高大平房倉雙側(cè)吸出式斜流通風數(shù)值模擬和實驗的比較研究

王遠成 石天玉 曲安迪 楊開敏 魏 雷

(山東建筑大學熱能工程學院1,濟南 250101) (國家糧食和物資儲備局科學研究院2,北京 100037)

機械通風作為儲糧生態(tài)系統(tǒng)熱濕調(diào)控的方法之一，具有降溫效果顯著、費用較低等特點，在確保儲糧安全方面，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]。傳統(tǒng)的機械通風方式主要是豎向通風，豎向通風需要在糧倉地面鋪設(shè)通風籠(或設(shè)置地槽)。通風籠的鋪設(shè)，會帶來糧食出入倉不便、勞動生產(chǎn)率低的問題，且不便于機械化操作。為了解決豎向通風存在的弊端，我國開展了橫向通風工藝的研究。橫向通風是把通風籠垂直安裝在糧倉跨度方向的兩個內(nèi)墻上，俗稱“地上籠上墻”，并通過吸出式的方式沿著糧倉跨度方向進行水平通風。橫向通風避免了地上籠的鋪設(shè)所帶來的糧食進出倉的不便，可以實現(xiàn)糧食進出倉的機械化操作，大大地提高了糧食進出倉的效率。同時，橫向通風時，氣流在糧堆內(nèi)水平橫向流動，糧堆單位面積通風量比豎向通風提高3～5倍，表觀速度較大，熱濕對流作用相對較強，糧溫和水分變化的相對較快[2]。但是，橫向通風相對于豎向通風，由于通風路徑長，通風阻力大，且沿著糧倉跨度方向的糧堆溫度和水分分層較為明顯。

當入倉糧食的水分低于安全水分時，機械通風的目的是降低糧堆溫度的同時減少通風過程中儲糧水分的丟失。對于豎向和橫向降溫保水通風工藝，國內(nèi)已有較多研究[3-7]。鑒于目前橫向通風工藝存在的問題,國家糧食與物資儲備局科學研究院提出了分段揭膜雙側(cè)吸出式的“斜向”快速降溫通風工藝，如圖1所示。其中，圖1a為中間揭膜兩側(cè)覆膜的

圖1 房式倉雙側(cè)吸出式斜流降溫通風原理圖

通風方式，圖1b為中間覆膜兩側(cè)揭膜的通風方式。但是，由于斜向通風屬于一種新的通風工藝，有許多問題還有待于深入細致的研究。

本研究采用數(shù)值模擬的方法，以國家糧食與物資儲備局科學研究院在青海省海東市互助土族自治縣國家糧食儲備庫實驗工況為研究對象，對雙側(cè)吸出式的“斜向”快速降溫通風工藝進行了數(shù)值模擬研究，分析了雙側(cè)吸出式“斜向”通風時降溫保水效果，探究了雙側(cè)吸出式“斜向”通風與橫向通風相結(jié)合的快速降溫保水通風工藝，研究結(jié)果可以為儲糧通風操作提供借鑒。

1 實驗工況和實測數(shù)據(jù)

本次進行的雙側(cè)吸出式斜流通風工藝的實驗倉為青?；ブh國家糧食儲備庫新庫區(qū)3號高大平房倉，倉房內(nèi)部長度為48 m，跨度為23 m，糧堆高度6.7 m。本實驗所采用的試供糧食為山東小麥，容重為786 kg/m3，平均水分為12.0%，數(shù)量為6 012.64 t。實驗時間為11月下旬，實驗環(huán)境接近于秋冬季氣候。根據(jù)斜向通風工藝的要求，確定在糧堆表面覆蓋PA/PE薄膜與否以及覆膜區(qū)域的大小。由于糧堆的實際寬度為23 m，揭膜方式原則上可以取糧堆寬度的1/3進行揭膜，同時，考慮到中間揭膜適當增大一些，有利于提高降溫速率，減小通風阻力，因此，分別進行了中間揭膜9 m兩側(cè)覆膜7 m，兩側(cè)揭膜7 m中間覆膜9 m，以及中間揭膜3 m兩側(cè)覆膜10 m。鑒于中間揭膜3 m兩側(cè)覆膜10 m的斜向通風降溫效果較差，本文只討論前兩種斜向通風方式。

本實驗主要采用了局部揭膜雙側(cè)吸出的通風方式，糧堆表面分別進行雙側(cè)覆膜或中間覆膜，具體通風過程如下：1)11月25日上午10點至11月27日上午7點30分，進行雙側(cè)覆膜中間揭膜的斜向通風，共通風46.5 h。即在糧堆表面南北兩側(cè)沿著長度方向進行覆膜，覆膜寬度為7 m；沿糧倉長度方向，糧面中間進行揭膜，揭膜寬度為9 m，且兩側(cè)薄膜與墻壁不密封。然后打開倉上的通風窗，同時開啟南北兩側(cè)的風機進行通風操作。2)11月27日上午9點30至11月28日上午8點30，進行雙側(cè)揭膜中間覆膜的斜向通風，共通風23 h。即在糧堆表面南北兩側(cè)各7 m的區(qū)域揭膜，糧面中間9 m位置進行覆膜。然后打開倉上的通風窗，同時開啟南北兩側(cè)的風機進行通風操作。實驗過程中，分別測定4臺風機的風壓和通風量，風機型號為CFLH-11A，功率為11 kW。每兩小時測定一次糧溫，水分的測定采用抽樣方法，進行化驗檢測。實驗工況和測定數(shù)據(jù)如表1、表2及圖2所示，其中，圖2a為中間揭膜通風，圖2b為兩側(cè)揭膜通風。

圖2 兩側(cè)揭膜和中間揭膜通風的實測溫度

當采用中間揭膜兩側(cè)覆膜的斜向通風時，各層溫度隨時間變化趨勢如圖2a所示，當采用兩側(cè)揭膜中間覆膜的斜向通風時，各層溫度隨時間變化趨勢如圖2b所示。由圖2a和圖2b可見，由于采用的是雙側(cè)吸出式的通風方式，糧堆最上層的溫度受氣溫影響較大，溫度先升高后降低，中上層和中層的糧溫的降低效果較好，但中下層及最下層的降溫效果較差，隨時間的推移甚至還有一定的上升趨勢，但是糧堆整體的平均溫度還是有所降低的。

通風開始至結(jié)束，對糧堆進行3次分區(qū)扦樣，使用105 ℃烘干法檢測糧食水分。其中第四次僅扦取了表層樣品，其余六次均扦取了上、中、下三層樣品，上層距離糧面0.5 m，下層距離倉底0.5 m，中層位于糧堆中心高度。水分檢測數(shù)據(jù)如表2所示。通風過程中，糧食平均水分(濕基)在12.0%～12.6%范圍內(nèi)波動。可知，經(jīng)過本次通風，糧食水分基本沒有損失，達到了降溫通風的目的，并取得了良好的保水效果。中間揭膜9 m兩側(cè)覆膜7 m斜向通風的單位能耗為0.065 kW·h/(t·℃)，兩側(cè)各揭膜7 m中間覆膜9 m斜向通風的單位通風能耗為0.068 kW·h/(t·℃)。

表1 實驗工況的各項參數(shù)

表2 通風過程中糧食水分的變化

2 糧堆內(nèi)部流動和熱濕耦合傳遞過程的數(shù)學模型

假設(shè)糧堆是均勻分布的多孔介質(zhì)，糧堆內(nèi)部滿足局部熱平衡原理，考慮糧食顆粒的吸濕和解吸濕特性，忽略糧食的呼吸作用和蟲霉生長的產(chǎn)生的熱量和水分。糧堆內(nèi)部流動及熱濕耦合傳遞的控制方程如下[8-11]：

連續(xù)性方程：

(1)

式中：ε為空隙率；ρa為空氣密度；u為糧堆內(nèi)部空氣的表觀速度或達西速度；t為時間；為微分算子。

動量方程：

(2)

式中：p為通風空氣的壓力；μ為空氣的動力黏度；dP為谷物顆粒的等效直徑。

能量方程：

(3)

式中：ρb為糧堆的容重；ca、cb分別為空氣和糧堆的比熱；T為糧堆的溫度；keff為糧堆的有效導熱系數(shù)；hs為谷粒吸濕或解吸濕熱；M為糧堆的濕基水分。

水分遷移方程：

(4)

式中：w為糧粒間空氣中的絕對含濕量；Deff為濕空氣在糧堆中的有效擴散系數(shù)；?M/?t為單位時間內(nèi)糧粒與周圍空氣交換的水分量。

3 數(shù)值方法及數(shù)值模擬條件

3.1 數(shù)值方法

對控制方程采用有限體積法進行離散，離散格式為二階上風差分格式。為了防止迭代過程的發(fā)散和數(shù)值不穩(wěn)定，對動量方程、能量和標量輸運方程采用了欠松弛技術(shù)，壓力與速度耦合采用SIMPLE算法。

3.2 通風數(shù)值模擬的初始和邊界條件

初始條件：中間揭膜和兩側(cè)揭膜斜向通風數(shù)值模擬的各層小麥的初始溫度和水分分別見表3和表4。

表3 中間揭膜9 m斜向通風的初始糧溫和水分

表4 兩側(cè)各揭膜7 m斜向通風的初始糧溫和水分

入口條件：將入口設(shè)為流量進口條件，入口總風量為25 400 m3/h。同時，以通風時進風口處的溫濕度為數(shù)值模擬的溫濕度條件，中間揭膜和兩側(cè)揭膜斜向通風的進口條件分別如圖3a和圖3b所示，其中，圖3a為中間揭膜9 m通風空氣的溫濕度，圖3b為兩側(cè)揭膜7 m通風空氣的溫濕度。

圖3 中間揭膜和兩側(cè)揭膜斜向通風入口溫度與濕度隨時間變化圖

出口條件：出風口設(shè)為壓力出口條件。

壁面邊界條件：由于通風時間相對較短，因此將壁面條件設(shè)為絕熱壁和不滲透條件。

3.3 物性參數(shù)

儲藏糧種為山東小麥，容重為692 kg/m3，導熱系數(shù)為0.16 W/(m·℃)，孔隙率為0.43，比熱容為1 790 J/(kg·K)。

3.4 模擬通風時間

中間揭膜9 m斜向通風時間共計46.5 h，兩側(cè)揭膜7 m斜向時間共計23.0 h。

4 數(shù)值模擬研究結(jié)果和分析

4.1 中間揭膜和兩側(cè)揭膜斜向通風時的流場

圖4和圖5分別是雙側(cè)吸出式中間揭膜9 m和兩側(cè)揭膜7 m通風的流場圖。圖4和圖5中Y和Z分別為糧堆高度和跨度方向的尺寸。從圖4和圖5可以看出，雙側(cè)吸出式中間揭膜通風時，氣流從通風窗進入，經(jīng)過中間揭膜糧面并流過糧堆，然后進入垂直支風道和底部的主風道流出糧倉。雙側(cè)吸出式兩側(cè)揭膜通風時，氣流從通風窗進入，經(jīng)過兩側(cè)揭膜的糧面并流過糧堆，然后進入垂直支風道和底部的主風道流出糧倉。

圖4 中間揭膜9 m通風的流場圖

圖5 兩側(cè)揭膜7 m通風的流場圖

4.2 中間揭膜斜向通風時溫度和水分的數(shù)值模擬結(jié)果及分析

圖6a和圖6b是中間揭膜9 m雙側(cè)吸出式斜流降溫通風46.5 h時糧倉長度一半位置的橫截面上糧堆內(nèi)部的溫度和水分場。從圖6a可以看出，當采用中部揭膜9 m雙側(cè)吸出式斜流降溫通風時，冷空氣首先從糧堆中間進風，房式倉中上部的糧食溫度降溫最快，由于存在通風死角，糧堆南北兩側(cè)的中上部降溫不明顯；糧堆下部的糧溫下降較慢，最底部2 m處基本沒有降溫。從圖6b可以看出，在該通風工藝下，由于從糧堆中間進風，且通風時間較短，糧堆上部的水分含量受空氣的濕度變化的影響較小，水分由12%降到11.9%，上層的水分含量略有降低。而糧堆中層的水分含量變化不是很明顯，含水量仍為12%左右，糧堆下層的水分含量沒有變化。

圖6 中部揭膜9 m通風時間46.5 h時 不同截面的溫度和水分場

圖7是數(shù)值模擬與實倉測試溫度結(jié)果的比較。從圖7可知，由于從糧堆中間進風，上層與中上層的溫度受環(huán)境溫度影響較大，呈下降的趨勢；中層的溫度先升后降，且降溫速率比較慢；而中下層和下層的溫度呈現(xiàn)上升的趨勢。從圖7可以看出，模擬值與實驗測試值基本相符，最大誤差小于1.5 ℃左右。

表5為中部揭膜通風時初始水分和通風時間46.5 h時后糧堆平均水分的比較。從表5可以看出，當采用中部揭膜9 m雙側(cè)吸出式斜流降溫通風時，糧堆各層水分略有上升，但變化不大；數(shù)值模擬的整個糧堆的平均含水量由通風前的12.03%增加到12.17%，與實驗測試值(12.3%)基本吻合。

圖7 中部揭膜9 m斜向通風各層的溫度對比圖

表5 初始水分和通風時間46.5 h時后實測與模擬水分比較

水分上層中上層中層中下層下層平均值初始水分/%12.0—12.0—12.112.03實測水分/%12.5—12.2—12.212.30模擬水分/%12.1812.0212.0912.2112.2312.17

4.3 兩側(cè)揭膜斜向通風時溫度和水分的數(shù)值模擬結(jié)果及分析

圖8a和圖8b是兩側(cè)揭膜7 m雙側(cè)吸出式斜流通風23.0 h后糧堆內(nèi)部的溫度和水分場。從圖8a可以看出，當兩側(cè)各揭膜7 m時，由于從糧堆兩側(cè)進風，房式倉內(nèi)兩側(cè)(靠近南北墻的部分)的溫度下降得較快，中部由于存在一定的通風死角的問題，其溫度下降較慢。同時，由于兩側(cè)各揭膜7 m斜流通風是在中部揭膜9 m斜流通風之后進行的，在跨度方向上，同一高度的糧堆中心區(qū)域的溫度要高于糧倉兩側(cè)的溫度，這可能是由于前46.5 h通風時間較短以及中間揭膜寬度設(shè)置的不合理導致糧堆中部通風降溫不充分導致的。而且兩側(cè)揭膜通風時間也較短，糧堆下部的糧溫仍然降的很慢，尤其是最底部2 m處，糧溫變化不顯著。

從圖8b可以看出，在該通風工藝下，由于從糧堆兩側(cè)進風，且通風時間較短，上層的水分含量略有降低，而糧堆中層兩側(cè)含水量由12.2%變到12.1%；糧堆中層和下層的水分含量沒有變化。

圖8 通風時間23 h時不同截面的溫度場

圖9為兩側(cè)各揭膜7 m雙側(cè)吸出式斜流通風數(shù)值模擬與實倉測試溫度結(jié)果的比較圖。由圖9可以看出，模擬值與實驗測試值基本相符，最大誤差小于1.5 ℃左右。分析差生誤差的原因，主要有兩個方面，一是數(shù)值模擬中的熱物性參數(shù)的選取與實際情況會有一些出入，二是溫度和水分測量精度，這些都會導致實測溫度和水分與數(shù)值模擬結(jié)果有一定的誤差。

表6為兩側(cè)各揭膜7 m雙側(cè)吸出式斜流通風時間23.0 h時后平均水分的比較。由表6可以看出，當采用兩側(cè)各揭膜7 m雙側(cè)吸出式斜流降溫通風工藝進行降溫時，糧堆各層水分變化不大，其原因在于通風時間較短，濕分傳遞較少的緣故。同時，從表6也可以看出，數(shù)值模擬值與實倉測試值基本吻合，說明所建立的數(shù)學模型具有較好的合理性。

圖9 兩側(cè)各揭膜9 m斜向通風各層的溫度對比圖

表6 初始水分和通風時間23.0 h時后實測與模擬水分比較

水分上層中上層中層中下層下層平均值初始水分/%12.5—12.2—12.212.30實測水分/%12.5—12.0—12.312.27模擬水分/%12.4212.2412.1012.1812.2812.24

4.4 橫向通風數(shù)值模擬結(jié)果及分析

由于中間揭膜和兩側(cè)揭膜通風時間較短，而且存在著通風短路的問題，從而導致的糧堆下層溫度降低不足的問題，因此，需要進一步采用橫向通風，才能降低糧堆底部的糧溫。圖10和圖11分別是不同送風溫度時橫向通風24 h后糧堆內(nèi)部的溫度和水分模擬結(jié)果。從中可以看出，在采用了中間揭膜和兩側(cè)揭膜通風后，再適當?shù)剡M行一段時間的橫向通風，就可以有效地降低糧堆底部的糧溫，而且橫向降溫通風過程中，糧堆水分基本不變。

圖10 送風溫度0 ℃時經(jīng)過24 h橫向通風后的溫度和水分場

圖11 送風溫度4 ℃時經(jīng)過24 h橫向通風后的溫度和水分場

5 結(jié)論

本研究以國家糧食儲備庫雙側(cè)吸出式斜流通風實驗工況為研究對象，對雙側(cè)吸出式的“斜向”快速降溫通風工藝進行了數(shù)值模擬研究，比較分析了實驗和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，得出了以下結(jié)論：

采用雙側(cè)吸出式揭膜斜流通風，可以實現(xiàn)秋冬季高大平房糧堆上部的快速降溫，同時，在通風空氣濕度合適的情況下，也可以達到保水效果。但是，由于斜流通風的氣流短路的問題，底部糧堆降溫效果不明顯，存在著通風死角的問題。

在進行了中間揭膜和兩側(cè)揭膜的斜流通風后，再適當?shù)剡M行一段時間的橫向通風，就可以有效地降低糧堆底部的糧溫，而且橫向降溫通風過程中，糧堆水分基本不變。

通過數(shù)值模擬的方法，可以對雙側(cè)吸出式斜流通風的降溫降水過程進行實驗?zāi)M，并且具有較好的可行性和準確性。而且數(shù)值模擬技術(shù)可以更為直觀的重現(xiàn)雙側(cè)吸出式斜流通風時糧堆內(nèi)溫度和水分的變化過程，這為儲糧機械通風操作提供參考。