钢筋混凝土地下粮仓准静态温度场数值模拟

陈桂香 岳龙飞 王振清 王海涛 张 虎

钢筋混凝土地下粮仓准静态温度场数值模拟

陈桂香1，2岳龙飞1王振清1，2王海涛1张 虎2

（河南工业大学土木建筑学院1，郑州 450001）
（河南工业大学设计研究院2，郑州 450001）

研究准静态温度场可以为地下粮仓设计提供参考和依据。采用计算流体动力学（CFD）数值模拟方法，建立了大直径钢筋混凝土地下粮仓的物理模型，根据粮仓实体围护结构和地下环境条件，研究地下粮仓在不通风情况下温度场的变化规律，分析粮堆温度总体变化趋势和温度场与仓内几何尺寸关系等问题。研究结果表明随着时间变化，地下粮仓内粮堆温度由外到内逐渐趋向于所处恒温层温度，仓中通风道内空气柱能起到均匀降温的作用。

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地下储粮（underground grain storage）是一种利用地下土体和岩体空间进行储粮的方法。地下储粮在我国已有几千年历史，早在仰韶文化期间就利用地下窖藏储存粮食。地下粮仓利用浅层低温效应和密闭效应使粮食处于封闭低温度场中，并通过仓体围护结构影响储粮温度，无需机械制冷即可实现低温储粮，可以减缓储粮品质衰变过程和限制生虫条件，实现节地、节能、减损及绿色储粮。我国现有的地下粮仓主要分2种：北方地区以地下喇叭仓为主，南方地区以山洞仓为主［1-3］。这些地下粮仓的建造需要依托特殊的地质条件，仓容量小，机械化程度低。大直径钢筋混凝土地下粮仓是一种新型地下粮仓，它在保留现有地下粮仓优点的同时，克服了现有地下粮仓部分缺点，实现了自动化、机械化、散粮化大规模储粮。掌握地下环境对大直径钢筋混凝土地下粮仓仓体围护结构影响的作用机理，并准确预测仓内粮堆温度场变化的规律，是发掘浅层低温储粮优势和确保地下粮仓粮食安全储藏的基础，对地下大直径钢筋混凝土筒仓推广具有重要意义［4-5］。

目前国内外还没有建成现代化大型地下粮仓，地下粮仓储粮环境生态系统研究成果较少。粮食储藏过程中粮堆内温度变化情况复杂，采用实仓测量和试验研究的方法，获得粮食储藏过程中温度场分布并预测其变化趋势较困难。目前，数值模拟是一种经济有效的研究手段，国内外学者已有采用数值模拟的方法研究储粮生态系统［6］。Chang等［7-8］采用有限差分方法，提出了一个预测小麦通风状态下温度和水分变化的数学模型。Thorpe［9］通过编写用户自定义文件（UDF），利用CFD数值模拟通风过程中粮堆与湿空气之间的水分和热量传递。彭威等［10］给出了仓储粮堆静态储藏和机械通风2种模式下的CFD数值模拟结果，分析了机械通风技术和CFD数值模拟技术在粮食安全储藏中的应用前景。张忠杰等［11］进行了高大平房仓准静态仓储粮堆温度场变化过程的CFD数值模拟，可以为粮仓通风系统优化设计提供参考和依据。任广跃等［12］采用CFD数值模拟方法研究了仓储粮堆机械通风过程中的压力场分布，用于预测仓储粮堆的压力场。王远成等［13］以实例介绍了CFD数值模拟技术在储粮通风中的应用情况。顾巍［14］采用CFD模拟、模型试验测量和实仓试验的方法，设计了一种环形回流通风地槽形式，可有效降低通风阻力、消除通风死角和提高通风效率。

大直径钢筋混凝土地下粮仓粮食储藏周期较长，不通风情况下的准静态储藏过程占整个粮食储藏周期的大部分时间。地下自然环境、仓体围护结构和粮堆之间的温度场变化是影响储粮稳定性的主要外部因素，本试验采用CFD数值模拟方法，以某大直径混凝土地下粮仓为研究对象，实现了一年储藏周期内温度场分布及其变化情况的数值模拟，并对模拟结果进行了分析和讨论。

1 大直径混凝土地下粮仓的物理模型

以郑州地区拟建的某大直径钢筋混凝土地下粮仓为研究对象，图1为群筒仓结构平面布置图。混凝土仓的内径为25 m，平面组合为2排5列，总仓容为5.3万 t。顶盖采用钢筋混凝土梁板结构，板厚0.25 m，仓体侧壁厚度0.35 m，仓底板厚度0.8 m，单仓结构总高度20.25 m，总深度为24.25 m。单仓筒中央有一钢筋混凝土管道，用作机械通风管道和进出粮管道，其半径为1.25 m，壁厚0.25 m。图2为地下粮仓单仓剖面图。

本试验在模拟中不涉及机械通风过程，所以研究对象仅包括粮仓顶板、墙壁、底板和通风管道等钢筋混凝土实体结构，粮堆高度为18.25 m，粮堆上表面距仓房顶板的距离为2 m。

图1 钢筋混凝土地下粮仓群仓平面布置图

图2 钢筋混凝土地下粮仓单仓剖面图

图3 钢筋混凝土地下粮仓单仓三维物理模型

根据已知研究对象的物理条件，利用CFD前处理软件ICEM建立模型并进行非结构网格划分，共计982万网格。模拟区域包括粮堆、仓内上部空气层和通风管道内空气柱3个独立流体区域。粮堆与其上部空气层相互连通，通风管道内空气柱与前2个区域以钢筋混凝土墙壁隔开，图3为大直径钢筋混凝土地下粮仓单仓三维物理模型。

2 数值模拟的参数设置

2.1 环境温度

在土壤的恒温带，土壤导热与太阳辐射热之间的相互影响将达到热量平衡。恒温带的深度与温度受纬度、高度、岩性、地表水体的分布等因素影响。地下粮仓受地表浅层低温土壤的影响，常年处于低温稳定状态，地下粮仓粮堆准静态储藏过程中，主要受到所处恒温带的影响［15］。资料显示，郑州地区的地层恒温带深度为27 m，恒温带温度为17℃，全年温度变化不超过0.5℃，地温梯度属正常梯度范围，在2.47～3.18℃／100 m之间。地表4 m以下的土壤温度变化不大，基本处于恒定状态，在此研究中地表气温变化对仓内空气相关参数的影响可以忽略不计［16］。本研究对象处在地下4～24.25 m，因此可以假定研究对象处于恒定为17℃的温度场中［17］。

2.2 地下粮仓边壁温度

在1年的粮食储藏周期内，粮食处于没有机械通风的准静态，外界环境通过改变粮仓边壁温度，从而影响粮仓内的粮食生态系统。Fluent软件中有固定热通量、固定壁面温度、固定对流换热、外界辐射换热、对流与外界辐射综合换热5种壁面热边界条件。通风管道边壁介于风道内空气柱与粮堆、仓顶空气层之间，利用温差进行热量交换。地下粮仓处于浅层恒温层中，粮仓墙壁外界稳定低温度场是影响粮堆内温度场分布的主要因素，因此粮仓墙壁采用固定壁面温度条件处理，粮仓墙壁热流量为

式中：hf为流体对流的换热系数；Tw为墙壁面温度；Tf为墙壁内表面的空气温度；qrad为墙壁外表面的辐射热流量［18］。

2.3 数值模拟的参数设置

在散粮堆积区域内，是以谷物颗粒作为骨架的多孔介质，谷物颗粒之间构成了一定的空隙，空隙空间相互连通。在机械通风过程中，湿空气可以在谷物空隙之间流动。将散粮堆积区域作为多孔介质区域进行数值模拟。湿空气在多孔介质孔隙中流动时需要克服粮堆阻力，包括黏性阻力和惯性阻力。在CFD数值模拟过程中，可以通过向标准动量偏微分方程增加一个动量源项来描述空气流动阻力。粮堆可以看作各向同性的均匀多孔介质，因此空气流动阻力可表示为

式中：α是渗透性系数；C2是内部阻力因子；μ是空气分子间的黏性。

式中：Dp为粮食颗粒平均直径；φ为粮堆颗粒多孔介质孔隙率［19］。

假定粮堆是6月入仓的夏粮，根据香港天文台资料可知郑州地区6月的平均气温为25.9℃，假设该研究中地下粮仓中粮堆初始温度为26℃［20］。进行仓储粮堆准静态储藏过程的CFD数值模拟时，主要参数的确定十分重要，表1给出了相关主要参数的设定值。

表1 CFD模拟的条件设置及具体参数

3 结果与讨论

由于地下粮仓周围的土壤温度基本上恒定不变，假定粮堆是6月入仓的夏粮，模拟总时间为1年，共12个月，每天按24 h计算，共计8 640 h。

3.1 粮堆温度场云图

图4～图7分别给出了2 160 h（3个月），4 320 h（6个月），6 480 h（9个月）和8 640 h（12个月）地下粮仓中垂面温度场云图（YZ轴）。由图4～图7可知，粮仓上部空气层温度与边壁恒定温度基本一致，中央混凝土风道将粮堆分为对称的2个温度场。随着时间的增加，粮堆温度场的较高温度区域不断减小，粮堆温度场冷却前沿由外向内存在明显的分层现象。粮堆与粮仓环形墙壁接触面冷却前沿移动速度与粮仓底板接触面冷却前沿、粮堆上部空气接触面冷却前沿移动速度大致相同，但三者移动速度均明显大于粮堆与中央风道墙壁接触面冷却前沿移动速度。随着储藏时间的增加，2部分粮堆温度逐渐降低并透过仓中央风道形成连通等温温度场。

图5 4 320 h地下粮仓中垂面（YZ）温度场云图

图6 6 480 h地下粮仓中垂面（YZ）温度场云图

图7 8 640 h地下粮仓中垂面（YZ）温度场云图

3.2 仓内温度变化趋势

图8 给出储藏过程中空气层、粮堆和风道空气柱平均温度预测值。由图8可知，粮堆上部空气层温度、粮堆平均温度和风道空气柱温度均在降低，粮堆上部空气层温度下降最快，粮堆平均温度下降速度最慢。粮堆上部空气层温度经过12个月下降至18.02℃，粮堆平均温度经过12个月下降至21.42℃，风道空气柱温度最初3个月下降，然后其温度逐渐上升，经过12个月其温度与粮堆温度趋于一致。

图9给出了地下粮仓热量交换示意图。由图9可知，受较低的外界温度场影响，与粮堆进行热量交换的有仓顶空气层、仓四周环形边壁、仓底漏斗形边壁、中部风道空气柱等。其中粮仓四周环形边壁和仓底漏斗形边壁直接与外界环境进行热量交换；仓顶空气层与仓顶边壁进行热量交换。

图8 仓顶空气层、粮堆和风道空气柱平均温度预测值

图9 地下粮仓热量交换示意图

为了明确风道空气柱对粮堆均匀降温的影响，需要分析风道空气柱温度变化的影响因素。风道空气柱温度变化的主要影响因素有：柱顶边壁、柱底边壁、粮堆和粮堆上部空气层。外部低温环境通过柱顶边壁、柱底边壁与风道空气柱进行热量交换，导致风道空气柱温度逐渐接近外部低温环境的温度。由于粮堆上部空气层温度下降较快，风道空气柱与空气层通过风道混凝土墙壁进行热交换，导致风道空气柱温度逐渐趋向于粮堆上部空气层温度。因为混凝土导热系数远大于粮堆导热系数，所以外部低温环境对风道空气柱温度的影响大于其对粮堆温度的影响。

随着粮堆冷却前沿的移动，风道两侧粮堆“热心”不断缩小，中部靠近风道的粮堆温度明显降低，此时粮堆与风道之间温差逐渐减小，2个粮堆的温度场趋向于相同，2个温度场穿过风道空气柱出现连通区域，且温度场连通区域的面积不断增大。该现象的出现是因为粮堆与风道空气柱之间的温差在逐渐减小，导致风道空气柱与上顶边壁和下底边壁以及仓顶空气层的热交换量减小。风道空气柱中部的热交换量（与粮堆热交换量）大于两端的热量交换量（与上顶边壁和下底边壁以及仓顶空气层热交换量），导致风道空气柱中部温度逐渐趋向于粮堆温度，出现风道空气柱中部温度升高现象，而后随着整个粮堆平均温度共同降低。与图4～图7给出了地下粮仓中垂面（YZ）一年内温度场变化云图给出结果一致。

4 结论

本试验选取钢筋混凝土地下粮仓作为研究对象，通过对外界环境和仓体的分析，确定模拟方案，进行了地下准静态储粮温度场8 640 h的CFD数值模拟，通过对模拟结果分析讨论，得到以下结论：

4.1 高温季节进高温粮静态储藏条件下的降温时间较长，宜适时机械通风降温；低温季节入粮不需要机械通风来进行冷却，粮仓处于低温的土壤温度场，可使粮堆处于低温储藏状态，达到节能、绿色储粮要求。

4.2 在地下粮仓准静态储粮过程中，仓体中央混凝土风道空气柱连通仓顶和仓底，连通粮堆内部与仓顶空气层，能很好隔离大体积粮堆，避免出现热量中粮堆中央大量堆积，提高降温效率和均匀性。合理利用地下粮仓储粮结构中材料特质差异，可以作为一种优化地下粮仓储粮生态系统方式。

4.3 地下粮仓储粮品质与安全和地下粮仓准静态储粮温度场有密切联系，研究地下粮仓准静态温度场可以为地下粮仓的设计提供参考和依据。

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Quasistatic Temperature Field Simulation of Reinforced Concrete Underground Warehouse Grain

Chen Guixiang1，2Yue Longfei1Wang Zhenqing1，2Wang Haitao1Zhang Hu2
（College of Civil Engineering and Architecture，Henan University of Technology1，Zhengzhou 450001）
（Henan University of Technology Design and Research Academy2，Zhengzhou 450001）

Research on quasi-static temperature field can provide reference and basis for the design of underground warehouse.CFD mathematical models and simulation schemes have been established；the simulation area and boundary conditions had also been determined；dividing grids and selecting models according to underground warehouse structure and environmental temperature.In the paper，the CFD method has been adopted to simulate the temperature field of stored bulk grain in major diameter concrete underground warehouse without ventilation.The temperature fields and the temperature alterations with ambient temperature and geometric dimension relations were simulated by the methods described above.The results showed that the temperature of stored bulk grain tend was similar to the temperature of the constant temperature layer soil；moreover，the column of air duct of underground warehouse could help to cool the stored bulk grain in underground warehouse uniformly.

underground warehouse，quasi-static temperature field，CFD

S379

A

1003-0174（2014）03-0079-05

时间：2014-02-12 09：54

网络出版地址：http：／／www.cnki.net／kcms／detail／11.2864.TS.20140212.0954.002.html

863计划（2012AA101608），“十二五”国家科技支撑计划（2011BAD03B01）

2013-09-05

陈桂香，女，1976年出生，副教授，储粮安全技术