陳桂香 岳龍飛 王振清 王海濤 張 虎

鋼筋混凝土地下糧倉(cāng)準(zhǔn)靜態(tài)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

陳桂香1，2岳龍飛1王振清1，2王海濤1張 虎2

（河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院1，鄭州 450001）
（河南工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)研究院2，鄭州 450001）

研究準(zhǔn)靜態(tài)溫度場(chǎng)可以為地下糧倉(cāng)設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬方法，建立了大直徑鋼筋混凝土地下糧倉(cāng)的物理模型，根據(jù)糧倉(cāng)實(shí)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)和地下環(huán)境條件，研究地下糧倉(cāng)在不通風(fēng)情況下溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，分析糧堆溫度總體變化趨勢(shì)和溫度場(chǎng)與倉(cāng)內(nèi)幾何尺寸關(guān)系等問(wèn)題。研究結(jié)果表明隨著時(shí)間變化，地下糧倉(cāng)內(nèi)糧堆溫度由外到內(nèi)逐漸趨向于所處恒溫層溫度，倉(cāng)中通風(fēng)道內(nèi)空氣柱能起到均勻降溫的作用。

高分子磁性多孔微球 假絲酵母脂肪酶 固定化 催化活性

地下儲(chǔ)糧（underground grain storage）是一種利用地下土體和巖體空間進(jìn)行儲(chǔ)糧的方法。地下儲(chǔ)糧在我國(guó)已有幾千年歷史，早在仰韶文化期間就利用地下窖藏儲(chǔ)存糧食。地下糧倉(cāng)利用淺層低溫效應(yīng)和密閉效應(yīng)使糧食處于封閉低溫度場(chǎng)中，并通過(guò)倉(cāng)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響儲(chǔ)糧溫度，無(wú)需機(jī)械制冷即可實(shí)現(xiàn)低溫儲(chǔ)糧，可以減緩儲(chǔ)糧品質(zhì)衰變過(guò)程和限制生蟲條件，實(shí)現(xiàn)節(jié)地、節(jié)能、減損及綠色儲(chǔ)糧。我國(guó)現(xiàn)有的地下糧倉(cāng)主要分2種：北方地區(qū)以地下喇叭倉(cāng)為主，南方地區(qū)以山洞倉(cāng)為主［1-3］。這些地下糧倉(cāng)的建造需要依托特殊的地質(zhì)條件，倉(cāng)容量小，機(jī)械化程度低。大直徑鋼筋混凝土地下糧倉(cāng)是一種新型地下糧倉(cāng)，它在保留現(xiàn)有地下糧倉(cāng)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，克服了現(xiàn)有地下糧倉(cāng)部分缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、機(jī)械化、散糧化大規(guī)模儲(chǔ)糧。掌握地下環(huán)境對(duì)大直徑鋼筋混凝土地下糧倉(cāng)倉(cāng)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響的作用機(jī)理，并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)倉(cāng)內(nèi)糧堆溫度場(chǎng)變化的規(guī)律，是發(fā)掘淺層低溫儲(chǔ)糧優(yōu)勢(shì)和確保地下糧倉(cāng)糧食安全儲(chǔ)藏的基礎(chǔ)，對(duì)地下大直徑鋼筋混凝土筒倉(cāng)推廣具有重要意義［4-5］。

目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有建成現(xiàn)代化大型地下糧倉(cāng)，地下糧倉(cāng)儲(chǔ)糧環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)研究成果較少。糧食儲(chǔ)藏過(guò)程中糧堆內(nèi)溫度變化情況復(fù)雜，采用實(shí)倉(cāng)測(cè)量和試驗(yàn)研究的方法，獲得糧食儲(chǔ)藏過(guò)程中溫度場(chǎng)分布并預(yù)測(cè)其變化趨勢(shì)較困難。目前，數(shù)值模擬是一種經(jīng)濟(jì)有效的研究手段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已有采用數(shù)值模擬的方法研究?jī)?chǔ)糧生態(tài)系統(tǒng)［6］。Chang等［7-8］采用有限差分方法，提出了一個(gè)預(yù)測(cè)小麥通風(fēng)狀態(tài)下溫度和水分變化的數(shù)學(xué)模型。Thorpe［9］通過(guò)編寫用戶自定義文件（UDF），利用CFD數(shù)值模擬通風(fēng)過(guò)程中糧堆與濕空氣之間的水分和熱量傳遞。彭威等［10］給出了倉(cāng)儲(chǔ)糧堆靜態(tài)儲(chǔ)藏和機(jī)械通風(fēng)2種模式下的CFD數(shù)值模擬結(jié)果，分析了機(jī)械通風(fēng)技術(shù)和CFD數(shù)值模擬技術(shù)在糧食安全儲(chǔ)藏中的應(yīng)用前景。張忠杰等［11］進(jìn)行了高大平房倉(cāng)準(zhǔn)靜態(tài)倉(cāng)儲(chǔ)糧堆溫度場(chǎng)變化過(guò)程的CFD數(shù)值模擬，可以為糧倉(cāng)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。任廣躍等［12］采用CFD數(shù)值模擬方法研究了倉(cāng)儲(chǔ)糧堆機(jī)械通風(fēng)過(guò)程中的壓力場(chǎng)分布，用于預(yù)測(cè)倉(cāng)儲(chǔ)糧堆的壓力場(chǎng)。王遠(yuǎn)成等［13］以實(shí)例介紹了CFD數(shù)值模擬技術(shù)在儲(chǔ)糧通風(fēng)中的應(yīng)用情況。顧?。?4］采用CFD模擬、模型試驗(yàn)測(cè)量和實(shí)倉(cāng)試驗(yàn)的方法，設(shè)計(jì)了一種環(huán)形回流通風(fēng)地槽形式，可有效降低通風(fēng)阻力、消除通風(fēng)死角和提高通風(fēng)效率。

大直徑鋼筋混凝土地下糧倉(cāng)糧食儲(chǔ)藏周期較長(zhǎng)，不通風(fēng)情況下的準(zhǔn)靜態(tài)儲(chǔ)藏過(guò)程占整個(gè)糧食儲(chǔ)藏周期的大部分時(shí)間。地下自然環(huán)境、倉(cāng)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)和糧堆之間的溫度場(chǎng)變化是影響儲(chǔ)糧穩(wěn)定性的主要外部因素，本試驗(yàn)采用CFD數(shù)值模擬方法，以某大直徑混凝土地下糧倉(cāng)為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了一年儲(chǔ)藏周期內(nèi)溫度場(chǎng)分布及其變化情況的數(shù)值模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析和討論。

1 大直徑混凝土地下糧倉(cāng)的物理模型

以鄭州地區(qū)擬建的某大直徑鋼筋混凝土地下糧倉(cāng)為研究對(duì)象，圖1為群筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)平面布置圖。混凝土倉(cāng)的內(nèi)徑為25 m，平面組合為2排5列，總倉(cāng)容為5.3萬(wàn) t。頂蓋采用鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，板厚0.25 m，倉(cāng)體側(cè)壁厚度0.35 m，倉(cāng)底板厚度0.8 m，單倉(cāng)結(jié)構(gòu)總高度20.25 m，總深度為24.25 m。單倉(cāng)筒中央有一鋼筋混凝土管道，用作機(jī)械通風(fēng)管道和進(jìn)出糧管道，其半徑為1.25 m，壁厚0.25 m。圖2為地下糧倉(cāng)單倉(cāng)剖面圖。

本試驗(yàn)在模擬中不涉及機(jī)械通風(fēng)過(guò)程，所以研究對(duì)象僅包括糧倉(cāng)頂板、墻壁、底板和通風(fēng)管道等鋼筋混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)，糧堆高度為18.25 m，糧堆上表面距倉(cāng)房頂板的距離為2 m。

圖1 鋼筋混凝土地下糧倉(cāng)群倉(cāng)平面布置圖

圖2 鋼筋混凝土地下糧倉(cāng)單倉(cāng)剖面圖

圖3 鋼筋混凝土地下糧倉(cāng)單倉(cāng)三維物理模型

根據(jù)已知研究對(duì)象的物理?xiàng)l件，利用CFD前處理軟件ICEM建立模型并進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，共計(jì)982萬(wàn)網(wǎng)格。模擬區(qū)域包括糧堆、倉(cāng)內(nèi)上部空氣層和通風(fēng)管道內(nèi)空氣柱3個(gè)獨(dú)立流體區(qū)域。糧堆與其上部空氣層相互連通，通風(fēng)管道內(nèi)空氣柱與前2個(gè)區(qū)域以鋼筋混凝土墻壁隔開(kāi)，圖3為大直徑鋼筋混凝土地下糧倉(cāng)單倉(cāng)三維物理模型。

2 數(shù)值模擬的參數(shù)設(shè)置

2.1 環(huán)境溫度

在土壤的恒溫帶，土壤導(dǎo)熱與太陽(yáng)輻射熱之間的相互影響將達(dá)到熱量平衡。恒溫帶的深度與溫度受緯度、高度、巖性、地表水體的分布等因素影響。地下糧倉(cāng)受地表淺層低溫土壤的影響，常年處于低溫穩(wěn)定狀態(tài)，地下糧倉(cāng)糧堆準(zhǔn)靜態(tài)儲(chǔ)藏過(guò)程中，主要受到所處恒溫帶的影響［15］。資料顯示，鄭州地區(qū)的地層恒溫帶深度為27 m，恒溫帶溫度為17℃，全年溫度變化不超過(guò)0.5℃，地溫梯度屬正常梯度范圍，在2.47～3.18℃／100 m之間。地表4 m以下的土壤溫度變化不大，基本處于恒定狀態(tài)，在此研究中地表氣溫變化對(duì)倉(cāng)內(nèi)空氣相關(guān)參數(shù)的影響可以忽略不計(jì)［16］。本研究對(duì)象處在地下4～24.25 m，因此可以假定研究對(duì)象處于恒定為17℃的溫度場(chǎng)中［17］。

2.2 地下糧倉(cāng)邊壁溫度

在1年的糧食儲(chǔ)藏周期內(nèi)，糧食處于沒(méi)有機(jī)械通風(fēng)的準(zhǔn)靜態(tài)，外界環(huán)境通過(guò)改變糧倉(cāng)邊壁溫度，從而影響糧倉(cāng)內(nèi)的糧食生態(tài)系統(tǒng)。Fluent軟件中有固定熱通量、固定壁面溫度、固定對(duì)流換熱、外界輻射換熱、對(duì)流與外界輻射綜合換熱5種壁面熱邊界條件。通風(fēng)管道邊壁介于風(fēng)道內(nèi)空氣柱與糧堆、倉(cāng)頂空氣層之間，利用溫差進(jìn)行熱量交換。地下糧倉(cāng)處于淺層恒溫層中，糧倉(cāng)墻壁外界穩(wěn)定低溫度場(chǎng)是影響糧堆內(nèi)溫度場(chǎng)分布的主要因素，因此糧倉(cāng)墻壁采用固定壁面溫度條件處理，糧倉(cāng)墻壁熱流量為

式中：hf為流體對(duì)流的換熱系數(shù)；Tw為墻壁面溫度；Tf為墻壁內(nèi)表面的空氣溫度；qrad為墻壁外表面的輻射熱流量［18］。

2.3 數(shù)值模擬的參數(shù)設(shè)置

在散糧堆積區(qū)域內(nèi)，是以谷物顆粒作為骨架的多孔介質(zhì)，谷物顆粒之間構(gòu)成了一定的空隙，空隙空間相互連通。在機(jī)械通風(fēng)過(guò)程中，濕空氣可以在谷物空隙之間流動(dòng)。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。濕空氣在多孔介質(zhì)孔隙中流動(dòng)時(shí)需要克服糧堆阻力，包括黏性阻力和慣性阻力。在CFD數(shù)值模擬過(guò)程中，可以通過(guò)向標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)量偏微分方程增加一個(gè)動(dòng)量源項(xiàng)來(lái)描述空氣流動(dòng)阻力。糧堆可以看作各向同性的均勻多孔介質(zhì)，因此空氣流動(dòng)阻力可表示為

式中：α是滲透性系數(shù)；C2是內(nèi)部阻力因子；μ是空氣分子間的黏性。

式中：Dp為糧食顆粒平均直徑；φ為糧堆顆粒多孔介質(zhì)孔隙率［19］。

假定糧堆是6月入倉(cāng)的夏糧，根據(jù)香港天文臺(tái)資料可知鄭州地區(qū)6月的平均氣溫為25.9℃，假設(shè)該研究中地下糧倉(cāng)中糧堆初始溫度為26℃［20］。進(jìn)行倉(cāng)儲(chǔ)糧堆準(zhǔn)靜態(tài)儲(chǔ)藏過(guò)程的CFD數(shù)值模擬時(shí)，主要參數(shù)的確定十分重要，表1給出了相關(guān)主要參數(shù)的設(shè)定值。

表1 CFD模擬的條件設(shè)置及具體參數(shù)

3 結(jié)果與討論

由于地下糧倉(cāng)周圍的土壤溫度基本上恒定不變，假定糧堆是6月入倉(cāng)的夏糧，模擬總時(shí)間為1年，共12個(gè)月，每天按24 h計(jì)算，共計(jì)8 640 h。

3.1 糧堆溫度場(chǎng)云圖

圖4～圖7分別給出了2 160 h（3個(gè)月），4 320 h（6個(gè)月），6 480 h（9個(gè)月）和8 640 h（12個(gè)月）地下糧倉(cāng)中垂面溫度場(chǎng)云圖（YZ軸）。由圖4～圖7可知，糧倉(cāng)上部空氣層溫度與邊壁恒定溫度基本一致，中央混凝土風(fēng)道將糧堆分為對(duì)稱的2個(gè)溫度場(chǎng)。隨著時(shí)間的增加，糧堆溫度場(chǎng)的較高溫度區(qū)域不斷減小，糧堆溫度場(chǎng)冷卻前沿由外向內(nèi)存在明顯的分層現(xiàn)象。糧堆與糧倉(cāng)環(huán)形墻壁接觸面冷卻前沿移動(dòng)速度與糧倉(cāng)底板接觸面冷卻前沿、糧堆上部空氣接觸面冷卻前沿移動(dòng)速度大致相同，但三者移動(dòng)速度均明顯大于糧堆與中央風(fēng)道墻壁接觸面冷卻前沿移動(dòng)速度。隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的增加，2部分糧堆溫度逐漸降低并透過(guò)倉(cāng)中央風(fēng)道形成連通等溫溫度場(chǎng)。

圖5 4 320 h地下糧倉(cāng)中垂面（YZ）溫度場(chǎng)云圖

圖6 6 480 h地下糧倉(cāng)中垂面（YZ）溫度場(chǎng)云圖

圖7 8 640 h地下糧倉(cāng)中垂面（YZ）溫度場(chǎng)云圖

3.2 倉(cāng)內(nèi)溫度變化趨勢(shì)

圖8 給出儲(chǔ)藏過(guò)程中空氣層、糧堆和風(fēng)道空氣柱平均溫度預(yù)測(cè)值。由圖8可知，糧堆上部空氣層溫度、糧堆平均溫度和風(fēng)道空氣柱溫度均在降低，糧堆上部空氣層溫度下降最快，糧堆平均溫度下降速度最慢。糧堆上部空氣層溫度經(jīng)過(guò)12個(gè)月下降至18.02℃，糧堆平均溫度經(jīng)過(guò)12個(gè)月下降至21.42℃，風(fēng)道空氣柱溫度最初3個(gè)月下降，然后其溫度逐漸上升，經(jīng)過(guò)12個(gè)月其溫度與糧堆溫度趨于一致。

圖9給出了地下糧倉(cāng)熱量交換示意圖。由圖9可知，受較低的外界溫度場(chǎng)影響，與糧堆進(jìn)行熱量交換的有倉(cāng)頂空氣層、倉(cāng)四周環(huán)形邊壁、倉(cāng)底漏斗形邊壁、中部風(fēng)道空氣柱等。其中糧倉(cāng)四周環(huán)形邊壁和倉(cāng)底漏斗形邊壁直接與外界環(huán)境進(jìn)行熱量交換；倉(cāng)頂空氣層與倉(cāng)頂邊壁進(jìn)行熱量交換。

圖8 倉(cāng)頂空氣層、糧堆和風(fēng)道空氣柱平均溫度預(yù)測(cè)值

圖9 地下糧倉(cāng)熱量交換示意圖

為了明確風(fēng)道空氣柱對(duì)糧堆均勻降溫的影響，需要分析風(fēng)道空氣柱溫度變化的影響因素。風(fēng)道空氣柱溫度變化的主要影響因素有：柱頂邊壁、柱底邊壁、糧堆和糧堆上部空氣層。外部低溫環(huán)境通過(guò)柱頂邊壁、柱底邊壁與風(fēng)道空氣柱進(jìn)行熱量交換，導(dǎo)致風(fēng)道空氣柱溫度逐漸接近外部低溫環(huán)境的溫度。由于糧堆上部空氣層溫度下降較快，風(fēng)道空氣柱與空氣層通過(guò)風(fēng)道混凝土墻壁進(jìn)行熱交換，導(dǎo)致風(fēng)道空氣柱溫度逐漸趨向于糧堆上部空氣層溫度。因?yàn)榛炷翆?dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于糧堆導(dǎo)熱系數(shù)，所以外部低溫環(huán)境對(duì)風(fēng)道空氣柱溫度的影響大于其對(duì)糧堆溫度的影響。

隨著糧堆冷卻前沿的移動(dòng)，風(fēng)道兩側(cè)糧堆“熱心”不斷縮小，中部靠近風(fēng)道的糧堆溫度明顯降低，此時(shí)糧堆與風(fēng)道之間溫差逐漸減小，2個(gè)糧堆的溫度場(chǎng)趨向于相同，2個(gè)溫度場(chǎng)穿過(guò)風(fēng)道空氣柱出現(xiàn)連通區(qū)域，且溫度場(chǎng)連通區(qū)域的面積不斷增大。該現(xiàn)象的出現(xiàn)是因?yàn)榧Z堆與風(fēng)道空氣柱之間的溫差在逐漸減小，導(dǎo)致風(fēng)道空氣柱與上頂邊壁和下底邊壁以及倉(cāng)頂空氣層的熱交換量減小。風(fēng)道空氣柱中部的熱交換量（與糧堆熱交換量）大于兩端的熱量交換量（與上頂邊壁和下底邊壁以及倉(cāng)頂空氣層熱交換量），導(dǎo)致風(fēng)道空氣柱中部溫度逐漸趨向于糧堆溫度，出現(xiàn)風(fēng)道空氣柱中部溫度升高現(xiàn)象，而后隨著整個(gè)糧堆平均溫度共同降低。與圖4～圖7給出了地下糧倉(cāng)中垂面（YZ）一年內(nèi)溫度場(chǎng)變化云圖給出結(jié)果一致。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)選取鋼筋混凝土地下糧倉(cāng)作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)外界環(huán)境和倉(cāng)體的分析，確定模擬方案，進(jìn)行了地下準(zhǔn)靜態(tài)儲(chǔ)糧溫度場(chǎng)8 640 h的CFD數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果分析討論，得到以下結(jié)論：

4.1 高溫季節(jié)進(jìn)高溫糧靜態(tài)儲(chǔ)藏條件下的降溫時(shí)間較長(zhǎng)，宜適時(shí)機(jī)械通風(fēng)降溫；低溫季節(jié)入糧不需要機(jī)械通風(fēng)來(lái)進(jìn)行冷卻，糧倉(cāng)處于低溫的土壤溫度場(chǎng)，可使糧堆處于低溫儲(chǔ)藏狀態(tài)，達(dá)到節(jié)能、綠色儲(chǔ)糧要求。

4.2 在地下糧倉(cāng)準(zhǔn)靜態(tài)儲(chǔ)糧過(guò)程中，倉(cāng)體中央混凝土風(fēng)道空氣柱連通倉(cāng)頂和倉(cāng)底，連通糧堆內(nèi)部與倉(cāng)頂空氣層，能很好隔離大體積糧堆，避免出現(xiàn)熱量中糧堆中央大量堆積，提高降溫效率和均勻性。合理利用地下糧倉(cāng)儲(chǔ)糧結(jié)構(gòu)中材料特質(zhì)差異，可以作為一種優(yōu)化地下糧倉(cāng)儲(chǔ)糧生態(tài)系統(tǒng)方式。

4.3 地下糧倉(cāng)儲(chǔ)糧品質(zhì)與安全和地下糧倉(cāng)準(zhǔn)靜態(tài)儲(chǔ)糧溫度場(chǎng)有密切聯(lián)系，研究地下糧倉(cāng)準(zhǔn)靜態(tài)溫度場(chǎng)可以為地下糧倉(cāng)的設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

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［21］王若蘭，卞科.糧油儲(chǔ)藏學(xué) ［M］.北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2009.

Quasistatic Temperature Field Simulation of Reinforced Concrete Underground Warehouse Grain

Chen Guixiang1，2Yue Longfei1Wang Zhenqing1，2Wang Haitao1Zhang Hu2
（College of Civil Engineering and Architecture，Henan University of Technology1，Zhengzhou 450001）
（Henan University of Technology Design and Research Academy2，Zhengzhou 450001）

Research on quasi-static temperature field can provide reference and basis for the design of underground warehouse.CFD mathematical models and simulation schemes have been established；the simulation area and boundary conditions had also been determined；dividing grids and selecting models according to underground warehouse structure and environmental temperature.In the paper，the CFD method has been adopted to simulate the temperature field of stored bulk grain in major diameter concrete underground warehouse without ventilation.The temperature fields and the temperature alterations with ambient temperature and geometric dimension relations were simulated by the methods described above.The results showed that the temperature of stored bulk grain tend was similar to the temperature of the constant temperature layer soil；moreover，the column of air duct of underground warehouse could help to cool the stored bulk grain in underground warehouse uniformly.

underground warehouse，quasi-static temperature field，CFD

S379

A

1003-0174（2014）03-0079-05

時(shí)間：2014-02-12 09：54

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：／／www.cnki.net／kcms／detail／11.2864.TS.20140212.0954.002.html

863計(jì)劃（2012AA101608），“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2011BAD03B01）

2013-09-05

陳桂香，女，1976年出生，副教授，儲(chǔ)糧安全技術(shù)