不同中心集風(fēng)管形式對(duì)淺圓倉(cāng)降溫通風(fēng)效果的模擬研究

楊 泰，張修霖，孫浩森，王遠(yuǎn)成，楊開敏?

（山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

與房式倉(cāng)相比，淺圓倉(cāng)在占地面積、儲(chǔ)糧量、機(jī)械化程度以及倉(cāng)儲(chǔ)物流流程上有明顯優(yōu)勢(shì)，該倉(cāng)型在糧食倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)應(yīng)用會(huì)更加廣泛[1-2]。在這種趨勢(shì)下，探究影響淺圓倉(cāng)徑向通風(fēng)效果的因素并尋找高效合適的通風(fēng)形式是很有必要的。

淺圓倉(cāng)徑向通風(fēng)系統(tǒng)一般由貼倉(cāng)壁布置的垂直支風(fēng)道與豎直設(shè)置在淺圓倉(cāng)中心的集風(fēng)管組成，貼壁的支風(fēng)道與中心集風(fēng)管配套，通過縮短氣流路徑減少通風(fēng)阻力。當(dāng)前國(guó)內(nèi)最常用的方式仍是垂直通風(fēng)，Thorpe建立了模擬計(jì)算通風(fēng)降溫時(shí)糧堆內(nèi)部溫度變化的數(shù)學(xué)模型，該模型可以較好反映出糧堆內(nèi)部的溫度分布情況[3]。Thompson開發(fā)了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的模型，通過不間斷的通風(fēng)來評(píng)估溫濕度對(duì)糧食儲(chǔ)存的影響[4]。王遠(yuǎn)成等[5]和高帥等[6]建立了儲(chǔ)糧通風(fēng)模型，對(duì)糧堆內(nèi)部空氣流動(dòng)及熱濕耦合規(guī)律進(jìn)行模擬研究，重點(diǎn)研究了房式倉(cāng)垂直和橫向通風(fēng)過程中溫度前沿的變化。俞曉靜等[7]展開了關(guān)于不同形狀地槽對(duì)垂直通風(fēng)影響的研究，通過對(duì)比找到具備優(yōu)勢(shì)的布置形式。經(jīng)過探究人們發(fā)現(xiàn)垂直通風(fēng)阻力大且糧堆內(nèi)溫濕度容易分層，于是研究者們提出徑向通風(fēng)[8-9]。張修霖等[10]通過數(shù)值模擬方法，對(duì)比分析了淺圓倉(cāng)徑向通風(fēng)形式中壓入式和吸出式兩種形式的糧堆內(nèi)部溫度分布以及氣流組織情況。戚禹康等[11-12]運(yùn)用CFD技術(shù)，模擬研究了不同裝糧高度下淺圓倉(cāng)徑向和垂直通風(fēng)糧堆溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的分布及變化趨勢(shì)。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在采用數(shù)值模擬方法研究淺圓倉(cāng)通風(fēng)降溫方面取得了一定成果，但總的看來依然缺少中心集風(fēng)管的形式對(duì)糧堆通風(fēng)降溫效果影響的探究。中心集風(fēng)管是為縮短氣流路徑，減少阻力而設(shè)置，目前國(guó)外淺圓倉(cāng)中心集風(fēng)管形式多為等徑且伸出倉(cāng)頂，結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，在不改變舊倉(cāng)主體結(jié)構(gòu)且探究新型集風(fēng)管形式的前提下，以解決當(dāng)前淺圓倉(cāng)儲(chǔ)糧通風(fēng)降溫過程中出現(xiàn)的異常糧溫、通風(fēng)死角等現(xiàn)象為目的，本研究設(shè)置了四種不同形式的中心集風(fēng)管，以大豆為對(duì)象在相同噸糧送風(fēng)量的情況下，探究它們對(duì)于糧堆內(nèi)部流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的影響，并分析不同集風(fēng)管形式對(duì)于通風(fēng)的效率與能耗的影響。為解決現(xiàn)存問題、尋找最優(yōu)徑向通風(fēng)降溫形式提供理論依據(jù)。

1 模型建立

1.1 淺圓倉(cāng)物理模型及數(shù)學(xué)模型建立

以典型淺圓倉(cāng)為研究分析的對(duì)象，采用相似性原理，建立總直徑為2 m，高度為3.3 m的物理模型，該倉(cāng)的裝糧高度為2.0 m，為了使模擬效果更加符合實(shí)際情況，將糧堆分為如圖1中所示的上中下三個(gè)部分，從糧面向上一直到倉(cāng)頂?shù)牟糠譃榭諝鈪^(qū)域。在糧倉(cāng)的頂部設(shè)置四個(gè)直徑為0.1 m的風(fēng)機(jī)出口。垂直支風(fēng)道高度為1.0 m，貼淺圓倉(cāng)外壁等距環(huán)狀排列如圖所示，沿著淺圓倉(cāng)壁環(huán)狀分布的16根支風(fēng)管與中心處的中心集風(fēng)管組成了該倉(cāng)的徑向通風(fēng)系統(tǒng)。為了更能體現(xiàn)集風(fēng)管形式差異對(duì)氣流分布的影響，本模擬采用氣流由四周支風(fēng)道匯入集風(fēng)管，由集風(fēng)管流出糧堆的壓入式通風(fēng)。

圖1 糧倉(cāng)結(jié)構(gòu)示意圖與網(wǎng)格分布圖Fig.1 Schematic diagram of granary structure and grid distribution

1.2 中心集風(fēng)管模型

中心集風(fēng)管為變徑圓管，集風(fēng)管底部距離倉(cāng)底0.2 m，根據(jù)中心集風(fēng)管與糧面之間的高度關(guān)系、集風(fēng)管變徑的規(guī)律設(shè)置四種不同形式的中心集風(fēng)管。針對(duì)不同的集風(fēng)管形式，建立不同的物理模型，不同形式集風(fēng)管的形狀如圖2所示。

圖2 中心集風(fēng)管形式截面圖Fig.2 Cross section of central air duct

形式Ⅰ是分為三段的下細(xì)上粗的變徑集風(fēng)管，高度與糧面平齊；形式Ⅱ的集風(fēng)管是分為三段的下粗上細(xì)的變徑集風(fēng)管，高度同樣與糧面齊平；形式Ⅲ是分為兩段的下端細(xì)上端粗的變徑集風(fēng)管，其頂部距糧面0.5 m；形式Ⅳ是分為三段的下細(xì)上粗的變徑集風(fēng)管，其高度伸出糧面0.5 m。

所有集風(fēng)管的壁面和底面均為開孔孔板，空氣可以自由通過，根據(jù)集風(fēng)管頂部是否具有通風(fēng)口把上述四種集風(fēng)管更進(jìn)一步分類，使用–a表示頂部為開孔孔板的中心集風(fēng)管，–b為頂部是壁面的中心集風(fēng)管。

1.3 數(shù)學(xué)模型及定解條件

本研究主要通過分析糧堆內(nèi)部的溫度場(chǎng)與流場(chǎng)分布情況來探究集風(fēng)管形式對(duì)通風(fēng)過程的影響，所以在求解流動(dòng)與傳熱方程[11-12]時(shí)，連續(xù)性方程中需添加糧食顆粒的體積分?jǐn)?shù)項(xiàng)，并在動(dòng)量守恒方程中加入動(dòng)量源項(xiàng)。同時(shí)考慮糧粒的吸濕或是解吸濕作用，在傳熱方程求解時(shí)需添加相應(yīng)的熱源項(xiàng)[10]。

倉(cāng)內(nèi)儲(chǔ)存的糧食為大豆，糧倉(cāng)內(nèi)的初始平均糧溫為22.75 ℃，為了使模擬結(jié)果更加符合實(shí)際，將糧堆區(qū)域分三層設(shè)置，如圖1中所示，由倉(cāng)底向上1 m范圍內(nèi)為糧堆的下層，再向上0.5 m區(qū)域內(nèi)為糧堆的中層，其余區(qū)域?yàn)榧Z堆的上層，下層的糧堆溫度設(shè)置為22 ℃、中層為23 ℃、上層為24 ℃，上端空氣區(qū)域的溫度為24 ℃。送風(fēng)溫度與糧堆的初始平均溫度相差約8 ℃，即送風(fēng)溫度為15 ℃。選擇壓入式的徑向通風(fēng)，按照通風(fēng)規(guī)范，噸糧的通風(fēng)量設(shè)置為10 m/(t·h)。出口設(shè)置為outflow，因不考慮與環(huán)境的換熱倉(cāng)壁設(shè)為絕熱。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Tecplot軟件將模擬得到的case與data文件進(jìn)行處理與分析，得到通風(fēng)過程結(jié)束時(shí)糧倉(cāng)內(nèi)部的氣流組織分布情況與氣流分布情況；利用Origin軟件將模擬時(shí)監(jiān)控的溫度變化數(shù)據(jù)繪制成折線圖。將采用各種形式中心集風(fēng)管通風(fēng)時(shí)的各類圖形進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步評(píng)價(jià)優(yōu)劣。

2 結(jié)果與分析

2.1 糧倉(cāng)內(nèi)氣流分布

在相同邊界條件和初始條件下，對(duì)具有不同中心進(jìn)風(fēng)管形式糧倉(cāng)進(jìn)行模擬計(jì)算，得到倉(cāng)內(nèi)流場(chǎng)分布，如圖3中所示。

圖3 不同形式中心集風(fēng)管的通風(fēng)糧堆流線圖Fig.3 Flow line diagram of ventilated grain piles with different forms of central air collecting duct

由圖3可得，幾種不同形式的中心集風(fēng)管通風(fēng)時(shí)，均不存在通風(fēng)死角。無論中心集風(fēng)管的頂部是否為開孔孔板，糧倉(cāng)內(nèi)的氣流分布都大體一致，即靠近倉(cāng)底的氣流水平進(jìn)入集風(fēng)管，但隨著高度逐漸上升通過糧面進(jìn)入空氣區(qū)域的部分逐漸變多，當(dāng)其頂部為不開孔的板時(shí)，集風(fēng)管上方出現(xiàn)逆向流動(dòng)的氣流，并隨著通風(fēng)過程的進(jìn)行發(fā)展成渦流。為使中心集風(fēng)管的效果明顯，就需保證整個(gè)糧堆區(qū)域中盡可能多的氣流被中心集風(fēng)管收集到，圖3中下層糧堆的氣流絕大部分進(jìn)入集風(fēng)管，氣流在糧堆中流動(dòng)的路徑很短，減小了通風(fēng)的阻力。但在中上層糧堆中，氣流多向上穿過糧堆進(jìn)入空氣區(qū)域，該流動(dòng)情況弱化了設(shè)置中心集風(fēng)管的作用。

對(duì)比幾種情況，形式Ⅰ集風(fēng)管與形式Ⅳ集風(fēng)管的氣流分布情況最為接近，在靠近倉(cāng)底處，與向上貫穿糧堆進(jìn)入空氣域這種情況相比，顯然直接匯入中心集風(fēng)管時(shí)氣流受到的阻力更低，所以從支風(fēng)道流出的低溫氣流近乎于水平流向中心集風(fēng)管。隨著高度的增加，氣流從糧面流出的阻力小了，而進(jìn)入中心集風(fēng)管的壓力卻越來越大，所以糧堆氣流開始逐漸向上傾斜，向著倉(cāng)壁的方向靠近。由圖3可得，在Ⅰ、Ⅳ兩種形式的集風(fēng)管作用下，可以保證糧堆內(nèi)部的大部分氣流都被收集到。

當(dāng)使用Ⅱ形式集風(fēng)管且頂部為開孔孔板時(shí)，只有靠近倉(cāng)底的極少部分氣流進(jìn)入中心集風(fēng)管，糧倉(cāng)內(nèi)氣流分布與不設(shè)置中心集風(fēng)管類似，大部分氣流依然是貫穿糧堆進(jìn)入空氣域，中心集風(fēng)管的作用就被極大弱化。該現(xiàn)象說明當(dāng)集風(fēng)管的底部的直徑設(shè)置的較大時(shí)，對(duì)比底部直徑小的集風(fēng)管，此種集風(fēng)管收集的來自底部的氣流更多，但是隨著高度的上升，中心集風(fēng)管的管徑變小使得氣流進(jìn)入集風(fēng)管變得困難，本該由集風(fēng)管流出糧堆的氣流直接貫穿糧堆由糧面流出。從氣流情況可得，下粗上細(xì)的Ⅱ形式集風(fēng)管并不能很好的縮短氣流路徑以減小通風(fēng)阻力。

對(duì)于Ⅲ形式集風(fēng)管，從流線圖可以看出僅有下層糧堆部分氣流可以被集風(fēng)管收集然后排出，而中層糧堆的氣流幾乎全是從穿過糧堆向上從糧面排出。又因該形式的集風(fēng)管頂部距離糧面有0.5 m的距離，則上層糧堆的氣流自然全部從糧面流入空氣區(qū)域，中心集風(fēng)管效果不明顯，氣流的通風(fēng)阻力較大。

2.2 糧倉(cāng)內(nèi)溫度分布分析

在相同邊界條件和初始條件下，對(duì)具有不同中心進(jìn)風(fēng)管形式糧倉(cāng)進(jìn)行模擬計(jì)算，得到倉(cāng)內(nèi)溫度場(chǎng)分布，如圖4所示。

因?yàn)榧Z堆區(qū)域在6天后能夠得到完全冷卻，所以截取第6天時(shí)的糧堆截面溫度分布情況。結(jié)合圖3圖4，雖然部分氣流并沒有按照理想的方式通過集風(fēng)管流出糧堆而是貼倉(cāng)壁流出糧堆，但此種氣流經(jīng)過的糧堆依然得到了良好的冷卻。單由圖4可得，所有形式的集風(fēng)管經(jīng)過一段時(shí)間的通風(fēng)之后，其糧堆內(nèi)部均會(huì)出現(xiàn)環(huán)狀的高溫區(qū)域，說明該處未得到充分的冷卻，原因是此處通風(fēng)阻力大且處于氣流流動(dòng)路線的末梢，導(dǎo)致了流動(dòng)至此處的空氣的壓力變得較低，所以此處糧溫降低的十分緩慢。

當(dāng)集風(fēng)管的形式為Ⅰ和Ⅳ時(shí)，低溫的區(qū)域非常明顯，說明整體通風(fēng)降溫均勻性較好，在中心集風(fēng)管頂部附近產(chǎn)生的高溫環(huán)狀區(qū)域體積較小且在糧堆最高溫為16.5 ℃時(shí)該環(huán)狀高溫區(qū)域的平均溫度在16 ℃左右。

當(dāng)集風(fēng)管形式為Ⅱ和Ⅲ時(shí)產(chǎn)生的高溫區(qū)域體積較大，并且他們的高溫區(qū)域核心處的溫度分別為19.5 ℃和18.2 ℃與糧堆平均溫度相差高達(dá)3 ℃，并且由圖4（h）可得，在使用形式Ⅱa的中心集風(fēng)管，外部的糧溫得到有效的降低而糧堆中心處的溫度下降的較慢，在該種情況下非常容易形成異常的糧情。

圖4 不同集風(fēng)管形式徑向通風(fēng)第6天糧倉(cāng)內(nèi)溫度分布Fig.4 Temperature distribution in granary on the 6th day of radial ventilation with different types of air collecting duct

2.3 糧倉(cāng)內(nèi)溫度變化分析

通過圖5、圖6即不同形式集風(fēng)管通風(fēng)后糧堆平均溫度、最高溫度的變化曲線，能夠得到平均溫度降低規(guī)律大致相同，均為前四天溫度下降速率較快，在此之后變得相對(duì)平穩(wěn)。由圖6可得，最高溫度降低趨勢(shì)有一些差異，形式Ⅰ、形式Ⅳ的最高溫度明顯比形式Ⅱ、形式Ⅲ下降的快。

圖5 不同形式集風(fēng)管徑向降溫通風(fēng)糧堆平均溫度變化曲線Fig.5 Average temperature variation curves of grain piles with radial cooling and ventilation of different forms of air collecting duct

圖6 不同形式集風(fēng)管徑向降溫通風(fēng)糧堆最高溫度變化曲線Fig.6 Maximum temperature variation curves of grain piles with radial cooling and ventilation of different forms of air collecting duct

當(dāng)中心集風(fēng)管為形式Ⅰ、形式Ⅳ時(shí)，在第7天其最高溫度與平均溫度相差在0.5 ℃以內(nèi)，但使用形式Ⅱ和形式Ⅳ時(shí)，因?yàn)橥L(fēng)氣流受到的阻力較大，在氣流壓力小處后期無法持續(xù)有效降溫，故在通風(fēng)第7天的時(shí)候其糧堆內(nèi)的最高溫度與平均溫度相差十分明顯。

2.4 不同集風(fēng)管降溫效果分析

不同形式中心集風(fēng)管的通風(fēng)效果可以通過計(jì)算它們的降溫速率和降低糧溫的單位能耗來對(duì)比分析。其中降溫的速率ts可以表示為：

式中ts為徑向通風(fēng)速率，℃/(t·h)；G為糧堆的初始時(shí)刻質(zhì)量，t；τ為徑向通風(fēng)總時(shí)間，h；1t為徑向通風(fēng)停止后經(jīng)過24 h的糧堆的平均溫度，℃；t2是徑向通風(fēng)前，倉(cāng)內(nèi)糧堆的平均溫度，℃。因徑向通風(fēng)5 d后，倉(cāng)內(nèi)糧堆的平均溫度降低就已非常緩慢，所以通過通風(fēng)5 d時(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)比不同形式集風(fēng)管徑向降溫通風(fēng)速率，如表1所示。

考慮降溫速率的同時(shí)也需考慮各種形式集風(fēng)管進(jìn)行通風(fēng)降溫的經(jīng)濟(jì)性，經(jīng)濟(jì)性對(duì)比可以通過徑向通風(fēng)單位能耗來完成：

式中Et為徑向通風(fēng)的單位能耗，(kW·h)/(t·℃)；ΣWt為通風(fēng)實(shí)際上累計(jì)的耗電量，kW·h；t1為通風(fēng)停止后經(jīng)過24 h的糧堆的平均溫度，℃；t2是通風(fēng)前，倉(cāng)內(nèi)糧堆的平均溫度，℃。G是糧堆初始時(shí)刻的質(zhì)量，t。

由表1可得，幾種形式的集風(fēng)管的降溫速率情況沒有明顯的差異，僅當(dāng)集風(fēng)管高度低于糧面且管頂部開孔時(shí)稍慢一些。形式Ⅰ、Ⅳ的降溫速率最高。在耗能方面，Ⅲ形式集風(fēng)管耗能明顯高于其他各種形式，其次是Ⅱ形式集風(fēng)管，耗能最低的為形式Ⅰ、Ⅳ集風(fēng)管，二者無明顯差異。總的看來形式Ⅰ、Ⅳ集風(fēng)管更加節(jié)能高效。

表1 降溫速率及能耗分析表Table 1 Analysis of cooling rate and energy consumption

3 結(jié)論

通過對(duì)以上四種不同集風(fēng)管形式的數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析得到以下結(jié)論。

（1）在集風(fēng)管的變徑形式方面，采用下細(xì)上粗的變徑形式能夠明顯體現(xiàn)集風(fēng)管的作用，并且得到更加均勻的氣流組織，而采用下粗上細(xì)的集風(fēng)管時(shí)會(huì)出現(xiàn)通風(fēng)不均勻進(jìn)而導(dǎo)致局部糧溫異常。對(duì)比發(fā)現(xiàn)采用下細(xì)上粗、頂端開孔、與糧面平齊的集風(fēng)管得到的氣流組織分布情況最好。

（2）幾種形式集風(fēng)管在通風(fēng)降溫后糧堆內(nèi)部均有高溫環(huán)狀區(qū)域，當(dāng)集風(fēng)管高度與糧面平齊時(shí)，頂部開孔的集風(fēng)管產(chǎn)生的高溫區(qū)域體積更小；當(dāng)集風(fēng)管高出糧面時(shí)，集風(fēng)管頂部是否開孔對(duì)高溫區(qū)域的體積影響變得不明顯；當(dāng)集風(fēng)管低于糧面，是否開孔對(duì)于糧堆內(nèi)高溫區(qū)域的體積的影響同樣不明顯。

（3）在采用不同形式的中心集風(fēng)管進(jìn)行通風(fēng)降溫時(shí)，僅當(dāng)集風(fēng)管高度低于糧面且集風(fēng)管頂部開孔時(shí)速率明顯低，采用其他形式集風(fēng)管糧堆內(nèi)部的降溫速率大致相同并沒有明顯的差異。

（4）綜合來看，集風(fēng)管高度與糧面平齊時(shí)，其效果與伸出糧面的形式相比產(chǎn)生更小的高溫區(qū)域，與低于糧面的形式相比擁有更加卓越的降溫速率與能耗水平。從變徑方面，采用下細(xì)上粗形式既形成了良好的氣流組織分布又更加凸顯集風(fēng)管的作用。所以在本文所述的四類集風(fēng)管中，形式Ⅰ是相對(duì)優(yōu)異的。