潘鈺，王遠(yuǎn)成,* ，邱化禹，高帥，張曉靜，趙會義

(1.山東建筑大學(xué)教育部可再生能源建筑利用技術(shù)實(shí)驗(yàn)室, 山東 濟(jì)南 250101；2.國家糧食局科學(xué)研究院，北京市 100037)

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糧倉機(jī)械通風(fēng)阻力和均勻性模擬研究

潘鈺1，王遠(yuǎn)成1,*，邱化禹1，高帥1，張曉靜1，趙會義2

(1.山東建筑大學(xué)教育部可再生能源建筑利用技術(shù)實(shí)驗(yàn)室, 山東 濟(jì)南 250101；2.國家糧食局科學(xué)研究院，北京市 100037)

機(jī)械通風(fēng)是保證儲糧品質(zhì)的主要技術(shù)手段，平房倉儲糧地上籠通風(fēng)系統(tǒng)主要有圭字型和U型一機(jī)三道兩種，其中圭字型和不同通風(fēng)途徑比的U型一機(jī)三道地上籠系統(tǒng)的糧堆通風(fēng)阻力和通風(fēng)均勻性也不盡相同。文章通過建立圭字型和三種不同途徑比的U型一機(jī)三道地上籠通風(fēng)方式的物理模型，采用計(jì)算流體動力學(xué)的方法，進(jìn)行數(shù)值模擬研究，獲得小麥糧倉在不同通風(fēng)工況下的通風(fēng)阻力數(shù)據(jù)，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析其糧層阻力變化規(guī)律，探究四種通風(fēng)方式的通風(fēng)阻力均勻性。結(jié)果表明：U型地上籠的通風(fēng)阻力與其途徑比成正比關(guān)系，通風(fēng)均勻性與其途徑比成反比關(guān)系，圭字型通風(fēng)阻力介于途徑比為1.56和1.83的U型地上籠之間，通風(fēng)均勻性介于途徑比1.21和途徑比1.56的U型一機(jī)三道地上籠之間。

數(shù)值模擬；機(jī)械通風(fēng)；糧層阻力；通風(fēng)均勻性；通風(fēng)途徑比

0　引言

大型平房倉是我國儲糧的重要設(shè)施,機(jī)械通風(fēng)是實(shí)現(xiàn)安全儲糧、保證糧食品質(zhì)、提高經(jīng)濟(jì)效益的重要舉措,因此保證大型平房倉良好的機(jī)械通風(fēng)效果是十分必要的[1]。目前國內(nèi)常用的機(jī)械通風(fēng)方式是地上籠垂直通風(fēng)，地上籠通風(fēng)風(fēng)網(wǎng)布局主要有U型和圭字型，U型一機(jī)三道即一個(gè)分配器分出三個(gè)支風(fēng)道，其目的是將風(fēng)機(jī)的風(fēng)量均勻的分配到各支風(fēng)道中，保證糧堆送風(fēng)的均勻性。圭字型即一個(gè)分配器連接主風(fēng)道，主風(fēng)道兩側(cè)不同位置處又分出多個(gè)支風(fēng)道，用多個(gè)支風(fēng)道來保證糧堆送風(fēng)的均勻性。文中重點(diǎn)研究比較U型一機(jī)三道不同途徑比(1.21、1.56、1.83)和圭字型風(fēng)道的通風(fēng)均勻性和阻力情況。

倉儲糧堆是由糧食顆粒聚集而成，是一種典型的多孔介質(zhì)，由于糧堆堆積過程中自溜分級、糧粒堆積時(shí)具有“自穩(wěn)定性”現(xiàn)象以及深層糧堆重力產(chǎn)生的壓力作用，糧堆內(nèi)部不同區(qū)域的孔隙率不同[2]。所以在通風(fēng)過程中，糧堆內(nèi)部空氣的流動是一個(gè)復(fù)雜的過程，其不僅涉及到流體力學(xué)和多孔介質(zhì)內(nèi)部的流動傳遞理論，它還與糧食顆粒的生物特性等多種因素有關(guān)[3-4]。Smith 等人采用有限元的方法對就倉干燥底部水平通風(fēng)的圓筒倉內(nèi)部的速度和壓力進(jìn)行了模擬分析[5]。Garg等使用CFD軟件模擬分析了大型圓筒倉中糧粒非均勻分布時(shí)通風(fēng)過程中糧倉內(nèi)部流場的分布規(guī)律[6]。Lukasse等建立了農(nóng)產(chǎn)品在就倉通風(fēng)時(shí)倉內(nèi)微氣候動力學(xué)模型[7]。Lukaszuk等采用數(shù)值模擬的方法研究了不同糧食顆粒在不同堆積方式下的通風(fēng)阻力[8]。

以上發(fā)展的模型雖然比較準(zhǔn)確的模擬了圓筒倉的糧食顆粒在通風(fēng)過程中的通風(fēng)阻力情況，但并不適用于國內(nèi)房式倉大體積糧堆內(nèi)部垂直通風(fēng)阻力及通風(fēng)均勻性的研究，而且對房式倉糧堆進(jìn)行垂直機(jī)械通風(fēng)時(shí)，風(fēng)道布置方式及通風(fēng)途徑比不同，糧堆內(nèi)部通風(fēng)的均勻性及阻力也不相同。文中主要采用數(shù)值模擬的方法，模擬研究房式倉在不同風(fēng)道布置方式下不同通風(fēng)量的通風(fēng)阻力和均勻性，并將數(shù)值模擬得出的通風(fēng)阻力結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所得經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算進(jìn)行比較，同時(shí)更加準(zhǔn)確分析得出不同風(fēng)道布置方式的阻力大小關(guān)系,利用數(shù)值模擬結(jié)果評價(jià)不同風(fēng)道布置的通風(fēng)均勻性，為地上籠通風(fēng)的合理布局方式提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1　平房倉模型建立與條件設(shè)置

1.1平房倉物理模型

平房倉物理模型圖如圖1所示。

圖1　平房倉物理模型圖(a)U型途徑比1.21物理模型；(b)U型途徑比1.56物理模型；(c)U型途徑比1.83物理模型；(d)圭字型物理模型

如上圖所示，文中以大型平房倉為研究對象，建立垂直通風(fēng)的物理模型，圖中糧倉均長為60 m、跨度為21 m、高為10.5 m，而糧堆高度為6 m，糧堆頂部南北兩側(cè)各8個(gè)窗戶。圖1(a)、(b)和(c)中地上地上籠為U型一機(jī)三道布置，通風(fēng)途徑比分別為為1.21、1.56和1.83，北側(cè)分別設(shè)有8個(gè)、3個(gè)和2個(gè)分配器，每個(gè)分配器連接一個(gè)通風(fēng)口。圖1(d)中地上地上籠為圭字型，北側(cè)設(shè)有3個(gè)分配器，每個(gè)分配器連接一個(gè)通風(fēng)口。

1.2平房倉網(wǎng)格

文中選取的前處理器是ICEM，對四個(gè)個(gè)平房倉進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。采用四面體和六面體相結(jié)合的方式，并在通風(fēng)口和地上籠處進(jìn)行局部加密，每個(gè)平房倉生成的網(wǎng)格數(shù)約310萬。

1.3通風(fēng)過程的數(shù)學(xué)模型

通風(fēng)時(shí)，糧堆內(nèi)部空氣流動的驅(qū)動力是風(fēng)機(jī)提供的壓力。在通風(fēng)條件下，糧堆內(nèi)部的流動采用如下方程描述。

1.3.1連續(xù)性方程

連續(xù)性方程由式(1)表示為

(1)

式中：ε為孔隙率；ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；u為空氣的表觀速度或達(dá)西速度，m/s。

1.3.2動量方程

動量方程由式(2)表示為

(2)

式中：ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3；ρb為糧堆的容重，N/m3；dp為谷物顆粒的等效直徑，m；u為糧堆內(nèi)部空氣的表觀速度或達(dá)西速度，m/s；p為壓力，Pa；t為時(shí)間，s；是微分算子，μ是空氣的動力粘度，N·s/m2。式(2)描述的是通風(fēng)時(shí)糧堆內(nèi)部強(qiáng)迫對流流動及其阻力的動量方程，方程右邊第三項(xiàng)為粘性阻力，第四項(xiàng)為慣性阻力，而這兩項(xiàng)是基于Ergun方程得到的。其中，ε為空隙率，當(dāng)ε=1時(shí)為空氣區(qū)域流動方程，即N-S方程；當(dāng)ε≠1時(shí)為糧堆區(qū)域流動方程，即達(dá)西—布林克曼方程。1.4通風(fēng)過程中的初始條件和邊界條件

U型不同途徑比和圭字型地上籠的進(jìn)口采用質(zhì)量流量進(jìn)口。對于不同的單位通風(fēng)量(5、7.5、10、15、20和25 m3/t·h)，設(shè)置不同的進(jìn)口質(zhì)量流量，數(shù)值模擬的通風(fēng)工況如表1所示。南北側(cè)共十六扇窗戶作為出口，出口采用自由出流。U型地上籠為無滑移交界面條件；圭字型主風(fēng)道為不可滲透壁面條件，支風(fēng)道為無滑移交界面條件。

采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算法，對控制方程采用有限體積法進(jìn)行離散，離散格式為二階迎風(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，對動量方程采用欠松弛技術(shù)，壓力與速度耦合采用SIMPLE算法。

2　模擬結(jié)果與分析

2.1地上籠速度分布規(guī)律

不同途徑比的U型一機(jī)三道地上籠速度分布相似，圖2(a)是實(shí)倉下途徑比為1.21的U型地上主地上籠速度變化圖，從圖中可以看出，一機(jī)三道U型地上籠三個(gè)風(fēng)道內(nèi)速度較為均勻，其中通風(fēng)入口處速度較大，到各個(gè)主風(fēng)道末端風(fēng)速逐漸減小，每個(gè)風(fēng)道的通風(fēng)效果一致，整體上來看氣流比較均勻合理。

表1　數(shù)值模擬通風(fēng)工況

圖2(b)表明圭字型地上籠主風(fēng)道內(nèi)速度變化圖，從圖中可以看出，圭字型地上籠每個(gè)支風(fēng)道內(nèi)速度較為均勻，其中通風(fēng)入口處速度較大，到主風(fēng)道末端風(fēng)速逐漸減小，支風(fēng)道速度更小，整體上來看氣流比較均勻合理。

圖2　地上籠速度分布圖(a)U型途徑比1.21地上籠速度分布圖；(b)圭字型地上籠速度分布圖

2.2通風(fēng)總阻力分析

2.2.1地上籠阻力經(jīng)驗(yàn)公式

地上籠阻力經(jīng)驗(yàn)公式由式(3)表示為

H=a·Qb

(3)

式中:H為地上籠的阻力，Pa；Q為單位通風(fēng)量，m3/t·h；其中U型地上籠系數(shù)a=43.8，b=1.6879，圭字型地上籠系數(shù)a=39.1、b=1.8573。

2.2.2單位糧層阻力經(jīng)驗(yàn)公式

單位糧層阻力經(jīng)驗(yàn)公式由式(4)表示為

H=9.81·a·ub

(4)

式中:H糧層為糧層阻力，Pa；u為表觀風(fēng)速，m/s；系數(shù)a和b分?jǐn)?shù)為143.31、0.9624。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理所得經(jīng)驗(yàn)公式(3)、(4)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，比較結(jié)果如圖3所示。

圖3　四種風(fēng)道布置方式的總阻力圖

圖3表明，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果，均可以清楚看出隨著表觀速度的增大，通風(fēng)總阻力也同時(shí)增大；其中U型地上籠途徑比為1.21的通風(fēng)阻力最小，途徑比1.56的阻力次之，途徑比1.83的通風(fēng)阻力最大；途徑比為1.21與1.56的U型一機(jī)三道地上籠的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得經(jīng)驗(yàn)公式的通風(fēng)阻力比較一致，由于途徑比1.83的U型地上籠風(fēng)道較少，通風(fēng)時(shí)氣流在多孔介質(zhì)糧堆穿過的路徑最長，受糧堆內(nèi)部糧食顆粒的自穩(wěn)定性以及內(nèi)部孔隙率的不同的影響，途徑比為1.83的數(shù)值模擬結(jié)果小于實(shí)際實(shí)驗(yàn)測量所得經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果。另外，圭字型地上籠布局較復(fù)雜，局部阻力損失較大，圭字型的通風(fēng)總阻力也較大，所以其大于途徑比為1.21和1.56的U型一機(jī)三道地上籠的通風(fēng)阻力，但小于途徑比為1.83的U型一機(jī)三道地上籠的通風(fēng)阻力。

2.3四種風(fēng)道布置方式均勻性分析

均勻性指數(shù)采用Weltens等[9]建立的評價(jià)流動分布特性的均勻性指數(shù)來表示流速/混合的均勻性程度計(jì)算式(5)為

(5)

式中：r為均勻性指數(shù)，在0和1之間變化，r越大說明流動越均勻。vi為各觀測點(diǎn)的速度，m/s；v為全部觀測點(diǎn)的平均速度，m/s；n觀測點(diǎn)數(shù)，研究共39個(gè)觀測點(diǎn)。糧堆內(nèi)部共三層觀測點(diǎn)，最底層距離倉底1 m，最上層距離糧面1 m，中間層高度為糧堆高度的一半。圖4 為每層觀測點(diǎn)布置示意圖，每層13個(gè)觀測點(diǎn)。每層(水平切面)，四個(gè)角點(diǎn)距墻1 m，其他點(diǎn)尺寸如圖所示，測點(diǎn)分布均勻合理，有利于均勻性的檢測。

圖4　觀測點(diǎn)布局圖/m

數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，代入公式(5)得出四種通風(fēng)方式不同表觀速度下的糧堆通風(fēng)均勻性,如圖5所示。

圖5　四種風(fēng)道布置方式均勻性圖

圖5表明，在表觀風(fēng)速較小時(shí)，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)比較一致，表觀風(fēng)速較大時(shí)，實(shí)測均勻性系數(shù)要小于模擬數(shù)據(jù)結(jié)果，這是由于實(shí)際測量中，測量存在誤差，導(dǎo)致測量的速度變化幅度較大，通風(fēng)均勻性降低。同時(shí)，實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)也均表明隨著表觀速度的增大四種布局方式的通風(fēng)均勻性均降低。分析認(rèn)為表觀速度越大時(shí)，氣流對對糧堆內(nèi)部顆粒的擾動作用就越強(qiáng)，影響了速度的均勻分布。U型一機(jī)三道中途徑比越小，通風(fēng)均勻性越好；圭字型的通風(fēng)均勻性介于途徑比1.21和途徑比1.56之間，其原因是糧堆底部支風(fēng)道較多，通風(fēng)時(shí)糧堆內(nèi)部氣流速度分布較為均勻，通風(fēng)均勻性也越好。

3　結(jié)論

通過上述研究可知：

(1) U型地上籠途徑比為1.21的通風(fēng)阻力最小，途徑比1.56的阻力次之，途徑比1.83的通風(fēng)阻力最大，圭字型通風(fēng)阻力介于途徑比為1.56和1.83的U型地上籠之間。

(2) U型一機(jī)三道中途徑比越小，通風(fēng)均勻性越好；圭字型地上籠的通風(fēng)均勻性介于途徑比1.21和途徑比1.56的U型一機(jī)三道地上籠之間。

此研究為糧倉儲糧機(jī)械通風(fēng)采用地上籠通風(fēng)形式時(shí)，風(fēng)網(wǎng)的布局方式提供了重要的理論依據(jù)和技術(shù)參考。

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Numerical study on the ventilation resistance and uniformity of mechanical vertical ventilation on the grain storage

Pan Yu, Wang Yuancheng*, Qiu Huayu,etal.

(Key Laboratory of Renewable Energy Utilization Technologies in Buildings of the National Education Ministry, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)

Mechanical ventilation is the main measure of ensuring the grain’s safety and quality. The mechanical vertical ventilation of the grain storage in warehouse can be divided into the GUI-shape and U-shape.The ventilation resistance and ventilation uniformity varies with different mechanical vertical ventilation variety. According to Computational Fluid Dynamics(CFD) method, numerical simulation analysis of different vertical ventilation resistances of wheat in grain bulk is conducted. The foundation for the fan selection of the mechanical ventilation system and the optimization of ventilation system was laid through the comparison between the ventilation resistance under different ventilation pattern and the experimental data, with the analysis of its grains’ layer resistance variation and ventilation uniformity.The results show that the ventilation resistance of the U type ventilation cage is proportional to the ratio of the way, and that the uniformity of the ventilation is inversely proportional to the ratio of the way, ventilation resistance of GUI-shape between 1.56 and 1.83 U-type ventilation cage,uniform ventilation between 1.21 and 1.56 U-type ventilation cage.

numerical simulation; mechanical ventilation; aeration resistance; ventilation uniformity; ventilation rout ratio

2016-03-28

國家自然基金項(xiàng)目(51276102);國家糧食公益專項(xiàng)項(xiàng)目(201513001)

潘鈺(1991-),男,在讀碩士,主要從事多孔介質(zhì)內(nèi)流動傳熱等方面的研究.E-mail:465748419@qq.com

*：王遠(yuǎn)成(1963-),男,教授,博士,主要從事復(fù)雜介質(zhì)中傳熱傳質(zhì)等方面研究.E-mail: wycjn1@163.com

1673-7644(2016)03-054-05

TU996

A