)儲(chǔ)糧堆溫度場(chǎng)研究中的應(yīng)用探索［J］.糧食儲(chǔ)藏，2008，37（3）：21-24.

［4］Griffith Faulkner.Numerical investigation into the aeration of grain silos［D］.Toowoomba：University of Southern Queensland，2004.

［5］LS/T1202-2002，儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)技術(shù)規(guī)程［S］.

OPTIMIZATION DESIGN OF U-SHAPED AIR CHUTE OF LARGE HORIZONTAL BIN

ZHANG Hai-hong1,WEN Xiang-qian2,RUAN Jing-lan1
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou 450007,China;2.Henan Economics&Management School,Nanyang 473034,China）

In the paper,we carried out optim ization design and dynam ic numerical simulation of the common U-shaped air chute of themechanical ventilation cooling process of a large horizontal bin using CFD technique.The results showed that the optim ized U-shaped air chute had an antisymmetric structure,which fully considered the characteristics of the actual temperature field of the grain bin,thereby improving the ventilation uniform ity,elim inating the dead zone and reducing the energy loss.

horizontal bin； air chute； optimization design； numerical simulation； CFD

TS210.3

B

CNKI:41-1378/N.20111220.1501.012

1673-2383（2011）06-0059-04

http://www.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20111220.1501.012.html

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2011-12-20 03:01:44PM

2011-07-23

河南工業(yè)大學(xué)?？蒲谢穑?8XJC004）

張海紅（1979-），女，山東濰坊人，講師，主要從事糧油食品機(jī)械的教學(xué)與科研工作.