糧食儲存機械通風(fēng)均勻性的研究

顧超恒+陶樂仁+鄭志皋+陳娟娟+趙月

摘 要：根據(jù)流體力學(xué)相似性原理與量綱分析理論，以實際糧倉為模型基礎(chǔ)，建立實驗?zāi)Ｐ蛡}.以大米為實驗介質(zhì)，通過實驗及計算并查找相關(guān)文獻得出所需模擬邊界條件及實驗數(shù)據(jù).利用Gambit軟件建立1/4 3D實驗?zāi)Ｐ蛡}模型，采用Fluent軟件中多孔介質(zhì)模型進行模擬計算，利用Tecplot軟件獲取模擬過程中溫度、速度隨時間變化，得出模型倉內(nèi)各點溫度、速度分布情況.提取具有代表性的若干點的溫度、速度隨時間的變化情況并作相應(yīng)對比，找出了機械通風(fēng)過程中的降溫死角并提出多種解決辦法.

關(guān)鍵詞：糧食儲存； 機械通風(fēng)； 多孔介質(zhì)； 數(shù)值模擬

中圖分類號： TU 834.3+4 文獻標志碼： A

我國是世界上最大的糧食生產(chǎn)、儲藏及消費大國，糧食儲藏是國家為防備戰(zhàn)爭、災(zāi)荒及其他突發(fā)性事件而采取的有效措施，因此糧食的安全儲藏是關(guān)系到國計民生的戰(zhàn)略大事[1].但是糧食在儲藏過程中會因為溫度、濕度、自身呼吸、微生物滋生等各方面的原因發(fā)霉變質(zhì).因此，在糧食儲藏過程中根據(jù)其溫濕度變化情況，對其進行降溫降濕來抑制微生物生長及鼠害都是很有必要的[2-3].目前，人們通過人工倒倉、自然通風(fēng)、機械通風(fēng)等手段對糧食進行降溫降濕處理.然而，人工倒倉花費較大，自然通風(fēng)受季節(jié)限制，比較而言，相對方便靈活的通風(fēng)手段主要是機械通風(fēng)[4].但是機械通風(fēng)的均勻性很難把握，通風(fēng)不均勻很容易產(chǎn)生降溫死角.我國制定的儲糧機械通風(fēng)技術(shù)規(guī)程[5]規(guī)定：在亞熱帶地區(qū)，機械通風(fēng)要在糧食平均溫度與進風(fēng)溫度之差小于3℃的情況下停止通風(fēng).最高溫度區(qū)域無疑是降溫死角，但是尋找降溫死角的傳統(tǒng)方法是通過實倉實驗獲得，但實倉實驗周期長、費用高、采集數(shù)據(jù)設(shè)備易老化.因此，目前引入數(shù)值計算方法提高糧食儲存技術(shù)水平是非常可行、方便的方法.

本文利用流體力學(xué)相似性原理和量綱分析理論，以實際糧倉原型建立模型倉，采用數(shù)值模擬取代實倉實驗，從而大大減少了實驗成本并克服了設(shè)備易老化等缺點.本文根據(jù)模型倉實驗取得的數(shù)據(jù)并參考相關(guān)文獻，確定了模擬計算所需的邊解條件，利用數(shù)值傳熱方法對糧倉通風(fēng)時糧堆內(nèi)部的溫度場、速度場進行了模擬，通過溫度場分析可確定降溫死角區(qū)域.這為完善糧倉機械通風(fēng)、設(shè)計更為合理的風(fēng)道提供了依據(jù).本文使用的模型倉及數(shù)值計算方法已在糧倉中使用并得到驗證[6-10].

1 實驗原理及裝置

1.1 實驗原理

本文根據(jù)相似性原理和量綱分析理論，將某典型平房倉[11]按幾何比例50∶1縮小成模型倉.原型平房倉與模型倉的尺寸如表1所示.

根據(jù)相似性原理，同類現(xiàn)象相似的條件為：① 同名的已定特征數(shù)相等；② 單值性條件相似.本文中由于涉及到糧倉速度場和溫度場的變化，因此雷諾數(shù)和普朗特數(shù)要相等[12].利用熱線風(fēng)速儀測出模型倉支管段風(fēng)速υm=22.5 m·s-1.《儲糧機械通風(fēng)技術(shù)規(guī)程》[5]規(guī)定，支管段風(fēng)速最好控制在6 m·s-1以下，最高不超過9 m·s-1，一般為4～5 m·s-1.因此，取原型平房倉支管段風(fēng)速υ=4 m·s-1[4-5]，則有

Re=υdν

（1）

Rem=υmdmνm

（2）

式中：Re、Rem分別為原型平房倉和模型倉雷諾數(shù)；d、dm分別為原型和模型倉支管段直徑；ν、νm分別為原型平房倉和模型倉中空氣的運動黏度.

雖然Re不等于Rem，但是根據(jù)流體力學(xué)相似性原理，當原型的雷諾數(shù)處于自模化區(qū)時，模型的雷諾數(shù)不必保證與原型的雷諾數(shù)相等，只要與原型處于同一模化區(qū)即可.因為原型平房倉和模型倉的雷諾數(shù)均在第二模化區(qū)（>103～104）[13]，因此可認為相似.

1.2 實驗裝置與設(shè)備

實驗裝置如圖1所示，主要部件有變頻器、風(fēng)機、模型倉、T型熱電偶、阿爾泰數(shù)據(jù)采集模塊、計算機等.實驗介質(zhì)為大米.

根據(jù)《糧食平房倉設(shè)計規(guī)范》[11]要求，模型倉采用最常用的一機四道地槽通風(fēng)方式.圖2給出了模型倉內(nèi)通風(fēng)地槽布置情況.實驗采用壓入式通風(fēng)，將風(fēng)機產(chǎn)生的風(fēng)量通過風(fēng)管送入通風(fēng)地槽，通過空氣分配器對風(fēng)量進行均勻分配后對實驗材料進行冷卻.

實驗時，通過變頻器控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)通風(fēng)量.熱線風(fēng)速儀可測出初始時刻模擬所需的溫濕度，T型熱電偶的信號通過阿爾泰數(shù)據(jù)采集模塊輸入計算機，再利用采集軟件記錄糧倉內(nèi)溫度情況.因此可測出模擬計算時所需的初始條件，以便進行數(shù)值模擬.

2 CFD數(shù)值模擬及理論分析

2.1 模型建立及相應(yīng)控制方程

本文對多孔介質(zhì)中的溫度場、速度場隨時間變化進行研究分析.多孔介質(zhì)由氣固兩相組成，其中：固相為大米，為非連續(xù)相，以多孔介質(zhì)的形式存在；氣相為空氣，為連續(xù)相.在層流和牛頓流體的多相系統(tǒng)中，通過體積平均方法獲得計算所用的控制方程[14].

連續(xù)性方程

式中：ρ為密度；V為體積；下標β代表空氣；C為滲透張力；P為壓強；g為當?shù)刂亓铀俣龋籧p為空氣定壓比熱容；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；t為時間；T為溫度；μ為黏度系數(shù).

式（3）～（5）中所有變量均為體積平均值.基于實驗數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型和理論計算的需要，本文假設(shè)：① 實驗對象為多孔介質(zhì)模型且各向同性；② 糧倉為木質(zhì)結(jié)構(gòu)并配有隔熱材料，壁面絕熱；③ 根據(jù)Boussinesq近似在傳熱傳質(zhì)中的應(yīng)用，除了浮升力會產(chǎn)生溫度和濃度梯度的雙重擴散影響之外，密度等可視為常數(shù)[15-17]；④ 因為糧食的達西數(shù)為10-8數(shù)量級[18]，因此動量方程適用于達西定律[19].

2.2 模型倉的3D建模

根據(jù)模型倉具體尺寸使用建模軟件Gambit建立3D模型，利用模型倉的對稱性，取模型倉的1/4進行計算.模型倉1/4模型如圖3所示.圖中已標出模型的進風(fēng)口、出風(fēng)口、大米層和空氣層，2個對稱面和其他沒標處均為模型倉1/4模型墻壁，空氣進口位置即為通風(fēng)地槽位置.將建好的模型導(dǎo)入Fluent軟件中，利用實驗測得的數(shù)據(jù)和由文獻[20-22]查到的參數(shù)設(shè)置多孔介質(zhì)模型參數(shù)并進行模擬計算.

2.3 數(shù)值模擬及相關(guān)分析

根據(jù)《儲糧機械通風(fēng)技術(shù)規(guī)程》[5]規(guī)定，在亞熱帶地區(qū)糧倉平均溫度與進風(fēng)溫度差小于3℃時，可以停止以降溫為目的的通風(fēng).因此，當模擬計算時間t=1 h時，糧倉溫度可達到規(guī)定要求.為了更直觀地顯示糧倉內(nèi)的溫度分布，取Z=0.12 m處的橫截面不同時刻的溫度等值線，如圖4所示.模擬開始時，由T型熱電偶測得糧倉初始溫度為309 K，由熱線風(fēng)速儀測得空氣層溫度為307 K，通風(fēng)地槽進口溫度為298 K，風(fēng)速為0.5 m·s-1；圖4（a）為t=10 min時溫度分布情況，此時空氣層溫度已和糧倉大米層上層溫度相同，糧食層高溫區(qū)域溫度為307.5 K，低溫區(qū)域溫度為306 K，溫度相差1.5 K；圖4（b）為t=30 min時溫度分布情況，此時糧食層高溫區(qū)域溫度為304 K，低溫區(qū)域溫度為303 K，溫度相差1 K；圖4（c）為t=60 min時溫度分布情況，此時糧食層高溫區(qū)域溫度為301.1 K，低溫區(qū)域溫度為300.5 K，溫度相差0.6 K.從圖4可看出糧倉內(nèi)溫度場分布隨時間的變化情況，冷卻時間越長，糧倉內(nèi)溫度越低，溫度梯度也越小，且易找出溫度高的區(qū)域.這些區(qū)域就是因通風(fēng)不均勻產(chǎn)生的降溫死角.雖然隨著t增加溫度梯度變小，但仍可看出糧倉內(nèi)存在一定的溫差，而且冷卻速率逐漸變小，并且這是建立在長時間風(fēng)機冷卻的基礎(chǔ)上.因此，吹風(fēng)后期能量消耗大但效果卻不好，所以需要完善風(fēng)道，改善降溫通風(fēng)的均勻性，以降低能量消耗，便于糧食的保存，防止細菌等滋生從而使糧食產(chǎn)生霉變.

為了便于查看糧倉內(nèi)通風(fēng)均勻與否，取Z=0.12 m處的橫截面，該橫截面不同位置的速度和流線分布如圖5所示.從圖中可看出，空氣層速度分布在0.04～0.2 m·s-1，靠近出口處風(fēng)速較大，遠離出口處風(fēng)速較小.糧食層速度分布在0.01～0.09 m·s-1，靠近墻壁處速度較小，靠近通風(fēng)地槽處速度較大.對照圖4顯示的高低溫區(qū)域發(fā)現(xiàn)，高溫區(qū)域風(fēng)速較小，低溫區(qū)域風(fēng)速較大，這與冷卻效果相吻合.

為不同點溫度隨時間的變化，其中MAX為降溫死角，位于T1附近.從圖中可看出，雖然各點溫度隨時間均呈下降趨勢，但是同一時刻的溫差仍有1～2 K，降溫速率隨時間變化而減小，可見隨著糧食逐漸被冷卻，冷卻效果越來越差.

為了達到降溫要求[5]，需要較長時間的機械通風(fēng)才能使糧倉內(nèi)溫度死角的溫度降到所要求的范圍內(nèi)，即

所謂的短板效應(yīng)，這造成了機械能的浪費.因此，均勻的機械通風(fēng)

可使糧倉溫度整體下降，減少不必要的能量消耗.

3 結(jié)論與展望

本文將實驗與模擬計算相結(jié)合，找出了糧倉在機械通風(fēng)過程中的降溫死角區(qū)域，驗證了普通糧倉在通風(fēng)降溫過程中的不均勻性；模擬計算糧倉通風(fēng)降溫的過程方便直觀，不僅節(jié)約了實驗費用而且節(jié)省了大量的時間.

本文實驗臺采用了應(yīng)用最廣泛的平房倉一機四道機械通風(fēng)形式，但其中存在的通風(fēng)死角值得進一步完善：① 在建立糧倉之前，可先利用計算機進行模擬計算，找出最佳的通風(fēng)位置和通風(fēng)方法，對其通風(fēng)地槽進行優(yōu)化設(shè)置.根據(jù)糧倉所處地理環(huán)境、具體尺寸等找出一個有利于通風(fēng)的地槽或?qū)⒉煌L(fēng)方式進行比較，選擇通風(fēng)均勻性最好的一種以供后期糧倉搭建時參考.② 在原有的糧倉基礎(chǔ)上，通過找到降溫死角，利用局部性通風(fēng)或地槽局部延長配合機械通風(fēng)，這不僅可去除降溫死角，保證糧食品質(zhì)，在一定程度上降低能源消耗，而且可控性很強.

本文為建立更為完善的實驗與計算方法、獲得更加準確的數(shù)據(jù)以及為糧倉的設(shè)計與監(jiān)測提供了一定的指導(dǎo)與幫助.

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