任廣躍 彭 威 張忠杰 吳子丹 王 芳

(河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院1，洛陽 471003)

(國家糧食局科學(xué)研究院2，北京 100037)

倉儲糧堆機(jī)械通風(fēng)時壓力場的模擬研究

任廣躍1彭 威1張忠杰2吳子丹2王 芳1

(河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院1，洛陽 471003)

(國家糧食局科學(xué)研究院2，北京 100037)

以倉儲糧堆機(jī)械通風(fēng)試驗為基礎(chǔ)，以實倉試驗相關(guān)數(shù)據(jù)為依據(jù)，建立了倉儲糧堆機(jī)械通風(fēng)過程中內(nèi)部壓力場分布的計算流體動力學(xué)(CFD)模型，并進(jìn)行了不同通風(fēng)風(fēng)量條件下開環(huán)流熏蒸口和開人孔時的數(shù)值模擬計算。最后通過實倉試驗數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果進(jìn)行驗證。結(jié)果表明，倉儲糧堆機(jī)械通風(fēng)過程CFD模型能夠真實反映機(jī)械通風(fēng)過程中糧堆內(nèi)部壓力場的分布情況，將計算流體力學(xué)模擬技術(shù)應(yīng)用于倉儲糧堆壓力場的預(yù)測分析是可行的。

倉儲糧堆 機(jī)械通風(fēng) 壓力場 計算流體動力學(xué)

糧食是國民經(jīng)濟(jì)重要的戰(zhàn)略物質(zhì)，糧食安全儲藏關(guān)系到國家安全穩(wěn)定、國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及可持續(xù)發(fā)展等重大戰(zhàn)略問題，糧食生產(chǎn)的季節(jié)性與消費的常年性矛盾長期存在，加之糧食是有生命的活體［1］，因此如何實現(xiàn)糧食的安全儲存成為世界性難題。我國糧食產(chǎn)量大，儲備量高，同時由于儲藏時間長，導(dǎo)致儲備期間的損耗也較高。據(jù)調(diào)查，一個儲藏周期內(nèi)，僅因儲糧損耗減量就高達(dá)1%～2%，如以我國糧食儲備動態(tài)數(shù)量1.5億噸來計算，儲糧損失約為150～300萬噸，折合人民幣23～45 億元，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失［2－3］。

目前，國內(nèi)糧庫在儲糧過程中廣泛采用了機(jī)械通風(fēng)技術(shù)［4］，作為智能糧情檢測、低劑量環(huán)流熏蒸、智能機(jī)械通風(fēng)和高效谷物冷卻“四合一”儲糧新技術(shù)之一［5］，其在降溫降水、降溫干燥和增濕調(diào)質(zhì)等方面發(fā)揮越來越重要的作用。機(jī)械通風(fēng)技術(shù)主要是利用通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的壓力，將外界低溫、低濕的空氣送入糧堆，促使糧堆內(nèi)外氣體進(jìn)行濕熱交換，降低糧堆內(nèi)的溫度與水分，增加儲糧穩(wěn)定性的一種安全儲糧技術(shù)［6］。通過大量實踐表明，機(jī)械通風(fēng)在糧食儲藏中的應(yīng)用，使糧食整年處于低溫儲糧狀態(tài)，糧食的品質(zhì)明顯提高，延緩陳化速度，抑制新陳代謝，降低儲糧損耗，有效地控制儲糧害蟲和微生物的活動、危害，它代表著未來糧食安全儲藏的方向。但在機(jī)械通風(fēng)時倉儲糧堆內(nèi)部流場的分布情況比較復(fù)雜，很難進(jìn)行有效地測量和計算，而計算流體動力學(xué)(CFD)方法不但能突破一些現(xiàn)實條件的限制，而且通過計算模擬達(dá)到減少操作成本的目的，基于此，CFD方法可以有效的應(yīng)用于糧食儲藏中內(nèi)部流場模擬研究［7］，如張忠杰等［8］利用FLUENT軟件對平房倉的機(jī)械通風(fēng)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了倉儲糧堆的溫度場分布及其變化規(guī)律;王遠(yuǎn)成等［9］采用CFD方法對就倉通風(fēng)時糧堆內(nèi)部熱濕耦合傳遞過程的數(shù)值預(yù)測，建立了通風(fēng)儲糧過程中控制糧堆內(nèi)部熱量和水分傳遞的數(shù)學(xué)模型，并對就倉通風(fēng)時糧堆內(nèi)部熱濕耦合傳遞過程進(jìn)行了預(yù)測，獲得了就倉通風(fēng)時糧堆內(nèi)部熱量和水分遷移的基本規(guī)律。

糧食倉儲內(nèi)部生態(tài)系統(tǒng)決定儲糧的安全，倉儲糧堆內(nèi)部壓力場的CFD模擬研究，目的就是應(yīng)用CFD模擬，采用對比分析實倉試驗的方法，對倉儲糧堆內(nèi)部壓力場分布變化情況進(jìn)行驗證，掌控糧食在機(jī)械通風(fēng)過程中其壓力場的分布情況，以期為儲糧安全提供新的檢測方法和手段。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)備

試驗糧倉位于北京市昌平區(qū)國家糧食局科學(xué)研究院小湯山中試基地內(nèi)，該倉為室外180 t淺圓鋼板倉，倉高為10 m，其中圓柱形倉高8.5 m，錐形頂部高1.5 m，倉半徑為3 m，倉內(nèi)糧食堆高7.5 m，其儲糧品種為小麥;試驗中通過U型壓力計注水讀mm水柱數(shù)后轉(zhuǎn)化為Pa進(jìn)行對比驗證。

1.2 試驗方法

1.2.1 實倉試驗

在倉儲糧堆機(jī)械通風(fēng)過程中對其外界及內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)變化進(jìn)行測量，分析測量數(shù)據(jù)并最終得到一定結(jié)論。本研究所采用的CFD模擬研究就是基于實倉試驗基礎(chǔ)之上的，因此，實倉試驗既是模型模擬的前提，也是對數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行對比驗證的標(biāo)準(zhǔn)。

實倉試驗的主要內(nèi)容為測量倉儲糧堆在全底板通風(fēng)形式下不同通入風(fēng)量時內(nèi)部靜壓分布變化情況。對于壓力的測量采用的是特制測壓管，測壓管長有3種規(guī)格，分別為35、55、85 cm，樣圖如圖1所示。

圖1 特制測壓管示意圖

在實倉試驗中，3種規(guī)格的特制測壓管橫向入倉深度分別為5、20、50 cm，分別將6根管布置和編號如下:1(西面短管)，2(西面中管)，3(西面長管)，4(南面長管)，5(東面短管)，6(東面中管)，其中3號管位于糧高5.16 m處，2號和 6號管位于糧高2.64 m處，1 號，4 號和5 號管位于糧高0.48 m 處，具體布置如圖2所示。

圖2 測壓管布置示意圖

1.2.2 數(shù)學(xué)模型建立及求解

1.2.2.1 模型的建立及選擇

因研究對象為糧食儲藏在通風(fēng)狀態(tài)下糧堆內(nèi)壓力分布的問題，故模型模擬的區(qū)域為包括堆積散糧的整個儲倉，倉房內(nèi)的壓力場分布是三維問題，所以對倉房的整體結(jié)構(gòu)建立笛卡坐標(biāo)。

通風(fēng)過程中，整個散糧堆積區(qū)域內(nèi)部糧層溫度場的分布狀態(tài)均隨時間而變化，整個空間內(nèi)的相關(guān)參數(shù)大多也隨時間而變，因此糧食倉儲的通風(fēng)過程必須作為一個非定常問題來進(jìn)行計算。建立通風(fēng)條件下的糧食倉儲的物理模型，須對整體倉房作相應(yīng)的合理簡化，對于糧倉的空氣入口及出口采用相應(yīng)的邊界條件處理，忽略通風(fēng)地槽的導(dǎo)熱影響，底面熱傳導(dǎo)可以忽略不計，內(nèi)部環(huán)境的變化主要由通風(fēng)地槽的氣流輸入和倉房壁面與外界的熱傳導(dǎo)作用所導(dǎo)致，同時將糧食堆積區(qū)域看作與糧食物理特性等效的多孔介質(zhì)區(qū)域，通風(fēng)過程中氣體穿過該區(qū)域的運(yùn)動采用FLUENT中的多孔介質(zhì)模型進(jìn)行計算［10－13］。

倉儲糧堆機(jī)械通風(fēng)過程中，氣流由通風(fēng)地槽進(jìn)入并穿過整個散糧堆積區(qū)域，從通風(fēng)管道到倉房內(nèi)，空氣流動充分發(fā)展，風(fēng)速較大具有典型的湍流特性，因此必須考慮湍流的問題。

在實際數(shù)值模擬中，要根據(jù)具體問題的特點來決定所選用的模型。本研究在模擬計算中選用目前應(yīng)用最為廣泛且計算量相對較小、精度合適的標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型。k－ε模型主要是基于湍流動能和擴(kuò)散率，其中湍流動能方程是精確方程，湍流擴(kuò)散方程是由經(jīng)驗公式導(dǎo)出的方程，該模型對較小壓力梯度下的自由剪切流具有較好的擬合度［14］。

1.2.2.2 邊界條件及計算區(qū)域

入口及出口:流體入口條件按照速度入口邊界條件處理，需確定風(fēng)速大小、入口方向以及湍流參數(shù)情況。由于模擬主要涉及壓力場的分布，則空氣入口溫度的設(shè)定對模擬的結(jié)果沒有影響，可將其設(shè)為與外界溫度一致。流體出口按照壓力出口邊界條件處理，需確定出口表壓及湍流參數(shù)情況，采用湍流強(qiáng)度及湍流長度尺度(I－l)來表示湍流情況，其具體相關(guān)參數(shù)的計算公式如下所示:

湍流強(qiáng)度I的計算公式為:

式中:ReDH為按水力直徑DH計算得到的雷諾數(shù)，對于圓管，水力直徑DH等于圓管直徑。

湍流長度尺度l的計算公式為:

式中:L為關(guān)聯(lián)尺寸，對于完全發(fā)展的湍流流動，選擇在水力學(xué)直徑流場中指定L=。

倉房壁面邊界條件:糧倉壁面為不銹鋼結(jié)構(gòu)鋼板材料，固體壁面為無滑移邊界，靠近壁面處采用壁面函數(shù)法進(jìn)行處理。由于通風(fēng)時間相對較短，壁面換熱邊界對整個倉儲糧堆機(jī)械通風(fēng)過程中溫度場變化的影響很小，因此在模擬過程中將壁面設(shè)置固定溫度且與外界溫度一致。

多孔介質(zhì)區(qū)域:在散糧堆積區(qū)域內(nèi)，谷物顆粒作為多孔介質(zhì)的骨架在谷物彼此之間構(gòu)成了一定的空隙，同時固體骨架遍及整個多孔介質(zhì)所占的體積空間，空隙空間相互連通，在機(jī)械通風(fēng)過程中，氣流充滿整個介質(zhì)區(qū)域并在谷物空隙之間流動。試驗中將散糧堆積區(qū)域作為多孔介質(zhì)區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬。糧食顆粒作為多孔介質(zhì)的骨架，空氣在多孔介質(zhì)孔隙中流動時要受到糧食顆粒的阻力，包括黏性阻力和慣性阻力。

多孔介質(zhì)的模擬是通過在流體流動標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動方程中添加一個運(yùn)動源項來實現(xiàn)的。黏性損失項(Darcy)和慣性損失項組成運(yùn)動源項［16］:

式中:Si是i方向(x，y，z)動量源項，D 和C 是指定的系數(shù)矩陣。在多孔介質(zhì)單元中，動量損失和壓力梯度相關(guān)聯(lián)，壓降與流體速度(或速度方陣)成比例，此運(yùn)動損失造成了多孔介質(zhì)內(nèi)的壓力梯度，從而產(chǎn)生了與流體速度(或速度的平方)成比例的壓力降。

對于簡單的各向同性的均勻多孔介質(zhì)［15］:

式中:α是滲透性，C2時內(nèi)部阻力因子，簡單指定D和C分別為對角陣和C(其他項為零)的矩2陣。

定義滲透性和內(nèi)部損失系數(shù)的計算公式為［16］:

式中:Dp為谷物的平均直徑，φ為空隙率。

1.2.3 CFD 模擬

1.2.3.1 建模及網(wǎng)格劃分

選取整體倉房和全底板通風(fēng)系統(tǒng)為模擬計算區(qū)域，采用CFD模擬專用前處理軟件GAMBIT進(jìn)行模擬區(qū)域的三維模型建立和網(wǎng)格劃分，由于通風(fēng)為全底板通風(fēng)模式，故將倉房區(qū)域和機(jī)械通風(fēng)區(qū)域一起處理，分別建立開環(huán)流熏蒸口和開人孔的三維模型并進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，具體通風(fēng)模型和網(wǎng)格劃分參見圖3至圖6。

圖6 開人孔網(wǎng)格劃分

1.2.3.2 邊界條件及參數(shù)的確定

整個計算區(qū)域的邊界條件主要涉及通風(fēng)過程中進(jìn)口及出口的邊界參數(shù)，同時包括在全部流動區(qū)域內(nèi)的流體—空氣的狀態(tài)參數(shù)以及壁面熱邊界相關(guān)參數(shù)，糧堆小麥本身物性參數(shù)及多孔介質(zhì)相關(guān)參數(shù)也要進(jìn)行設(shè)置。

入口邊界:在通風(fēng)計算過程中，假設(shè)空氣為不可壓縮流體，計算時采用速度入口邊界條件，在FLUENT的邊界條件設(shè)定中需要確定空氣入口風(fēng)速、方向、溫度、密度、黏度以及相應(yīng)的湍流情況。

機(jī)械通風(fēng)過程中，假設(shè)空氣溫度與外界溫度一致為27℃，空氣密度 ρ=1.293 kg/m3，動力黏度μ =0.000 018 Pa·s。

根據(jù)不同通入風(fēng)量計算得到入口風(fēng)速，方向垂直于底板，再由通風(fēng)入風(fēng)口平面尺寸計算入口湍流情況，對于入口處的湍流情況采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型的湍流強(qiáng)度及湍流長度尺度(I－l)來描述，其值可由公式(1)和公式(2)計算得出，具體風(fēng)速及湍流相關(guān)參數(shù)的設(shè)置見表1。

表1 風(fēng)速及湍流相關(guān)參數(shù)

出口邊界:流體出口按照壓力出口邊界條件處理，需確定出口表壓及湍流參數(shù)情況。因出口邊界與外界大氣相通，故設(shè)置出口表壓值為0，相關(guān)湍流參數(shù)設(shè)置亦參考表1。

墻體壁面邊界:糧倉不銹鋼鋼板厚度為5 mm;熱傳導(dǎo)系數(shù)為48 W/m·K;熱容為480 J/kg·K及鋼板密度為7 800 kg/m3。

多孔介質(zhì)參數(shù):谷物堆積區(qū)域采用FLUENT中的多孔介質(zhì)模型，需對涉及多孔介質(zhì)的一些特性參數(shù)進(jìn)行設(shè)定［17］。設(shè)倉儲糧堆為小麥，小麥的熱傳導(dǎo)系數(shù)為 λg=0.13 W/m·K，比熱容為 Cg=1 780 J/kg·K，容積密度為ρg=750 kg/m3。同時在FLUENT中需要定義黏性和內(nèi)部阻力系數(shù)，即需要輸入滲透性α和慣性阻力因素C2。小麥?zhǔn)蔷哂形鼭B特性的顆粒，采用密度法可測得其孔隙度φ為0.468 6，同時可測得小麥平均顆粒直徑Dp，代入公式(3)和公式(4)可得到模擬小麥物料物性參數(shù) C2=

2 結(jié)果與討論

2.1 實倉試驗

按“1.2.1實倉試驗”方法，開環(huán)流熏蒸口時各測壓管所測定的糧堆內(nèi)壓力如表2所示，開人孔時各測壓管所測定的糧堆內(nèi)壓力如表3所示。

表2 開環(huán)流熏蒸口時測得糧堆內(nèi)壓力數(shù)值

表3 開人孔時測得糧堆內(nèi)壓力數(shù)值

2.2 CFD 模擬結(jié)果

根據(jù)已知邊界條件及相關(guān)參數(shù)，采用定常法SIMPLE算法進(jìn)行了倉儲機(jī)械通風(fēng)的計算，計算時各項參數(shù)的收斂度設(shè)為10－4，在開環(huán)流熏蒸口和人孔時分別計算不同風(fēng)量條件下倉儲糧堆內(nèi)部壓力場的分布。其中開環(huán)流熏蒸口時的壓力場分布見圖7，開人孔時壓力場的分布見圖8。

2.3 結(jié)果分析

依據(jù)倉房整體結(jié)構(gòu)建立的笛卡坐標(biāo)，可以得到6個測壓管對應(yīng)的三維坐標(biāo)值分別為1(0，0.15，0.48)，2(0，0.2，2.64)，3(0，0.5，5.16)，4( －2.5，0，0.48)，5(0，－2.95，0.48)，6(0，－2.8，2.64)，通過Fluent后處理軟件CFD－Post分析模擬結(jié)果，分別得到各點的模擬數(shù)值，結(jié)合實倉試驗結(jié)果(表2及表3)分別對開環(huán)流熏蒸口和人孔時的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證分析，具體對比分析結(jié)果如表4和表5所示。

表4 開環(huán)流熏蒸口試驗值與模擬值對比

表5 開人孔試驗值與模擬值的對比

從表4和表5可以看出，盡管由于受到測壓人工讀數(shù)的誤差影響及所建模型部分簡化等因素的限制，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果還存在一定的誤差，但整體看來，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果有較高的擬合度，試驗結(jié)果能夠真實的體現(xiàn)機(jī)械通風(fēng)過程中糧堆內(nèi)部壓力場的分布情況。

3 結(jié)論

為了驗證分析CFD方法模擬機(jī)械通風(fēng)過程中倉儲糧堆壓力場分布的可行性和準(zhǔn)確性，試驗以室外淺圓倉為模擬對象，利用CFD方法模擬了打開不同出口及不同通入風(fēng)量條件下的糧堆壓力場，并將模擬結(jié)果與實倉試驗數(shù)據(jù)比較分析，得出以下結(jié)論:

模擬結(jié)果與試驗結(jié)果存在一定的誤差，但兩者有較高的符合度，能夠真實的體現(xiàn)機(jī)械通風(fēng)過程中糧堆內(nèi)部壓力場的分布情況，證明了利用CFD模擬技術(shù)研究倉儲糧對機(jī)械通風(fēng)過程中壓力場分布是可行的。

由于試驗條件和糧倉結(jié)構(gòu)的限制，試驗只設(shè)定6個測壓管進(jìn)行倉內(nèi)壓力值的監(jiān)測，獲取的數(shù)據(jù)較少。后期可以選擇合適倉房進(jìn)行大批量的糧堆內(nèi)部壓力的測定，以期得到較多數(shù)據(jù)，為CFD模擬和后續(xù)倉儲糧堆糧層阻力的研究提供實例支撐。

［1］胡志超，胡良龍，高剛?cè)A，等.我國糧食倉儲技術(shù)的概況與發(fā)展［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2007(4):171－173

［2］彭威，張忠杰，任廣躍，等.倉儲糧堆溫度場CFD模擬應(yīng)用研究［J］.糧油食品科技，2011，19(6):5 －8

［3］任廣躍，張忠杰，朱文學(xué)，等.糧食干燥技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢［J］.中國糧油學(xué)報，2011，26(2):124－128

［4］呂新.現(xiàn)代糧食通風(fēng)技術(shù)與糧食儲藏生態(tài)系統(tǒng)［J］.糧油倉儲科技通訊，2003(1):11－13

［5］吳子丹.綠色生態(tài)低碳儲糧新技術(shù)［M］.北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，2011

［6］隋明波.機(jī)械通風(fēng)對糧食安全儲藏的作用及影響［J］.中國科技信息，2010(4):81－82

［7］李瓊，汪喜波，楊德勇.CFD方法在倉儲糧堆溫度場研究中的應(yīng)用探索［J］.糧食儲藏技術(shù)，2008，37(3):21 －24

［8］張忠杰，李瓊，楊德勇，等.準(zhǔn)靜態(tài)倉儲糧堆溫度場的CFD模擬［J］.中國糧油學(xué)報，2010，25(4):46 －50

［9］王遠(yuǎn)成，段海峰，武傳欣.就倉通風(fēng)時糧堆內(nèi)部熱濕耦合傳遞過程的數(shù)值預(yù)測［C］.中國糧油儲藏學(xué)會第六屆年會，2009(4):167－171

［10］Tsimpanogiannis I N，Yortsos Y C.Scaling theory of drying in porous media［J］.Journals of the American Physical Society，1999，59(4):4353 －4365

［11］Marcus Liew Kai Hoa，Meihua Lu，Yong Zhang.Preparation of porous materials with ordered hole structure［J］.Advances in Colloid and Interface Science，2006，121(1 －3):9 －23

［12］Prat M.Recent advances in pore－scale models for drying of porous media［J］.Chemical Engineering Journal，2002(86):153－164

［13］F Plourde，M Prat.Pore network simulations of drying of capillary porous media［J］.Influence of thermal gradients，International Journal of Heat and Mass Transfer，2003(46):1293－1307

［14］王福軍.計算流體動力學(xué)分析－CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004

［15］王瑞金，張凱，王剛.Fluent技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實例［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007

［16］Fluent Incorporated.Fluent5 user's guide［M］.Pittsburgh:FLUENT Incorporated，1998，7:9 －2，6 －17

［17］江帆，黃鵬.Fluent高級應(yīng)用和實例分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008.

Study on Simulation for Pressure Field Under the Condition of Mechanical Ventilation in Grain Storage

Ren Guangyue1Peng Wei1Zhang Zhongjie2Wu Zidan2Wang Fang1
(College of Food and Bioengineering，Henan University of Science and Technology1，Luoyang 471003)
(Academy of State Administration of Grain2，Beijing 100037)

This paper is based on the experiments under the condition of mechanical ventilation in grain storage，according to the results of mechanical ventilation in real warehouse experiment，and then established the computational fluid dynamics(CFD)model of pressure field in grain heap.Pressure field distributions are simulated under the air outlet for recirculation fumigation and entrance for workers at the different blast volume respectively.The results showed that the CFD model of pressure field in grain heap could express well with the experimental results.And it prove that the CFD method which is applied to research and analyze of pressure field in grain storage.

grain storage，mechanical ventilation，pressure field，CFD

S226.6

A

1003－0174(2012)09－0090－06

國家科技支撐計劃(2009BADA0B04)

2012－01－13

任廣躍，男，1971年出生，博士，副教授，農(nóng)產(chǎn)品干燥技術(shù)