不同通风方向对稻谷降水效果影响的数值模拟研究

2019-01-15王远成季振江王双林曲安迪杜传致

中国粮油学报 2018年11期

王远成季振江王双林曲安迪杜传致

(山东建筑大学热能工程学院1,济南 250101)(河北清苑国家粮食储备库2,保定 071100)(中储粮成都粮食储藏科学研究所3,成都 610000)

影响粮食储存的两个重要因素是温度和水分，经过长期的实践和研究，人们发现当粮食温度低于 15℃(粮食安全储藏的温度)时，粮食水分在 12%～14.0%(不同储粮生态区域以及不同粮种会有差异)时，可以有效地避免虫害的发生，抑制粮堆中生物体的生命活动，延缓储粮品质的劣变。Holmes[1]在研究报告中指出，水分和温度将直接影响粮食的霉变和虫害进而导致粮食的损失。因此控制粮堆内温度和水分的变化，是粮食存储的重要技术手段。就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[2]。1971 年 Sinha[3]提出，减少储粮变质的一种方法是通过冷却干燥通风把它降低到一个安全温度和安全水分。1990 年 Wilkin等[4]提出，粮食储藏期间通过冷却通风降低储粮温度可以有效控制虫害，并减少杀虫剂的使用。

目前研究粮堆内部热湿传递过程的方法有现场观测方法(实仓测试)，现场观测方法所得到的结果无疑是可靠的，但现场观测方法需要投入较大的人力物力，成本较高，而且结果不具有可重复性。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，为研究储粮通风问题提供了一个较好的途径和手段[5]。

本研究以中储粮成都粮食储藏科学研究所完成的垂直向上通风(通常称为正向通风)的实验工况为研究对象，采用数值模拟方法，对实验工况进行了完整的数值模拟，分析了在垂直向上的机械通风过程中粮食温度和水分的变化规律，并比较分析了实验数据与计算机模拟结果，检验了模型的准确性和可靠性。同时，模拟了同样的通风条件下垂直向下(通常称为反向通风)通风时实验仓内部稻谷温度和水分变化规律，探究了垂直向上和垂直向下通风时的降水效果差异，并从理论上分析了其原因，以期为粮库的储粮通风操作提供参考。

1 实验装置和实验工况

本实验粮仓的长宽高分别为1.5 m、1.0 m和1.8 m，底部为全开孔地板，四壁绝热，顶部为出风口，实验台如图1所示。粮堆的高度为1.6 m，进风口直径110 mm，全开孔地板开孔率25%，出风口直径250 mm。通风机的型号为CF-11 No.1.5，风机最高风压912 Pa，最大风量800 m3/h，实测风压风量分别为550 Pa和330 m3/h。采用自动通风控制系统进行温湿度数据采集和通风控制，当环境湿度低于75%时进行通风，至8月31日结束通风时共通风169.1 h，耗电28.7 kW·h。

通风降水实验的粮食种类为杂交籼稻，质量为1 350 kg， 8月10日开始通风，8月31通风结束。初始平均湿基水分18.5%，为了测定粮食水分，事先在粮堆内部一定的位置预埋200 g袋装稻谷，预埋袋为网状编织袋，以保证通风透气性能。而且由于袋装样品质量较少，对周围粮堆温度和水分影响较小。通风期间的快速取出预埋袋粮食，并进行水分的测定，测定粮食水分变化情况如表1所示。采用粮情系统自动记录粮温，仓内对角线上布置测温线3根(底部处挂在地板的挂钩上)，共布置测温点8层，每层9个测温点，每层测温点间的距离为20 cm，第1层为下层，距底板约20 cm，1～7层埋入粮堆内，8层位于粮层表面，实验过程中，每10 min自动采集一次温度数据。实测温度变化数据如表2所示。

图1 垂直向上通风实验装置图

时间1(下)层2(中下)层3(中)层4(中上)层5(上)层全仓平均原始样19.318.419.419.416.118.5通风12.0 h15.717.818.619.016.317.5通风47.7 h13.617.418.118.616.616.9通风97.3 h11.112.214.017.016.714.2通风131.1 h10.710.911.714.716.712.9通风169.1 h10.811.011.211.612.311.4

注：1层为最底层，5层为最上层，底层埋袋位于全开孔地板上，其他各层间距约30 cm。

表2 实测粮食温度变化

注：*8层为最底层，1层为最上层(粮面层)，各层间距约20 cm。

2 数学模型和数值方法

2.1 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，考虑粮食颗粒的吸湿和解吸湿特性，忽略粮食的呼吸作用和虫霉生长的产生的热量和水分。粮堆内部流动及热湿耦合传递的控制方程如下[6-7]：

2.1.1 连续性方程

(1)

动量方程

(2)

2.1.2 能量方程

(3)

2.1.3 水分迁移方程

(4)

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为空气的动力粘度。w为粮粒间空气的绝对含湿量，Deff为粮粒间空气中的含湿量通过粮堆的有效扩散系数，hs为谷粒解吸或吸附热。

2.2 数值方法

2.2.1 初始和边界条件

按照实验中分为5层测试稻谷水分的原则，对稻谷的初始温度和水分同步进行了5层分布的设置处理，通风开始时实验仓内稻谷的初始温度和水分见表3。入口风量为330 m3/h，进口温度为随着时间变化的环境温度，送风湿度为随着时间变化的环境湿度，本次模拟边界条件(通风条件)是不断变化的，即进风口的温湿度是不断变化的。

表3 初始粮温和水分

2.2.2 数值方法

对数学模型进行有限体积的离散，采用二阶迎风格式，计算质量守恒方程、空气流动的N-S和Brinkman方程、水汽迁移方程、对流传热方程和干燥速率方程时采用欠松弛因子的办法使计算快速准确，对压力和速度的耦合采用SIMLPE算法，设置以上参数并进行初始化进行数值模拟。采用亚松弛方法来实现控制迭代。

3 模拟结果及分析

3.1 垂直向上通风过程中粮堆温度变化的模拟结果及分析

图2是垂直向上通风过程中稻谷的温度变化的模拟和实测结果。由图2a～图2e可知在通风一段时间后，粮食各层温度的实测值和模拟值的变化趋势几乎一致，各层温度值的最大误差在2 ℃以内，整个粮堆温度的平均误差为0.7 ℃。从图2a～2b可以看出，由于通风气流温度是不断变化的，通风口附近的粮温随着通风温度的改变而变化剧烈，上部粮温变化相对缓慢。分析其原因在于，垂直向上机械通风过程中，由于粮堆中存在热阻，热量在粮堆各层中的传递有迟滞效应，这也是通风结束时，粮堆中各层之间有温度梯度的原因。以图2b为例，当外界空气温度升高时，在距离入风口较近位置的粮层温度升高，而距入风口位置较远处的粮层温度没有受到影响，粮温变化较小。

图2f是垂直向上通风过程中模拟的各层粮温分布图，可以看出，从1～8层从下至上的粮温是随着通风风温而变化的。通风时间为12.4 h时，各层温度普遍降低至28 ℃左右。当通风时间为48.1 h时，除了最上面两层粮层温度为30 ℃，下面粮层温度皆降低至25 ℃左右。当通风时间为97.7 h时，温度降低十分显著，自上至下，温度从28～21 ℃之间变化。当通风时间为131.1 h时，各层温度又有所回升。当通风时间为169.1 h时，由于通风气流温度升高导致各粮层温度又重新达到30 ℃以上，但此时各层间温度梯度已经变得很小。

图2 垂直向上通风时各层平均温度实测值与模拟值的对比及各层平均温度的变化图

3.2 垂直向上通风过程中粮堆水分变化的模拟结果及分析

图3是垂直向上通风过程中稻谷的水分变化的模拟和实测结果。可以看出，由于通风过程在控湿措施，即始终保持通风气流的湿度小于75%。此时，通风气流的湿度始终小于粮堆内部的平衡相对湿度，根据解吸湿理论，粮堆内部的水分是逐渐降低的，尤其是在通风的47.7 h内，通风口附近稻谷水分下降最为明显，上部区域稻谷水分变化缓慢。随着通风的不断进行，上部的水分最终也降低下来。由图3a～图3e可知，粮食各层水分实测值与模拟值的变化趋势也基本一致，各层水分值的最大误差在2%以内，整个粮堆水分的平均误差为1.1%。图3f是通风过程中各层模拟水分的变化图，可以看出，在通风过程中，各层水分总体趋势都是逐步下降的，但水分锋面迁移较温度锋面移动地慢。通风初始阶段，粮堆底部，即靠近通风口处的水分首先降低；随着通风时间的不断增加，上面各层粮堆的水分也开始降低，但相对于温度变化而言，水分变化的过程较为缓慢。具体地说，当通风时间达到12.4 h时，仅有最下面两层的水分含量变化比较明显，其他粮层的水分含量的变化非常的小。当通风时间为48.1 h时，中下层的水分含量也有所明显降低，且与最下层的水分含量相差不大，但中层及其以上的水分含量仍变化不明显。当通风时间为97.7 h时，而下层及中下层的水分含量已经显著降至10%左右，中层和中上层的水分含量也明显产生了降低，此时只有最上层粮堆的水分含量还没有显著的降低。当通风时间达到131.1 h时，五个粮层的水分含量都有了很显著的降低，但最上层仍然有着较高的水分含量。当通风时间达到169.1 h时，所有粮层的水分都已经降低至较为一致的水平。

通过以上分析和比较，可以看出，采用数值模拟方法可以有效地反映通风过程在粮堆内部温度和水分的变化规律。数值模拟结果与实测数据之所以有误差，主要是由于稻谷的孔隙率、平衡水分、粮粒空隙的迂曲率以及吸湿/解吸湿速率常数的取值，国内目前还没有可靠的数据，数值模拟中都是参考国外的数据而设定的，因此，在模拟水分迁移的过程中，必然会出现一定的误差。下一步，将对模型进行修正，逐步调整相关参数，使得模拟结果更加接近实际。

图3 垂直向上通风时各层平均水分实测与模拟值的对比及各层水分平均变化图

3.3 垂直向下通风的数值模拟与垂直向上通风模拟结果的比较

为了比较不同通风方向的降水效果，采用相同的初始和边界条件，即稻谷初始温度、初始水分、通风气流的温湿度和通风量与垂直向上通风时的相同，模拟了垂直向下通风过程中实验仓内稻谷的温度和水分变化规律。图4和图5是垂直向上和向下通风时流场布图。

图4 垂直向上通风的流场图

图5 垂直向下通风流的场图

图6和图7是垂直向上通风与垂直向下通风的效果的数值模拟结果的比较。从图6和图7中可以看出，相同的粮堆初始温度和水分、相同的通风条件，两种不同的通风方向时，最终粮温非常接近，但最终的水分则不相同。即尽管两种通风方向的降温效果完全相同，但降水效果却不一样。相对于垂直向上通风而言，垂直向下的通风时，更有利于降水。分析原因，主要是由于沿着粮层温度梯度方向通风(从粮层温度底处向温度高处通风)可有效提高出口温度，从而增大出口的绝对含湿量，提高降水速率。

这种现象，可以从理论上进行分析。根据热力学原理，可知进出口气流含绝对湿度din、dout与进出口气流温度T和相对湿度RH成正比，即d=0.622·RH·Psb/(B-RH·Psb)(kg/kg),B为大气压，Psb为饱和蒸汽分压。通风过程中粮堆水分的变化量M=ρqf(dout-din)，其中，ρ为空气密度，qf为通风量。在通风量一定的情况下，(dout-din)越大，则M越大。当进仓气流温度和相对湿度一定时，即din相同时，dout越大，M也就越大。所以，提高出仓气流温度和相对湿度可以加快粮食水分的降低。因而，沿着粮层温度梯度方向通风(从粮层温度底处向温度高处通风)，可以有效提高降水率。从表3可以看出，实验仓内部上层粮温低于底层的粮温，垂直向上通风是逆温度梯度的通风，而垂直向下通风则是沿着温度梯度方向的通风。因此，垂直向下通风更有利于降水。