劉文磊，王 軍，張宏偉

河南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001

我國是世界產(chǎn)糧大國，同時(shí)也是儲藏糧食較多的國家之一。儲糧生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)熱的主要原因?yàn)榧Z堆內(nèi)生物體的呼吸產(chǎn)熱以及季節(jié)變化引起的糧食表面溫度的升高[1]。在整個(gè)糧食儲藏周期中，由于倉內(nèi)溫度、水分過高造成了大量的糧食損失。高大平房倉由于糧堆高與倉儲體積大，倉體材料隔熱性能差，隨周圍環(huán)境溫度變化明顯，夏季糧堆溫度遠(yuǎn)高于安全儲糧溫度，低溫儲糧是保證倉內(nèi)糧堆安全與品質(zhì)的關(guān)鍵。

靜態(tài)儲糧期間，由太陽輻射與外界溫度通過糧倉壁面?zhèn)鬟f至倉內(nèi)的熱量，是引起糧溫升高的主要原因。通過在倉房內(nèi)利用保溫隔熱架設(shè)吊頂，能有效降低糧堆上部氣流向下傳導(dǎo)的熱量，從而降低糧堆溫度。

國內(nèi)外已有諸多學(xué)者通過試驗(yàn)與模擬研究了倉內(nèi)架設(shè)保溫隔熱吊頂后糧堆溫度的變化。艾全龍[2]對架設(shè)了保溫隔熱吊頂?shù)募Z倉進(jìn)行溫度監(jiān)測試驗(yàn)，結(jié)果表明采用吊頂后倉溫以及表面糧溫都有明顯下降。安西友等[3]通過對倉內(nèi)進(jìn)行吊頂隔熱處理，有效降低了夏季倉內(nèi)糧堆的整體溫度。孫振北[4]對倉內(nèi)吊頂控溫進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出進(jìn)行隔熱改造后倉溫、上部及整倉糧溫有明顯下降。魏金高等[5]用PEF板對倉內(nèi)糧堆進(jìn)行覆蓋，能夠有效控制糧堆溫度上升，達(dá)到隔熱的目的。Ruska 等[6]對儲存在圓柱試驗(yàn)箱中的小麥溫度加載當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了小麥高溫區(qū)域發(fā)生在糧堆頂部表面及中心處。李志民等[7-8]對不同類型糧倉在各種外界環(huán)境變化下的現(xiàn)場檢測，得出了不同工況下糧堆溫度的變化規(guī)律。張忠杰等[9]利用CFD對不同尺寸糧倉靜態(tài)儲糧的溫度變化進(jìn)行了模擬，得出了糧倉長寬方向糧堆溫度變化具有與外界環(huán)境相同的趨勢。蔣華偉等[10-11]建立了糧堆單一溫度場的數(shù)學(xué)模型，模擬了糧堆內(nèi)部發(fā)熱狀態(tài)下溫度場變化。金立兵等[12]通過實(shí)測與模擬相結(jié)合，得到了地下儲糧倉一年內(nèi)不同月份溫度場隨時(shí)間的變化情況。錢永剛等[13]通過CFD模擬了采用架空隔熱層時(shí)糧倉倉頂?shù)臏囟茸兓?，結(jié)果表明架空隔熱層以及空氣流動(dòng)的速度對倉頂溫度有明顯影響。許鵬[14]對平房倉糧面鋪設(shè)冷氣囊隔熱層進(jìn)行數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)相比，糧溫得到了有效抑制。

作者利用COMSOL軟件分別建立了架設(shè)隔熱吊頂前后靜態(tài)儲糧的高大平房倉三維物理模型，對糧倉及糧堆的傳熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。分析了架設(shè)隔熱材料后糧堆表面平均溫度與整倉的平均糧溫變化，并與不架設(shè)隔熱吊頂結(jié)果進(jìn)行對比。

1 模型模擬

1.1 高大平房倉吊頂隔熱系統(tǒng)物理模型

模擬所選的平房倉為浙江某高大平房倉，倉房長×寬×高為29.37 m×20.44 m×8.2 m，糧堆高度為6 m，平房倉墻體采用空心磚墻結(jié)構(gòu)，房頂采用預(yù)應(yīng)力混凝土板，倉底為混凝土地面，倉內(nèi)屋架下安裝保溫隔熱吊頂。考察準(zhǔn)靜態(tài)儲糧期間溫度的變化，模擬對象為平房倉結(jié)構(gòu)、保溫隔熱吊頂以及內(nèi)部的糧堆區(qū)域。利用COMSOL軟件建立高大平房倉吊頂隔熱系統(tǒng)三維物理模型如圖1所示，計(jì)算域由糧堆與倉內(nèi)上部空氣層2個(gè)體區(qū)域組成。對糧倉整體物理模型采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，對局部采取細(xì)化操作共劃分為170多萬個(gè)網(wǎng)格。

圖1 高大平房倉吊頂隔熱系統(tǒng)三維物理模型

1.2 COMSOL模擬參數(shù)設(shè)置

1.2.1 外部儲糧條件

在靜態(tài)儲糧過程中外界環(huán)境溫度是糧堆溫度變化的主導(dǎo)因素。實(shí)測糧庫倉房2017年外界氣溫變化情況，結(jié)果如圖2所示。可知外界環(huán)境溫度一般在0 ℃以上，7～9月為全年較高氣溫，此時(shí)糧堆溫度可達(dá)到最高。

圖2 浙江某高大平房倉2017年各月外界氣溫變化

對圖2曲線進(jìn)行近似擬合得出外界環(huán)境溫度變化函數(shù)，

T=-0.606 4(t/2 592 000-7.07)2+197.42,

(1)

式中：T為外界環(huán)境溫度，K；t為時(shí)間，s。

以上一年度12月底的平均溫度作為倉內(nèi)糧堆以及倉壁的初始溫度，以2017年實(shí)測倉房的外界溫度作為外界環(huán)境溫度，模擬計(jì)算一年內(nèi)糧堆溫度變化，每個(gè)月按30 d進(jìn)行計(jì)算。

1.2.2 壁面邊界條件

糧倉壁面受外界環(huán)境溫度變化影響明顯，倉壁溫度變化直接影響靜態(tài)儲糧過程中糧堆溫度。在長時(shí)間儲糧過程中對倉壁的太陽輻射與對流換熱是外部傳熱的主要因素，在加載太陽輻射模型時(shí)，外界實(shí)際環(huán)境以及對倉頂與四周壁面的太陽輻射量不盡相同，計(jì)算結(jié)果不僅復(fù)雜而且會造成較大誤差。將倉頂四周壁面的太陽輻射轉(zhuǎn)化為倉壁熱的吸收溫度，與外界環(huán)境溫度組成綜合溫度進(jìn)行計(jì)算，倉房底面為絕熱壁面。

1.2.3 稻谷糧堆屬性

在COMSOL軟件處理過程中會將倉內(nèi)糧堆作為獨(dú)立的多孔介質(zhì)來計(jì)算，稻谷籽粒間存在空隙，倉內(nèi)空氣會在孔隙流動(dòng)過程中攜帶熱量的傳遞。糧堆靜態(tài)儲糧過程中的傳熱研究主要涉及稻谷堆的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度與孔隙率等參數(shù)，它們對數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建以及模擬計(jì)算產(chǎn)生很大影響。平房倉內(nèi)儲存糧種為江西產(chǎn)秈稻，根據(jù)實(shí)測以及相關(guān)資料得到其具體參數(shù)。

1.2.4 隔熱材料屬性

平房倉所用的吊頂材料為聚氨酯保溫板，是以聚氨酯硬泡為芯材，單面軋花鋁板合成的復(fù)合板材，材料導(dǎo)熱系數(shù)低且具有良好的隔熱效果。吊頂安裝不會破壞原有倉房屋架結(jié)構(gòu)，倉頂壁面所吸收的熱量需要通過隔熱吊頂再傳導(dǎo)入糧倉內(nèi)部，在夏季高溫期間能有效降低糧堆溫度的升高，隔熱吊頂能夠起到明顯作用。

COMSOL數(shù)值模擬過程中準(zhǔn)確設(shè)置參數(shù)對糧堆內(nèi)熱傳遞的計(jì)算有很大影響。COMSOL數(shù)值模擬靜態(tài)儲糧過程中各邊界條件與材料屬性的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 COMSOL數(shù)值模擬的相關(guān)條件和材料參數(shù)設(shè)置

1.3 糧堆內(nèi)熱傳導(dǎo)(控制)方程

倉內(nèi)糧堆在儲藏期間都需遵守質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒以及能量守恒方程[15]，在COMSOL數(shù)值模擬過程中會自動(dòng)代入平衡方程進(jìn)行求解。

質(zhì)量守恒方程：

(2)

式中:ρa(bǔ)、ρf分別為空氣密度、參考溫度下的空氣密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；μf為參考溫度下的空氣速度，m/s；xf為x方向變化量。

動(dòng)量量守恒方程：

(3)

式中:φμ為空氣速度變化量，m/s；K為糧堆的滲透率；?p為水蒸氣分壓梯度；δy為定溫狀態(tài)下水分含量變化而引起的分壓變化量；g為重力加速度，m/s2；β為空氣膨脹系數(shù)；T0、T為參考溫度、當(dāng)前溫度，K。

能量守恒方程：

(4)

式中:ρg為稻谷糧堆的干密度,kg/m3;ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3；Cg為稻谷糧堆的比熱容，kJ/(kg·K);Ca為空氣的比熱容，kJ/(kg·K)；Kg為稻谷糧堆的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；hfg為常量，為2 476.55 kJ/kg；Wg為干基水分，%；qh為呼吸釋放熱量,kJ；Yco2為糧堆呼吸每天CO2釋放率。

在靜態(tài)儲糧過程中不存在強(qiáng)制的對流換熱與通風(fēng)過程，糧堆與孔隙之間的氣流溫差可以忽略，故不考慮由溫度變化引起的自然對流傳熱。糧倉是由倉壁與糧堆間的熱傳導(dǎo)為主，熱量傳導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型為：

Q=-kT,

(5)

式中：Q為熱通量密度，kJ/(m2·s)；k為糧堆的熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m·K)；T為糧堆的溫度，K。

2 模擬結(jié)果與分析

通過COMSOL軟件數(shù)值模擬了高大平房倉靜態(tài)儲糧一年內(nèi)糧堆溫度變化，對比不架設(shè)隔熱吊頂與架設(shè)隔熱吊頂后倉內(nèi)整體糧堆的平均溫度以及上層糧堆平均溫度，得出靜態(tài)儲糧過程中熱傳導(dǎo)規(guī)律，驗(yàn)證了架設(shè)吊頂材料的隔熱性能。

2.1 不架設(shè)隔熱吊頂倉內(nèi)糧溫分布

圖3為高大平房倉不架設(shè)隔熱吊頂靜態(tài)儲糧一年內(nèi)糧堆溫度變化情況。由圖3可知，糧堆溫度受外界季節(jié)性氣溫變化影響明顯。在靜態(tài)儲糧前3個(gè)月時(shí)，倉內(nèi)糧堆處于較低溫度，隨著外界環(huán)境溫度逐漸上升，靠近糧倉壁面處的糧堆溫度上升較快，并逐漸向糧堆內(nèi)部進(jìn)行熱傳遞；靜態(tài)儲糧6個(gè)月時(shí)，外界環(huán)境溫度保持持續(xù)上升趨勢，倉內(nèi)空氣受環(huán)境溫度變化影響后上升比較明顯，距倉壁較遠(yuǎn)處糧堆溫度也有一定幅度上升；靜態(tài)儲糧9個(gè)月時(shí)，外界環(huán)境溫度相比一年內(nèi)最高溫度略有下降，但糧堆之間溫度的傳導(dǎo)是緩慢而持續(xù)的過程，糧堆內(nèi)部溫度仍呈現(xiàn)緩慢升高的趨勢。由于外界溫度對倉壁影響最為明顯，倉壁附近處糧堆溫度會出現(xiàn)小幅度下降；靜態(tài)儲糧12個(gè)月時(shí)，外界環(huán)境達(dá)到最低溫度，倉壁面處糧溫達(dá)到最低，距倉壁1～3 m處會出現(xiàn)相對高溫帶，主要是由于糧堆的熱傳導(dǎo)性較差，內(nèi)部溫度不能及時(shí)傳遞出去從而形成相對高溫帶。由于倉內(nèi)熱傳導(dǎo)難以傳遞到糧堆底部，在整個(gè)靜態(tài)儲糧過程中倉內(nèi)中心及底部糧堆溫度一直保持較低狀態(tài)。

圖3 不架設(shè)隔熱吊頂一年內(nèi)糧堆溫度變化

2.2 架設(shè)隔熱吊頂后倉內(nèi)糧溫分布

圖4為高大平房倉內(nèi)架設(shè)隔熱吊頂后靜態(tài)儲糧一年內(nèi)的糧堆溫度變化情況。由圖4可知，架設(shè)隔熱吊頂后倉內(nèi)糧溫分布與不加隔熱吊頂時(shí)變化趨勢及傳熱過程基本一致。在春季儲糧期間，由于外界環(huán)境溫度較低，倉壁溫度通過隔熱吊頂傳導(dǎo)后倉內(nèi)整體糧溫變化幅度較小，與不架設(shè)隔熱吊頂整體糧溫基本一致；在夏秋季儲糧期間，外界環(huán)境溫度大幅度提高，倉壁溫度會明顯高于糧堆溫度，在架設(shè)隔熱吊頂后，倉壁向糧堆所進(jìn)行的傳熱過程首先要經(jīng)過隔熱層，由于隔熱材料具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，在夏秋季由倉壁傳導(dǎo)至糧堆的熱量會有明顯幅度的降低，糧堆整體平均溫度相較不設(shè)隔熱吊頂明顯降低；在冬季儲糧期間，外界環(huán)境溫度達(dá)到最低，糧倉壁面向倉內(nèi)傳遞過程與不設(shè)隔熱吊頂相似，倉內(nèi)糧堆中心及底部溫度處于較低狀態(tài)，兩種倉內(nèi)糧堆平均溫度在冬季期間基本相同。

圖4 架設(shè)隔熱吊頂一年內(nèi)糧堆溫度變化

2.3 隔熱效果比較分析

2.3.1 架設(shè)隔熱吊頂前后倉內(nèi)整體糧堆平均溫度的比較

通過對比倉內(nèi)架設(shè)隔熱吊頂前后每季度的溫度分布，在COMSOL軟件中提取出靜態(tài)儲糧過程中整體糧堆平均溫度。架設(shè)隔熱吊頂前后每月糧堆整體平均溫度變化曲線如圖5所示。

圖5 架設(shè)吊頂前后倉內(nèi)糧堆整體平均溫度曲線

由圖5可知，架設(shè)吊頂前后倉內(nèi)糧堆整體平均溫度變化趨勢相似，糧堆整體溫度也呈現(xiàn)出季節(jié)變化的特征，夏季期間糧堆整體溫度上升較快，冬季期間整體糧溫會有所下降。架設(shè)吊頂后糧堆整體平均溫度相較不架設(shè)時(shí)平均下降2～3 ℃，隔熱吊頂對整體平均糧溫有一定影響，但由于倉內(nèi)糧堆內(nèi)部存在大部分低溫區(qū)域，整體平均溫度在增加隔熱吊頂后下降并不明顯。

2.3.2 架設(shè)隔熱吊頂前后倉內(nèi)上層平均糧溫的比較

通過對比倉內(nèi)架設(shè)隔熱吊頂前后每季度的溫度分布，在COMSOL軟件中提取出靜態(tài)儲糧過程中倉內(nèi)上層平均糧溫。根據(jù)架設(shè)隔熱吊頂前后上層平均糧溫隨時(shí)間變化的規(guī)律繪制出溫度變化曲線，結(jié)果如圖6所示。

圖6 架設(shè)吊頂前后倉內(nèi)上層平均糧溫曲線

由圖6可知，架設(shè)吊頂前后倉內(nèi)上層平均糧溫相較整體平均糧溫上升幅度大，上層糧堆平均溫度均會高于整體平均糧溫。架設(shè)吊頂后上層平均糧溫相較不架設(shè)時(shí)平均下降3～4 ℃，這是由于上層糧堆離倉頂壁面較近，熱傳導(dǎo)更直接與持續(xù)，吊頂可以起到有效隔熱作用，控制上層糧溫的上升幅度。

3 結(jié)論

靜態(tài)儲糧過程中倉內(nèi)糧溫隨外界環(huán)境變化較大。當(dāng)外界溫度升高時(shí)，壁面處的糧堆溫度上升較快，隨著糧食與壁面之間的距離增加，糧堆溫度變化緩慢。糧堆溫度隨外界環(huán)境溫度變化明顯，并表現(xiàn)出隨季節(jié)變化的趨勢。架設(shè)隔熱吊頂前后，糧堆溫度分布趨勢相同。對比架設(shè)吊頂前后倉內(nèi)糧堆整體平均溫度，架設(shè)吊頂后糧堆整體平均溫度相較不架設(shè)時(shí)平均下降2～3 ℃，整體平均溫度在架設(shè)隔熱吊頂后有一定程度下降。對比架設(shè)吊頂前后倉內(nèi)上層平均糧溫，架設(shè)吊頂后上層平均糧溫相較不架設(shè)時(shí)平均下降3～4 ℃，架設(shè)隔熱吊頂能明顯降低上層糧溫。