烏云山丹尹君馬翠亞張修霖楊開敏

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

0 引言

我國儲糧倉的發(fā)展大概經(jīng)歷了簡易倉、矮胖倉、平房倉、磚圓倉、高大平房倉、鋼板倉、立筒倉、低溫倉、氣調(diào)倉等型式[1]。20世紀90年代，結(jié)構(gòu)簡單、建設(shè)成本低、糧食裝載量多、易于管理的高大平房倉逐漸成為我國最常用的倉庫類型之一。JIA等[2]提出了用二維非線性傳熱模型描述淺圓倉中的瞬時溫度分布，模擬了太陽輻射對谷物溫度的影響，并且在模擬過程中考慮了谷物表面和糧倉壁周圍復(fù)雜的混合邊界條件，使預(yù)測溫度與實驗溫度吻合良好，為優(yōu)化糧倉設(shè)計提供參考。SHARMA[3]用仿真模型在不同通風(fēng)參數(shù)下進行了糧食的模擬工作，分析了通風(fēng)過程中的熱量傳遞現(xiàn)象。王遠成等[4]基于多孔介質(zhì)的熱質(zhì)傳遞原理以及糧食的解吸濕特性理論，建立了機械通風(fēng)過程中糧堆內(nèi)部的熱濕耦合傳遞方程，分析了溫度差對糧堆內(nèi)溫度和濕度的影響規(guī)律，并提出了糧堆降溫保水通風(fēng)的操作原則。張曉靜等[5]基于局部熱質(zhì)平衡的原理建立了新的數(shù)學(xué)模型，數(shù)值模擬了糧堆內(nèi)部溫、濕度變化的規(guī)律。SHARP[6]提出了糧堆通風(fēng)的有限差分數(shù)學(xué)模型，描述了通風(fēng)過程中通風(fēng)量的大小對糧堆溫、濕度的影響，對高溫高濕地區(qū)糧食儲藏工作有一定的指導(dǎo)意義。魯子楓等[7]利用數(shù)值模擬的方法，研究了機械通風(fēng)形式不同通風(fēng)量的糧堆降溫效果，結(jié)果表明在相同的通風(fēng)時間下，降溫速率隨著通風(fēng)量的增大而加快。徐碧[8]采用機械通風(fēng)的方式進行了實倉實驗，發(fā)現(xiàn)先后進行壓入式通風(fēng)和吸出式通風(fēng)可降低糧食溫度，能確保糧食達到安全儲存的目的。機械通風(fēng)具有良好的降溫效果，但是投資成本太大，在通風(fēng)過程中也可能會出現(xiàn)能耗高和通風(fēng)不均勻的現(xiàn)象。李偉[9]利用計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)軟件對地下糧倉進行環(huán)形通風(fēng)道機械通風(fēng)模擬實驗，提出了地下倉通風(fēng)道的優(yōu)化設(shè)計，使得糧堆的通風(fēng)均勻性更高，得到了優(yōu)化的地下糧倉儲糧熱濕環(huán)境。GARG等[10]使用CFD軟件模擬分析了的圓筒倉中糧粒非均勻分布時通風(fēng)時糧倉內(nèi)部流場的分布規(guī)律。邱化禹[11]基于多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)理論，采用真實的實驗驗證平臺和數(shù)值模擬技術(shù)，對某糧庫采用充氮氣調(diào)技術(shù)研究氮氣在糧倉內(nèi)的分布擴散規(guī)律，利用實驗平臺的結(jié)果驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的準確性。

多物理場仿真軟件COMSOL廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的科學(xué)研究以及工程計算，模擬科學(xué)和工程領(lǐng)域的各種物理過程。潘鈕等[12]利用COMSOL軟件模擬了儲糧的溫度，發(fā)現(xiàn)受溫度的影響會在糧堆內(nèi)部產(chǎn)生微氣流，是引起糧堆內(nèi)水分變化的主要因素。祁智慧等[13]利用環(huán)流控溫技術(shù)研究了吉林省某高大平房倉內(nèi)稻谷降溫效果，發(fā)現(xiàn)采用環(huán)流控溫加以覆蓋棉被，可有效控制糧堆內(nèi)的溫、濕度，保持儲糧品質(zhì)，減少蟲害的發(fā)生。谷冷機是一種保證在濕熱地區(qū)長期安全儲糧的理想工具，可以在不提高吹入空氣濕度的情況下降低谷物溫度。申志成等[14]針對進口大豆夏季不宜儲存的現(xiàn)狀，運用分離式谷冷機低溫儲糧技術(shù)對大豆進行了降溫保水通風(fēng)實驗，發(fā)現(xiàn)采用谷冷機通風(fēng)可明顯降低整體糧溫，糧倉上部空間經(jīng)谷冷機送風(fēng)進行冷卻，使得糧面與冷風(fēng)的接觸面積更大，采用谷冷機冷卻通風(fēng)的糧堆溫度均勻性更好。張曉培[15]以橫向通風(fēng)為基礎(chǔ)，研究了谷冷機技術(shù)對玉米的通風(fēng)降溫實驗規(guī)律，發(fā)現(xiàn)采用橫向谷冷降溫技術(shù)對玉米進行降溫的效果非常有效，同時也具有較高的通風(fēng)均勻性。胡智佑等[16]針對夏季外界氣溫較高、無法使用機械通風(fēng)降溫的情況，利用谷冷機降溫技術(shù)對淺圓倉中的糧食進行了通風(fēng)實驗，結(jié)果表明谷冷機降溫技術(shù)有明顯的降溫效果，是糧食實現(xiàn)安全度夏的有效手段之一。

針對我國南方地區(qū)夏季高溫高濕的情況，文章以高大平房倉為研究對象，建立了風(fēng)口在不同位置的兩種倉型的物理模型，并基于多孔介質(zhì)流動理論，建立了糧堆(稻谷)內(nèi)通風(fēng)過程的數(shù)學(xué)模型，模擬了進出風(fēng)口布置對控溫效果的影響，并對比分析了模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)，以驗證模型的正確性，進而研究了兩種通風(fēng)口布置方式下的通風(fēng)均勻性和能耗。

1 高大平房倉物理模型

高大平房倉如圖1所示。倉房長為40 m，寬為20.7 m，倉頂高為10.52 m，倉內(nèi)裝有水分含量為14%的稻谷，裝糧高度為5 m。將糧堆劃分為5個糧食區(qū)域(自下至上)，糧食區(qū)域I~V距離倉底分別為0.30、0.30~1.77、1.77~3.24、3.24~4.70、4.70~5.00 m的空間，而糧食區(qū)域V也稱為糧堆表層。除了已劃分的5個糧食區(qū)域，模型堆糧線以上的空間定義為空氣區(qū)域。

圖1 高大平房倉實物圖

1.1 高大平房倉通風(fēng)物理模型

在糧倉上部適當位置布置風(fēng)口，在夏季高溫時引入冷空氣對頂部高溫區(qū)域進行降溫，空調(diào)通過風(fēng)機將室外空氣吸入專用空調(diào)內(nèi)，經(jīng)過處理后送入倉內(nèi)空氣區(qū)域，冷空氣滲入糧堆完成通風(fēng)冷卻過程。風(fēng)口布置可選同側(cè)布置與異側(cè)交替布置，其對應(yīng)的高大平房倉物理模型如圖2所示。x向為寬度方向，方向為北；y向為長度方向，方向為西；z向為高度方向。送、回風(fēng)口中心位于z＝6.3 m的高度。同側(cè)北外墻設(shè)置3臺空調(diào)，風(fēng)口為單側(cè)布置；異側(cè)倉北外墻設(shè)置2臺空調(diào)，南外墻設(shè)置1臺空調(diào)，風(fēng)口為異側(cè)交替布置，且風(fēng)口5、6與同側(cè)倉風(fēng)口4、3在空間上對齊。空調(diào)送、回風(fēng)口通過聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride，PVC)管道經(jīng)通風(fēng)口伸入倉內(nèi)，送風(fēng)口與回風(fēng)口間距2 m，其直徑均為0.25 m。

圖2 不同風(fēng)口布置方案的高大平房倉通風(fēng)物理模型圖

1.2 高大平房倉對比通風(fēng)網(wǎng)格劃分

采用數(shù)值模擬前處理軟件GAMBIT進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格的四面體網(wǎng)格，在通風(fēng)口和送、回風(fēng)流經(jīng)區(qū)域處加密，同側(cè)布置與異側(cè)交替布置網(wǎng)格劃分數(shù)大致相同，約為79萬。選取3個代表性的截面，x軸上選取2個截面，分別是x1＝20.70 m、x2＝10.35 m截面，其中前者是風(fēng)口所在截面，后者是中截面；y軸上選取中間截面(y＝20 m)進行展示。網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

圖3 高大平房倉網(wǎng)格劃分圖

2 數(shù)學(xué)模型及定解條件

谷堆是典型的多孔介質(zhì)，可以把糧倉冷卻通風(fēng)過程視為多孔介質(zhì)區(qū)域與上層空氣區(qū)域進行熱濕耦合傳遞的過程。

2.1 連續(xù)性方程

通風(fēng)過程中空氣在糧堆內(nèi)流動，根據(jù)能量守恒定律建立糧堆內(nèi)連續(xù)性方程，由式(1)表示為

式中ε為孔隙率，%；ρa為空氣密度，kg/m3；t為通風(fēng)時間，s；u為空氣的表觀速度或達西速度，m/s；?為哈密頓算子。

2.2 氣體流動的動量方程

糧堆內(nèi)氣體流動過程中的強迫對流及其阻力滿足動量守恒原理，其方程由式(2)表示為

式中為速度矢量，m/s；p為壓力，Pa；μ為空氣黏度系數(shù)，Pa·s；Si為動力源相，是糧堆阻力相。

2.3 對流換熱方程

糧堆內(nèi)的傳熱過程滿足熱力學(xué)第一定律，根據(jù)能量守恒定律與熱平衡原理可建立通風(fēng)時糧堆內(nèi)部對流傳熱方程，由式(3)表示為

式中ca、cw、cg分別為空氣、水和糧食的比熱，J/(kg·K)；ρd為糧食密度，kg/m3；Wd為糧食的含水量；Hw是糧食中因水分含量變化而產(chǎn)生的熱量值，可忽略不計；Keff為糧堆的有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；T為溫度，K；Sh為熱源項，即糧食吸濕和解吸濕時產(chǎn)生的熱量。

2.4 數(shù)值模擬方法和模擬參數(shù)設(shè)置

考慮糧堆降溫的不均勻性，結(jié)合實際糧倉的具體數(shù)據(jù)，為5個糧食區(qū)域和空氣區(qū)域賦予不同的初始溫度進行數(shù)值模擬，共控溫28天。為了防止迭代過程不收斂或者數(shù)值不穩(wěn)定，采用欠松弛技術(shù)。

稻谷導(dǎo)熱系數(shù)為0.16W/(m·K)，比熱容為14 871 J/(kg·K)，容重為600 m3/kg，孔隙率為0.5。初始條件和邊界條件設(shè)置:糧食區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的溫度分別設(shè)置為15、20、23、26、28℃，空氣區(qū)域溫度設(shè)為30℃；采用速度入口邊界條件，入口風(fēng)速為14 m/s，入口氣溫為12℃，入口總風(fēng)量為7 422 m3/h；出口采用壓力出口條件；壁面設(shè)置為絕熱邊界條件。

2.5 數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性分析

選擇同側(cè)倉、異側(cè)倉與實驗倉控溫5天的數(shù)據(jù)繪制表層平均糧溫隨時間的變化對比圖，如圖4所示。同側(cè)倉、異側(cè)倉表層平均糧溫與實測表層平均糧溫的溫差在2℃以內(nèi)，在可接受范圍之內(nèi)。數(shù)值模擬值與實驗比較接近，所以模擬結(jié)果是可靠的。

圖4 通風(fēng)1~5天表層平均糧溫變化對比圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 速度場及流場

同側(cè)布置通風(fēng)與異側(cè)交替布置的高大平房倉控溫28天后速度場及流場分布如圖5所示。由圖5(a)和(b)可以看出在通風(fēng)的第28天，同側(cè)布置倉內(nèi)通風(fēng)死角較多，通風(fēng)氣流形成多個渦流，各處氣流速度差異明顯，流場分布很不均勻。同側(cè)倉靠近南墻處渦流形成的原因是北外墻垂直向南送出的氣流到達南墻時被阻擋，反彈之后形成數(shù)個渦流，使該處擾動增強，糧食降溫明顯，但是在渦流邊緣和兩個墻角處產(chǎn)生通風(fēng)死角，也導(dǎo)致整體糧倉降溫不均勻。由圖5(c)和(d)可以看出，異側(cè)倉通風(fēng)死角少，各處氣流速度差異小，糧面氣流形成的渦流少，糧面流場分布均勻。

圖5 通風(fēng)第28天同側(cè)倉、異側(cè)倉通風(fēng)流場分布圖

3.2 溫度場

同側(cè)倉通風(fēng)第5、10、28天的溫度分布云圖如圖6所示。由圖6(a)可看出，通風(fēng)第5天時，倉內(nèi)空氣區(qū)域溫度降至12.9℃，降幅達17.1℃。表層糧食平均溫度下降至16.9℃，其降幅明顯。由圖6(b)可知，通風(fēng)第10天，糧倉表面平均溫度為15.1℃，降低了1.8℃，表面糧層最高溫度約在x＝17 m截面處，因為該處氣流形成渦流，導(dǎo)致旋渦邊緣產(chǎn)生通風(fēng)死角，故降溫速率比周圍小，其溫度為15.9℃，處于風(fēng)口所在截面表面糧層最低溫度為14.9℃。由圖6(c)可知，通風(fēng)第28天，表面糧層平均溫度為14.5℃，降幅達0.6℃，風(fēng)口所在截面最低溫度為13.9℃。隨著通風(fēng)時間的增長，空氣區(qū)域溫度先是迅速下降，而后降幅逐漸減小并趨于平穩(wěn)。在北墻(靠近送風(fēng)口處)和南墻處的表層糧溫有逐漸降低的趨勢，糧堆中部區(qū)域溫度逐漸減小，整個表層糧溫越來越均勻。冷卻界面滲過糧堆表層逐漸下移進入糧堆底部，完成冷卻。通風(fēng)結(jié)束時，大部分表層糧溫降至15℃以下，達到了低溫儲藏的狀態(tài)。

圖6 同側(cè)倉通風(fēng)溫度分布云圖/K

異側(cè)倉通風(fēng)第5、10、28天的溫度分布云圖如圖7所示。由圖7(a)可看出，通風(fēng)第5天，倉內(nèi)空氣區(qū)域溫度下降至12.9℃，其降幅為17.1℃。由圖7(b)可知，通風(fēng)第10天，表層糧食平均溫度下降至16.4℃，降幅明顯，表面糧倉平均溫度為14.7℃，其降幅為1.7℃，表面糧層最高溫度約在靠近南外墻y＝37 m的旋渦處，漩渦導(dǎo)致該處產(chǎn)生通風(fēng)死角，故降溫速率比周圍的小，其溫度為16.9℃，表面糧層最低溫度處于風(fēng)口所在截面，為15.9℃。由圖7(c)可知，通風(fēng)第28天時，表面糧層平均溫度為13.7℃，其降幅1℃，處于風(fēng)口所在截面的最低溫度為12.9℃。在北墻(靠近送風(fēng)口處)和南墻處的表層糧溫有逐漸降低的趨勢，糧堆中部區(qū)域表層糧溫逐漸減小，降幅分別為2、1℃，大于同側(cè)倉在中部區(qū)域表層糧溫的降幅，整個表層糧溫越來越均勻。冷卻界面滲過糧堆表層逐漸下移進入糧堆底部，完成冷卻。通風(fēng)結(jié)束時，大部分表層糧溫降至15℃以下，達到了低溫儲藏的狀態(tài)。

圖7 異側(cè)倉通風(fēng)溫度分布云圖/K

同側(cè)倉、異側(cè)倉表層糧堆溫度隨時間的變化如圖8所示。由圖8(a)可知，與第5天相比，同側(cè)倉通風(fēng)第8天，表層糧溫降幅為1.3℃，而高度為4.7、5.0 m截面處糧溫降幅分別為1.8、1.3℃。通風(fēng)第16天比第12天的表層糧溫降低了0.3℃，高度為4.7、5.0 m截面處糧溫降幅分別為0.4、0.2℃。對比可知，通風(fēng)開始時，同側(cè)倉表面糧層溫度降低速率高，降幅最高可達0.6℃/d(糧高4.7 m處)，最低為0.43℃/d。隨著通風(fēng)時間的增長，同側(cè)倉通風(fēng)第12天至16天，表面糧層溫降逐漸降低平緩，最高為0.1℃/d。由圖8(b)可知，異側(cè)倉通風(fēng)第5天至第8天，表層糧溫降幅為1.8℃，高度為4.7、5.0 m截面糧溫降幅分別為2.1、1.1℃；通風(fēng)第12天至第16天，表層糧溫降幅為0.4℃，高度為4.7、5.0 m截面的糧溫降幅分別為0.3、0.1℃。異側(cè)倉通風(fēng)第5天至第8天，表層糧溫最高溫降可達0.7℃/d(糧高4.7 m處)，最低溫降為0.37℃/d。隨著通風(fēng)時間的增長，表面糧層溫降規(guī)律與同側(cè)倉相同，通風(fēng)第5天起，隨著通風(fēng)時間的增加，同側(cè)倉、異側(cè)倉的溫降逐漸變小，各層糧溫趨于穩(wěn)定，逐漸趨于平緩。對比可知，通風(fēng)第5天至第8天，異側(cè)倉的表層糧溫降幅總是略高于同側(cè)倉，低一層糧溫的降低程度要高于上層糧溫。上一層糧食的溫降總高于下一層糧食的溫降，原因是上層糧食處于通風(fēng)沿的上層，通風(fēng)阻力小。

圖8 同、異側(cè)倉表層糧堆溫度隨天數(shù)的變化曲線圖

3.3 不同風(fēng)口布置方式的通風(fēng)降溫均勻性對比

糧堆表面糧層內(nèi)部在高度z為4.7、4.8、4.9、5.0 m截面處，共設(shè)置4層監(jiān)測點，每層監(jiān)測點布置如圖9所示，每層4個角點距離墻面0.5 m，均勻設(shè)置78個監(jiān)測點，有利于檢測糧堆冷卻通風(fēng)的均勻性。

圖9 監(jiān)測點水平面布置示意圖

谷堆的冷卻通風(fēng)均勻性是一個介于0到1之間的數(shù)值，用γ表示，均勻性越好，數(shù)值越大，通風(fēng)越全面、越均勻，其值可由式(4)表示為

式中Tm為整個糧倉的平均溫度，℃；Ti為監(jiān)測點的糧食溫度，℃；n為選擇的監(jiān)測數(shù)據(jù)的個數(shù)。

利用監(jiān)測的312個監(jiān)測點數(shù)據(jù)計算出兩種布置方式通風(fēng)的溫度均勻性數(shù)值，見表1。在通風(fēng)的第5、28天，同側(cè)布置的通風(fēng)均勻性指數(shù)小于異側(cè)交替布置的均勻性指數(shù)，說明風(fēng)口異側(cè)交替布置通風(fēng)效果更好。同側(cè)倉、異側(cè)倉在通風(fēng)第28天的均勻性指數(shù)均比通風(fēng)第5天的均勻性指數(shù)小，且異側(cè)通風(fēng)第28天的均勻性指數(shù)最小，說明通風(fēng)時間的長短會影響均勻性指數(shù)的大小，但是不會影響兩種倉型的控溫效果。

表1 兩種布置通風(fēng)方式的均勻性數(shù)值表

谷物冷卻通風(fēng)的單位能耗是用來評判谷物冷卻降溫效果的指標，其值越小，效率越高。選取通風(fēng)1~5天的糧溫數(shù)據(jù)計算同側(cè)布置和異側(cè)交替布置通風(fēng)的單位能耗。谷物冷卻通風(fēng)過程中的單位能耗由式(5)表示為

式中E為控溫通風(fēng)的單位能耗，kW·h/(℃·t)；∑W為降低能量的總耗電量，kW·h；T1為控溫通風(fēng)前的平均糧溫，℃；T2為控溫通風(fēng)后的平均糧溫，℃；G為糧食總重量，t。

經(jīng)計算，風(fēng)口異側(cè)直線布置通風(fēng)的單位能耗為0.072 kW·h/(℃·t)，風(fēng)口同側(cè)布置通風(fēng)的單位能耗為0.075 kW·h/(℃·t)，高于異側(cè)倉單位能耗，所以風(fēng)口異側(cè)交替布置通風(fēng)單位能耗更低，谷堆控溫效果顯著，糧堆控溫通風(fēng)均勻性更好。

4 結(jié)論

以高大平房倉為研究對象，采用數(shù)值模擬的方法，研究了糧倉進出風(fēng)口布置對控溫效果的影響，對比分析了兩種通風(fēng)口布置方式下的通風(fēng)均勻性和能耗，得出的主要結(jié)論如下:

(1)風(fēng)口同側(cè)布置與風(fēng)口異側(cè)交替布置通風(fēng)糧堆表層平均溫度變化趨勢基本一致，且風(fēng)口同側(cè)布置表層平均糧溫、風(fēng)口異側(cè)交替布置表層平均糧溫與實驗實測表層平均糧溫的差值在2℃以內(nèi)，數(shù)值模擬值與實驗比較接近，驗證了模型的可靠性。風(fēng)口同側(cè)布置通風(fēng)時，糧堆上存在多個渦流，所以溫度降低較小，且在空氣區(qū)域也存在多個高溫區(qū)域，但在經(jīng)過28天的通風(fēng)后，與糧堆平均溫度的偏差在允許范圍內(nèi)。風(fēng)口異側(cè)交替布置時，個別高溫點在空氣區(qū)域以下的糧堆中部，對整個糧堆的溫降幾乎沒有影響，經(jīng)過28天的通風(fēng)后，糧堆溫度降至合理的安全儲糧要求溫度。

(2)風(fēng)口異側(cè)交替布置通風(fēng)與風(fēng)口同側(cè)布置通風(fēng)相比，通風(fēng)均勻性系數(shù)更高，單位能耗也更低，說明風(fēng)口異側(cè)交替布置通風(fēng)更加均勻，并且能夠更快地達到低溫狀態(tài)。綜合考慮同側(cè)布置通風(fēng)與異側(cè)交替布置通風(fēng)方式谷物通風(fēng)的均勻性指數(shù)和單位能耗，高大平房倉風(fēng)口異側(cè)交替布置可減少通風(fēng)過程中的成本和能耗，所以風(fēng)口異側(cè)交替布置通風(fēng)谷堆控溫效果顯著，更具有優(yōu)勢。