李加斌，王遠成，劉家琦，楊泰，楊開敏?

（山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院，山東 濟南 250101）

我國是一個人口大國，儲糧安全一直都是我國的頭等大事。由于糧食在自然儲存過程中會由于自身的呼吸作用和外界環(huán)境的影響，導(dǎo)致局部溫度和水分的升高，引起害蟲的產(chǎn)生或者發(fā)生霉變，影響食用。為確保糧倉內(nèi)部的溫度和水分在安全儲存范圍內(nèi)，需要對糧倉進行機械通風(fēng)[1]。

房式倉是我國儲糧的主流倉型，而垂直通風(fēng)是其常用的通風(fēng)方式，根據(jù)地上通風(fēng)管道布置方式的不同，可分為“U”型通風(fēng)、“圭”字型通風(fēng)等?！癠”型通風(fēng)由于使用了大量風(fēng)機，功耗較高，且在靠近墻體的位置易形成通風(fēng)死角，通風(fēng)均勻性較差。圭字型通風(fēng)雖然解決了“U”型通風(fēng)均勻性差的缺點，但是由于地上籠仍布置在地面，在垂直方向上仍然有著較長的通風(fēng)路徑，并且進風(fēng)空氣在糧堆內(nèi)的推進過程中會有損耗，導(dǎo)致進風(fēng)空氣在垂直方向上的推進速度較慢，可能會導(dǎo)致上部糧食沒有及時得到有效的通風(fēng)而發(fā)生霉變，尤其是進行熏蒸作業(yè)時，對于易分解的熏蒸氣體，如：臭氧，在糧堆內(nèi)停留時間過長會導(dǎo)致自身降解，影響殺蟲除菌效果，不能很好的滿足各種通風(fēng)作業(yè)的需要。

基于計算流體動力學(xué)的數(shù)值模擬方法為解決儲糧通風(fēng)問題提供了一個良好的工具[2]。Thorpe等[3]研究了糧堆內(nèi)溫度變化的機理，并構(gòu)建了相關(guān)數(shù)學(xué)模型，使用CFD模擬技術(shù)得到了不同工況下糧堆內(nèi)部的溫度分布和變化情況。李祥利等[4]模擬研究了“圭”字型風(fēng)道垂直通風(fēng)狀態(tài)下糧堆溫度和水分變化規(guī)律，但沒有解決進風(fēng)空氣在垂直方向上推進速度較慢的問題。馬文斌等[5]利用橫向通風(fēng)系統(tǒng)與原有地上籠豎向通風(fēng)系統(tǒng)混合使用的方式開展實驗研究，對比分析了橫向通風(fēng)系統(tǒng)和豎向通風(fēng)系統(tǒng)在單獨使用和混合使用時效果的差異。俞曉靜等[6]對高大平方倉的橫向與豎向通風(fēng)方式下進行數(shù)值模擬和分析，從糧堆溫度、水分分布和均勻性指數(shù)等方面綜合評價了兩種通風(fēng)方式的優(yōu)缺點。

盡管國內(nèi)外對房式倉機械通風(fēng)時溫度變化情況的模擬仿真和實倉測試研究均已經(jīng)取得了一定的進展，但是對于圭字型加垂直風(fēng)管的通風(fēng)方式的研究還沒有確切定論。為此，本文選擇小麥為研究對象，利用數(shù)值模擬的方法對圭字型加垂直風(fēng)管的新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的通風(fēng)效果進行研究，并利用降溫速率、均勻性以及通風(fēng)能耗等指標(biāo)來綜合評價其性能。得到的結(jié)果可以進一步完善房式倉垂直通風(fēng)技術(shù)的理論體系，對房式倉通風(fēng)道的設(shè)計改造提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。

1 房式倉通風(fēng)模型的建立及條件設(shè)置

1.1 物理模型的建立

以高大房式倉為研究對象，如圖1中所示，建立物理模型，長37.22 m，寬22.86 m，高10.5 m，堆糧高度為6 m，采用雙向通風(fēng)，兩側(cè)一共八個通風(fēng)口，出口窗戶兩側(cè)共12個，初選立管高度為1.5 m，立管在房式倉內(nèi)均勻分布。

圖1 房式倉物理模型Fig.1 Physical model of room warehouse

1.2 數(shù)學(xué)模型及定解條件

糧堆區(qū)域由一顆顆的糧粒堆積而成，糧粒之間的孔隙區(qū)域充滿了空氣，所以糧堆是一種具有生物特性的多孔介質(zhì)。對糧堆進行機械通風(fēng)的過程，本質(zhì)上就是多孔介質(zhì)與周圍空氣進行熱濕耦合傳遞的過程?；诙嗫捉橘|(zhì)的流動和傳熱傳質(zhì)理論，可以建立通風(fēng)糧堆的熱濕耦合傳遞數(shù)學(xué)模型[7]。

本次模擬的糧種為小麥，糧堆孔隙率為0.4，進口采用雙側(cè)質(zhì)量流量進口，噸糧通風(fēng)量為5 m3/(t·h)，出口為壓力出口，固體壁面采用無滑移的邊界條件，糧堆平均溫度為30 ℃，倉外大氣溫度為22 ℃，送風(fēng)溫度和糧堆溫度相差8 ℃。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用后處理軟件 Tecplot把模擬得到的數(shù)據(jù)做成云圖，重點關(guān)注糧堆內(nèi)的氣流分布情況，以及不同通風(fēng)天數(shù)下糧倉內(nèi)不同位置截面的溫度分布情況；利用Origin軟件將模擬監(jiān)測的數(shù)據(jù)繪制成折線圖，對新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的通風(fēng)特點進行綜合分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 糧倉內(nèi)氣流分析

選取添加了垂直立管和沒有垂直立管的兩個有代表性的截面，觀察氣流在糧倉內(nèi)的流場分布情況，由圖2可得，糧倉內(nèi)整體氣流分布較均勻，不存在通風(fēng)死角。由于采用的是雙向通風(fēng)，進風(fēng)空氣在入口處的風(fēng)速較大，越靠近糧倉的中部位置，氣流速度越小。在垂直立管存在的位置，立管的中上部速度較大，每個立管的風(fēng)速基本保持一致。加了垂直立管，氣流在垂直方向上的流動阻力減小，明顯縮短了進風(fēng)空氣在糧堆內(nèi)的通風(fēng)路徑和時間，當(dāng)進行熏蒸作業(yè)時，尤其是對于臭氧這種半衰期很短，極容易分解的熏蒸氣體，加了立管可以更快的把臭氧送到害蟲聚集的頂部糧堆，有效地避免了熏蒸劑的降解，可以極大地提高殺蟲效率。

圖2 新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)糧倉內(nèi)流線和速度分布圖Fig.2 Streamline and velocity distribution in the granary of the new ventilation network

2.2 小麥糧堆溫度的變化規(guī)律

分別選取通風(fēng)時間分別為2、4和7 d時的代表性的截面來觀察糧倉內(nèi)溫度分布情況，其中Y=13.8 m和Y=3 m分別為沿糧倉跨度方向，有立管存在和無立管存在位置的不同截面。如圖3所示，糧堆由下到上溫度逐漸下降，且沿通風(fēng)方向溫度有分層現(xiàn)象。新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中，由于加了垂直立管，沿垂直方向的流動阻力減小，所以在立管附近的冷鋒面推進速度更快，冷鋒面呈山峰型，由圖5和圖8可得，而在兩根立管之間的糧堆區(qū)域仍主要依靠經(jīng)由圭字型管道流動過來的空氣進行降溫，溫度降低的會慢一些，在云圖上顯示為凹進去的山谷狀。如圖4和圖7所示，在沒加立管的原有圭字型風(fēng)道位置，溫度分布也呈一定的波浪型，這是由于位于支風(fēng)道上方和支風(fēng)道之間糧食區(qū)域溫度降低速率不同所致。

圖3 通風(fēng)2天，Y=13.8 m溫度分布Fig.3 Temperature distribution of ventilation for 2 days, Y=13.8 m

圖4 通風(fēng)2天，Y=3 m溫度分布Fig.4 Temperature distribution of ventilation for 2 days, Y=3 m

圖5 通風(fēng)2天，X=11.43 m溫度分布Fig.5 Temperature distribution of ventilation for 2 days, X=11.43 m

圖6 通風(fēng)4天，Y=13.8 m溫度分布Fig.6 Temperature distribution of ventilation for 4 days, Y=13.8 m

圖7 通風(fēng)4天，Y=3 m溫度分布Fig.7 temperature distribution of ventilation for 4 days, Y=3 m

圖8 通風(fēng)4天，X=11.43 m溫度分布Fig.8 temperature distribution of ventilation for 4 days, X=11.43 m

由圖6可得，垂直立管附近的冷鋒面在通風(fēng)第4天就已經(jīng)穿過了糧面，并與糧堆上方空氣進行了換熱。如圖9～11所示，除了最頂部糧面與空氣區(qū)域接觸的位置還有極小部分區(qū)域糧堆溫度在23 ℃外，其余區(qū)域糧堆的溫度都降至22 ℃，可以看出新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的降溫效果很好。

圖9 通風(fēng)7天，Y=13.8 m溫度分布Fig.9 Temperature distribution of ventilation for 7 days, Y=13.8 m

圖10 通風(fēng)7天，Y=3 m溫度分布Fig.10 Temperature distribution of ventilation for 7 days, Y=3 m

圖11 通風(fēng)7天，X=11.43 m溫度分布Fig.11 Temperature distribution of ventilation for 7 days, X=11.43 m

由圖12中給出平均溫度和最高溫度隨時間變化情況可得，新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)在前5天降溫速度較快，5天后降溫趨勢逐漸趨于平緩，這是由于沿垂直方向上的通風(fēng)路徑有一定的長度，而進風(fēng)空氣與糧粒的傳熱強度不斷在衰減。隨著通風(fēng)的進行，在通風(fēng)第7天時平均溫度降到最低溫度22℃左右并保持穩(wěn)定。最高溫度在前幾天基本保持在初始溫度 30 ℃不變，這是因為冷鋒面穿透糧層需要一定的時間，雖然立管位置的冷鋒面推進速度變快了，但在兩根立管之間的糧堆降溫速率仍然較慢，沒被進風(fēng)空氣冷卻的位置一直保持著較高的溫度。

圖12 平均溫度和最高溫度對比折線圖Fig.12 Broken line diagram of average temperature and maximum temperature comparison

2.3 小麥糧堆不同高度糧層溫度對比

圖13為不同高度糧層的溫度變化情況。由圖可得，由于0.5 m糧層距離通風(fēng)道很近，所以可以更快的與進風(fēng)空氣進行換熱，因此在第5天左右就可以達到降溫通風(fēng)的預(yù)期效果。糧層高度越高，通風(fēng)路徑越長，糧層溫度開始下降所需要的通風(fēng)時間也就越長。加設(shè)垂直立管后，高處糧層溫度開始下降所需時間明顯縮短了，5.5 m糧層從第2天開始就出現(xiàn)了降溫，說明新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)在通風(fēng)2天冷鋒面的前沿已經(jīng)達到了5.5 m的高度，所有高度糧層均可以在通風(fēng)第7天達到安全儲糧溫度的要求。

圖13 不同高度糧層溫度隨時間變化對比折線圖Fig.13 Comparison of grain layer temperature at different heights with time

3 通風(fēng)均勻性和能耗分析

為了驗證新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)結(jié)束時糧堆內(nèi)部溫度和速度分布的均勻性，在糧堆的高度方向分別設(shè)置三層監(jiān)測點，每層監(jiān)測點均勻分布。糧堆內(nèi)部共三層觀測點，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[9]。每層的監(jiān)測點的數(shù)量相同，都為13個，一個39個監(jiān)測點，四個角的監(jiān)測點距離墻壁的距離為1 m，其余的等距離分布，具體尺寸和分布見圖14，測點分布均勻合理，有利于均勻性的檢測。

圖14 觀測點布局圖Fig.14 Layout of observation points

3.1 速度和溫度均勻性分析

由于通風(fēng)6天后糧堆平均溫度降低速率變的緩慢，繼續(xù)通風(fēng)為低效通風(fēng)，所以選擇通風(fēng)第 6天計算糧堆內(nèi)的速度和溫度均勻性。

3.1.1 速度均勻性指數(shù)

均勻性指數(shù)采用 Weltens等[10]建立的評價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算式：

式中，r為均勻性指數(shù)，在 0～1之間取值，越接近1說明糧堆內(nèi)的速度均勻性越好；vi為各觀測點的速度，m/s；v為全部觀測點的平均速度，m/s；n觀測點數(shù)量；

計算得到，新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的平均速度為0.006 m/s，均勻性指數(shù)為0.95，均勻性較好。

3.1.2 溫度均勻性指數(shù)

與速度均勻性的公式相似，評價新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的溫度均勻性指數(shù)公式為：

式中，ti為各觀測點的溫度，℃；t為全部觀測點的平均溫度，℃；

根據(jù)各監(jiān)測節(jié)點的溫度可計算得到，新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的溫度均勻性為0.98，溫度均勻性很好。

3.2 通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)能耗

通風(fēng)能耗是反映通風(fēng)節(jié)能降耗情況和能源消費水平的主要指標(biāo)，計算公式：

式中，Ws表示通風(fēng)系統(tǒng)的能耗，KW；Q為通風(fēng)過程的通風(fēng)量，m3/h；P為出風(fēng)口與進風(fēng)口的壓差，Pa；η為風(fēng)機效率，這里取 0.75。

計算可得，新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的通風(fēng)能耗為3.43×106KW，相同條件下的未加立管的圭字型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的通風(fēng)能耗為 4.1×106KW，能耗降低了16%。這是由于加設(shè)垂直立管后，減小了進風(fēng)空氣在垂直方向上的流動阻力，從而降低能耗。

4 結(jié)論

本研究提出了一種圭字型加垂直立管的新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，通過數(shù)值模擬方法對其通風(fēng)效果進行預(yù)測分析，并從糧堆溫度、速度均勻性、溫度均勻性和能耗等方面進行綜合分析，討論其對通風(fēng)效果的影響情況，得到的結(jié)論如下：

（1）采用新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的糧倉內(nèi)部速度分布較均勻，無通風(fēng)死角，加設(shè)立管可以明顯提高冷鋒面的推進速度，通風(fēng)兩天就可以穿透5.5 m糧層，可以快速的將進風(fēng)空氣或熏蒸氣擴散深入到糧堆內(nèi)部。

（2）新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的降溫效果較好，前五天的降溫速率較快，在第七天可以把糧堆溫度降低到 22 ℃，降溫的后糧堆內(nèi)的各處溫度分布較均勻，但在通風(fēng)過程中兩個立管之間的糧堆降溫相對會慢一些。

（3）新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)由于加設(shè)了垂直立管，減小了通風(fēng)方向上的流動阻力，空氣和熏蒸氣體等更容易從糧面溢出，從而降低了能耗，可以同時滿足降溫、降水、熏蒸、氣調(diào)、質(zhì)調(diào)等多項功能作業(yè)。