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(jì)研究院，河南 鄭州 450001）

0 引言

1998 年以后建設(shè)的國(guó)家糧食儲(chǔ)備庫(kù)，均配備了糧情檢測(cè)、機(jī)械通風(fēng)、環(huán)流熏蒸和谷物冷卻4 項(xiàng)儲(chǔ)糧新技術(shù)，其中機(jī)械通風(fēng)技術(shù)主要用于對(duì)糧食進(jìn)行降溫、降水及調(diào)質(zhì)作業(yè)，已成為糧食儲(chǔ)藏過(guò)程中控制糧食品質(zhì)的主要手段[1].但在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)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(wú)限縮短降溫和降水時(shí)間，還會(huì)造成糧食水分損失、能耗過(guò)高等，對(duì)糧食儲(chǔ)藏的穩(wěn)定性、保鮮效果、糧食品質(zhì)及倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)效益有一定的影響[2-3].針對(duì)具體的平房倉(cāng)通風(fēng)系統(tǒng)、實(shí)際倉(cāng)容量和機(jī)械通風(fēng)目的，選取合適的通風(fēng)量能有效解決上述問(wèn)題[4].

機(jī)械通風(fēng)過(guò)程中糧堆內(nèi)熱質(zhì)交換過(guò)程和機(jī)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(huì)影響通風(fēng)效果[5].同時(shí)，通風(fēng)過(guò)程受到外界環(huán)境的制約，通風(fēng)周期長(zhǎng)達(dá)幾十甚至幾百小時(shí)，大尺寸實(shí)倉(cāng)試驗(yàn)很難進(jìn)行有效測(cè)量和計(jì)算，且成本高.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法能突破一些現(xiàn)實(shí)條件的限制，針對(duì)某一個(gè)影響因素進(jìn)行多次對(duì)比試驗(yàn)，為儲(chǔ)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(cāng)儲(chǔ)糧堆靜態(tài)儲(chǔ)藏和機(jī)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(cāng)儲(chǔ)糧堆機(jī)械通風(fēng)過(guò)程中的壓力場(chǎng)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(yàn)測(cè)量和實(shí)倉(cāng)試驗(yàn)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(cāng)為研究對(duì)象，運(yùn)用CFD數(shù)值模擬的方法，以機(jī)械通風(fēng)量作為變量，選取10個(gè)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(cè)，并針對(duì)《儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)技術(shù)規(guī)程》[11]的兩個(gè)臨界通風(fēng)量值對(duì)應(yīng)的通風(fēng)效果，對(duì)糧堆平均溫度、水分隨時(shí)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(cāng)為研究對(duì)象，該倉(cāng)長(zhǎng)60 m，寬24 m，高11 m，儲(chǔ)糧高度8 m；糧倉(cāng)采用4 臺(tái)相同的離心式風(fēng)機(jī)，通風(fēng)管道為4 個(gè)1 機(jī)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(duì)研究對(duì)象進(jìn)行足尺建模，選取整體倉(cāng)房和通風(fēng)系統(tǒng)為模擬計(jì)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(gè)糧倉(cāng)模型共劃分為2 300 萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格，建立三維糧倉(cāng)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(cāng)儲(chǔ)藏部門記錄的通風(fēng)資料分析，在2009—2012 年中的12 月份對(duì)糧堆進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)時(shí)，進(jìn)風(fēng)口空氣平均溫度8 ℃，空氣相對(duì)濕度64%，糧堆初始溫度為20 ℃，儲(chǔ)糧水分12%.

《儲(chǔ)糧機(jī)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(gè)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(gè)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(cè).

根據(jù)《儲(chǔ)糧機(jī)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(jì)算，研究對(duì)象儲(chǔ)存糧食質(zhì)量為3 895 t；Q單位為空氣通過(guò)地籠溝的速度，m/s；S 為地籠溝有效通風(fēng)面積，經(jīng)計(jì)算取34.675 m2；按照式（1）、（2）計(jì)算入口風(fēng)量，結(jié)果如表1 所示.

出口邊界條件：倉(cāng)儲(chǔ)通風(fēng)中空氣穿過(guò)散糧堆積區(qū)域后，由于倉(cāng)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(dòng).

邊壁邊界條件：由于通風(fēng)時(shí)間較短，外界溫度變化通過(guò)倉(cāng)壁對(duì)倉(cāng)內(nèi)環(huán)境影響較小，因此固體壁面和地面采用無(wú)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(jī)械通風(fēng)使空氣在谷物顆粒的空隙之間流動(dòng)，通過(guò)谷粒與表面接觸空氣的溫度和水分交換，實(shí)現(xiàn)降溫降濕，因此試驗(yàn)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(cè)得小麥孔隙度φ=0.485[12].在模擬過(guò)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(chǔ)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(dòng)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)量偏微分方程增加動(dòng)量源項(xiàng)Si（Pa/m）表示空氣流動(dòng)的阻力.

對(duì)于簡(jiǎn)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(yǔ)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(shí)伴隨的熱量交換和水分遷移的數(shù)值計(jì)算.

1.3 模型的建立及選擇

機(jī)械通風(fēng)過(guò)程中，氣流由通風(fēng)地籠溝進(jìn)入并穿過(guò)整個(gè)散糧堆積區(qū)域，從通風(fēng)管道到倉(cāng)房?jī)?nèi)，空氣流動(dòng)充分發(fā)展，風(fēng)速較大具有典型的湍流特性.在模擬計(jì)算中選用目前應(yīng)用最為廣泛且計(jì)算量相對(duì)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(jī)械通風(fēng)過(guò)程中Fluent 所包含的控制方程.

圖1 高大平房倉(cāng)的物理模型

表1 機(jī)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(xiàng)，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(xiàng)，kg/m3；t 為時(shí)間，s；Deff為有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；u 為相對(duì)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(guò)對(duì)10個(gè)不同入口邊界條件的數(shù)值模擬，并針對(duì)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(guò)機(jī)械通風(fēng)作用，當(dāng)糧倉(cāng)內(nèi)平均溫度達(dá)到15 ℃以下時(shí)，對(duì)比不同單位風(fēng)量所需有效時(shí)間和平均水分；另一方面針對(duì)得出10 個(gè)不同單位通風(fēng)量，糧倉(cāng)內(nèi)平均溫度達(dá)到15 ℃以下時(shí)，所需要的機(jī)械通風(fēng)時(shí)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(shí)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(jī)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(jī)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(shí)間變化情況

從圖2 可以看出，降溫時(shí)間與通風(fēng)量大致呈反比，單位通風(fēng)量越大，需要時(shí)間越短.外界溫度小于糧食溫度時(shí)，兩者存在絕對(duì)溫差，這是熱交換的原因.機(jī)械通風(fēng)降溫原理主要是通過(guò)將外界低溫空氣壓入糧堆中，低溫空氣在通過(guò)糧食顆粒空隙時(shí)，與相接觸的糧食顆粒進(jìn)行熱交換.此時(shí)空氣作為倉(cāng)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(shí)，空氣通過(guò)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(cāng)內(nèi)的空氣被機(jī)械通風(fēng)壓入的外界空氣置換越快，空氣通過(guò)糧堆速度越快，兩者的熱交換速率越大，糧倉(cāng)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(shí)，糧堆濕基水分呈下降趨勢(shì)，因?yàn)樵谕L(fēng)量較大的情況下，谷物顆粒間隙的空氣流動(dòng)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(shí)，糧堆濕基水分呈上升趨勢(shì)，因?yàn)橥L(fēng)量較小的情況下，谷物顆粒間隙的空氣流動(dòng)速度很小，谷物顆粒能充分與顆?？障堕g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(duì)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(huì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)水分交換，根據(jù)小麥解吸與吸附平衡絕對(duì)濕度和平衡相對(duì)濕度曲線圖可知[16]，糧食顆粒間的空氣相對(duì)濕度增加，會(huì)引起小麥糧堆水分的升高.在入口處空氣溫度降低時(shí)，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(guò)兩者結(jié)果對(duì)比分析可以看出，通風(fēng)過(guò)程中，選取較大單位通風(fēng)量能實(shí)現(xiàn)快速降溫降水，單位通風(fēng)量過(guò)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(shí)間相對(duì)較長(zhǎng).

圖3 不同單位通風(fēng)量時(shí)糧堆水分隨時(shí)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(shí)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(shí)間變小，降溫時(shí)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(shí)間變化率不斷減小，通過(guò)提高單位通風(fēng)量縮短降溫時(shí)間的效果不斷減弱.由此可知，只有在一定范圍內(nèi)，通過(guò)提高單位通風(fēng)量從而縮短降溫時(shí)間效果明顯，如果盲目通過(guò)增大單位通風(fēng)量，不但不會(huì)縮短降溫時(shí)間，還會(huì)造成糧食一定程度的失水現(xiàn)象.

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)高大平房倉(cāng)應(yīng)用CFD 技術(shù)，在10 個(gè)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(cāng)內(nèi)平均溫度自20 ℃降到15 ℃以下時(shí)，得到所需要的機(jī)械通風(fēng)時(shí)間，從而得出風(fēng)量大小與降溫效果曲線，并對(duì)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(shí)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(jī)械通風(fēng)過(guò)程中，降溫時(shí)間與單位通風(fēng)量大小大致呈反比，但非絕對(duì)的線性關(guān)系.隨著單位通風(fēng)量變大，降溫時(shí)間縮短趨勢(shì)變緩，單位通風(fēng)量過(guò)大會(huì)造成糧食失水現(xiàn)象，不利于糧食加工.

（2）機(jī)械通風(fēng)過(guò)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(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，受制于外界環(huán)境長(zhǎng)期干燥和低溫環(huán)境.

（3）倉(cāng)儲(chǔ)人員應(yīng)根據(jù)機(jī)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.

［1］韋公遠(yuǎn).機(jī)械通風(fēng)儲(chǔ)糧技術(shù)的最新發(fā)展［J］.四川糧油科技，2003，20（2）:32-33.

［2］丁超.儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)技術(shù)拓展研究［D］.南京：南京財(cái)經(jīng)大學(xué)，2010.

［3］田書普，田云善，辛樹(shù)平，等.玉米調(diào)質(zhì)通風(fēng)技術(shù)研究［J］.糧油倉(cāng)儲(chǔ)科技通訊，2007（4）：9-11.

［4］楊國(guó)峰，江燮云.儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)中若干問(wèn)題的探討［J］.食品科學(xué)，2008，29（8）：659-662.

［5］段海峰.冷卻干燥通風(fēng)過(guò)程中糧堆內(nèi)熱濕耦合傳遞規(guī)律的研究［D］.濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2010.

［6］王遠(yuǎn)成，段海峰，武傳欣.就倉(cāng)通風(fēng)時(shí)糧堆內(nèi)部熱濕耦合傳遞過(guò)程的數(shù)值預(yù)測(cè)［C］.中國(guó)糧油儲(chǔ)藏學(xué)會(huì)第六屆年會(huì)，2009（4）:167-171.

［7］顧巍，壬本龍，胡天群，等.機(jī)械通風(fēng)降溫效果的數(shù)值評(píng)估［J］.糧油食品科技，2007（5）:20-22.

［8］張忠杰，李瓊，楊德勇，等.準(zhǔn)靜態(tài)倉(cāng)儲(chǔ)糧堆溫度場(chǎng)的CFD 模擬［J］.中國(guó)糧油學(xué)報(bào)，2010，25（4）:46-50.

［9］任廣躍，張忠杰，彭威，等.倉(cāng)儲(chǔ)糧堆機(jī)械通風(fēng)時(shí)壓力場(chǎng)的模擬研究［J］.中國(guó)糧油學(xué)報(bào)，2012，27（9）:90-95.

［10］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)，2012，24（1）:102-106.

［11］LS/T 1202—2002，儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)技術(shù)規(guī)程［S］.

［12］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.

［13］王瑞金，張凱，王剛.Fluent 技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

［14］Thorpe G.The application of computational fluid dynamics codes to simulate heat and moisture transfer in stored grains［J］.Journal of Stored Products Research，2008，44:21-31.

［15］陳桂香，岳龍飛，林淼達(dá)，等.糧堆內(nèi)熱濕耦合傳遞數(shù)值模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證［J］.中國(guó)糧油學(xué)報(bào)，2014，29（1）:77-82.

［16］吳子丹，曹陽(yáng).綠色生態(tài)低碳儲(chǔ)糧新技術(shù)［M］.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2011.