农户用机械通风钢网式小麦干燥储藏仓的气流场分析

刘立意，汪雨晴，赵德岩，王旭光，娄 正，柳芳久

农户用机械通风钢网式小麦干燥储藏仓的气流场分析

刘立意1，汪雨晴1，赵德岩1，王旭光1，娄 正2，柳芳久3

（1. 东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030；2. 农业农村部规划设计研究院，北京 100125；3. 黑龙江中良仓储技术工程有限公司，哈尔滨 150008）

为保障农户收获后高水分粮食不落地安全储藏，针对一种仓壁透气中心带通风立筒的圆形钢网式农户储粮干燥仓，应用CFD法对收获后高水分小麦在进行机械通风时的气流场进行仿真分析，将仓内小麦堆等效为多孔介质，分析静压、动压、流量等空间分布规律。结果表明：仓内静压和动压值随半径（横向）增加呈指数衰减；柱面流量随半径呈幂函数衰减；横截面流量随高度呈指数衰减；粮堆区竖向通风均匀度显著优于横向（径向）；流量分布为仓底>上粮面>仓壁，仓壁气流流量只占总流量的24.6%；实仓风速测试结果与仿真分析结果规律一致，平均相对误差为16.35%，表明基于多孔介质模型和CFD法分析钢网式储粮干燥仓的流场分析具有较好的准确性，研究结果为此类钢网式储粮仓流场分析和优化提供了方法和依据。

粮食；储藏；农户储粮仓；机械通风；流场分析；CFD法；多孔介质

0 引 言

中国作为粮食生产大国，粮食产后损失仍很严重[1-3]。在中国，每年农户家庭储粮约占粮食总产的50%左右[4]；由于农户装具与技术落后，每年粮食产后总损失（收获、运输、干燥和储藏）达7%～11%[5]；其中干燥和储藏环节的损失占总损失的近60%[6]。“十一五”以来国家大力投入粮食产后减损技术与装备的研发与应用，特别是适于农村的科学储粮技术和装备研发与应用，使中国农户储粮技术与装备得到很大的改善。

关于储粮通风分析，国内外学者有较多研究。陈军涛等[7]对平房仓横向通风技术分析，安置于仓房顶部墙壁两侧且低于装粮线位置的通风道可使气流从一侧风口吸入并横向穿过粮堆后从另一侧风口排出。卢洋等[8]验证了横向通风和立式通风对高大平房仓和小型圆仓内温湿度的影响，立式通风更适合小型圆仓。吴晓宇等[9]在高大平房仓底部设计U型排风道，利用轴流风机粮食边入仓边通风换气，以此降低粮食含水率。袁攀强等[10]对圆形卧式通风储存仓小麦干燥进行试验研究，对干燥过程中小麦水分、温湿度、真菌孢子数等指标的变化规律进行试验分析。仇素平等[11]通过对不同储粮仓型进行机械通风形式的试验，分析了通风特点、经济性和适用性。上述研究均采用试验方法，通过试验检验仓通风设计的合理性。

另一类研究则从流体基本理论方程出发通过解析法来分析，徐泳等[12]以流函数为基本量导出了与布鲁克的以压力为基本量的谷仓通风方程（即压力模型）的流函数模型，所得结果和绘出的等压线与压力模型完全等价。Sun[13]和Lukasse[14]等通过建立通风气流的模型，预测了仓内温度和水分的变化。解析法建模难度大，计算工作量大，很难做到精确定量。

随着软件的发展，基于CFD法的仿真分析逐渐被国内外学者应用于粮仓通风分析与设计。孙福艳等[15]基于CFD法研究了大型平房仓恒温恒湿通风条件下，粮仓内温度场、压力场、速度场和水分分布情况。彭威[16]利用CFD法对仓储粮堆静态储藏过程中的温度和机械通风过程中的压力的分布和变化进行数值模拟研究。任广跃等[17]以仓储粮堆机械通风试验为基拙，以实仓试验相关数据为依据，基于多孔介质模型建立了仓储粮堆机械通风过程中内部压力场分布的计算流体动力学模型。俞晓静等[18]基于多孔介质的传热传质理论，建立了横向通风过程中粮堆热湿传递的数学模型，着重对横向送风温湿度不同的工况进行模拟和分析。顾巍[19]采用计算机仿真模拟和模型试验相结合的方法设计了一种环形回流通风地槽。Thorpe[20]构建了粮堆中的水分及质热传递的数字模型，利用Fluent软件分析，并用试验加以验证。鲁子枫等[21]对圆筒仓储粮通风微环境进行模拟。Garg等[22]对机械通风时杂乱散布在圆筒仓内的粮食颗粒使用CFD软件进行模拟，分析通风过程中流场在粮堆内部的分布形式。张成等[23]对平房仓粮食通风中空气流速分布问题进行CFD数值模拟，通过粮堆插管的合理布置，可使粮食内部空气流动速度得到有效改善，给出了插管提升通风效果的原理和插管优化设计的方向。潘钰等[24]和Lukaszuk等[25]等利用CFD数值模拟，对粮仓阻力进行研究。Cerconse等[26]和Jia等[27]采用数值模拟的方法，对粮仓内的温度和水分进行研究。

综上，国内外针对粮仓通风降水研究较多应用CFD数值模拟方法进行可视化、定量化分析，并用试验加以验证；内容上以粮仓或粮堆的湿热传递居多，对影响湿热传递的主要因素气流场的分布较少；研究对象针对的都是粮食仓储和加工企业用于储藏粮食的高大房式仓和浅圆仓，这些仓的结构特点多采用地笼竖向通风，仓壁不透气。

本文针对JSWD-200钢网式机械通风农户储粮干燥仓，应用CFD数值分析方法对该粮仓机械通风干燥时的气流场进行仿真分析和实仓测试，以期研究结果为此类钢网式仓型流场分析和优化提供方法和依据。

1 材料与方法

1.1 JSWD-200农户储粮干燥仓

如图1所示，该仓为钢骨架拼装式圆仓，外径3.8 m，装粮段高2 m，总高3.28 m。仓体以矩形钢管、钢带作骨架，仓壁和仓底为4 mm×6 mm菱形孔拉制钢网，贴钢网内壁再敷以密目尼龙纱网，仓顶有遮雨帽，仓壁外圈设有遮雨拉帘，仓中心设有直径1m的钢网式通风立筒，通风立筒上部设有挡风门，下端配有风机，自然通风时，打开挡风门，机械通风时，关闭挡风门，启动风机，气流由下部吹入通风立筒中，横向穿过通风立筒进入粮层从仓壁、仓底和粮顶面流出，带走水分，使粮层较快干燥或降温。该仓为小麦储藏、干燥、自然通风和机械通风结合的多用途仓。

1.遮雨帽 2.遮雨帘 3.支柱 4.仓体 5.仓顶 6.通风立筒 7.风机

1.2 模型建立及参数条件确定

基于Gambit构建农户粮仓几何模型，忽略骨架和钢网等结构件，划分网格，网格数30 290个；设置通风立筒底部入口为速度边界，由实仓测得通风立筒入口风速为1.35 m/s；设置仓壁、仓底和上粮面为压力出口边界，因出口与大气相通，设置压强为0；通风管与粮粒接触面的边界设为内部面，挡风门设置为墙面；并划分粮堆区域为多孔介质。实测入仓小麦含水率平均值为17.0%，温度为27 ℃。

堆积的粮粒间存在孔隙，气流在孔隙间流动，故可将其简化为均匀且各向同性的多孔介质（porous zone）[16]，并确定孔隙率、等效直径，流动类型和黏性阻力系数与惯性阻力系数。

1.2.1 孔隙率测定

由公式（1）计算孔隙率[16-17]：

1.2.2 等效直径测定

式中、、为麦粒3个方向上的平均长度，mm

1.2.3 确定流动类型

流体在管道或孔隙中流动有湍流和层流2种状态，在CFD中对应不同的计算模型，通常基于雷诺系数R判定，当R<2 000时流动状态为层流；R>2 000时流动状态为湍流。如式（3）

针对通风立筒区域，入口风速为1.35 m/s，管径=1 m，计算得雷诺数R= 86 472 >2 000，由此判定通风立筒中流场为湍流状态，故选用模型分析。

1.2.4 黏性阻力系数与惯性阻力系数计算

在多孔介质区，气流穿过迂曲联通的孔隙路径到达仓壁，会产生较大的压力损失，包括黏性损失和惯性损失，其损失系数采用Ergun方程项进行计算

2 结果与分析

2.1 仓静压、动压和流量场分析

从粮仓底网起向上每间隔0.2 m高建立水平截面，再由半径0.5 m的通风立筒壁面至半径1.9 m仓壁面每间隔0.2 m建立的同心圆柱面，分析各水平截面和各同心圆柱面上流场变化规律。

2.1.1 气流迹线分析

迹线是流体质点在空间运动轨迹的表示，仓内粮堆是由无数微小粮粒堆积而成，堆积的粮粒间存在孔隙，对极为微小的空气分子而言粮粒间孔隙可视为相互连通的一个立体网路，在粮堆中从一点到另一点有巨量路径联通，有长有短。气流分子的流动总是趋向于压力梯度大阻力小的路径。通过迹线图可直观清晰地表达流体粒子穿过粮层的路径，图2为分析得到的迹线图。

图2 农户储粮干燥仓气流迹线图

风机将气流从下向上吹入通风立筒，沿途一部分气流从筒侧壁网横向穿入粮堆，一部分气流继续向上被筒顶部挡风门阻挡，从挡风门周边区域斜向上穿过上部较薄的粮层吹出，挡风门上方凌乱的迹线为少部分气流形成的湍流区。因此，挡风门高度最好可调，使通风立筒周边覆盖足够厚的粮层，以阻挡气流过多的泄漏。

在粮仓中层区域，气流横向径直穿过粮堆排出仓壁；在粮仓上、下层区域，气流先横向穿入粮堆，而后分别逐渐以水平面为基准偏转向上和下穿过粮层从粮面和仓底网排出，偏转角随半径加大逐渐增大。

2.1.2 仓内静压场分析

图3所示为仓各水平截面静压分布曲线，代表截面高度。

静压值沿仓轴线呈对称分布。

在通风立筒内（<0.5 m），各水平截面上静压值大小相等，约106 Pa，且为系统最大值；接近通风立筒壁区域静压值开始下降。

注：h为截面高度，m。下同

=0.5 m的通风立筒壁处各水平截面静压值相近，约95 Pa，随半径增大静压值迅速下降，相差迅速加大，在1/3粮层径向厚度处（约半径1 m）附近相差最大22 Pa（0.8 m水平截面静压最大37 Pa，0.2 m水平截面静压最小15 Pa），半径继续增大后，静压值逐渐收敛，差值逐渐收敛，至仓壁处（=1.9 m）各截面静压值降至零（大气压）。即在各水平截面上，从通风立筒壁向外随半径增大静压值和静压梯度值均呈非线性下降趋势。

各水平截面静压值与半径的关系可用式（6）的指数函数形式表达，如表1所示。

式中为系数，为半径，m。为静压值，Pa。

表1 静压值与半径关系函数系数及拟合度

2.1.3 仓内动压场分析

动压是流体流速大小的度量，仓内气流流速分布如图4所示，从图中分析可得：水平各截面上轴线附近气流流速最大，在<0.5m的通风立筒内，随半径加大流速下降，至半径0.5 m的通风立筒壁附近，流速曲线出现拐点，从通风立筒壁至仓壁的粮层区域各水平截面流速值随半径呈缓慢下降趋势。竖直方向上，在通风立筒内，各水平截面流速值差异大，=0的底部截面流速最大，随截面高度增加流速迅速下降，在=1.6 m截面上流速值约为0.3 m/s，上下差值达1 m/s，这是由于气流向上流动时不断从通风立筒侧壁横向流出，筒上层气流流量逐渐下降，从而流速逐渐降低，在1.8和2.0 m截面处由于挡风门存在，流速接近0。

图5为=0.7 m的通风立筒壁面至1.9 m仓壁，各同心圆柱面上的气流流速随高度分布的曲线，分析可得：各柱面上、中、下流速不一致；在=0.7 、0.9 m柱面上流速分布特征是中间偏小，上下偏大，呈C形；分析原因是此区域有较多气流就近从上下表面溢出，因此建议在上粮面和仓底网遮盖0.5～0.9 m半径的环形挡流板；而在=1.1～1.9 m柱面上流速分布刚好相反中间大，上下小，呈反C形；说明在靠仓外圈上下端附近的流速小，原因是气流到仓四角的距离最长，压力损失大，速度小，流量小，存在通风死角；不过仓外圈会受外界自然风作用，可弥补正压机械通风的不足。

图4 农户储粮干燥仓内各截面气流流速随半径分布曲线

注：r为半径，m。

各水平截面动压值（Pa）与半径的关系可用式（7）的指数函数形式表达，如表2所示。

表2 动压值与半径关系函数系数及拟合度

2.1.4 仓内流量场分析

流量及分布均匀性是反映粮仓通风性能的关键指标。

1）各圆柱截面流量分析

各柱面通过的气流流量数值如表3。

表3 各圆柱面流量分析表

注：0.5 m处柱面高为1.8 m

Note: the cylindrical height at 0.5 m is 1.8 m

表3表明，各柱面总流量和单位面积流量均随半径增加非线性减小，半径0.5 m处的通风立筒壁面有最大流量1.054 m3/s，仓壁流量最小，为0.259 m3/s，差值达0.795 m3/s。

采用中心内筒正压吹入式通风的圆仓，随半径增加单位通风量按幂函数规律降低，其干燥降水性能内外不同。其单位面积流量的均匀性可由公式（10）[29]评价

计算得=0.046，值近于零，说明流量均匀度差，不利于干燥降水的均匀性。

2）横截面流量分析

粮堆中气流沿半径横向流动时还有部分向上、下方分流，各横截面总流量和单位面积流量分析如表4：各截面总流量和单位面积流量均随高度增加而非线性减小，底网处有最大流量0.474 m3/s，粮层上表面流量最小，为0.32 m3/s，内外差值0.154 m3/s。

再由公式（10）计算得=0.866

因此，圆仓气流的纵向（高度）均匀性比横向（径向）好很多。

表4 各横截面流量分析表

3）各出口面流量比

根据流体力学流体进出流量相等原理，有

表5 各出口面流量比值

分析表5，仓底网流出流量最大，其次为上粮面，而仓壁流出流量只占总流量的24.6%，也就是说该仓型有3/4的流量是从上下面流出，这会导致中层流量偏小，中层降水和降温能力不足。

2.2 实仓风速测试

测量装置：沈阳加野科学仪器有限公司的加野KANOMAX热式风速仪KA31，分辨率0.01m/s；自制底径275 mm，顶径25 mm，变比为121∶1的表观风速测定器。

测试方法：用风速仪直接测通风立筒入口截面中心、半径0.2 、0.4 m处风速，得入口平均风速值为1.35 m/s，用表观风速测定器配合风速仪测定上粮面、仓壁面和仓底网风速分布，上粮面测点半径分别为0.9、1.2、1.7 m；仓壁测东、西、南、北4个方向，测点高度分别为1.75、1.25、0.75、0.25 m；仓底网测量西南、西、南3个方向，测点半径分别为1.2、1.7 m。结果如表6、7和8。表中实测均值为风速仪示值经121∶1变比换算后的实际风速值的均值，差值为仿真值与实测均值之差。

由上表6~8可看出，风速实测值与仿真值相近，各测点仿真值略小于实测值，存在一定系统误差，最大差值为-0.005 9 m/s，平均相对误差为16.35%；实测风速在仓壁面中部大，上下部位略小；上粮面和仓底网实测风速随半径增大递减与仿真结果的分布规律相同；按公式（10）计算实测风速沿仓壁面竖向均匀度为0.946，沿上粮面横向（径向）均匀度为0.422，沿仓底网横向（径向）均匀度为0.594，实测风速值进一步验证了粮仓竖向通风均匀度优于横向（径向）的仿真分析结果。

表6 上粮面风速实测值与仿真值

表7 仓壁风速实测值与仿真值

表8 仓底网风速实测值与仿真值

3 讨 论

在结构上，该仓特点是外壁透气，中心有立式通风网筒，气流横向（径向）穿入粮层；论文基于多孔介质模型和CFD方法，给出了气流场静压、动压、流量随半径及高度的分布曲线，得到了流场分布的函数规律为静压和动压值随半径（横向）增加呈指数衰减，柱面流量随半径增加呈幂函数规律（指数<0）衰减；横截面流量随高度增加呈指数规律衰减的流场变化规律。论文还从纵横（径）向分析了气流场的均匀性。

针对粮仓通风分析，国内外已有研究较多在仓壁不透气的高大平房仓和浅圆仓型，其结果与本文有异同。文献[13]对高大型平房仓（矩形仓、仓壁不透气、地笼垂直通风方式）通风期间粮堆内部流场模拟研究；发现风速底层最小，二层最大，而后各层逐渐递减的趋势；其中底层和二层风速呈正弦变化，其规律与本文不同，这正是由于仓型结构和通风管网布置不同所致；底下二层流速正弦规律应是间隔布置的通风地笼间气流耦合所致；文献未对速度或压力变化的数值关系以及流场均匀性进一步探究。

文献[11]对外壁透气圆形卧式通风储存仓（直径3 m，长3 m，中部设有直径300 mm通风管）进行小麦干燥试验研究。该仓结构和尺寸与本论文相近，但卧式放置；对干燥过程中小麦水分、温湿度、真菌孢子数等指标的变化规律进行了试验分析，文献为纯试验研究，该文未进行气流场研究。

文献[28]以1 m ×1 m ×0.5 m通风性能试验装置对小麦粮堆横向和竖向通风性能参数进行试验研究，得到小麦堆竖向通风条件下的均匀性好于横向通风，这与本文分析结果一致。

此外，文献[10]和文献[28]提出反向通风能有效降提高通风效果，本文也进一步提出间歇式换向通风以改进通风效果的方法还有待进一步研究。

4 结 论

针对侧壁透气中心带通风立筒的圆形钢网式农户储粮干燥仓，采用正压吹入式机械通风并对其仿真分析与实仓测试，结果表明：

1）在仓粮堆区，静压、动压和流量均随谷层半径增加呈下降趋势；其中静压和动压随半径增加呈e指数递减；柱面总流量和单位面积流量随半径呈幂函数递减；横截面总流量和单位面积流量随粮层高度呈指数规律下降。

2）仓粮堆区竖向（纵向）通风均匀度显著优于横向（径向）；在通风立筒壁至半径0.9 m柱面区间，上下粮层区流速偏大；建议在上粮面和仓底网上遮盖0.5～0.9 m半径的环形挡流板，以改善径向均匀性。

3）仓底网气流流量最大，其次为上粮面，而仓壁流量最小只占总流量的24.6%，也就是说该仓型只有1/4流量从仓壁排出，而有3/4的流量是从上下层面流出，仓壁排风量偏低。

4）正压吹入通风时气流由内圈向外圈流动，内圈单位流量大于外圈，这是由该仓结构特点所致，建议采用正压吹入和负压吸出结合的间隔换向通风方式，以补偿圆仓内外圈风量不均问题。

5）基于CFD方法和多孔介质模型应用于粮仓的流场仿真具有较好的准确性，实仓风速测试结果与仿真分析结果规律一致，平均相对误差为16.35%。

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Analyzing airflow in dry grain storage silo with ventilation using CFD

Liu Liyi1, Wang Yuqing1, Zhao Deyan1, Wang Xuguang1, Lou Zheng2, Liu Fangjiu3

(1.150030,;2.,,100125,; 3..,.,150008,)

In order to ensure safe storage of highly moist grain after harvest and alleviate grain loss, we took a dry circular steel grain storage silo with a vertical ventilation tube in its center as an example and simulated airflow in the silo filled with highly moist wheat grain after harvest, using CFD. The effect of the wheat grain on airflow was approximated by a porous medium model, and the static and dynamic pressure in the silo was analyzed. The results showed that the static and dynamic pressure and the flow rate decrease exponentially with distance from the ventilation tube. Horizontally, the radial flow rate and the flow velocity (flow rate through per unit areas) both decreased with the distance from the ventilation tube in a power law. Vertically, both the flow rate and velocity decreased exponentially with the height of the grain. The ventilation in the grain stack area was more uniform in the vertical (longitudinal) direction than in the transverse (radial) direction, and the air velocity in the upper and lower part of the grain in the silo was higher than that in region from the vertical ventilation wall to 0.9m away from the central ventilation tube. It was found that the annular baffle with radius of 0.5 m and 0.9m could cover the upper surface and bottom of the silo respectively to improve uniformity of the ventilation. The airflow in the bottom of the silo was highest, followed by the upper surface. The minimum flow rate in the silo wall was only 24.6%, meaning that 1/4 of the flow was discharged from the silo wall and 3/4 was from the upper and low sides. The volume of the exhaust of the silo wall was on the low side. Wind speed test results were consistent with the simulations, with an average relative error of 16.35%. When pressurized air was flow into the ventilation, air flowed radially and the air velocity in the central silo was higher than that in region proximal to the silo wall. It was suggested that periodically ventilating the silo by blowing pressurized air followed by suction with vacuumed air can improved evenness of the air in the silo. The wind speed measurements in the silo were in good agreement with the simulations, proving that combing CFD with the porous media model was accurate to simulate airflow in the silo. The simulation results provide guidance for improving and optimizing silo management.

grain; storage; farmer’s grain storage; mechanical ventilation; flow field analysis; CFD method; porous media

刘立意，汪雨晴，赵德岩，王旭光，娄 正，柳芳久.农户用机械通风钢网式小麦干燥储藏仓的气流场分析[J]. 农业工程学报，2020，36(2)：312－319. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.036 http://www.tcsae.org

Liu Liyi, Wang Yuqing, Zhao Deyan,Wang Xuguang, Lou Zheng, Liu Fangjiu. Analyzing airflow in dry grain storage silo with ventilation using CFD[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 312－319. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.036 http://www.tcsae.org

2019-07-01

2019-12-03

公益性行业（农业）科研专项（201003077）；国家重点研发计划子课题（2017YFD0401405-02）

刘立意，研究员级高级工程师，研究方向：农业工程测控技术。Email：lyliu2468@sina.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.036

S229+.3

A

1002-6819(2020)-02-0312-08