顧超恒+陶樂(lè)仁+鄭志皋+陳娟娟+趙月

摘 要：根據(jù)流體力學(xué)相似性原理與量綱分析理論，以實(shí)際糧倉(cāng)為模型基礎(chǔ)，建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛡}(cāng).以大米為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)及計(jì)算并查找相關(guān)文獻(xiàn)得出所需模擬邊界條件及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).利用Gambit軟件建立1/4 3D實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛡}(cāng)模型，采用Fluent軟件中多孔介質(zhì)模型進(jìn)行模擬計(jì)算，利用Tecplot軟件獲取模擬過(guò)程中溫度、速度隨時(shí)間變化，得出模型倉(cāng)內(nèi)各點(diǎn)溫度、速度分布情況.提取具有代表性的若干點(diǎn)的溫度、速度隨時(shí)間的變化情況并作相應(yīng)對(duì)比，找出了機(jī)械通風(fēng)過(guò)程中的降溫死角并提出多種解決辦法.

關(guān)鍵詞：糧食儲(chǔ)存； 機(jī)械通風(fēng)； 多孔介質(zhì)； 數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)： TU 834.3+4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

我國(guó)是世界上最大的糧食生產(chǎn)、儲(chǔ)藏及消費(fèi)大國(guó)，糧食儲(chǔ)藏是國(guó)家為防備戰(zhàn)爭(zhēng)、災(zāi)荒及其他突發(fā)性事件而采取的有效措施，因此糧食的安全儲(chǔ)藏是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的戰(zhàn)略大事[1].但是糧食在儲(chǔ)藏過(guò)程中會(huì)因?yàn)闇囟?、濕度、自身呼吸、微生物滋生等各方面的原因發(fā)霉變質(zhì).因此，在糧食儲(chǔ)藏過(guò)程中根據(jù)其溫濕度變化情況，對(duì)其進(jìn)行降溫降濕來(lái)抑制微生物生長(zhǎng)及鼠害都是很有必要的[2-3].目前，人們通過(guò)人工倒倉(cāng)、自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)等手段對(duì)糧食進(jìn)行降溫降濕處理.然而，人工倒倉(cāng)花費(fèi)較大，自然通風(fēng)受季節(jié)限制，比較而言，相對(duì)方便靈活的通風(fēng)手段主要是機(jī)械通風(fēng)[4].但是機(jī)械通風(fēng)的均勻性很難把握，通風(fēng)不均勻很容易產(chǎn)生降溫死角.我國(guó)制定的儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)技術(shù)規(guī)程[5]規(guī)定：在亞熱帶地區(qū)，機(jī)械通風(fēng)要在糧食平均溫度與進(jìn)風(fēng)溫度之差小于3℃的情況下停止通風(fēng).最高溫度區(qū)域無(wú)疑是降溫死角，但是尋找降溫死角的傳統(tǒng)方法是通過(guò)實(shí)倉(cāng)實(shí)驗(yàn)獲得，但實(shí)倉(cāng)實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、采集數(shù)據(jù)設(shè)備易老化.因此，目前引入數(shù)值計(jì)算方法提高糧食儲(chǔ)存技術(shù)水平是非?？尚?、方便的方法.

本文利用流體力學(xué)相似性原理和量綱分析理論，以實(shí)際糧倉(cāng)原型建立模型倉(cāng)，采用數(shù)值模擬取代實(shí)倉(cāng)實(shí)驗(yàn)，從而大大減少了實(shí)驗(yàn)成本并克服了設(shè)備易老化等缺點(diǎn).本文根據(jù)模型倉(cāng)實(shí)驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)并參考相關(guān)文獻(xiàn)，確定了模擬計(jì)算所需的邊解條件，利用數(shù)值傳熱方法對(duì)糧倉(cāng)通風(fēng)時(shí)糧堆內(nèi)部的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)進(jìn)行了模擬，通過(guò)溫度場(chǎng)分析可確定降溫死角區(qū)域.這為完善糧倉(cāng)機(jī)械通風(fēng)、設(shè)計(jì)更為合理的風(fēng)道提供了依據(jù).本文使用的模型倉(cāng)及數(shù)值計(jì)算方法已在糧倉(cāng)中使用并得到驗(yàn)證[6-10].

1 實(shí)驗(yàn)原理及裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

本文根據(jù)相似性原理和量綱分析理論，將某典型平房倉(cāng)[11]按幾何比例50∶1縮小成模型倉(cāng).原型平房倉(cāng)與模型倉(cāng)的尺寸如表1所示.

根據(jù)相似性原理，同類現(xiàn)象相似的條件為：① 同名的已定特征數(shù)相等；② 單值性條件相似.本文中由于涉及到糧倉(cāng)速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的變化，因此雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)要相等[12].利用熱線風(fēng)速儀測(cè)出模型倉(cāng)支管段風(fēng)速υm=22.5 m·s-1.《儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)技術(shù)規(guī)程》[5]規(guī)定，支管段風(fēng)速最好控制在6 m·s-1以下，最高不超過(guò)9 m·s-1，一般為4～5 m·s-1.因此，取原型平房倉(cāng)支管段風(fēng)速υ=4 m·s-1[4-5]，則有

Re=υdν

（1）

Rem=υmdmνm

（2）

式中：Re、Rem分別為原型平房倉(cāng)和模型倉(cāng)雷諾數(shù)；d、dm分別為原型和模型倉(cāng)支管段直徑；ν、νm分別為原型平房倉(cāng)和模型倉(cāng)中空氣的運(yùn)動(dòng)黏度.

雖然Re不等于Rem，但是根據(jù)流體力學(xué)相似性原理，當(dāng)原型的雷諾數(shù)處于自?；瘏^(qū)時(shí)，模型的雷諾數(shù)不必保證與原型的雷諾數(shù)相等，只要與原型處于同一?；瘏^(qū)即可.因?yàn)樵推椒總}(cāng)和模型倉(cāng)的雷諾數(shù)均在第二?；瘏^(qū)（>103～104）[13]，因此可認(rèn)為相似.

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要部件有變頻器、風(fēng)機(jī)、模型倉(cāng)、T型熱電偶、阿爾泰數(shù)據(jù)采集模塊、計(jì)算機(jī)等.實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為大米.

根據(jù)《糧食平房倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]要求，模型倉(cāng)采用最常用的一機(jī)四道地槽通風(fēng)方式.圖2給出了模型倉(cāng)內(nèi)通風(fēng)地槽布置情況.實(shí)驗(yàn)采用壓入式通風(fēng)，將風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)量通過(guò)風(fēng)管送入通風(fēng)地槽，通過(guò)空氣分配器對(duì)風(fēng)量進(jìn)行均勻分配后對(duì)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行冷卻.

實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)變頻器控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)通風(fēng)量.熱線風(fēng)速儀可測(cè)出初始時(shí)刻模擬所需的溫濕度，T型熱電偶的信號(hào)通過(guò)阿爾泰數(shù)據(jù)采集模塊輸入計(jì)算機(jī)，再利用采集軟件記錄糧倉(cāng)內(nèi)溫度情況.因此可測(cè)出模擬計(jì)算時(shí)所需的初始條件，以便進(jìn)行數(shù)值模擬.

2 CFD數(shù)值模擬及理論分析

2.1 模型建立及相應(yīng)控制方程

本文對(duì)多孔介質(zhì)中的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)隨時(shí)間變化進(jìn)行研究分析.多孔介質(zhì)由氣固兩相組成，其中：固相為大米，為非連續(xù)相，以多孔介質(zhì)的形式存在；氣相為空氣，為連續(xù)相.在層流和牛頓流體的多相系統(tǒng)中，通過(guò)體積平均方法獲得計(jì)算所用的控制方程[14].

連續(xù)性方程

式中：ρ為密度；V為體積；下標(biāo)β代表空氣；C為滲透張力；P為壓強(qiáng)；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?；cp為空氣定壓比熱容；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；t為時(shí)間；T為溫度；μ為黏度系數(shù).

式（3）～（5）中所有變量均為體積平均值.基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型和理論計(jì)算的需要，本文假設(shè)：① 實(shí)驗(yàn)對(duì)象為多孔介質(zhì)模型且各向同性；② 糧倉(cāng)為木質(zhì)結(jié)構(gòu)并配有隔熱材料，壁面絕熱；③ 根據(jù)Boussinesq近似在傳熱傳質(zhì)中的應(yīng)用，除了浮升力會(huì)產(chǎn)生溫度和濃度梯度的雙重?cái)U(kuò)散影響之外，密度等可視為常數(shù)[15-17]；④ 因?yàn)榧Z食的達(dá)西數(shù)為10-8數(shù)量級(jí)[18]，因此動(dòng)量方程適用于達(dá)西定律[19].

2.2 模型倉(cāng)的3D建模

根據(jù)模型倉(cāng)具體尺寸使用建模軟件Gambit建立3D模型，利用模型倉(cāng)的對(duì)稱性，取模型倉(cāng)的1/4進(jìn)行計(jì)算.模型倉(cāng)1/4模型如圖3所示.圖中已標(biāo)出模型的進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口、大米層和空氣層，2個(gè)對(duì)稱面和其他沒(méi)標(biāo)處均為模型倉(cāng)1/4模型墻壁，空氣進(jìn)口位置即為通風(fēng)地槽位置.將建好的模型導(dǎo)入Fluent軟件中，利用實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)和由文獻(xiàn)[20-22]查到的參數(shù)設(shè)置多孔介質(zhì)模型參數(shù)并進(jìn)行模擬計(jì)算.

2.3 數(shù)值模擬及相關(guān)分析

根據(jù)《儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)技術(shù)規(guī)程》[5]規(guī)定，在亞熱帶地區(qū)糧倉(cāng)平均溫度與進(jìn)風(fēng)溫度差小于3℃時(shí)，可以停止以降溫為目的的通風(fēng).因此，當(dāng)模擬計(jì)算時(shí)間t=1 h時(shí)，糧倉(cāng)溫度可達(dá)到規(guī)定要求.為了更直觀地顯示糧倉(cāng)內(nèi)的溫度分布，取Z=0.12 m處的橫截面不同時(shí)刻的溫度等值線，如圖4所示.模擬開(kāi)始時(shí)，由T型熱電偶測(cè)得糧倉(cāng)初始溫度為309 K，由熱線風(fēng)速儀測(cè)得空氣層溫度為307 K，通風(fēng)地槽進(jìn)口溫度為298 K，風(fēng)速為0.5 m·s-1；圖4（a）為t=10 min時(shí)溫度分布情況，此時(shí)空氣層溫度已和糧倉(cāng)大米層上層溫度相同，糧食層高溫區(qū)域溫度為307.5 K，低溫區(qū)域溫度為306 K，溫度相差1.5 K；圖4（b）為t=30 min時(shí)溫度分布情況，此時(shí)糧食層高溫區(qū)域溫度為304 K，低溫區(qū)域溫度為303 K，溫度相差1 K；圖4（c）為t=60 min時(shí)溫度分布情況，此時(shí)糧食層高溫區(qū)域溫度為301.1 K，低溫區(qū)域溫度為300.5 K，溫度相差0.6 K.從圖4可看出糧倉(cāng)內(nèi)溫度場(chǎng)分布隨時(shí)間的變化情況，冷卻時(shí)間越長(zhǎng)，糧倉(cāng)內(nèi)溫度越低，溫度梯度也越小，且易找出溫度高的區(qū)域.這些區(qū)域就是因通風(fēng)不均勻產(chǎn)生的降溫死角.雖然隨著t增加溫度梯度變小，但仍可看出糧倉(cāng)內(nèi)存在一定的溫差，而且冷卻速率逐漸變小，并且這是建立在長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)機(jī)冷卻的基礎(chǔ)上.因此，吹風(fēng)后期能量消耗大但效果卻不好，所以需要完善風(fēng)道，改善降溫通風(fēng)的均勻性，以降低能量消耗，便于糧食的保存，防止細(xì)菌等滋生從而使糧食產(chǎn)生霉變.

為了便于查看糧倉(cāng)內(nèi)通風(fēng)均勻與否，取Z=0.12 m處的橫截面，該橫截面不同位置的速度和流線分布如圖5所示.從圖中可看出，空氣層速度分布在0.04～0.2 m·s-1，靠近出口處風(fēng)速較大，遠(yuǎn)離出口處風(fēng)速較小.糧食層速度分布在0.01～0.09 m·s-1，靠近墻壁處速度較小，靠近通風(fēng)地槽處速度較大.對(duì)照?qǐng)D4顯示的高低溫區(qū)域發(fā)現(xiàn)，高溫區(qū)域風(fēng)速較小，低溫區(qū)域風(fēng)速較大，這與冷卻效果相吻合.

為不同點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化，其中MAX為降溫死角，位于T1附近.從圖中可看出，雖然各點(diǎn)溫度隨時(shí)間均呈下降趨勢(shì)，但是同一時(shí)刻的溫差仍有1～2 K，降溫速率隨時(shí)間變化而減小，可見(jiàn)隨著糧食逐漸被冷卻，冷卻效果越來(lái)越差.

為了達(dá)到降溫要求[5]，需要較長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)械通風(fēng)才能使糧倉(cāng)內(nèi)溫度死角的溫度降到所要求的范圍內(nèi)，即

所謂的短板效應(yīng)，這造成了機(jī)械能的浪費(fèi).因此，均勻的機(jī)械通風(fēng)

可使糧倉(cāng)溫度整體下降，減少不必要的能量消耗.

3 結(jié)論與展望

本文將實(shí)驗(yàn)與模擬計(jì)算相結(jié)合，找出了糧倉(cāng)在機(jī)械通風(fēng)過(guò)程中的降溫死角區(qū)域，驗(yàn)證了普通糧倉(cāng)在通風(fēng)降溫過(guò)程中的不均勻性；模擬計(jì)算糧倉(cāng)通風(fēng)降溫的過(guò)程方便直觀，不僅節(jié)約了實(shí)驗(yàn)費(fèi)用而且節(jié)省了大量的時(shí)間.

本文實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用了應(yīng)用最廣泛的平房倉(cāng)一機(jī)四道機(jī)械通風(fēng)形式，但其中存在的通風(fēng)死角值得進(jìn)一步完善：① 在建立糧倉(cāng)之前，可先利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬計(jì)算，找出最佳的通風(fēng)位置和通風(fēng)方法，對(duì)其通風(fēng)地槽進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置.根據(jù)糧倉(cāng)所處地理環(huán)境、具體尺寸等找出一個(gè)有利于通風(fēng)的地槽或?qū)⒉煌L(fēng)方式進(jìn)行比較，選擇通風(fēng)均勻性最好的一種以供后期糧倉(cāng)搭建時(shí)參考.② 在原有的糧倉(cāng)基礎(chǔ)上，通過(guò)找到降溫死角，利用局部性通風(fēng)或地槽局部延長(zhǎng)配合機(jī)械通風(fēng)，這不僅可去除降溫死角，保證糧食品質(zhì)，在一定程度上降低能源消耗，而且可控性很強(qiáng).

本文為建立更為完善的實(shí)驗(yàn)與計(jì)算方法、獲得更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)以及為糧倉(cāng)的設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)提供了一定的指導(dǎo)與幫助.

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