高大平房倉橫向與豎向通風的數值模擬及分析

俞曉靜王遠成戚禹康

(山東建筑大學 熱能工程學院， 山東 濟南250101)

0 引言

機械通風作為一種操作方便且成本較低的降溫技術，目前已大規模地投入使用于高大平房倉的儲糧過程中[1]。 對糧倉進行機械通風不但可以將糧堆溫度控制在理想的低溫條件下，還可以有效地調節糧倉內部糧堆的水分分布[2]。 傳統豎向通風方式在平房倉地面上鋪設通風道，其通風較為均勻且降溫效果快，但是糧食進出倉時需安裝和拆卸地上籠風道，嚴重地制約了糧食進出庫的機械化水平[3]。 針對豎向通風存在的問題，采用一種新型的通風方式即橫向通風，其將通風道固定在糧倉壁面，可以有效地提高進出倉效率[4]。 豎向通風和橫向通風是兩種主要的糧倉通風方式，因此對比研究分析不同通風方式下，糧堆溫度和水分的變化，可為實際通風操作提供最佳的進風溫濕度條件[5]。

糧堆機械通風過程中涉及到多孔介質的熱質交換問題，通風實驗的外界環境溫濕度、風機開啟時間、當地氣候、氣流速度等都會影響實驗結果，并且受實驗場地和環境的影響，糧溫和進風溫濕度會隨環境變化，不能進行相同條件的多次實驗[6]。 借助計算流體動力學CFD(Computational Fluid Dynamics)軟件，可以克服實驗操作難題。 通過建立通風道位置不同的物理模型，模擬豎向、橫向兩種通風方式[7]，可以控制其他模擬條件不變，所得結果直觀、準確，為糧食儲存提供理論指導。 王遠成等[8]提出通風過程中糧堆內部的熱濕耦合傳遞模型，研究機械通風后糧堆內部熱量和水分遷移規律；Thrope[9]基于傳熱傳質的守恒方程建立數字模型，研究糧堆的物性參數對通風過程的影響；許啟鏗等[10]建立顆粒流數值模型，對散糧堆底部壓力進行數值模擬分析；趙會義等[11]研究了不同通風和風速條件下的糧層阻力的變化規律；陳桂香等[12]采用CFD 軟件數值模擬高大平房倉的熱濕傳遞過程，得到最佳的機械通風量。

文章基于多孔介質的傳熱傳質理論，以高大平房倉為例，建立了通風過程中熱濕耦合的k - ε模型，采用CFD 軟件，模擬通風過程中糧堆(稻谷)的溫濕度變化，從溫度、水分均勻性和能耗角度進行分析，得到降溫保水效果最佳的通風方式，并對橫向和豎向通風的結果進行了評價和分析。

1 高大平房倉模型的建立、參數與實測點的設置

1.1 物理模型的建立及網格劃分

以高大平房倉為研究對象，其長為27.0 m、高為12.5 m、裝糧高度為6.0 m。 采用橫向和豎向兩種通風方式，豎向通風采用上行壓入式通風，橫向通風采用左進右出的吸入式通風[13]。 高大平房倉物理模型及其網格劃分如圖1 所示。 采用GMBIT 軟件對高大平房倉進行建模，數值模擬區域分為糧倉糧堆區域(黃色區域)等3 部分、糧倉上部空氣區域(紅色區域)和風道空氣區域(藍色區域)。

圖1 高大平房倉通風物理模型圖

1.2 通風過程的數學模型

假設不同通風方式下的倉儲糧堆體積都是均勻分布的的多孔介質，則機械通風過程可以視為多孔介質與周圍空氣進行熱濕耦合傳遞的過程。 基于多孔介質的流動和傳熱傳質理論，可以建立通風糧堆的熱濕耦合傳遞和傳質模型[14]。 由于連續通風時間相對較短，谷物的呼吸作用產生的水分和熱量可以忽略不計。

1.2.1 連續性方程

根據質量守恒定律可知，在控制體內質量總量的改變，等于從邊界流入和流出質量之差。 由此得到糧堆的連續性方程的微分形式由式(1)表示為

式中:ε為孔隙率；ρa為空氣密度，kg / m3；t為時間，s；u為氣流的表觀速度或達西速度，m / s。

1.2.2 動量守恒方程

稻谷糧堆是典型的多孔介質，糧粒間空氣動量的變化率滿足Navier-Stokes 方程。 由此推導出糧堆的動量守恒方程由式(2)表示為

式中:ρ為糧食密度，kg/m3；Si為糧堆阻力項[15]。

1.2.3 對流傳熱方程

儲糧內部的熱量傳遞過程滿足熱力學第一定律，考慮到糧堆粒間空氣的焓和糧粒的相[16]，根據能量守恒方程可得糧堆內部熱量傳遞的對流換熱方程由式(3)表示為

式中:ca、cg、cw分別 為 空氣、糧食 和水 的 比熱，J/(kg·K)；keff是糧堆的有效導熱系數，W/(m2·K)，取0. 157；hs為 對 流 換 熱 系 數， W/(m2· K)；

1.2.4 水分遷移方程

根據局部熱平衡理論可以推導出水分遷移方程由式(4)表示為

式中:w為糧粒間的絕對含濕量，kg/kg；Deff為粒間空氣水分通過糧堆的有效擴散系數，m2/s；Sw為吸濕解吸濕的源項。

1.3 模擬的參數設置

糧堆機械通風過程受到進風溫度和濕度的影響，根據散糧的堆積特性和粒間空氣與糧粒之間的熱濕耦合規律，研究糧堆溫濕水變化需要設置合理的送風溫差和濕差。 數值模擬采用k -ε模型，模擬儲糧品種為中晚秈稻，糧堆的初溫為25 ℃，濕基水分為15%。 稻谷糧堆的容重為600 kg/m3，孔隙率取0.6，比熱容為1600 J/(kg·K)，導熱系數為0.11 W/(m·K)。 根據初始糧溫和初始濕基水分來確定糧堆的初始相對濕度為76.5%，具體的計算公式由式(5)表示為

式中:r為糧堆的相對濕度，%；W為谷物濕基平衡水分，%；T為谷物溫度，℃；A、B和C皆為取決于谷物品種的等溫常數。

露點溫度的計算公式由式(6)表示為

式中:Tdew為露點溫度，℃；r為相對濕度，%；T為進風空氣的溫度，℃。

將3 個不同的進風空氣的溫度和相對濕度代入式(6)中，可以分別求出露點溫度為12.7、11.5 和13.6 ℃，皆低于進風溫度，不會發生結露現象，進風空氣的相對濕度設置合理。

為研究兩種不同通風方式對糧堆內部溫度和水分分布規律的影響，設置3 個進風濕度不同的對照組，每一個對照組中除通風方式外其他送風條件均相同，具體的通風參數值見表1。

表1 不同通風濕度工況下的初始參數表

1.4 實際測點的設置

實驗在安徽省現代物流中心糧食儲備庫中進行，根據LS/T 1203—2002《儲糧機械通風技術規程》[17]，在糧堆中合理布置溫濕度傳感器。 為實現實驗與數值模擬的數據對比，采用溫度檢測系統和溫濕水一體化檢測系統測定實驗中糧堆溫度和濕基水分數據，并對通風過程中的溫度和水分變化值進行數據記錄。 水分測定采用型號為LDS-1S 的電腦水分測定儀，測量誤差≤±0.5%。

橫向通風沿糧倉寬度方向設置3 個糧層，糧層1 和糧層3 皆距倉壁0.6 m，糧層2 取寬度的1/2，每一糧層上皆均勻設置13 個監控測點，如圖2(a)所示。 豎向通風沿糧倉高度方向設置3 個糧層，糧層3 距離地面0.8 m，頂部糧層距離糧面0.8 m，糧層2取裝糧高度的1/2，即距離地面3 m 處，每一糧層上均勻設置的13 個測點如圖2(b)所示。 實際測點和數值模擬的監控測點應保持一致，設置依據是進出風口處的溫度和水分變化幅度大，應設置更多監測點，監測距離倉壁1 m 內糧層的溫度和水分變化，便于分析糧堆內部的熱濕耦合傳遞規律。

圖2 實倉測試點布置圖

2 模擬結果與分析

文章研究的是谷物冷卻的通風過程，進風空氣恒溫恒濕，其溫度低于初始糧溫，溫差為8 ℃，模擬為期6 d 的降溫冷卻通風過程，通過通風過程的溫度和水分變化圖，以分析不同通風方式和不同進風相對濕度對通風效果的影響。

2.1 對照組一的溫度和水分變化

主要對比研究橫、豎向通風6 d 后的結果。 通風結束時糧堆內部的溫度分布如圖3 所示，沿通風方向糧堆溫度出現分層現象，這是由于傳熱過程有衰減延遲現象。 圖3(a)所示的橫向通風方式由于通風路徑長，相較于圖3(b)的豎向通風方式，溫度梯度大，但糧堆內總溫差在倉儲允許范圍內。

進風濕度為76.5%時水分隨通風時間的變化如圖4 所示。 橫向通風結束時，進口附近的糧層水分高于初始水分值，這是因為通風過程中該糧層表面的蒸汽分壓不斷降低，水分沿壓差方向傳遞，表現為糧堆吸收水分。 而豎向通風方式下，進口附近糧層的水分變化幅度小，如圖4(b)所示。

橫、豎通風方式通風0 ～144 h 的數值模擬與通風實驗實測的溫度、水分值對比如圖5 所示。 在橫向和豎向通風時，無論是糧堆的溫度值還是水分值，其模擬與實驗實測數據都基本吻合，因此數值模擬結果是可靠的。

圖3 通風6 d 時進風濕度為76.5%工況的溫度分布圖

圖4 通風6 d 時進風濕度為76.5%工況的水分分布圖

圖5 橫、豎向通風144 h 溫度和濕基水分的模擬值與實測值對比圖

2.2 對照組二的溫度和水分變化

進風濕度為71.5%時，糧堆內部的溫度分布如圖6 所示。 由于進風濕度低于糧堆濕度，糧粒的解吸濕貫穿整個通風過程，稻谷糧堆放出熱量，如圖6(a)所示，橫向通風結束時，平均溫度降幅較大，降為18.3 ℃。 如圖6(b)所示，因豎向通風的路徑短，平均溫度降為17.4 ℃，下降幅度更大。

進風濕度為71.5%時，水分隨通風時間的變化如圖7 所示。 糧堆的初始相對濕度高于進風濕度，糧堆內部不斷發生解吸濕過程，通風結束時糧堆的水分丟失較多。 但隨著糧粒表面的蒸汽分壓的降低，空氣中的水分向糧堆傳遞，最終吸濕過程和解吸濕過程達到平衡時，糧堆內部的平均水分基本不變。

圖6 通風6 d 時進風濕度為71.5%工況的溫度分布圖

圖7 通風6 d 時進風濕度為71.5%工況的水分分布圖

2.3 對照組三的溫度和水分變化

進風濕度為81.5%時，糧堆溫度分布如圖8 所示。 通風糧堆這一多孔介質有吸濕再熱現象，而進風濕度高于糧堆的相對濕度，由圖8(a)和(b)可以看出橫、豎向通風方式下，糧堆各處溫度均有所上升，平均溫度分別為19.4 和18.5℃，是糧堆平均溫度最高的對照組。

進風濕度為81.5%時，糧堆水分分布如圖9 所示。 通風初始階段進風空氣的蒸汽分壓低于糧堆的蒸汽分壓，糧堆丟失較多水分。 由于進風濕度較大，糧堆很快進入長期吸濕過程。 如圖9(a)所示，糧堆各處丟水比較嚴重，但進口附近的糧層相比初始水分增高；如圖9(b)所示，豎向通風方式下的增水效果比較弱。

圖8 通風6 d 時進風濕度為81.5%工況的溫度分布圖

圖9 通風6 d 時進風濕度為81.5%工況的水分分布圖

2.4 通風后糧堆的均勻性分析

為表征通風結束后糧堆溫度的分布特性，對不同通風方式的通風效果進行評價，采用評價分布特性的均勻性指數表示糧堆內部的溫度、水分均勻性程度[16]。 溫度均勻性指數由式(7)表示為

式中:γtem為溫度均勻性指數，一般在0 ～1 之間取值，其值越大表示糧堆內部的溫度分布越均勻；Ti為各個測點的溫度；T1為糧堆內部的平均溫度；n為測點的數量。

水分分布的均勻性指數由式(8)表示為

式中:γwat為水分均勻性指數，一般在0 ～1 之間取值，其值越大表示糧堆內部的水分分布越均勻；Wi為各個測點的水分；W1為糧堆內部的平均水分。

通風結束時的溫度均勻性指數和水分均勻性指數見表2。 可以看出，橫向和豎向通風后溫度均勻性無明顯差異，均勻性指數皆接近于1，表明兩種通風方式的降溫均勻性都很好。 橫向通風的水分分布均勻性較豎向通風方式更好，同樣是進風濕度為76.5%的保水工況1 和工況2，豎向通風方式下的水分均勻性指數僅為0.84，表明通風結束時糧堆的水分分布不均勻。 綜合溫度和水分的分布情況及其均勻性，進風濕度為76.5%時的橫向通風為最佳降溫保水方案。

表2 不同通風方式下的溫度均勻性指數表

2.5 通風系統的通風能耗

通風系統的能耗由式(9)[18]表示為

式中:Ws為通風系統的能耗，kW；Q為通風過程的通風量，m3/h；P為出風口與進風口的壓差，Pa；η為風機效率，此處取0.85。

根據式(9)計算可得橫、豎向通風方式下的通風能耗分別為4.6×105和1.3×105kW，橫向通風方式由于通風路徑長，其能耗相對較大，但優勢在于通風不易形成死角，單位通風阻力小。 后期需做各項通風參數測定的實驗，選擇最佳適用風機以降低能耗。

3 結論

基于多孔介質的熱濕耦合傳遞規律，對高大平房倉橫、豎向通風方式下的多個工況進行數值模擬。從糧堆溫度、水分分布及其均勻性指數和能耗等方面進行分析，得到的結論如下:

(1) 進風濕度會影響糧堆的水分分布。 進風濕度小，糧堆內部一直處于解吸濕過程，通風結束時糧堆水分丟失較多；進風濕度大，通風結束時進風口附近糧層的水分高于初始水分。 橫向通風方式下，由于通風跨度大糧溫下降慢，相應的糧粒表面與進風空氣之間的蒸汽分壓差值較小，糧堆內部吸濕與解吸濕過程更快達到平衡，因此采用橫向通風方式，糧堆內部的保水性能更好。

(2) 相較于傳統的豎向通風，橫向通風系統通風路徑長且通風死角少，單位通風阻力小；通風結束時糧堆內部的溫度和水分均勻性指數接近于1，表明糧堆各處的溫度和水分值均勻性較好；相同進風濕度條件下水分丟失較少，可實現降溫保水通風。

(3) 由于通風路徑長，橫向通風總能耗高于豎向通風總能耗；總阻力也相對較大，但其單位阻力較小，因此對于單位糧堆而言空氣流動速度快，相同溫濕度條件下，其降溫調濕的效率更高。