高大平房仓U型通风道的优化设计

张海红，文向前，阮竞兰

（1.河南工业大学 机电工程学院，河南 郑州 450007；2.河南省经济管理学校，河南 南阳 473034）

高大平房仓U型通风道的优化设计

张海红1，文向前2，阮竞兰1

（1.河南工业大学 机电工程学院，河南 郑州 450007；2.河南省经济管理学校，河南 南阳 473034）

针对常用的普通U型通风道采用CFD技术，对高大平房仓的机械通风降温过程进行了优化设计，并进行了动态数值仿真.研究表明：改进后的小u型通风道采用反对称的结构设计，充分考虑了粮仓的实际温度场特征，改善了通风均匀性，消除了通风死区，有利于降低能量损失.

平房仓；通风道；优化设计；数值仿真；CFD

0 引言

储粮库的机械通风技术自从20世纪80年代开始投入试验，应用至今已越来越成熟.机械通风在降低储粮温度、避免粮堆结露、减少储粮损耗、降低熏蒸用药量和节能降耗等方面具有十分明显的作用[1].自1998年起，国家不断建设了一批大型粮库——高大平房仓，其中都配置有机械通风系统，并且多采用地上通风笼进行储粮机械通风.常见的风道多为对称形式，如一机两道（普通U型）、一机三道、土字型和主字型等.但是，在总通风量和能耗相等的情况下，不同形式风道的通风降温降水效果差别较大.风道的形式对通风均匀性、储粮整体降温效果以及能耗等方面都有影响.

本文旨在研究具有高效、低耗特性的新型风道的设计，即在总结常用机械通风道应用效果的基础上，致力于提高通风均匀性、降低能量损失等，从而利用已有的通风条件达到通风高效节能的目的.

1 U型通风道的优化设计

储粮库的实际温度场特性主要受粮食自然发热特性、库房热传导特性以及机械通风特性等几个因素影响[2].笔者在前期曾对多种常用的风道形式进行了对比研究，如图1所示.研究发现：储粮库的墙体内侧3 m以内的范围受到较大影响，升温较快，属于危险区域；而温度变化最大的位置位于墙体附近0.3～0.5 m.机械通风的风压和风量必须适应这种实际的初始条件才能够有效实现均匀降温.基于此，国内专家顾巍[2]曾提出了环形风道的改良设计.但是，在环形风道交叉处存在气流分流，使得两条通风道气流相向干扰，造成了一定的能量损失并降低了通风效率，实际应用效果并不理想.

本研究在普通U型风道基础上进行改良，设计了小u型通风道（区别于普通U型风道），如图2所示.进风管与墙体成45°方向进入后向两侧对称的伸出两条支管；其中一条管道为直管道，而另一条管道包括两段，两管道总长度相等.

图1 常用机械通风道形式

图2 小u型通风道

小u型通风道采用了反对称的设计形式，适应了粮仓的实际温度场特征.另外，风道整体系统中不需要空气分配器，减少了一个弯管，并且改进了三通管的结构，从而有望降低能量损失.

2 研究内容与方法

目前，大尺度物理模型和实仓试验仍然是粮食储藏领域研究问题的最基本方法，但由于它们具有工作量大、成本高、误差大和研究周期长等特点，尤其是实仓试验还会受到气温变化和季节的限制，因而，都不是理想的研究方法[3].储粮的机械通风降温过程实际上可认为是非固结多孔介质及通风气流之间的动量、质量和热量传输过程，其数学模型的建立是研究的重点和难点.而计算流体动力学 CFD（Computational Fluid Dynamics）技术能够较容易地解决上述难题，它具有研究成本低、周期短、仿真能力强等优点，并早已渗透到通风、干燥、空调等相近领域的研究.目前，CFD方法早已被证明其可行性和可靠性并逐步运用于储粮仓的机械通风设计和仓房的自然通风设计之中[3～4].

因此，本文将采用CFD技术对小u型通风道的机械通风降温过程进行动态数值仿真，并通过与普通U型通风道的通风降温过程进行对比，说明该小u型通风道的实用价值.

3 数值建模与计算

为简化计算，研究对象只取一个通风单元11m×23m×6m，地上通风道截面为0.34m×0.5m（鱼鳞式地上通风笼），模型计算域为通风道和粮堆所占的整个三维空间，研究过程为储粮系统的通风和降温情况随时间的变化过程.风道的具体结构尺寸根据《储粮机械通风技术规程》的要求而设计[5].

3.1 网格模型

采用Gambit软件进行建模前处理，建立三维的几何模型、划分模型网格并设置体的类型和边界条件类型.划分网格时要根据几何体特征控制网格分布，使通风笼附近分布的网格较密，其余区域网格逐渐变稀.这种网格划分能合理地减少网格数量，提高计算速度.如图3所示，小u型风道系统模型的网格总数约为42万.

图3 模型网格

3.2 边界条件

进口处设为速度边界条件（速度大小为风机流量Q=6 000 m3/h），通风气流温度恒为15℃；出口是粮堆上表面，设为自由流出口边界条件.对于墙体壁面，温度场边界设为热传导边界，墙面壁厚为0.6 m，比热为 1 000 J·kg-1·K-1，热传导系数为3W·m-1·K-1；流场边界设为固定墙边界.两侧面为对称的介质边界.粮堆呈现多孔介质的特性，因而将其设为Porous Zone，计算模型采用多孔介质理论模型.

<1)，且各件产品是否为不合格品相互独立．

3.3 初始条件

为了仿真通风气流的流动状况和粮食的降温情况随时间的变化，数值计算采用瞬态求解.系统内初始气速为0 m/s，初始粮温为25℃，均匀分布，粮堆内无热源.

4 结果与讨论

4.1 温度场分析

图4 小u型风道通风12 h和72 h后的温度

如图 4（a）、4（b）分别是小 u型风道系统通风12 h和72 h后粮堆的温度平面分布云图，小u型风道通风降温12 h后，地面附近（1 m以下）仅一半区域得到了降温，其他区域仍未受影响.进口处降温效果较好，而随着管道的深入降温效果逐渐变差.通风72 h后降温效果显著，20℃以下的区域占整个粮堆的90%，基本上消除了死区.还可以看出：两条支管道末端的降温效果接近，这是因为两条支管的总长度相等，这种设计结构有利于提高整体降温的均匀性.可见，小u型通风道对于高大平房仓的适应性较好.

图 5（a）、5（b）分别是普通 U型和小 u型风道系统通风72 h后粮堆的温度空间分布云图，通过对比可以看出：普通U型风道系统的粮堆温度呈现对称分布，该系统的降温效果较差，在边角处以及管道之间仍存在部分死区，若要消除必须继续延长通风时间.小u型风道系统由于风道结构的非对称致使粮堆温度也呈现非对称分布，该系统整体的降温效果较好，且基本上消除了死区.另外，根据整个粮堆体积平均的统计数据：普通U型风道通风降温12 h后平均粮温降为23.6℃，72 h后降为18.1℃；小u型风道通风降温12 h后平均粮温降为23.4℃，72 h后降为17.4℃.因此可以认为：改进后的小u型风道比普通U型风道更适应粮仓的实际温度场特征，改善了通风均匀性，使整体降温效果更好.

图5 U型和小u型风道通风72 h后的温度

4.2 压力场分析

图6 小u型风道沿程压力

图6是小u型风道的沿程压力分布线图（进口压力为400 Pa），可以看出：沿跨度方向的压力分布呈现两端高、中间低的特点，这正好与粮仓的实际温度场特征相适应.也就是说，风道的最大压力正好位于粮仓的危险区域（墙体内部3 m内），这有利于消除墙体附近的通风死区.

4.3 能量损失分析

图 7（a）、7（b）分别是普通 U型和小 u型风道系统内的气流湍动能（湍流脉动动能）分布云图，通过对比可以看出：普通U型风道的三通管和弯管处的湍动能分别大于小u型风道交叉管和弯管处的湍动能.另一方面，结合气流流动的矢量图可知此两处的湍流涡动结构并没有大涡，只有将能量耗散为内能的小涡.因此，普通U型风道在流速较高的区域存在两次90°转角，造成了较大的能量损失；而小u型风道的结构降低了气流撞击管壁引起的能量损失，且有利于减少气流流动过程中内能的产生.

图7 普通U型和小u型风道系统湍动能

5 结论

通过采用CFD技术对高大平房仓的机械通风降温过程进行动态数值仿真，对通风机理做了一定的理论研究，为进一步研究储粮机械通风提供了很好的思路和参考.

针对常用的普通U型通风道进行优化设计，分析了小u型通风道的设计原理和可行性.对比普通U型和小u型通风道系统的通风降温过程后得出结论：改进后的小u型通风道采用反对称结构设计，充分考虑了粮仓的实际温度场特征，改善了通风均匀性，并有利于消除墙体附近的通风死区；风道中不需要空气分配器，减少了弯管的存在，并且改进了三通管的结构，从而有利于降低能量损失.因此，小u型通风道具有较大的实用价值.

［1］王德学，楚宜民，王风玲，等.机械通风储粮节能降耗技术［J］.粮油加工，2010（9）：68-69.

［2］顾巍.环形通风地槽对实际温度场特征的适应性研究［J］.中国粮油学报，2009，24（1）：102-106.

［3］李琼，汪喜波，杨德勇.CFD方法在仓储粮堆温度场研究中的应用探索［J］.粮食储藏，2008，37（3）：21-24.

［4］Griffith Faulkner.Numerical investigation into the aeration of grain silos［D］.Toowoomba：University of Southern Queensland，2004.

［5］LS/T1202-2002，储粮机械通风技术规程［S］.

OPTIMIZATION DESIGN OF U-SHAPED AIR CHUTE OF LARGE HORIZONTAL BIN

ZHANG Hai-hong1,WEN Xiang-qian2,RUAN Jing-lan1
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou 450007,China;2.Henan Economics&Management School,Nanyang 473034,China）

In the paper,we carried out optim ization design and dynam ic numerical simulation of the common U-shaped air chute of themechanical ventilation cooling process of a large horizontal bin using CFD technique.The results showed that the optim ized U-shaped air chute had an antisymmetric structure,which fully considered the characteristics of the actual temperature field of the grain bin,thereby improving the ventilation uniform ity,elim inating the dead zone and reducing the energy loss.

horizontal bin； air chute； optimization design； numerical simulation； CFD

TS210.3

B

CNKI:41-1378/N.20111220.1501.012

1673-2383（2011）06-0059-04

http://www.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20111220.1501.012.html

网络出版时间：2011-12-20 03:01:44PM

2011-07-23

河南工业大学校科研基金（08XJC004）

张海红（1979-），女，山东潍坊人，讲师，主要从事粮油食品机械的教学与科研工作.