儲糧橫向通風多尺度熱濕耦合傳遞研究

余 海 楊開敏 王遠成 魯子楓 王 柯

(山東建筑大學熱能工程學院, 濟南 250101)

儲糧安全是糧食安全的重中之重，而溫度、濕度又是糧食安全儲藏過程中兩個最為重要的因素，如果不能保證合適的溫濕度，害蟲數量以及霉菌就會急劇增加，最終導致糧堆糧食局部害蟲的發育和霉變、發熱。糧堆由糧粒堆積而成，糧堆是吸濕性多孔介質，倉外大氣溫濕度隨季節更替而變化給水分遷移帶來隱患[1]。糧粒是一個由殼、麩皮和胚乳多層結構組成的顆粒幾何體。糧粒具有吸濕和解吸濕的特性，糧粒會和糧堆間隙中的周圍空氣進行熱質交換，并且引起糧粒內部水分擴散[2]。

基于計算流體力學的數值模擬方法是國內外近年發展起來的一種研究流動、傳熱傳質等現象的新方法，可以形象的再現氣體流動、熱濕傳遞過程的情景，為解決儲糧通風問題提供了一個良好的數值分析和優化的工具[3,4]。當前國內外采用數值模擬方法研究通風情況下糧堆內部熱濕耦合傳遞的模型普遍還是為Thorpe建立的模型[5]。該模型雖然可以較好地反映糧堆內部溫度和水分的分布特點，但不能準確的給出顆粒內部的溫濕度分布。劉慧等[6]通過實驗對高水分糧進行機械通風得出了糧堆上中下層水分分布情況，但糧粒的溫度和水分分布規律無法得出。戚禹康等[7]從糧堆尺度和糧粒尺度研究了稻谷在自然儲存中的熱濕耦合傳遞規律，但是糧食在長期的儲存過程中，如果只依靠自然儲存恐難以維持合適的糧溫及濕度，因為糧堆內的溫度和水分隨外界環境溫濕度的變化而變化。Jia等[8,9]對糧粒內部溫度和水分進行了數值模擬并預測了顆粒內部的水分分布，但沒有從糧堆尺度出發分析糧粒與糧堆的相互耦合關系。本研究采用COMSOL Multiphysics軟件對稻谷進行橫向通風數值模擬，機械通風是在自然儲存75 d的基礎之上進行的，從糧堆尺度和糧粒尺度出發探究糧堆和糧粒的溫度和水分分布規律。

1 物理模型

1.1 糧倉和糧堆物理模型

圖1是用COMSOL以浙江省某糧庫為研究對象建立的物理模型，模型按照實倉原尺寸構建，其中為了簡化問題，選取房式倉的橫截面作為數值模擬的對象，實倉內部橫跨18 m，高10 m，混凝土墻厚0.5 m，糧堆高度5 m。為了得到糧堆內部某個位置的溫度和水分數據，在模擬過程中設置了3個監測點來記錄糧堆內部的溫濕度變化，3個監測點的位置分別為監測點1(0.4 m，0.4 m)，2(9 m，2.5 m)，3(17.6 m，4.6 m)，其中監測點1和監測點3靠近墻壁，監測點1在左側(南墻壁)左下角，監測點3在右側(北墻壁)右上角。因為南北墻直接與大氣接觸，所以靠近糧倉墻壁的糧食容易受大氣環境的影響，故在兩側的墻壁附近各設置一個監測點，而糧堆內部受大氣環境的影響不是很大，因此在糧堆中部設置一個監測點。

圖1 糧堆物理模型及監測點位置示意圖

1.2 糧粒物理模型

圖2為糧粒的物理模型及監測點位置示意圖，該模型按稻谷實際尺寸構建，并且根據實際情況將糧粒分為外部殼和內部胚乳兩部分，COMSOL構建糧粒模型時，用兩個橢球分別代替殼和胚乳，外部橢球(殼)長半軸為4.5 mm，短半軸1 mm，內部橢球(胚乳)長半軸為3 mm，短半軸0.9 mm。為了獲得糧粒中某個位置的溫度和水分數據，在糧粒中同樣設置了3個監測點，監測點位置分別為A(0，0，0)，B(0，0.9，0)，C(0，1，0)，單位為mm，監測點A位于糧粒中心，B位于殼表面，C位于殼與胚乳交界面，位置如圖2所示。

圖2 糧粒物理模型及監測點位置示意圖

2 數學模型及條件設置

假定糧堆為連續性的、均勻分布的多孔介質區域[4,10-12]，空氣-水蒸氣混合物不可壓縮，考慮糧堆內部的熱濕耦合和稻谷顆粒的吸濕與解吸濕特性，建立儲糧橫向通風過程中的糧堆和糧粒的流動與熱質平衡方程。

2.1 糧堆的數學模型

連續性方程：

(1)

動量方程：

(2)

能量方程：

(3)

水分守恒方程：

(4)

2.2 糧粒的數學模型

能量守恒方程:

(5)

水分守恒方程：

(6)

式中：ρs為稻谷顆粒密度;Cs為稻谷比熱容;T為溫度;k為傳熱系數;Qs為蒸發潛熱;M稻谷顆粒水分濕基百分數;M=Wg/(1+Wg)×100;D為擴散系數。

2.3 數值模擬條件設置

該模型采用有限元法進行數值模擬分析，橫向通風是稻谷自然儲存至75 d后進行的，通風時長6 d，時間跨度為2016年12月15日至2016年12月20日。糧堆的密度ρs為580 kg/m3，比熱容Cs=(1 269+34.89M) W/m·k-1，滲透率K為7.27×10-9m3，孔隙率ε為0.48。單位通風量為10.3 m3/(h·t)，進風溫濕度為倉外大氣溫濕度，大氣平均氣溫在75 d時為14.5 ℃，77～78 d的時間段驟降至2.7 ℃，在81 d時平均氣溫上升至7.2 ℃，平均相對濕度為65%，通風前，糧堆的平均溫度為20 ℃，平均濕基水分為11.5%。糧粒的初始溫度為13.4 ℃，邊界空氣溫度Ta=4 ℃，糧粒的初始水分為11.2%。

3 模擬結果分析

3.1 糧堆溫度與水分分布

模擬過程中，橫向通風的進風口在南墻與稻谷的交界面，出風口在北墻和稻谷的交界面。圖3是通風情況下3個監測點記錄的溫度變化情況，3個監測點溫度變化情況并不相同。3個監測點分別為：監測點1位于糧堆左下角，監測點2位于糧堆正中間，監測點3位于糧堆右上角。從圖3 可看出，在通風初期，監測點2的溫度最高，這是由于自然儲存至75 d時，糧堆溫度處于熱芯糧狀態(糧堆內部溫度高，外部溫度低)，隨后在通風階段監測點2的溫度逐漸降低。監測點3在最初通風時，溫度出現先上升后下降的情況，因為在通風初期，糧溫為熱芯糧狀態，所以剛開始通風時糧堆中部的熱量隨著空氣傳遞到了北墻，導致靠近北墻糧食溫度出現上升。監測點1的溫度在77～78 d的時間段出現驟降的情況，而監測點2、3較監測點1溫度大幅降低的時間點稍微滯后，這是因為大氣氣溫在77～78 d的時間段出現急劇降低，而送的冷風首先接觸的是靠近南墻的糧食，故監測點1的溫度先驟降，這也充分驗證了溫度的延滯效應。通風至144 h時，監測點1和監測點3溫度接近外界大氣溫度，這是由于南墻、北墻的糧食受外界大氣溫度的影響比較大，再一次說明糧堆內部溫度受外界環境溫度影響很大。圖4是糧倉內的速度場分布，其中三角形區域為空氣區，矩形區域為糧食區，從圖4可以清楚地看出，通風過程中，糧堆內部的微氣流分布非常均勻，而空氣區域為自然對流運動，因此空氣區域內的微氣流比較雜亂。均勻的氣流為糧堆快速降溫降濕創造了條件。

圖3 通風時3個監測點溫度變化規律

圖4 通風144 h倉內微氣流分布

圖5為橫向通風144 h的糧堆溫度分布圖，通風后的溫度相對于通風初期糧堆溫度要低得多，平均溫度由20 ℃下降到5 ℃，平均溫度下降了15 ℃之多。糧堆中的高溫出現在靠近南墻、北墻附近，這是因為跟外界環境溫度有關，最高溫出現在靠近北墻、糧面下2.5 m左右，最高溫為6.12 ℃，這是由于橫向通風時稻谷和昆蟲呼吸產生的熱量隨氣流擴散到北墻，因而最高溫位于此。另外，從溫度分布圖還可以看出，糧堆內部溫度分布比較均勻，而且橫向溫度沒有出現分層現象，從這就可以體現出橫向通風的優點了，即橫向通風可以避免糧堆垂直方向出現溫度梯度，從而使糧堆溫度分布更為均勻。

圖5 通風144 h時糧堆溫度分布

通風階段監測點3的水分有升高、降低，再升高再降低的變化規律，但總體是呈降低趨勢的，這表明通風過程中易受外界大氣溫濕度的影響。圖6為144 h糧堆的水分分布，經過144 h的機械通風，糧堆的平均濕基水分降到了11.0%，水分下降了0.5%。

圖6 通風144 h時糧堆水分分布

3.2 糧粒溫度與水分分布

通風階段，以監測點1(糧堆左下角)處的糧粒為研究對象，糧粒周圍空氣初始溫度取自自然儲存75 d時監測點1記錄的溫度，為13.4 ℃，邊界條件為送風空氣溫度，為4 ℃，通風空氣速度4 m/s。糧粒設置了3個監測點，分別在糧粒內部正中央、殼與胚乳交界面、殼表面，3個監測點記錄的初始溫度為13.4 ℃，通風階段，3個監測點的溫度下降趨勢大致相同，但降至同一溫度時監測點A用時較監測點B和C多幾秒鐘，監測點B和監測點C的溫度非常接近。通風時間接近100 s時，糧粒溫度已經趨近空氣溫度，但監測點A相對于監測點B、C有一定的延遲，這是由于糧粒內部存在熱阻，所以熱量從糧粒中心傳遞到糧粒表面存在延遲現象。圖7是10 s時糧粒內部溫度分布圖，這時糧粒內部溫度已經趨向均勻了，可以看出，糧粒內部溫度趨于一致的時間非常短。糧粒中部的溫度比兩端的要高，糧粒內部溫度略高于表面空氣溫度，最高溫度在糧粒中心，這是因為糧粒內部熱阻大于殼表面空氣熱阻，再一次說明熱量從糧粒中心傳到表面有一定的延遲效應。

圖7 t=10 s糧粒溫度分布

橫向通風前，糧堆左下角監測點1記錄的初始水分為11.2%，橫向通風結束后，進風口處糧堆水分降至9.9%，以該處的空氣濕度作為糧粒初始條件，糧粒初始水分設為 11.2%，通風模擬設置第三類邊界條件，邊界條件為hm*(Meq-M1)，Me為平衡水分，與糧食顆粒的溫度和水分活度有關，稻谷顆粒體積很小，其水分擴散速率不僅和邊界溫濕度有關，還與自身吸濕和解吸濕有關。 糧粒內部水分在40 s時就已經趨向均勻了(如圖8所示)，t=40 s時糧粒平均水分為10.6%，較初始水分降低0.6%，水分降低很少，這是由于橫向通風時空氣的平均相對濕度為65%，接近糧粒的平衡濕度，所以糧粒的水分降幅很低。對比糧粒溫度的擴散速度可知糧粒水分擴散速度遠小于溫度擴散速度。

圖8 t=40 s糧粒水分分布

4 結論

本研究采用有限元法從耦合糧堆尺度和糧粒尺度對房式倉內稻谷橫向通風過程中糧堆和糧粒溫度水分變化規律進行了數值模擬，對模擬結果進行分析研究，得出以下結論：橫向通風由于流場分布均勻，糧堆降溫迅速且顯著，糧堆內部溫度分布均勻，避免了垂直方向上的溫度分層現象。因為受外界環境的影響，橫向通風時糧堆最高溫出現在倉壁附近。熱量在糧堆與糧粒內部的傳遞存在延遲效應，橫向通風時靠近進風口的糧食溫度率先降溫，隨后沿氣流方向逐漸降低；糧粒內部熱量傳遞的延遲是由于糧粒內部熱阻大于殼表面熱阻造成的。稻谷顆粒體積很小，其水分擴散速率不僅和邊界溫濕度有關，還與自身吸濕和解吸濕有關。通風過程中糧堆與糧粒的水分略有降低，但由于進風空氣平均相對濕度較大，所以糧堆與糧粒的水分下降幅度不大。糧粒內部溫度在10 s時就趨于一致，糧粒內部水分在40 s時趨于一致，糧粒水分擴散速度遠小于溫度擴散速度。