华南地区高大平房低温成品粮粮仓气流组织数值模拟研究

朱世伟，陈刚，陈立德

（南华大学 土木工程学院，湖南衡阳 421001）

0 引言

近年来，我国提出粮食安全、“藏粮于技”等战略要求，成品粮储备以其应急、高效、节约仓容[1]等特点得到重视。然而，成品粮没有外壳，容易受到外界不良环境因素如虫害、潮热等的影响，尤其在高温高湿的华南地区，成品粮储存更加不易。低温储存成品粮技术近年来以其能够节粮减损、保持粮食品质以及利于环保等优点得到迅速发展。高大空间成品粮仓使用的低温储粮技术中气流组织对粮仓内环境和用能情况影响巨大，因此研究高大空间低温成品粮粮仓内气流组织分布具有重要意义。

关于高大平房低温成品粮粮仓气流组织优化方面的研究成果较少，仅有学者运用CFD 模拟软件研究风口布置[2-4]、堆码方式[5-6]对粮仓气流组织、降温效果的影响，以及MURAKAI S[7-8]等人发现除了空调系统出风口气流射流速度和温度外，送风口、回风口的布置，灯光、设备的分布等也会对气流组织产生影响。其中缺乏对具有高大空间属性的低温成品粮粮仓气流组织的研究，对其进行研究如果采用实验的方法，过程繁琐复杂，需要布置大量传感器进行长时间的监测，且得到的结果多局限于特定系统。而数值模拟技术（CFD）能够预先得知待建粮仓内的温湿度场，得到良好的气流组织形式，以缩短时间、节约成本。故本文通过CFD 模拟软件对华南地区高大平房低温成品粮粮仓气流组织进行数值模拟，将粮仓设计参数作为初始模拟条件，通过正交试验设计工况，得出最佳送风方案，为待建低温成品粮粮仓的设计使用提供技术参考。

1 工程项目及空调设计参数概况

高大平房低温成品粮粮仓主要功能为储存以及转运成品粮，由低温库区、缓苏区以及装卸作业区三部分组成，中间由快速门隔断且布置软帘，东西低温两库区由防火卷帘隔开。项目总平面布置图如图1 所示。

图1 高大平房低温成品粮粮仓布置平面图

该粮仓概况如下：低温库区尺寸93.5×60×30m，缓苏区尺寸28.5×60×30m，采用货架自动堆码，低温库区货架装粮高度区间为1～28.8m，单仓总容量为33060t。成品粮进出周转率1200t/天，需在3 天内[9]将进库高温粮降温至安全储藏温度（≤20℃），进出库时避免粮食表面出现结露，低温库区要求储藏温度≤15℃，所有操作均由机械臂完成，货架之间不允许设置管道，以免影响动作。本文取设计温度15℃，总设计冷负荷285.3kW，设计送风温差3℃，风速9.7m/s，送风口大小0.25×0.25m，夏季的送风量为282475m3/h。

2 模型构建

2.1 物理模型

对低温库区模型进行以下简化处理：

（1）模型东西对称，选取西低温库区（图2）为模拟对象，几何尺寸为：长93.5 m，宽30m，高30m；

图2 西低温库区物理模型图

（2）货架、粮堆与环境温度相同，可视为一个整体。

2.2 数学模型

在仿真过程中作出以下假设：

（1）粮仓内空气符合Boussinesq 假设且不可压缩；

（2）忽略通过快速门对粮仓温湿度场的影响；

（3）忽略粮仓内成品粮外包装、托盘、自动堆码设备对流场的影响；

（4）不考虑成品粮呼吸热；

（5）不考虑粮仓内空气与已储存成品粮之间的换热。

运用网格划分软件ICEM 进行结构化网格划分，导入FLUENT 软件后选用Realizable k-模型，计算时采用SIMPLE 算法。

2.3 边界条件

粮仓墙体、仓盖采用壁面边界条件，根据《粮油储藏技术规范国家标准》(GB/T 29890—2013)，深圳属于高温高湿储粮区，粮仓墙体传热系数应为0.46～0.52 W/(m2·K)，仓盖传热系数不大于0.35 W/(m2·K)。外墙、仓盖传热系数分别选为0.5 W/(m2·K)、0.35 W/(m2·K)，送风口采用速度入口，风速为9.7 m/s，送风温度为12 ℃，回风口采用压力出口，其余壁面边界条件设置见表1。

表1 粮仓CFD模拟边界条件表

3 初步设计数值模拟结果分析

3.1 设计要求

模拟时应满足如下几点要求：

（1）粮仓均温≤15℃，粮堆堆放区环境温度不超过15℃；

（2）避免风口正对粮食直吹，风速不宜过大；

（3）采用侧送侧回的送风方式。

3.2 气流组织模拟分析

模拟得到Z=28.6m 截面货架表面温度云图（图3），Z=0.5、9、20、29m 截面的温度分布云图（图4）和速度分布云图（图5）。

图3 Z=28.6m截面货架区域温度分布云图

图4 Z=0.5、9、20、29m截面温度分布云图

图5 Z=0.5、9、20、29m截面速度分布云图

通过对图3—图5 分析可知：

（1）粮仓内环境平均温度为14.75℃，符合设计要求，说明初始设计负荷已经能够满足日常安全储存需要。然而货架部分区域表面温度高于15℃，并有向内蔓延趋势，不符合设计要求；

（2）Z=0.5、9、20、29m 截面平均温度分别为14.68℃、14.95℃、14.95℃、14.75℃，对比各截面平均温度，Z=0.5m（回风口）、29m（送风口）两处截面温度比粮仓中部的温度略低，且屋顶传入的热量较少，上下温度没有明显分层，符合设计要求。

上述分析中存在的问题是由于南北外墙附近热量不能及时被带走，导致热量由外向内扩散，蔓延到货架区域，进而影响粮食安全储存。

4 综合优化数值模拟结果分析

为解决存在的问题，本文引入正交试验设计进行分析。

4.1 正交试验设计

因素选取：以高大平房低温成品粮粮仓送风口数量、送风温差、送风速度为影响因素，对每个因素取3 水平，设计适合3 因素3 水平的正交表，将各因素的不同水平进行搭配，得到9 组工况。因素水平表、正交试验设计表依次见表2、表3。

表2 因素水平表

表3 正交试验设计表

4.2 气流组织评价指标

采用气流组织评价指标——不均匀系数判断气流组织均匀性，引入气流组织评价指标——能量利用系数判断能否有效地排出仓内余热，以平均温度评价粮仓内通风效果。

4.2.1 不均匀系数

该系数可表示各截面的温度、速度分布均匀程度，如式（1）所示：

式中，xi表示第i 个点的温度、速度值，n 为总测点数，x 表示温度或速度的平均值，kx越小，气流组织均匀性越好。各工况温度不均匀性如图6 所示，速度不均匀性如图7 所示。

图6 工况1—9 Z=9、20m截面温度不均匀系数均值

图7 工况1—9 Z=9、20m截面速度不均匀系数均值

通过图6—图7 可知：工况8 的温度不均匀系数为各工况最小，为0.0056；工况5 的速度不均匀系数为各工况最小，为0.469；不存在温度不均匀系数与速度不均匀系数同时为最佳的工况，综合判定工况4、5、7 为较优工况。

4.2.2 平均温度及能量利用系数

能量利用系数可表达仓内空调送风排出空调区余热的能力，如式（2）所示：

式中，TP为排风温度，TO为进风温度，为仓内平均温度，ET越大，能量利用效果越好。各工况平均温度如图8 所示，能量利用系数如图9 所示。

图8 工况1—9 仓内平均温度

图9 工况1—9 能量利用系数

通过图8—图9 可知：除了工况5 平均温度为15.006℃，各工况平均温度均小于15℃，均能满足设计要求。各个工况的能量利用系数也均可达到一个较高的数值，其中工况6 的能量利用系数最高，为0.979，工况7 为0.974，表明各个工况均可有效排出空调区余热。

通过正交试验设计综合比较9 组工况的不均匀系数、平均温度以及能量利用系数，发现工况4、5、7 为较优工况。

4.3 较优工况气流组织分析

选取工况4、5、7 中z=0.5、9、20、29m 截面的温度分布云图（图10）和速度分布云图（图11）进行分析。

图10 工况4、5、7温度分布云图

图11 工况4、5、7速度分布云图

通过对图10、图11 分析可知：

（1）工况4、5、7 各截面最高的平均温度依次为15.05℃、15.01℃、14.91℃，平均温度都能够基本达到设计要求。送风量从大到小依次排序为工况5、4、7，且工况7 的截面平均温度最低，然而工况5、7 有大面积区域温度超过安全储存温度，而工况4 货架区温度均匀且没有局部热点；

（2）上述3 工况的风速均表现为在送风口截面和回风口截面风速较大，在储藏区域由于货架和粮食的阻碍作用，风速衰减得很快，各工况截面z=9、20m 的风速基本都在0.25m/s 左右。

结合不均匀系数、能量利用系数以及温度、速度分布云图进行综合分析，工况4 为9 组正交试验设计工况中的最优工况，即送风口26 个，送风温差3℃，送风速度8.7m/s。

5 结论

本文针对高大平房低温成品粮粮仓气流组织形式，运用CFD模拟软件对成品粮粮仓气流组织进行模拟优化，模拟结果表明：

（1）从原设计方案模拟结果分析可知，初始设计方案基本满足要求，但存在仓内气流组织不合理的问题，通过正交试验设计得出的最优方案（送风口26 个，送风温差3℃，送风速度8.7m/s）能够有效降低送风量，在减少能耗同时达到良好的气流组织，保证成品粮的安全储存；

（2）初始设计方案：设计温度为15℃，总设计冷负荷为285.3kW，送风温差为3℃，风速为9.7m/s，送风口大小为0.25×0.25m。优化后设计方案：设计温度为15℃，总设计冷负荷为285.3kW，送风温差为3℃，风速为8.7m/s，送风口大小为0.3×0.3m，送风量减少9.2%；

（3）此工程在保证设计要求的前提下，在待建粮仓空调系统设计过程中，可将数值模拟方法作为空调工程设计的一种辅助手段，实现提前预知空调系统的气流组织情况，并针对初始设计方案提出改善气流组织措施，从而完善设计方案。