戚禹康，王遠(yuǎn)成，俞曉靜

(山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101)

0 引言

1994年在遼寧試建了第一座淺圓倉，并從1998年起國家開始大規(guī)模地建設(shè)儲(chǔ)備糧庫。目前，已有90個(gè)糧庫新建或續(xù)建約720個(gè)淺圓倉，其倉容達(dá)5.69×109kg[1]。淺圓倉倉內(nèi)直徑一般≥20 m，倉壁高度與倉內(nèi)直徑之比≤1.5[2]。我國傳統(tǒng)倉型多為平房倉，具有隔熱、保溫性能好和儲(chǔ)糧穩(wěn)定的特點(diǎn)。淺圓倉作為新引進(jìn)的倉型，與平房倉相比，多采用鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，倉頂為聚乙烯夾心預(yù)制裝配整體式鋼筋錐面薄殼，能將糧食對(duì)壁面推力轉(zhuǎn)換成對(duì)環(huán)鋼筋的拉力，充分發(fā)揮鋼材抗拉強(qiáng)度大的特點(diǎn)[3]。淺圓倉可以采用較少的常規(guī)輸送機(jī)械組合，以較低的運(yùn)行成本完成糧食的入倉和出倉作業(yè)，在配備了機(jī)械通風(fēng)、環(huán)流熏蒸等新技術(shù)裝備后，比較容易實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化倉儲(chǔ)管理。淺圓倉占地面積較小、堆糧高度高、倉間不需再留道路，因此噸糧土建投資與平房倉相近[4]。所以，淺圓倉已成為我國近年來大力發(fā)展的一種新倉型。然而，由于淺圓倉糧層高、單倉儲(chǔ)量大，給冬季通風(fēng)降溫帶來了許多新問題。目前，國內(nèi)常用的淺圓倉通風(fēng)方式為在倉底設(shè)置地槽風(fēng)道的垂直通風(fēng)，但由于倉壁高度與倉內(nèi)直徑之比約為1.5，所以垂直通風(fēng)的空氣流動(dòng)距離較長，通風(fēng)過程中溫度、水分分層現(xiàn)象較為明顯，可能會(huì)出現(xiàn)頂部的糧食溫度還未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，但底部糧食已經(jīng)過度干燥的現(xiàn)象[5-6]。為此，文章基于多孔介質(zhì)流動(dòng)理論，提出了橫向通風(fēng)的解決方案。通過在壁面安裝垂直支風(fēng)道使空氣沿半徑方向移動(dòng)至糧倉中心的集風(fēng)管內(nèi)，再排到糧倉上部的空氣區(qū)域。

目前，對(duì)通風(fēng)時(shí)糧堆內(nèi)部溫度變化的模擬計(jì)算主要使用Thorpe建立的數(shù)學(xué)模型[7]，該模型可以較好地反映糧堆內(nèi)部溫度分布，文章也是在此模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。Gadton等[8]通過建立糧堆熱濕耦合模型研究糧食內(nèi)部溫度變化。Jian等[9]研究了實(shí)驗(yàn)圓倉的溫度、濕度和儲(chǔ)藏周期等主要因素對(duì)油菜籽儲(chǔ)藏狀態(tài)的影響并建立了相關(guān)模型。Xu等[10]建立了筒倉內(nèi)糧堆孔隙率對(duì)儲(chǔ)糧通風(fēng)系統(tǒng)均勻性影響的相關(guān)數(shù)學(xué)模型。Khankari等[11]研究了糧食水分和空氣水分之間的傳輸關(guān)系，構(gòu)建了與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相符的水分傳輸模型。Jia等[12]在笛卡爾坐標(biāo)系下建立了二維圓筒倉糧堆溫度場模型。其研究結(jié)果對(duì)淺圓倉通風(fēng)數(shù)學(xué)模型的建立有一定的參考作用。張燕君等[13]采用有限元數(shù)值模擬方法深入分析了在冬、夏不同季節(jié)平房倉的糧堆溫度分布。李祥利等[14]模擬研究了“圭”字形風(fēng)道垂直通風(fēng)狀態(tài)下糧堆溫度和水分變化規(guī)律。王雪等[15]模擬了在內(nèi)熱源干擾下糧堆溫度場分布及變化情況。白忠權(quán)[16]基于多孔介質(zhì)局部熱質(zhì)平衡原理研究了淺圓倉中小麥糧堆在非人工干擾狀態(tài)下溫度、濕度分布及遷移變化規(guī)律。尹君等[17]利用實(shí)測糧溫?cái)?shù)據(jù)，通過Matlab模擬軟件和糧溫?cái)M合算法，重現(xiàn)了淺圓倉糧堆場分布并根據(jù)溫濕度場耦合理論分析預(yù)測儲(chǔ)糧狀態(tài)的短期變化，并基于溫水分場耦合原理進(jìn)行了分析。王遠(yuǎn)成等[18]和高帥等[19]建立了儲(chǔ)糧通風(fēng)模型，對(duì)糧堆內(nèi)部空氣流動(dòng)及熱濕耦合規(guī)律進(jìn)行模擬研究，重點(diǎn)研究了房式倉垂直和橫向通風(fēng)過程中溫度前沿的變化。陳桂香等[20]、王遠(yuǎn)成等[21]和任廣躍等[22]運(yùn)用CFD模擬技術(shù)，模擬分析平房倉的準(zhǔn)靜態(tài)儲(chǔ)藏和淺圓倉機(jī)械通風(fēng)2種狀態(tài)下糧堆溫度場、介質(zhì)流場的分布及變化趨勢。吳子丹等[23]提出采用糧堆多場耦合理論結(jié)合模型，可應(yīng)用于各種倉型結(jié)構(gòu)、結(jié)合糧堆實(shí)測溫度值對(duì)糧堆狀態(tài)進(jìn)行短期預(yù)測，其研究結(jié)果對(duì)淺圓倉通風(fēng)物理模型的建立以及模擬軟件的選擇和參數(shù)設(shè)置有一定的指導(dǎo)意義。盡管國內(nèi)外對(duì)淺圓倉垂直通風(fēng)時(shí)溫度變化的模擬計(jì)算和實(shí)倉測試研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，但缺乏對(duì)橫向通風(fēng)方式效果的模擬對(duì)比。

1 淺圓倉模型建立、條件設(shè)置與實(shí)際測點(diǎn)分布

以日照庫淺圓倉為研究對(duì)象建立物理模型，其直徑為30 m、檐高為30 m、裝糧高度為20 m、倉頂傾斜角度為19°，倉頂有4個(gè)直徑各為1 m的軸流風(fēng)機(jī)出口。

1.1 淺圓倉垂直通風(fēng)物理模型

底部風(fēng)道為梳狀鋪設(shè)，分為2部分，每部分各設(shè)置1個(gè)進(jìn)口，風(fēng)道寬度為600 mm、高度為500 mm，出風(fēng)面與糧倉地面平齊。淺圓倉垂直通風(fēng)梳狀風(fēng)道平面布置如圖1所示，淺圓倉垂直通風(fēng)的物理模型如圖2所示。

圖1 淺圓倉底部梳狀風(fēng)道平面布置圖

圖2 淺圓倉垂直通風(fēng)網(wǎng)格圖

糧面及底部風(fēng)道上側(cè)面邊界條件為可通過面，軸流風(fēng)機(jī)出口為壓力出口。由于使用ICEM軟件可以比較簡便地畫出三維非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，文章使用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用四面體和六面體相結(jié)合的方式劃分網(wǎng)格，在通風(fēng)口和通風(fēng)籠處加密，生成的網(wǎng)格數(shù)約為30萬。

1.2 淺圓倉橫向通風(fēng)物理模型

淺圓倉橫向通風(fēng)時(shí)通過沿壁面垂直安裝安裝的8根支風(fēng)道使空氣沿半徑方向移動(dòng)至糧倉中心的集風(fēng)管，共設(shè)2臺(tái)風(fēng)機(jī)，通過底層2個(gè)環(huán)形主風(fēng)道將空氣分別均勻地分配至4個(gè)支風(fēng)道。集風(fēng)管直徑為2 m，考慮到底部需裝設(shè)出糧機(jī)，集風(fēng)管底部距糧倉底部距離為1 m。淺圓倉橫向通風(fēng)的物理模型如圖3所示。

圖3 淺圓倉橫向通風(fēng)網(wǎng)格圖

糧面、通風(fēng)籠、主風(fēng)道內(nèi)側(cè)面及集風(fēng)管邊界條件為面，支風(fēng)道頂面及主風(fēng)道上側(cè)面邊界條件為壁面，軸流風(fēng)機(jī)出口邊界條件為壓力出口。

使用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成的網(wǎng)格數(shù)約為30萬。

1.3 通風(fēng)過程數(shù)學(xué)模型

1.3.1 連續(xù)性方程

小麥?zhǔn)且环N典型的多孔介質(zhì)，根據(jù)質(zhì)量守恒理論，建立糧堆內(nèi)的連續(xù)性方程，由式(1)表示為

式中：ε為孔隙率，%；ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；u為糧堆內(nèi)部空氣的表觀速度或達(dá)西速度，m/s；?為哈密頓算子。

1.3.2 動(dòng)量方程

通風(fēng)時(shí)糧堆內(nèi)部強(qiáng)迫對(duì)流流動(dòng)及其阻力的動(dòng)量方程由式(2)表示為

式中：p為壓力，Pa；μ為空氣的動(dòng)力黏度，Pa·s；dp為谷物顆粒的等效直徑，mm。

式(2)中，方程右邊第3項(xiàng)為黏性阻力，第4項(xiàng)為慣性阻力，都是基于Ergun方程得到。當(dāng)ε＝1時(shí)為空氣區(qū)域流動(dòng)方程，即N-S方程；當(dāng)ε≠1時(shí)為糧堆區(qū)域流動(dòng)方程，即達(dá)西-布林克曼方程。

1.3.3 對(duì)流傳熱方程

糧堆內(nèi)的熱量傳遞過程滿足熱力學(xué)第一定律，根據(jù)能量守恒方程可建立通風(fēng)時(shí)糧堆內(nèi)部熱量傳遞的對(duì)流傳熱方程，由式(3)表示為

式中：ca、cg、cw分別為空氣、糧食和水的比熱，J/(kg·℃)；W為糧食的含水量；keff為糧堆的有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；T為溫度，℃；hs為糧食中每千克水的吸附熱。式(3)中為熱源項(xiàng)，即糧食吸濕和解吸濕時(shí)產(chǎn)生的熱量。

1.4 數(shù)值模擬方法及初始、邊界條件

采用非穩(wěn)態(tài)計(jì)算法，共計(jì)算14 d，時(shí)間步長為10 s。為了防止迭代過程不收斂或數(shù)值不穩(wěn)定，采用欠松弛技術(shù)。研究噸糧通風(fēng)量選用5.2 m3/(t·h)。經(jīng)計(jì)算，每個(gè)進(jìn)口的風(fēng)量為9.104 kg/s。進(jìn)口溫度為17℃，糧堆及空氣區(qū)域初始溫度為25℃，溫差為8℃。

1.5 實(shí)際測點(diǎn)分布

將糧堆按半徑1.5、5.5、9.5、13.5 m 分成4個(gè)環(huán)，由內(nèi)到外分別設(shè)置3、6、12、18根，共計(jì)39根電纜，每根電纜均勻分布11個(gè)測點(diǎn)，共計(jì)429個(gè)測點(diǎn)，截面如圖4所示。裝糧9 000 t，噸糧通風(fēng)量為5.2 m3/(t·h)。

圖4 淺圓倉測點(diǎn)分布截面圖

2 結(jié)果與分析

文章主要對(duì)比垂直與橫向通風(fēng)7 d后的結(jié)果。底部梳狀風(fēng)道的速度分布圖如圖5所示。通風(fēng)入口處風(fēng)速較大，到環(huán)形風(fēng)道末端風(fēng)速逐漸降低。各支風(fēng)道風(fēng)速基本一致，通風(fēng)均勻性較好。

圖5 垂直通風(fēng)底部梳狀風(fēng)道速度分布圖

垂直通風(fēng)第7天的速度和溫度分布圖如圖6所示。由圖6(a)中可以看出空氣均垂直向上通過糧面，因?yàn)榧Z堆表觀風(fēng)速較為均勻，所以在糧堆的空氣區(qū)域并沒有產(chǎn)生渦流。由圖6(a)～(d)中可以看出，由于倉底風(fēng)道位置分布的關(guān)系，糧堆中部的區(qū)域溫度降低的速率明顯慢于兩側(cè)區(qū)域溫度降低的速率。相比于橫向通風(fēng)，因?yàn)榧Z倉空氣區(qū)域沒有渦流，所以空氣區(qū)域存在較大的溫度梯度，且空氣區(qū)域溫度大于糧堆溫度，中下部接近糧面處溫度最高。垂直通風(fēng)通風(fēng)阻力計(jì)算方法為進(jìn)口平均壓力減去出口平均壓力，為1 643.7124 Pa。

橫向通風(fēng)的底部環(huán)形主風(fēng)道與支風(fēng)道的速度變化圖如圖7所示。通風(fēng)入口處風(fēng)速較大，到主風(fēng)道末端時(shí)，風(fēng)速已逐漸降低。各支風(fēng)道風(fēng)速基本一致，通風(fēng)均勻性較好。而且，相對(duì)于垂直地槽通風(fēng)來說，橫向通風(fēng)不會(huì)出現(xiàn)通風(fēng)死角，通風(fēng)降溫的均勻性大大提高。

橫向通風(fēng)第7天的速度、溫度分布圖如圖8所示。從圖8(a)中可以看出，在糧堆底部，空氣沿水平方向進(jìn)入集風(fēng)管，但隨著高度上升，空氣無法水平進(jìn)入集風(fēng)管，更傾向于斜向直接通過糧面，支風(fēng)管頂部的空氣直接垂直上升通過糧面。由于集風(fēng)管內(nèi)流量升高，空氣進(jìn)入集風(fēng)管的阻力逐漸提高，但集風(fēng)管仍是十分必要的，如果沒有集風(fēng)管，空氣短路的現(xiàn)象會(huì)更加明顯。由于大部分空氣從集風(fēng)管排至糧倉空氣區(qū)域，倉頂風(fēng)口無法直接將空氣排出，故會(huì)在倉頂空氣區(qū)域產(chǎn)生在壁面向下的渦流。由圖8(b)～(d)可以看出，糧堆中上部會(huì)形成一小塊高溫區(qū)域，這是由于空氣都是斜向通過該區(qū)域，是空氣在糧倉中的最長流動(dòng)路線，阻力最大，所以通過該位置的風(fēng)量較小。同時(shí)，該位置位于空氣流動(dòng)的末端，溫度的降低會(huì)有延遲。比較圖6和8可以發(fā)現(xiàn)，橫向通風(fēng)14 d后，糧堆上部的高溫區(qū)明顯小于垂直地槽通風(fēng)，所以，橫向通風(fēng)的降溫效果優(yōu)于垂直通風(fēng)。而且由于糧堆空氣區(qū)域存在渦流的緣故，空氣區(qū)域的溫度也能較為均勻地降低。橫向通風(fēng)通風(fēng)阻力計(jì)算方法同垂直通風(fēng)通風(fēng)阻力計(jì)算方法，為1 689.6016 Pa，與垂直通風(fēng)阻力相近。這是由于文章模擬的裝糧線高度較低，與半徑長度接近，故與垂直通風(fēng)相比沒有明顯優(yōu)勢。后續(xù)又針對(duì)半徑為25 m、檐高為32 m、裝糧高度為30 m的倉型進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)其橫向通風(fēng)阻力為1 614.96 Pa，垂直通風(fēng)阻力為3 409.74 Pa。可以看出，當(dāng)裝糧高度較高時(shí)，橫向通風(fēng)通風(fēng)阻力就會(huì)有明顯優(yōu)勢。

圖6 垂直通風(fēng)速度、溫度分布圖

圖7 橫向通風(fēng)環(huán)形主風(fēng)道與支風(fēng)道速度分布圖

2種不同通風(fēng)方式通風(fēng)1～14 d的最高溫度和平均溫度模擬值以及通風(fēng)實(shí)驗(yàn)實(shí)測溫度對(duì)比如圖9所示?？梢钥闯?，2種通風(fēng)方式的糧堆平均溫度變化基本一致，均在通風(fēng)第7天時(shí)降低到15℃，并保持穩(wěn)定。最高溫度在第8天之前維持初始溫度基本不變，這主要是由于通風(fēng)前8天時(shí)，糧堆內(nèi)部的溫度無法均勻降低，所以部分區(qū)域仍保持初始溫度。在第8天之后垂直通風(fēng)平均溫度的降低快于橫向通風(fēng)，垂直通風(fēng)第10天時(shí)，糧堆最高溫度就已經(jīng)接近糧堆平均溫度，而橫向通風(fēng)第14天時(shí)糧堆最高溫度才接近糧堆平均溫度。這主要是由于橫向通風(fēng)時(shí)，糧堆中上部的一小塊區(qū)域溫度無法快速降低，但由于此區(qū)域體積很小，對(duì)整體的平均溫度沒有顯著影響，且在第10天時(shí)最高溫度已降低至19℃，與平均溫度的溫差僅為2℃，在可接受范圍內(nèi)。通過模擬值與實(shí)測值的對(duì)比可以看出，模擬值與實(shí)測值較為接近，模擬結(jié)果是可靠的。

圖8 橫向通風(fēng)速度、溫度分布圖

圖9 垂直、橫向通風(fēng)1～14 d最高、平均溫度模擬值及通風(fēng)實(shí)驗(yàn)實(shí)測溫度對(duì)比圖

3 結(jié)論

通過上述研究得出以下結(jié)論：

(1)垂直與橫向通風(fēng)的平均溫度變化趨勢基本一致，且均在第7天時(shí)降低到15℃。受空氣流動(dòng)影響，橫向通風(fēng)時(shí)糧堆中上部存在一小塊高溫區(qū)域，但由于其體積很小，對(duì)平均溫度基本沒有影響，且該區(qū)域與糧堆平均溫度的溫差在允許的范圍內(nèi)，故對(duì)糧食品質(zhì)不會(huì)產(chǎn)生明顯影響。相對(duì)于垂直地槽通風(fēng)來說，橫向通風(fēng)不會(huì)出現(xiàn)通風(fēng)死角，通風(fēng)降溫的均勻性大大提高，總體上降溫效果優(yōu)于垂直通風(fēng)。

(2)橫向通風(fēng)的空氣區(qū)域存在渦流，所以溫度降低較快且梯度較小，在通風(fēng)第7天時(shí)空氣區(qū)域溫差為1℃；垂直通風(fēng)的空氣區(qū)域存在較大的溫度梯度，在通風(fēng)第7天時(shí)空氣區(qū)域溫差為3.5℃，且糧倉內(nèi)最高溫度在空氣區(qū)域中下部。

(3)當(dāng)裝糧高度為20 m時(shí)，橫向與垂直通風(fēng)的通風(fēng)阻力都約為1 600 Pa。當(dāng)裝糧高度為30 m時(shí)，橫向通風(fēng)阻力為1 614.96 Pa，垂直通風(fēng)的通風(fēng)阻力是橫向通風(fēng)阻力的2倍，其值為3 409.74 Pa?？梢钥闯鰴M向通風(fēng)的通風(fēng)阻力受裝糧高度影響較小，同時(shí)當(dāng)裝糧高度較高時(shí)，橫向通風(fēng)通風(fēng)阻力就會(huì)有明顯優(yōu)勢。