横向谷冷通风过程的数值模拟研究

王远成 高 帅 邱化禹 魏 雷 赵会义 曹 阳

横向谷冷通风过程的数值模拟研究

王远成1高 帅1邱化禹1魏 雷2赵会义2曹 阳2

（山东建筑大学热能工程学院1，济南 250101）
（国家粮食局科学研究院2，北京 100037）

基于局部热湿平衡原理和多孔介质传热传质理论，建立了储粮通风过程中粮堆内部流动及热湿耦合传递的数学模型。采用计算流体动力学的方法，对横向谷冷通风时粮堆空气内部流动、热量传递和水分迁移过程进行了数值分析。研究发现，横向通风约72 h，粮仓进风口冷空气平均温度为17.5℃、相对湿度为85%，仓内粮堆一次降温从32.2℃降低到23.6℃，降温幅度为8.6℃。水分从12.2%降到12.0%，降水幅度为0.2%。相对于地上笼垂直通风而言，横向通风时粮堆内部速度分布均匀、温度梯度较小，且具有降温速度快，冷却效率高的特点。

数值模拟 横向通风 传热传质 储粮

粮仓机械通风在粮食储藏中具有降温效果显著、费用较低等特点，在确保储粮安全方面，发挥着至关重要的作用［1］。目前国内常用的机械通风方式大多是地上笼垂直通风，但这种通风方式给粮食出入库带来极大的不便，加大了粮食进出库的工作量，增加了储粮成本。横向通风是把2组通风笼垂直安装在粮仓宽度方向的2个内墙上，通过吸式或吹式的方式实现了沿着粮仓宽度方向的横向通风。横向通风避免了地上通风笼所带来的粮食进出仓的不便，使得粮食的装卸可以在粮仓内部完成，大大地提高了粮食进出仓的效率。

基于计算流体动力学的数值模拟方法是国外近年发展起来的一种研究流动、传热传质等现象的新方法，它可以形象地再现流动、热湿传递过程的情景，为解决储粮通风问题也提供了一个良好的数值分析和优化设计的工具［2］。

基于计算流体动力学的方法，对横向分布式谷冷通风时粮堆内部流动和热湿耦合传递过程进行了数值模拟研究，探究了横向通风时粮堆内部温度和水分的变化规律，分析评价了横向通风时粮堆降温的均匀性和降温效果，并通过与试验结果的比较验证了数学模型。

1 粮堆内部流动和热湿耦合传递过程的数学模型

假设粮堆是连续性的、均匀分布的多孔介质，粮堆内部满足局部热湿平衡原理［3－5］，考虑粮食颗粒的吸湿和解吸湿特性，由于通风时间相对较短，谷物和虫霉呼吸作用所产生的热量和水分可以忽略不计。粮堆内部流动及热湿耦合传递的控制方程［6－8］：

连续性方程

动量方程

能量方程

水分迁移方程

式中：ε为空隙率；ρa为空气密度；ρb为粮堆的容重；dp为谷物颗粒的等效直径；u为粮堆内部空气的表观速度或达西速度；p为压力；t为时间；∇为微分算子；ca、cb分别为空气和粮堆的比热；T为粮堆绝对温度；W为粮堆的水分；keff为粮堆的有效导热系数；μ为空气的动力黏度；w为粮粒间空气中的绝对含湿量；Deff为湿空气在粮堆中的有效扩散系数；hs为谷粒吸湿或解吸湿热。

2 数值方法及初始和边界条件

数值模拟的粮仓为房式仓，粮仓长度为60 m，宽度为21 m，装粮高度为5.8 m，储存5 700 t小麦。为了便于分析，本研究取出长度方向一半的中截面上的温度和水分变化进行分析和讨论，如图1所示。

图1 房式仓横向通风系统和中截面示意图

2.1 数值方法

对控制方程采用有限体积法进行离散，离散格式为二阶上风差分格式。为了防止迭代过程的发散和数值不稳定，对动量方程、能量和标量输运方程采用了欠松弛技术，压力与速度耦合采用SIMPLE算法。

2.2 初始条件及热物性参数

粮堆（小麦）平均初温为32.2℃（绝对温度为305.2 K），平均湿基水分为12.2%（干基水分为13.98%）。粮堆的容重为ρb＝ 805 kg／m3，粮堆的比热容为cp＝1 790 J／kg·K，粮堆的导热系数为λ＝0．159 W／m·K ，粮堆的孔隙度ε 取为0.4［6－8］。

2.3 边界条件

出口边界沿流线方向各流动参数的一阶导数取为零，在固体壁面和地面采用无滑移条件，并且为绝热边界，由于粮面覆膜，粮面假设不可渗透，但与上部空气有热量交换。由于采用的是横向分布式谷冷通风，即将谷冷机作为冷源放在粮仓的一侧，并通过粮仓另一侧的引风机把谷冷机产生冷风引入粮仓内部。为了避免通风过程中粮堆水分损耗过大，一方面选取较小的通风量；另一方面，调节谷冷机出口空气的湿度，谷冷机出风口的空气保持在较高湿度。因此，在实际操作中，粮仓进风口冷空气平均温度为17.5℃，粮仓进风相对湿度为85%，单位通风风量为q ＝4.9 m3／（h·t）。

3 模拟结果与分析

模拟通风时间为72 h，粮堆平均表观风速为0.023 m／s，由于流动速度很小，粮堆内的流动主要是静压驱动。图2是横向通风时粮堆内部的速度分布，其中图2上部三角形区域为膜上空间的空气自然对流运动，下部矩形区域为粮堆内部流动的流场。从图2可以看出，横向通风时粮堆内部的流场分布非常均匀，这给粮堆的快速均匀降温奠定了基础。

图2 横向通风在粮堆内的速度分布

图3 通风72 h时粮堆温度分布

图4 通风72 h时粮堆水分分布

图5 不考虑吸湿／解吸湿作用通风72 h时粮堆温度分布

图3 和图4是通风72 h时粮堆内部温度（开尔文温度）和水分分布。从图3和图4可以看出，由于通风时进入粮堆的空气温度低于粮堆的初始温度，随着冷风前沿的推进，粮粒与周围空气之间进行对流换热，粮堆与冷空气进行热量交换而降低温度。在粮堆与空气进行热量交换的同时，粮粒还与周围空气进行质量交换，从而导致粮堆水分发生迁移。从图3还可以看出，粮堆内部温度前沿（冷锋面）是波浪式的，即粮堆内部存在着温度不同的多个冷锋面，而不是只有1个冷锋。为了说明这个问题，数值计算了不考虑水分变化，即只考虑通风时粮堆与空气之间的热量交换，不考虑粮堆与空气之间的质量交换。也即仅仅求解流动和传热，并且忽略方程3右边第二项（吸湿或解吸湿热）。此时粮堆内部温度随着时间变化规律如图5所示，比较图3和图5可以发现二者之间差别较大，前者降温较快且存在多个冷锋面，而后者的降温较慢且只有1个冷锋，主要原因是后者没有考虑粮食吸湿性特征，忽略了粮堆的解吸湿作用，此时粮堆类同于沙堆，其内部水分被认为是恒定不变的，这显然与事实不符。由于在粮堆水分蒸发（解吸湿）而降低时，水分蒸发潜热没有被考虑，而水分的蒸发必然消耗粮堆的热力学能量，使得温度降低加快。因此，在计算粮堆内部热湿传递过程时，必须要考虑粮堆内部质量交换，即粮粒与粮粒间空气的水蒸气交换，否则模拟计算的结果会产生较大的误差，甚至产生谬误。

图6 粮堆平均温度随时间的变化规律

图7 粮堆平均水分随时间的变化规律

图6 和图7是粮堆平均温度和水分的时间变化图，从图3和图6看出，通风约72 h，仓内粮堆温度从32.2℃降低到23.6℃，降温幅度为8.6℃。同时，从图6还可以看出，温度的数值模拟与试验测定结果相符，说明本研究建立的数学模型可以用于储粮通风过程中粮堆内部热湿传递的模拟研究。从图4和图7看出，通风72 h，粮堆平均水分从12.2%降到12.0%，降水幅度为0.2%，水分降低很小。这因为本研究模拟的是分布式谷冷通风，进风口的空气湿度为85%，因此，通风过程中粮堆的水分降低较少损耗较小。

图8和图9是宽度方向各个立面上和高度方向各个水平面上（见图1所示）粮食温度随时间变化图。从图中可以看到，在粮堆宽度方向上，冷风从进口粮堆的北1立面推进到冷风出口的南1立面，冷锋面逐步推进，粮温降低。在间距为5 m的相邻2个立面之间的平均粮温相差不大于2℃，北1和南1 2个立面的温差为4.6℃。从图8还可以看出，横向谷冷通风时粮堆的降温速度快，平均每3.6 h冷风向前推进1 m（以通风结束时刻南1立面上的平均温度为准），冷锋面移动速度为0.28 m／h。从图9可以看出，在粮堆高度方向，除了顶层以外，相邻的2层之间粮堆的温差不超过0.2℃。顶层粮温也有明显降低，较空气区域平均温度低约0.5℃，顶层与底层之间的温差为0.4℃。由此可以看出横向谷冷通风时粮堆高度方向温度梯度较小，没有出现地上笼垂直通风造成的沿着高度方向温度梯度过大的问题。

图8 宽度方向各立面上温度变化规律

图9 高度方向各水平面上温度变化规律

4 结论

4.1 横向谷冷通风时粮堆内部表观风速为0.023 m／s，冷锋前沿移动速度为0.28 m／h。横向通风约72 h，仓内粮堆一次降温从32.2℃降低到23.6℃，降温幅度为8.6℃。水分从12.2%降到12.0%，降水幅度为0.2%。横向通风时粮堆内部速度分布均匀，且具有降温速度快，冷却效率高的特点。

4.2 横向通风时在粮堆宽度方向上，相邻的间距为5 m的相邻2个截面之间的平均粮温变化不大于2℃；粮堆高度方向水平上，各层之间温差不超过0.2℃。相对于地上笼垂直通风而言，横向谷冷通风时粮堆内部温度梯度较小。

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［2］王远成，张忠杰，吴子丹，等.计算流体力学技术在粮食储藏中的应用［J］.中国粮油学报，2012，27（5）：86－91

Wang Y C，Zhang Z J，Wu Z D，et al.Application of computational fluid dynamics technology in grain storage systems［J］.Journal of the Chinese Cereals and Oils Association，2012，27（5）：86－91

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［5］林瑞泰.多孔介质传热传质引论［M］.北京：科学出版社，1995：200－265

Lin R T.Introduction to heat and mass transfer in porous medium ［M］.Beijing，China：Science Press，1995，200 －265

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［7］Wang Yuancheng，Duan Haifeng，Zhang Hao，et al.Modeling on heat and mass transfer in stored wheat during forced cooling ventilation［J］.Journal of Thermal Science，2010，19（2）：167 －172

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Numerical Study During the Horizontal Grain Aeration with Cooling Air

Wang Yuancheng1Gao Shuai1Qiu Huayu1Wei Lei2Zhao Huiyi2Cao Yang2
（College of Thermal Energy Engineering，Shandong Jianzhu University1，Jinan 250101）
（Academy of State Administration of Grains2，Beijing 100037）

A mathematical model of internal flow and heat and humidity coulped transport of grain bulk during the aeration of stored grains based on the principle of local heat and humidity balance and theory of heat and mass transfer in porous media is established.Based on the method of computational fluid dynamics，numerical analysis has done for internal air motion，heat transfer and water migration process of grain bulk during the horizontal grain aeration with cooling air.It’s found by study that in case of horizontal aeration for about 72 h，average temperature of cold air at the air intake of grain elevator，with relative humidity being 85%，temperature of grain bulk inside decreases from32.2℃to 23.6℃，with temperature drop range being 8.6℃.Moisture decreases from12.2%to 12.0%with dropping extent being 0.2%.Compared to ground cage vertical aeration，horizontal aeration is characterized by homogeneous distribution of internal speed of grain bulk，less temperature gradient，quick cooling rate and high cooling efficiency.

numerical simulation，horizontal aeration，heat and mass transfer，stored grains

TH432

A

1003－0174（2016）07－0103－04

国家自然科学基金（51276102），国家粮食公益专项（201313001，2015449 －001 －03）

2014－11－19

王远成，男，1963出生，教授，博士，复杂系统流动和传热传质