計算流體力學技術在糧食儲藏中的應用

穆垚

摘要：計算流體力學技術（Computational Fluid Dynamics，CFD）經過幾十年的發展，目前已經廣泛應用在各種產業的發展中。本文從計算流體力學的應用原理、糧食存儲中的問題、計算流體力學的計算模型出發，闡述了計算流體力學技術在糧食儲存中的應用。

關鍵詞：計算流體力學技術;糧食儲藏;實際應用

計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）是一門通過計算機進行模擬進行運算流體力學中各種復雜問題的一門學科，是流體力學的分支科目。糧食儲藏管理不僅需要技術和設備的輔助，面對糧食儲藏中的蟲害、糧食存儲中濕熱過大導致糧食變質等問題，為了保證糧食儲藏的品質、減少損失，準確地隨時掌握糧食儲藏的情況，將計算流體力學技術運用到糧食儲藏管理中，能夠有效地提高糧食儲藏中的管理質量。

計算流體力學的理論原理

計算流體力學的定義是通過計算機數值計算和圖像顯示，對于包含有流體流動和熱傳導等相關物理現象的系統所做的分析。也就是說計算流體力學是對流動現象的分析，這些包括了很多的流動參數，如速度、溫度等。流動現象的發生需要遵守一定的規律，這也就是可以根據能量、動量守恒方程進行計算，從而獲得數值模型。在CFD上常用的流動控制方程多數采用的是納維—斯托克斯方程或者歐拉方程。通過計算機進行流動空城方程計算，而獲得實際中的接近的參考數值，從而也是數值模型建立的意義。

糧食儲存的問題

糧食是人類生存的重要物資，而每年的糧食生產后需要進行一定量的儲存，以用于不備之需。因此，糧食儲藏是生產中的關鍵內容。而糧食儲藏往往涉及到糧食儲藏管理，雖然目前的糧倉管理上已經采取了比較先進的設備，提高通風、定期進行電子溫度系統管控，從而有效地改變谷倉內的溫度。但是，糧倉的儲藏溫度不均勻，以及在有效防止糧食變質上，科技技術還是不能夠做到徹底有效的監控。在糧食儲藏中糧食除了需要進行定期的通風和散熱外，還要考慮到害蟲、農藥殘留等問題對谷物儲藏的影響。由于糧食在短時間儲存時通過簡單數據監測還能夠掌握糧食的情況，但是時間稍長的情況下，不能全面檢查并采取有效措施。因此，需要更加高級的科技監測和管理系統，來提高糧食儲藏的管理水平。而計算流體力學在糧食儲藏中的應用主要是為了解決糧食儲藏中的局部熱力和濕度不均衡問題，提高糧食儲藏的管理水平。

計算流體力學技術的流程和常用軟件

CFD的技術發展經過了幾代人的努力，從二維勢流經過準三元方法、三維勢流發展到現在的三維歐拉法。在CFD的離散方法上，根據假設模型的特點，可以分為有限差分法、有限體積法和有限元法三種離散方法。在CFD 的處理中，需要根據問題進行前處理。這里的處理包括建立數學模型和三維構造，然后進行各部件的網格劃分和銜接。通過對要求解的問題進行前處理后，在制定求解策略并給定邊界條件，從而進行迭代求解獲得計算結果。通過對計算結果的分析，再進行后續的處理。

在CFD技術中，目前常用的幾款軟件，根據其CFD操作技術的不同時期，需求不同。在數學建模和三維造型中，常用到的是UG、I-DEAS等軟件，而在網格劃分中常用軟件是ICEM-CFD、Grid-Gen、TurboGrid等，最后后處理的軟件是FieldView、TecPlot等軟件。軟件是進行CFD操作的核心內容，目前市場上運用最多的還是Fluent、CFX和Start-CD。這些軟件的功能廣泛強大，各有特點。軟件的好壞和運算的使用，是CFD操作過程中的關鍵。

計算流體力學技術在糧食儲藏中的應用研究

根據文獻查閱，發現CFD在糧食儲藏中的應用時間短，目前CFD應用研究不多。國外學者有基于熱質平衡理論的數學模型，利用CFD預測了小麥通風儲藏中溫度和水分的分布規律，此方法是基于有限差分方法進行的。模型的建立是以圓筒倉為研究對象，需要將糧倉直徑、可達的裝糧高度進行數字記錄。糧堆以小麥為參考依據，進行測量，測量的數據包括初始溫度、千基水分、檢測進風口的空氣相對濕度、比熱容等。利用筒形為對稱空間，選擇二維計算模型進行計算，獲得冷卻通風時的模型。考慮實際糧倉的維護結構容易受到太陽能輻射和空氣的影響，因此采用綜合溫度考慮。并計算獲得綜合溫度下，糧倉在不同的時間下的濕度分布情況和小麥內水分的變化。對于糧倉內部由于自然對流和溫度的梯度變化，會導致非通風下水分的改變，進行規律分析。國內學者，張中杰等通過CFD模擬在不通風的情況下糧倉的溫度變化情況，從而為倉儲通風系統的進一步改進和優化設計提供了參考依據。其次，除了糧食儲存中的問題解決外，CFD也應用在糧食儲藏的生態系統數值模擬中，能夠有效地避免生態系統中比如害蟲、農藥等對糧食儲存的影響。CFD的應用在糧食儲藏生態系統數值模型建立上做過了相應的研究，通過對糧倉中的害蟲在糧倉中的產熱活動從而進行數學模型構建，提供了實際應用的參考。

糧食儲藏中遇到的很多問題，往往是難以通過簡單的計算進行預測和解決的。因此，CFD在糧食儲存中的模擬作用，能夠提前判斷糧倉中的問題，并積極地采取應對措施，從而改善傳統的糧食儲存問題，提高糧食儲存的效益。未來隨著CFD的研究不斷地深入，越來越多的軟件推廣和普及，能夠改變傳統工作中的許多實際問題，為高效的工作效率和科學的處理方法提供基礎設備。

參考文獻：

[1]張忠杰，李瓊，楊德勇.準靜態倉儲糧堆溫度場的CFD模擬[J].中國糧油學報，2010（04）：46-50.

[2]姚征，陳康民.CFD通用軟件綜述[J].上海理工大學學報，2002（02）：137-144.

[3]E. A. Smith.Pressure and velocity of air during drying and storage of cereal grains[J].Transport in Porous Media，1996（2）.