高大平房仓机械通风量优化数值模拟

陈桂香，岳龙飞，张 虎，林淼达

（1.河南工业大学 土木建筑学院，河南 郑州 450001；2.河南工大设计研究院，河南 郑州 450001）

0 引言

1998 年以后建设的国家粮食储备库，均配备了粮情检测、机械通风、环流熏蒸和谷物冷却4 项储粮新技术，其中机械通风技术主要用于对粮食进行降温、降水及调质作业，已成为粮食储藏过程中控制粮食品质的主要手段[1].但在生产实践过程中发现，如果单位通风量选择偏小，存在通风效果不均匀、降温效果差、降水效果不明显等现象；如果盲目增大单位通风量，并不能无限缩短降温和降水时间，还会造成粮食水分损失、能耗过高等，对粮食储藏的稳定性、保鲜效果、粮食品质及仓储企业效益有一定的影响[2-3].针对具体的平房仓通风系统、实际仓容量和机械通风目的，选取合适的通风量能有效解决上述问题[4].

机械通风过程中粮堆内热质交换过程和机理复杂，环境温湿度、气流速度、通风系统类型、粮食品质状况等都会影响通风效果[5].同时，通风过程受到外界环境的制约，通风周期长达几十甚至几百小时，大尺寸实仓试验很难进行有效测量和计算，且成本高.计算流体动力学（CFD）方法能突破一些现实条件的限制，针对某一个影响因素进行多次对比试验，为储粮通风系统的研究提供了一种新方法.王远成等[6]提出粮堆热湿耦合传递模型，研究通风状态中粮堆内水分和热量迁移规律；张忠杰等[7-8]给出了仓储粮堆静态储藏和机械通风两种模式下的CFD 数值模拟；任广跃等[9]采用CFD 数值模拟仓储粮堆机械通风过程中的压力场分布；顾巍[10]研究了环形回流通风地槽形式，并采用CFD数值模拟、模型试验测量和实仓试验的方法，可有效降低通风阻力和消除通风死角.

作者以某高大平房仓为研究对象，运用CFD数值模拟的方法，以机械通风量作为变量，选取10个不同单位通风量值作为入口边界条件，进行通风效果的数值模拟预测，并针对《储粮机械通风技术规程》[11]的两个临界通风量值对应的通风效果，对粮堆平均温度、水分随时间的变化进行分析.

1 数值模拟

1.1 物理模型及网格划分

以上海某平房仓为研究对象，该仓长60 m，宽24 m，高11 m，储粮高度8 m；粮仓采用4 台相同的离心式风机，通风管道为4 个1 机3 道系统，通风道采用“U”型地笼沟，通风方式为压入式通风.对研究对象进行足尺建模，选取整体仓房和通风系统为模拟计算区域，采用ICEM 软件进行三维模型建立和非结构网格划分，整个粮仓模型共划分为2 300 万个网格，建立三维粮仓模型如图1 所示.

1.2 参数设置

入口边界条件：根据粮仓储藏部门记录的通风资料分析，在2009—2012 年中的12 月份对粮堆进行机械通风时，进风口空气平均温度8 ℃，空气相对湿度64%，粮堆初始温度为20 ℃，储粮水分12%.

《储粮机械通风技术规程》[11]指出：以降水为主要目的的通风，粮食水分14%以上，最低单位通风量不得低于25 m3/（h·t）；以降温为主要目的的通风，低风压缓速降温通风要小于8 m3/（h·t）.因此，选取不同通风目的两个临界通风量25 m3/（h·t）和8 m3/（h·t）作为变量的上下限，依次再选取8 个不同单位通风量值作为入口边界条件，并分别进行数值模拟预测.

根据《储粮机械通风技术规程》：

式中：Q总为总风量，m3/h；q 为单位风量，m3/（h·t）；G 为粮食质量，经计算，研究对象储存粮食质量为3 895 t；Q单位为空气通过地笼沟的速度，m/s；S 为地笼沟有效通风面积，经计算取34.675 m2；按照式（1）、（2）计算入口风量，结果如表1 所示.

出口边界条件：仓储通风中空气穿过散粮堆积区域后，由于仓房顶部空间较大，可认为充分发展，因此出口条件采用自由流动.

边壁边界条件：由于通风时间较短，外界温度变化通过仓壁对仓内环境影响较小，因此固体壁面和地面采用无滑移条件，并且假设为绝热边界条件.

粮堆区域边界条件：在散粮堆积区域内，机械通风使空气在谷物颗粒的空隙之间流动，通过谷粒与表面接触空气的温度和水分交换，实现降温降湿，因此试验中将散粮堆积区域作为多孔介质区域进行数值模拟.其中小麦导热系数λ=0.159 W/（m·K），比热容为Cg=187 l J/（kg·K），容积密度为ρ=750 kg/m3，采用密度法可测得小麦孔隙度φ=0.485[12].在模拟过程中，以降温为目的的通风初始温度为20 ℃，以降水为目的的通风初始储粮水分14%.

粮食颗粒作为多孔介质的骨架，空气在多孔介质孔隙中流动受到粮食颗粒间黏性阻力和惯性阻力的影响.在数值模拟中，通过标准动量偏微分方程增加动量源项Si（Pa/m）表示空气流动的阻力.

对于简单的各向同性均匀多孔介质[13].

由于Fluent 软件中的标准多孔介质模型不能模拟多孔介质骨架与介质之间的水分迁移，采用C语言，将粮堆内热湿耦合传递数学模型编写为用户自定义文件（UDF），进行谷粒吸附和解析水分时伴随的热量交换和水分迁移的数值计算.

1.3 模型的建立及选择

机械通风过程中，气流由通风地笼沟进入并穿过整个散粮堆积区域，从通风管道到仓房内，空气流动充分发展，风速较大具有典型的湍流特性.在模拟计算中选用目前应用最为广泛且计算量相对较小、精度合适的标准模型.能量守恒方程和质量守恒方程构成了机械通风过程中Fluent 所包含的控制方程.

图1 高大平房仓的物理模型

表1 机械通风入口风量取值

1.3.1 能量守恒方程

式中:Keff为粮堆的有效导热系数，W/（m·℃）；cα、cg、cw分别为空气、粮食、水的比热容，J/（kg·℃）；Hw为粮食吸热的总热量，J/kg；Sh是热量源项，W/m3，并且考虑谷物呼吸作用产生的自发热[14].

1.3.2 质量守恒方程

式中:φ 为粮食颗粒间空气的湿度，kg/kg；ρα为空气密度，kg/m3；Sw为水分源项，kg/m3；t 为时间，s；Deff为有效扩散系数，m2/s；u 为相对于粮食颗粒之间空气平均速度的表观速度或达西速度，m/s[15].

2 结果与分析

通过对10个不同入口边界条件的数值模拟，并针对模拟结果从两方面进行讨论.一方面分别选取以降水和降温为目的的单位通风量临界值8 m3/（h·t）和25 m3/（h·t）作为入口边界条件，粮堆经过机械通风作用，当粮仓内平均温度达到15 ℃以下时，对比不同单位风量所需有效时间和平均水分；另一方面针对得出10 个不同单位通风量，粮仓内平均温度达到15 ℃以下时，所需要的机械通风时间，从而得出风量大小与降温效果曲线不同.

2.1 不同单位风量的通风效果比较

在单位通风量为8 m3/（h·t）和25 m3/（h·t）的条件下，粮堆平均温度和水分随时间变化情况分别如图2 和图3 所示.

从图2 和图3 可以看出，机械通风在单位通风量8 m3/（h·t）条件下，通风48 h 粮堆平均温度自20 ℃降至14.05 ℃，粮堆水分自14.0%上升至14.61%；机械通风在单位通风量25 m3/（h·t）条件下，通风16 h 粮堆平均温度自20 ℃降至14.35℃，粮堆湿基水分自14.0%下降至13.73%.

图2 不同单位通风量粮堆平均温度随时间变化情况

从图2 可以看出，降温时间与通风量大致呈反比，单位通风量越大，需要时间越短.外界温度小于粮食温度时，两者存在绝对温差，这是热交换的原因.机械通风降温原理主要是通过将外界低温空气压入粮堆中，低温空气在通过粮食颗粒空隙时，与相接触的粮食颗粒进行热交换.此时空气作为仓内粮食与外界环境热交换的媒介存在，当入口处空气温度和热容保持不变时，空气通过粮堆速度越快，两者的热交换速率越大.因此风量越大，粮仓内的空气被机械通风压入的外界空气置换越快，空气通过粮堆速度越快，两者的热交换速率越大，粮仓内空气温度越快的接近于外界空气的温度.

从图3 可以看出，在单位通风量为25 m3/（h·t）时，粮堆湿基水分呈下降趋势，因为在通风量较大的情况下，谷物颗粒间隙的空气流动速度大，粮食内部的水分被表面接触的空隙间高速气流带走；单位通风量为8 m3/（h·t）时，粮堆湿基水分呈上升趋势，因为通风量较小的情况下，谷物颗粒间隙的空气流动速度很小，谷物颗粒能充分与颗粒空隙间空气进行水分交换.在常压下，空气的饱和水蒸气浓度是空气温度的函数，粮食颗粒间的空气温度降低，引起空气的饱和水蒸气浓度减小，导致粮食颗粒间的空气相对湿度增加.根据平衡水分的概念可知，粮食与粮食颗粒间的湿空气会进行动态水分交换，根据小麦解吸与吸附平衡绝对湿度和平衡相对湿度曲线图可知[16]，粮食颗粒间的空气相对湿度增加，会引起小麦粮堆水分的升高.在入口处空气温度降低时，湿空气的水蒸气分压力较小，因此，小麦粮堆干基水分变化缓慢且幅度不大.

通过两者结果对比分析可以看出，通风过程中，选取较大单位通风量能实现快速降温降水，单位通风量过大甚至会造成粮食失水现象；选取较小单位通风量，有降温保湿的效果，但通风时间相对较长.

图3 不同单位通风量时粮堆水分随时间的变化情况

2.2 不同单位通风量降温效果比较（图4）

图4 不同单位通风量降温时间比较

从图4 可以看出，随着单位通风量的变大，降温所需时间变小，降温时间与单位通风量大小大致呈反比；随着单位通风量不断变大，单位通风量变化率基本保持不变，降温所需时间变化率不断减小，通过提高单位通风量缩短降温时间的效果不断减弱.由此可知，只有在一定范围内，通过提高单位通风量从而缩短降温时间效果明显，如果盲目通过增大单位通风量，不但不会缩短降温时间，还会造成粮食一定程度的失水现象.

3 结论

通过对高大平房仓应用CFD 技术，在10 个不同单位通风量的入口边界条件下进行了三维数值模拟，粮仓内平均温度自20 ℃降到15 ℃以下时，得到所需要的机械通风时间，从而得出风量大小与降温效果曲线，并对不同通风目的临界代表值8 m3/（h·t）和25 m3/（h·t），从两者降温时间、粮堆的平均温度、粮堆的湿基水分进行通风效果比较，结论为：

（1）机械通风过程中，降温时间与单位通风量大小大致呈反比，但非绝对的线性关系.随着单位通风量变大，降温时间缩短趋势变缓，单位通风量过大会造成粮食失水现象，不利于粮食加工.

（2）机械通风过程中，选取较小单位通风量，有降温保湿的效果，但需通风时间相对较长，受制于外界环境长期干燥和低温环境.

（3）仓储人员应根据机械通风目的、粮堆初始温湿度、外界环境合理选择通风量.

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