平房倉儲糧生態多場耦合系統水分遷移傳遞機理研究綜述

王明旭， 趙子炎

(河南工業大學，鄭州 450000)

我國是農業大國、人口大國、糧食生產大國，糧食儲備量大，存儲周期長，由于糧食產后監管技術研究和應用的滯后，造成糧食在流通、倉儲領域的損失難以避免。據國家統計局統計顯示，2019年我國糧食總產量為 66 384萬t。根據文獻調查，按糧食在產后儲藏過程中損耗5%左右測算，2019年的糧食損失可達 663.84億斤，損耗巨大。在糧食儲藏過程中，生蟲、發霉、結露等現象占糧食損失的重要一部分，而儲糧倉內溫濕度升高所導致的危險糧情是蟲害、霉變現象發生的主要原因[1]。

糧食在糧食儲藏過程中由于呼吸放熱產水、倉外輻射傳熱等原因，會導致倉內糧食的溫度升高、濕度增大，影響糧食儲存安全。當前糧食倉儲系統普遍采用對糧庫自然通風或機械通風方式實現糧堆散熱、降低糧食溫度，糧堆熱量以對流換熱的方式傳遞到含濕谷物顆粒中去，使谷堆內部的濕氣以蒸汽的形式通過對流傳質擴散至干燥介質，放熱后的干燥介質再將蒸汽帶走，從而達到除去物料內部濕分，實現糧堆內部溫濕度的傳遞、水分的遷移，保障系統儲糧安全。

隨著國內各種糧庫倉儲量不斷增大，糧庫倉容大、裝糧高，糧食濕熱遷移難度大，容易出現發熱和結露現象，由于環境和成本的限制，測量糧堆內部溫濕度的傳感器無法分布在糧倉的各個位置，也就無法做到對整個糧倉的實時監控。儲藏過程不能及時對儲糧系統采取措施，從而導致糧堆發生霉變，造成儲備糧的重大損失。糧堆表面及內部各層的溫度、濕度、微氣流、糧食平衡水分和壓力等參數之間具有較強耦合關聯性，糧堆內部溫濕度傳遞和水分遷移屬于復雜性難題，當前國內外研究者對糧堆傳熱傳質、水分遷移方面的研究，多局限單一因素條件下的研究。研究者很少基于糧食生態系統條件，考慮儲糧因素多樣性，結合糧堆本身的特殊性質，系統開展儲糧系統熱濕耦合、水分遷移機理的探究。

平房倉作為目前儲糧的主要倉型，由于其儲糧倉容大、儲存周期長、水分遷移規律更復雜，受太陽輻射帶來的倉內溫差較大，問題更嚴重。以平房倉的儲糧系統為研究對象，結合糧食自身生命特性，研究散糧糧堆壓力場、溫度場、氣流場與糧食顆粒間的多場耦合作用，探究糧堆內部熱量-水分-溫度間的作用與遷移規律，實現對糧堆中氣體流動及濕熱傳遞的控制，確保對糧倉內糧情的準確跟蹤、分析和預測，達到控制糧食儲藏環境，抑制儲糧害蟲生長，減少儲糧過程中糧食損失，保證糧食的品質安全的目的，最終突破當前糧食倉儲系統理論瓶頸，豐富我國多場耦合理論和儲糧生態系統理論，對實現儲糧過程糧食品質一致性、安全、綠色儲糧具有重要意義。因此本文在綜述國內外研究基礎上，提出基于多孔介質理論，考慮尺寸效應對于微/納米多孔結構中導熱及流動的影響，從介觀和微觀尺度下研究它的傳熱傳質內在機理和規律，建立宏、微觀尺度下糧堆多孔介質場下的傳熱傳質數學模型，實現對平房倉儲糧生態多場耦合系統水分遷移傳遞機理的探討。

1 項目國內外研究現狀

1.1 多孔介質內部傳熱傳質規律的研究

糧堆屬于多孔介質是由糧食顆粒與空氣組成的多相物質共存的一種組合體，糧食顆粒與顆粒間有孔隙存在，孔隙由氣體占據，構成空隙的某些空洞在空間上相互連接。

近年來，國內外研究者針對多孔介質中流體流動和傳熱傳質問題做了大量的基礎理論研究和實驗工作，該領域研究的熱點包括石油和煤層氣的開采、地下水的開采和污染物遷移等問題，針對糧堆多孔介質內部傳熱傳質規律進行的研究相對較少，但被研究者廣泛重視。由于多孔介質傳熱傳質過程是一個非常復雜的過程，受到許多因素影響，并且與其本身的內部結構密切相關，因此多孔介質糧食儲藏過程傳熱傳質研究仍存在一定限制。

借鑒多孔介質在其它領域中應用的理論成果和研究來解決糧堆多孔介質傳熱傳質問題的方法被研究者重視。糧食倉儲過程實質是糧食多孔介質傳熱傳質和糧食微干燥系統水分、濕分和能量的遷移過程。由于糧食不僅自身具有生命過程，另外多孔介質內部孔隙尺度細微、具有復雜的容水結構，而水分遷移傳遞過程，物理機制種類繁多及傳輸過程無法直接觀察等諸多原因，目前還沒有模型可以相對準確地模擬多孔干燥過程水分的遷移過程。當前多孔介質內部熱量和濕分傳遞模型有：蒸發-凝結理論模型、體積平均理論模型、液態擴散模型和基于非平衡熱力學理論模型等，這些模型對多孔介質內部的物質傳遞理論闡釋仍存在一定的局限，糧堆作為特殊的多孔介質結構，其微干燥系統中水分和能量的遷移過程機理具有復雜性。需運用宏觀體積法與局部熱平衡原理，從生物性多孔介質自然對流傳熱傳質的角度，研究分析自然儲藏過程中糧堆內部孔隙空氣流場、溫度場、水分場的耦合作用機理，同時分析機械通風和自然倉儲過程中糧堆內部溫度和水分遷移的多孔介質內部傳熱傳質規律。

多孔介質中熱濕耦合傳遞理論最早源于土壤熱質耦合傳遞的研究，含濕量的遷移不僅包括液態擴散，同時也包括液體的毛細流動和蒸汽的擴散滲透理論，并以濃度梯度和溫度梯度為兩個驅動力進行耦合，以飽和度和溫度為雙變量建立雙場模型。隨著多孔介質理論的不斷發展，多孔介質理論已滲透到了各行業，其中學者針對多孔介質內部傳熱傳質規律的研究多集中在多孔介質的干燥過程，研究者提出的濕分傳遞和水分遷移理論主要有液態擴散理論、蒸發—凝結理論、Luikov A.V.理論、毛細流動理論以及體積平均理論、納米粒子的流動與沉積等[2-4]為進一步在微觀尺度上深入理解多孔介質表面的流體流動特性傳遞機理提供了參考依據。

多年來，經眾多學者的實驗研究和理論分析，對多孔介質內部熱質遷移的機理研究得出目前主要存在以下幾種熱、濕質遷移機制，分別是：濕分在濃度梯度作用下的擴散遷移、濕分在壓力梯度作用下的擴散遷移、由毛細管力引起的液體在毛細管內的流動遷移、由于介質內部溫度梯度而引起的水分熱擴散遷移、水分在毛細通道中蒸發與冷凝所引起的水分遷移等[5，6]。

利用多孔介質理論研究糧堆熱濕分遷移、傳熱傳質規律方面的研究較早由Laurindo等[7-9]據流體力學理論研究了糧堆中水分擴散、多孔介質非達西流體的流動因子和多孔介質中自然對流現象，建立了相關模型并進行了優化求解，為掌握糧堆傳熱傳質問題提供了解決路徑。Thorpe等[10]建立偏微分方程組對含濕多孔介質熱量傳輸進行了描述與預測。Rocha等[11]研究了非飽和多孔介質在溫度差作用下，由初始均勻濕度達到新平衡的動態過程。Xu等[12]根據仿真方法得到的糧堆內氣體組分及含量變化規律，并將其用于預測糧堆儲藏狀態，指導糧食倉儲。Gbenga等[13]依據CFD原理質量對倉儲氣流場分析，深入研究糧堆傳熱傳濕問題。有學者基于守恒定律和傳質機理建立了數學模型，依據數學模型對筒倉內玉米糧堆內水分變化規律進行了探索，為深入研究糧堆傳熱傳質問題提供了參考。

國內研究者在多孔介質理論研究方面，以及利用多孔介質理論針對谷物干燥和糧食儲藏過程方面的研究雖然起步相對較晚，但經過廣大研究者的不懈努力和長期堅持，取得了豐碩成果并將成果用于指導工程實踐。如王遠成等[14]和尹君等[15]從多孔介質，多尺度下分析自然儲藏過程中外界氣象參數變化時糧堆內部的熱濕變化以及稻谷顆粒內部熱濕傳遞與周圍空氣的溫濕度關系和水分遷移影響因素，并取得了系列成果。鄭先哲等[16]較早從糧食顆粒內部傳熱傳質耦合規律的研究進行糧食(稻谷、玉米)干燥工藝及裝備的開發。胡眾歡等[17]構建了熱風干燥過程中物料外部與內部的流場、溫度場、質量場的控制方程及模型，描述了熱風干燥過程中整個干燥室內的濕熱傳遞規律，針對油菜籽熱風干燥過程進行了模擬。王會林等[18]根據生物多孔介質中溫度、水分及應力之間復雜的耦合關系,基于菲克擴散定律、傅立葉導熱定律和熱彈性力學理論,建立了對流干燥條件下,含濕多孔介質內部傳熱傳質過程熱-濕-力雙向耦合的數學模型。湯一村等[19]基于Whitaker體積平均理論建立了多孔介質熱風干燥的理論模型，結合隱式有限差分法對其進行了離散求解，在處理方程的非線性效應時采用了預估-校正算法。

理論所建立的多依據多孔介質干燥模型，多以連續體假設為基礎，認為在任意時刻質點占據了空間內的所有點，而表示物體運動特性和物體性質的物理量是空間和時間的連續函數。由于多孔介質內部的結構參數對干燥過程和干燥品質的影響很大，使得模型的模擬計算和分析研究不甚理想。因此，迫切需要找到一種合適的幾何描述方法來定量表征多孔介質內部結構的復雜特性，揭示對其內部滲流規律和濕分遷移機理的影響，從而可能使多孔介質傳遞過程的研究取得突破性進展。作為微干燥系統的糧食倉儲過程的模型，由于糧食儲藏過程自身的呼吸作用，在建立糧倉內部多孔介質內部傳熱傳質規律模型時，需要突破當前多孔介質理論的局限，多孔介質作為宏觀尺度上的虛擬連續體，按照多尺度理論從介觀和微觀尺度去認識和研究它的傳熱傳質內在機理和規律。另外糧堆熱濕耦合水分、能量遷移規律研究涉及湍流、濕空氣傳熱、多孔介質傳熱、多孔介質傳質和環境大氣等多個物理場。

本研究提出基于介觀和微觀尺度去建立糧堆的多孔介質傳熱傳質模型，同時結合影響糧堆傳質傳熱模型影響因素的耦合關系以及結合尺寸效應的影響，搭建一個多因素耦合作用的多尺度下的糧堆內糧粒間的傳熱傳質理論分析與實驗研究相結合的研究系統，從介觀和微觀尺度下揭示糧食儲藏過程糧堆內的傳熱傳質內在機理和能量遷移規律。

1.2 儲糧生態多場耦合系統水分遷移傳遞機理研究

糧堆內部空氣占比為30%～50%，空氣中的含水量通常用相對濕度表示，空氣中的相對濕度在研究時用濕分表達，空隙間空氣的相對濕度與儲糧所含的水分含量為緊密相連的。溫度相同時，在一段時間后，若氣體不流動，此時糧食物料內的水分含量與空氣中的相對濕度達到平衡，糧食中的水分向空氣中蒸發的速率與糧食從空氣中吸收濕分的速率平衡。這時的相對濕度稱為平衡相對濕度，而此時的水分也稱為平衡水分，不在這個平衡狀態的糧堆通常處于解吸濕狀態，或者吸濕狀態。由于本次研究對象平房倉面積較大，有向陽面有背陰面，太陽輻射對倉內熱量帶來較大影響，由于外界氣溫晝夜以及季節變化，糧食不斷與外界通過倉壁進行熱量交換，而糧食比熱容較大，糧堆內部空隙間的空氣與糧堆外部空氣都易形成溫度梯度。在溫度梯度的影響下，會產生與溫度梯度同方向的水蒸氣壓力梯度，而糧食存在吸濕和解吸濕特性，最終會導致水蒸氣在糧堆內移動，也就是水分遷移。

為研究儲糧生態多場耦合系統水分遷移傳遞機理，首先需要理清儲糧生態多場耦合系統關系，然后根據此耦合關系，建立宏、微觀尺度下糧堆多孔介質多場下的傳熱傳質數學模型，并對模型計算分析和研究，進而理清儲糧生態多場耦合系統水分遷移傳遞機理。糧堆內部的熱濕耦合傳遞和水分遷移作為非線性問題，是本項目將要重點考慮的關鍵問題。糧堆內溫度水分的研究逐步被研究者關注，并采用實驗、理論分析等多種方法開展研究，取得了一定成績。

如Thorpe[20]較早開展糧堆水分、質量傳輸機理方面研究，先后構建了相關數學模型，并運用仿真分析方法得到了儲藏過程糧食溫度、水分等物理場的分布及變化規律。Ruska等[21]采用二維柱坐標導熱微分方程獲得了笛卡爾坐標系下，筒倉內溫度場分布和其隨環境溫度變化的規律，作為早期開展糧堆內部的熱濕耦合傳遞和水分遷移方面的研究者。Abe等[22]提出溫度、濕度是影響儲糧狀態的兩個重要因素，實驗得到了筒倉內稻谷在一個儲藏周期中溫度場的變化，盡管沒有考慮稻谷溫濕度的耦合作用，但為預測儲藏周期內稻谷的溫、濕度場的變化提供了支撐，為后續研究提供了幫助。Gastón等[23]采用谷物水分等溫吸附方程和熱質局部平衡原理，分別以倉儲小麥和稻谷作為研究對象，構建了糧食倉儲過程的熱濕傳遞耦合模型。隨著計算機技術和現代科學技術的發展，研究者開始嘗試新的手段和方法對糧堆溫度梯度模擬，水分遷移規律進行探討，甚至采用核磁共振技術分析觀察小麥顆粒自身變化特性。其中Ghosh等[24]將核磁共振用于觀察小麥顆粒干燥過程中不同部位水分分布和遷移的變化情況。Decarvalho等[25]考慮倉儲過程糧堆自身發熱作用，并引入糧堆內自熱和周期變化的環境數據構建了不同倉儲狀態下糧倉內溫濕度的變化模型。Carrera等[26]基于數值計算方法獲得了圓筒倉內高粱的溫度場隨著環境溫濕度的變化規律。隨后Wang等[27]在強制對流作用下熱量傳輸和垂直方向水分傳遞規律，強制通風降溫時糧堆內溫濕度與通風系統的風速、氣流溫濕度之間的規律方面也取得了一定成果，采用仿真和實驗的方法來預測糧堆溫濕度變化和水分遷移實現對糧倉的有效控制。Andrea等[28]研究了谷物干燥溫度和原始水分與水分遷移之間的關系, 并闡述了水分擴散和吸收之間能量變化, 提出了影響水分遷移的因素為原始水分含量、平衡水分含量和谷物的等效半徑。

國內研究者也陸續根據糧堆多孔介質特性和環境因素的影響，先后依據傳熱學理論再運用有限元方法模擬了非穩態下水稻溫度場的分布；基于實倉溫度測試數據的擬合分析，實現倉儲內不同糧層處溫濕度變化的預測；基于計算流體動力學理論，對房式倉“F”型網絡冷卻通風時糧堆內溫度、水分的變化進行數值仿真，以獲取糧堆濕熱遷移規律；由于糧食裝倉后存在自身壓力等情況的影響，研究者在分析糧倉內糧食溫濕度及水分遷移規律時，需要考慮多場耦合的作用。如任廣躍等[29]以中試鋼板淺圓倉為目標倉，以小麥為研究對象模擬了機械通風過程中糧堆內壓力場分布，得出了風量、通風方式和壓力之間規律。陳桂香等[30]確立了機械通風強制對流狀態下糧堆內濕熱耦合傳遞模型，模擬了糧食解吸和吸附狀態時熱量交換和水分遷移的變化過程，得出了該過程中糧堆熱濕耦合規律。亓偉等[31]認為糧食具有生命活動，需考慮其自呼吸作用，并借助多物理場數值模擬軟件針對不通風狀態下糧食在自然對流和溫度梯度等耦合影響和不同季節的溫度分布和水分轉移。段珊珊等[32]針對氣象因素對儲糧環境的影響,建立了倉儲糧堆溫度參數和氣象因素的數學關系,證明了基于氣象數據進行糧堆溫度預測的可行性。提出了基于氣象8因素的儲藏糧堆表層(糧面以下50 cm處)平均溫度預測模型，利用氣象的氣溫、氣壓、相對濕度、地面溫度、日照時間、降水量、蒸發量、風速多個因素展開構建對儲藏糧堆表層平均溫度估計。李冬坤[33]研究了不同儲藏條件下粳稻谷質量指標、氣味以及低場核磁采集粳稻谷水分數據的變化。李陽[34]曾對糧食干燥機理，糧食顆粒強度等物理性能與糧食水分間的關系進行過深入研究。解決了糧食低溫儲藏裝備面臨的相關技術難題，實現了糧食儲藏裝備的產業升級換代，減少了傳統糧食儲存過程需要化學藥品熏蒸所造成的環境污染、糧食污染及化學藥品殘留超標的問題。

此外，當前國內學者對糧食儲藏過程中熱濕傳遞現象可概括成：與糧堆熱濕傳遞過程密切相關的小麥、五米等谷物的熱物性的測試、以及影響因素的分析，獲得了小麥、玉米等糧堆的導熱系數和比熱?；诰植康臒豳|衡原理和吸濕解吸濕相變理論，提出了描述深展糧堆內部熱濕耦合傳遞規律的數學模型。利用計算流體動力學技術對倉儲溫度變化的規律進行數值模擬。借助數值模擬和實驗驗證相結合的方法，以小麥為研究對象，研究分析糧倉內部的溫濕度通風系統的送風量和氣流的溫濕度關系。

當前研究多考慮單一因素溫度、濕度與通風氣流、風量的關系，很難理清儲糧生態多場耦合系統關系，另外由于糧食自身具有呼吸功能的生命特性，而當前多孔介質理論多從單一尺度下建立研究理論模型的。尚不能從介觀和微觀尺度下研究多孔介質倉儲糧堆的傳熱傳質內在機理和規律，建立基于糧食生態作用的宏、微觀尺度下糧堆多孔介質多場傳熱傳質數學模型。結合儲糧生態多場耦合系統的各因素相干性問題，從理論角度深層次闡釋儲糧生態多場耦合系統水分遷移傳遞機理，為生態儲糧提供理論支撐。

2 儲糧系統水分遷移機理研究展望

儲糧倉儲系統模型對于自然存儲時糧堆的熱濕傳遞已有大量研究，但是鮮見針對糧食呼吸作用開展的研究，而糧食顆粒作為有生命體征的多孔介質，糧堆作為完整的生態系統，其內部環境復雜，參數眾多，且各參數之間相互影響確定較為困難，目前主要依靠經驗公式。對于糧堆的水分遷移的機理研究較為薄弱，目前現有的熱濕模型的精確度難以保證。針對儲糧過程的機械通風作業，缺少糧倉內部溫濕度以及水分遷移的機理研究，導致出現能耗大、過度通風、無效通風，通風后糧食水分過度損耗帶來嚴重經濟問題與糧食安全問題。因此，針對儲量系統水分遷移機理研究的未來發展趨勢應該從4個方面進行研究：

建立反映實際情況的儲糧系統多場耦合數學模型。首先將糧堆假設為虛擬連續多孔介質體，由眾多谷物顆粒以及充滿空氣和水蒸汽的混合氣體組成，顆粒大小分布均勻，孔隙分布均勻。糧堆在自然通風倉儲過程和機械通風過程作為一個微觀干燥過程，采用局部非平衡方法建立數學模型，認為顆粒溫度和氣體溫度未達到平衡，顆粒的水分濃度和氣體的水分濃度也未達到平衡，采用達西定律描述氣體在糧堆多孔介質中的流動狀態，并考慮各參數和變量之間的耦合影響，最終建立糧堆溫度和含水率、空氣溫度和濕度、空氣流速和壓強的三維糧堆通風干燥數學模型。

構建非穩態非線性的偏微分方程組數學模型，從數學關系的角度，揭示儲糧系統多場條件下的儲糧影響因素耦合相干性問題。結合多孔介質傳熱傳質理論和熱濕耦合作用，建立糧食自然通風和機械通風過程中熱濕耦合傳遞數學模型，針對玉米、小麥、稻谷等糧食顆粒，分析其熱力學特性，研究不同糧食在含水率不同時，吸濕以及解吸濕帶來的熱量傳遞，建立不同糧食的熱傳遞回歸方程。多孔介質材料的內部的濕熱互為因果、相互耦合，水的相變和濃度梯度作用下的遷移都會伴隨著熱量的轉移，同時水分會對導熱系數、熱容等材料屬性產生影響，進而產生溫度梯度影響水分的遷移現象。

充分利用仿真分析方法針對散糧實驗倉儲過程多場耦合傳遞過程的數值模擬研究，得到不同散糧堆的氣流場、水蒸氣壓力場、溫度場以及水分場等隨儲藏時間的變化規律。因為涉及多物理場的數值模擬，常用的流體仿真軟件FLURNT進行流場仿真已經無法實現復雜的增加物理場，針對多場耦合推薦使用COMSOL多物理場仿真軟件，在多孔介質傳熱的基礎上先增加空氣流場使二者耦合后，再添加水分場，實現多場耦合，生物質帶來的影響不容忽視，應加入呼吸作用化學方程式，綜合考率后并根據守恒定律，推理獲得倉儲糧堆傳熱傳質控制方程，包括連續性方程、動量方程、水分遷移方程和對流傳熱方程，對上述方程進行數值計算，進行分析求解，為實驗奠定基礎。

根據建立好的模型以及數值仿真的結果，設計相關測試實驗。根據平房倉不同區域可能出現的問題，基于實驗測試的方法，分模塊搭建糧食倉儲實驗平臺，建立糧食倉儲過程自然通風和機械通風狀態下，糧倉內溫度梯度場、壓力梯度場空氣溫度和濕度場，另外通過扦樣方法獲得糧倉內糧食顆粒的水分梯度。對于靜態倉儲的自然對流擴散現象和機械通風的動態水分傳遞傳遞的多場耦合過程進行實驗，對建立的數學模型以及數值模擬的結果進行驗證。在實際倉內實驗和模擬測試實驗、多物理場耦合數學模型仿真的基礎上，研究散糧糧堆中多場間相互作用關系，建立多尺度糧堆濕熱模型全面地描述糧堆內部溫度場，實現對更大范圍糧情的跟蹤、分析和預測。針對未來研究提出了一些規劃如圖1。

3 總結

本文概述了當前針對糧食倉儲的熱濕耦合機理模型、實驗和仿真的研究方法。介紹了現有的多孔介質傳熱傳質模型多依據多孔介質干燥模型，而多孔介質內部結構等參數對于實際干燥過程和品質帶來的影響很大，導致現有模型無法真正模擬實際糧堆的傳熱傳質過程。提出了基于介觀微觀尺度，建立糧倉內部多孔介質傳熱規律模型，搭建了充分考慮糧堆完整生態的模型。

在對平房倉儲糧生態多場耦合系統水分遷移傳遞機理研究的國內外研究現狀分析的基礎上，提出基于多孔介質理論，考慮尺寸效應對于微/納米多孔結構中導熱及流動的影響，從介觀和微觀尺度下研究它的傳熱傳質內在機理和規律，建立宏、微觀尺度下糧堆多孔介質多場下的傳熱傳質數學模型，實現平房倉儲糧生態多場耦合系統水分遷移傳遞機理探討，確保國家糧食安全。在整體趨勢上，本領域的熱濕耦合水分遷移研究將向數值模擬更加真實、考慮因素更加全面，實驗研究更加貼合實情、設計實驗更加仔細，理論更加深入、結果分析更加實際的方向發展。