李興軍 張洪清

摘要：淺圓倉和立筒倉占我國現(xiàn)代化糧倉總量的12%，節(jié)約用地。從倉頂進(jìn)糧時(shí)由于糧食靜止角的作用總是倉中心富集雜質(zhì)導(dǎo)致孔隙度低于倉壁附近，倉中心糧層阻力往往大于倉壁附近，國內(nèi)對(duì)通風(fēng)期間這兩種倉型的糧堆氣流分布和壓強(qiáng)降缺乏數(shù)學(xué)模擬研究。高大的圓柱形糧堆上層糧食對(duì)底層糧食產(chǎn)生靜態(tài)壓強(qiáng)，可導(dǎo)致糧粒變形、破壞，破碎率和生化活性成分隨著局部糧堆含水率和溫度增加而顯著變化。從發(fā)展角度看需要研究淺圓倉和立筒倉糧堆氣流分布的影響因素和數(shù)學(xué)模擬，減少機(jī)械通風(fēng)期間風(fēng)機(jī)噪音和糧食水分損失，保持糧食品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：淺圓倉 立筒倉 氣流分布 孔隙度 曲折度 糧食品質(zhì)

我國糧庫建設(shè)用地上，堅(jiān)持節(jié)約用地原則，當(dāng)前我國現(xiàn)代化糧倉中，高大平房倉占比例85%，立筒倉占7%，淺圓倉占5%。從倉儲(chǔ)和貿(mào)易角度看，淺圓倉和立筒倉是發(fā)展方向。國外近年研究顯示，農(nóng)場(chǎng)筒倉中谷物糧食的堆密度，在筒倉底部能夠增加8%-10%，是由于上面糧食產(chǎn)生的靜態(tài)壓強(qiáng)，增加了氣流通道的曲折度[1]。圓柱形筒倉倉頂中心入糧方法，糧粒從糧倉中心位點(diǎn)進(jìn)入，徑向向外流出，導(dǎo)致絕大多數(shù)的粉塵材料保持在糧堆的中間核心。沿著筒倉直徑向外，粉塵的數(shù)量減少[2]。這種中心入糧的方法導(dǎo)致在糧堆的中心位置較低的孔隙度，而在倉壁處則逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高的孔隙度。在高大的筒倉中油菜籽儲(chǔ)藏期間，糧堆上層對(duì)底層施加靜態(tài)壓強(qiáng)，可引起底層油菜籽變形和破壞，在模擬試驗(yàn)中，20-60kPa壓強(qiáng)導(dǎo)致13%-16%含水率的油菜籽在25-30℃范圍隨著壓強(qiáng)、含水率及溫度增加，總植物甾醇、β-谷甾醇、蕓苔素甾醇的含量降低，而7%-9%含水率的油菜籽隨著壓強(qiáng)和溫度增加植物甾醇含量變異小[3]。值得分析淺圓倉和立筒倉中糧堆氣流分布和品質(zhì)影響因素，為優(yōu)糧優(yōu)儲(chǔ)提供技術(shù)保障及評(píng)價(jià)指標(biāo)。

一、我國現(xiàn)代化糧倉建設(shè)歷程及糧堆氣流分布研究的目的

自從20世紀(jì)80年代改革開發(fā)以來，我國調(diào)動(dòng)了農(nóng)民種植糧食的積極性，糧食總產(chǎn)量由1978年的3億噸持續(xù)增加到1998年的5.1億噸。到1998年由于中央和地方儲(chǔ)備糧食的倉容不足，導(dǎo)致農(nóng)民買糧難，影響了農(nóng)民種植糧食的積極性，糧食總產(chǎn)量下降到2003年的4.3億噸，在2003-2016年期間我國加大了糧庫倉容建設(shè)，同時(shí)對(duì)農(nóng)民種糧積極引導(dǎo)，到2007年糧食產(chǎn)量又突破了5億噸，當(dāng)前糧食年產(chǎn)量保持在6.3億噸左右[4-5]。上世紀(jì)50年代到1998年之前，我國以蘇式倉、基建平房倉、土圓倉及地下倉等倉型為主，儲(chǔ)糧基礎(chǔ)參數(shù)來自前蘇聯(lián)，推廣自然低溫、低溫密閉及地下低溫儲(chǔ)糧技術(shù)。在80年代開始示范推廣自然低溫輔助機(jī)械通風(fēng)、谷物冷卻機(jī)、制冷機(jī)及氣調(diào)等技術(shù)，均能夠延緩糧食品質(zhì)劣變[6]。在1998年我國開始建設(shè)以高大平房倉型為主的現(xiàn)代化儲(chǔ)備糧倉，單倉倉容為5千-3萬噸[7]。2003-2016年為現(xiàn)代化糧食儲(chǔ)備倉建設(shè)的重要時(shí)期。目前各種倉型中，高大平房倉占比例85%，適合長(zhǎng)儲(chǔ)藏周期。在第二次世界大戰(zhàn)之后，美國國家儲(chǔ)備糧采用高大平房倉儲(chǔ)藏，在20世紀(jì)50-90年代，美國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)雜志（Transactions of the ASAE）發(fā)表了大量關(guān)于高大平房倉糧堆微生態(tài)學(xué)的參數(shù)及變化規(guī)律[8-9]。由于高大平房倉受大氣濕度影響而倉內(nèi)局部糧情不穩(wěn)定，我國在“十五”到“十二五”期間對(duì)高大平房倉儲(chǔ)藏的糧堆溫度及水分變化規(guī)律研發(fā)投入很大。但是，對(duì)糧堆通風(fēng)期間氣流分布和壓強(qiáng)降一直缺乏深入研究。

糧堆中存在的粉塵、雜質(zhì)，以及糧堆構(gòu)造、糧食的物理特性，均可能引起倉內(nèi)局部區(qū)域糧堆通風(fēng)暴露率差，通風(fēng)暴露率高的局部區(qū)域通風(fēng)過度而造成糧食過度干燥。通風(fēng)效果差相關(guān)于糧堆局部區(qū)域水分升高，霉菌生長(zhǎng)，昆蟲進(jìn)攻和糧食敗壞[10-11]。研究不同糧食床條件的氣流分布和模式，高效化通風(fēng)作業(yè)，以阻止糧食品質(zhì)劣變、真菌毒素污染發(fā)生及減少經(jīng)濟(jì)損失。

二、我國現(xiàn)有糧食行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)分析

在糧倉設(shè)計(jì)和機(jī)械通風(fēng)作業(yè)風(fēng)量、風(fēng)壓選擇上，在我國儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)技術(shù)規(guī)程LS/T 1202-2002[12]中，風(fēng)機(jī)壓強(qiáng)的計(jì)算方法如下：

LS/T 1202-2002對(duì)單位通風(fēng)量的規(guī)定是，緩速通風(fēng)時(shí)，可采用排風(fēng)扇通風(fēng)系統(tǒng)，q應(yīng)該小于8 m3/（ht）;房式倉或淺圓倉選用離心風(fēng)機(jī)或軸流風(fēng)機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)，q應(yīng)該小于20 m3/（ht）;立筒倉選用離心風(fēng)機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)，q應(yīng)該小于10 m3/（ht）。

全球徑流數(shù)據(jù)中心（GRDC）[13]建議，干燥高水分糧食到儲(chǔ)存安全水分，對(duì)谷物含水率小于14%，需要的氣流速率在54-90 m3/（ht）;通風(fēng)冷卻糧食，對(duì)谷物含水率12%-14%，需要的氣流速率7.2-14.4 m3/（ht）。對(duì)100噸筒倉，這些值等價(jià)于表觀風(fēng)速（空氣體積流速除以筒倉橫切面積），對(duì)糧食干燥表觀風(fēng)速是0.07-0.11 m/s，對(duì)糧食冷卻表觀風(fēng)速則是0.01-0.02m/s。

國內(nèi)在糧堆降溫通風(fēng)作業(yè)中選擇風(fēng)機(jī)功率和風(fēng)壓時(shí)，在計(jì)算中壓緊系數(shù)C1取為1.3-1.5，風(fēng)道阻力取為200-300 Pa;總風(fēng)機(jī)壓強(qiáng)為壓緊壓強(qiáng)與風(fēng)道阻力之和再乘以系數(shù)1.2。這些計(jì)算基于經(jīng)驗(yàn)，過于粗糙。由于糧食粉塵、雜質(zhì)含量的影響，通常選擇大風(fēng)量風(fēng)機(jī)，導(dǎo)致降溫通風(fēng)作業(yè)時(shí)，糧堆水分丟失嚴(yán)重;或者選擇的風(fēng)機(jī)風(fēng)量過小，通風(fēng)不均勻，局部糧堆仍然存在高溫區(qū)，沒有達(dá)到降溫通風(fēng)的預(yù)期效果，導(dǎo)致儲(chǔ)糧害蟲生長(zhǎng)繁殖。還有設(shè)計(jì)立筒倉或淺圓倉時(shí)，當(dāng)前的經(jīng)驗(yàn)是對(duì)有的糧種如大豆，倉房高度不能夠超過24米。這些問題的產(chǎn)生主要是由于國內(nèi)對(duì)糧堆內(nèi)壓強(qiáng)分布缺乏研究。

三、糧堆內(nèi)壓強(qiáng)分布研究進(jìn)展

糧堆主要的非生物因子有溫度、水分及籽粒間隙氣體等。糧堆溫度和水分的變異主要導(dǎo)致水分遷移和熱斑點(diǎn)產(chǎn)生，而籽粒間隙空氣充當(dāng)熱和水分遷移的載體。研究糧堆中氣流分布，有助于設(shè)計(jì)科學(xué)的通風(fēng)系統(tǒng)和保持糧食品質(zhì)[14-16]。

任何結(jié)構(gòu)的糧倉中，糧堆內(nèi)氣流發(fā)生自然對(duì)流和強(qiáng)力對(duì)流兩種類型。自然對(duì)流主要由溫度變異產(chǎn)生，而強(qiáng)力對(duì)流則是采用風(fēng)機(jī)將空氣壓入或推出糧堆。在強(qiáng)力對(duì)流作業(yè)中，低氣流速率3.6-7.2 m3/（ht）用于冷卻糧堆，去除糧堆中的溫度梯度，而高氣流速率36-90 m3/（ht）用于干燥糧堆。強(qiáng)力對(duì)流作業(yè)表現(xiàn)效果依賴于糧堆中空氣的均勻性，而時(shí)常存在機(jī)械通風(fēng)的“死區(qū)”。在大倉容糧倉進(jìn)行實(shí)倉試驗(yàn)勞動(dòng)強(qiáng)度過大，于是依據(jù)物理學(xué)原理的數(shù)學(xué)模型用于研究糧堆中氣流的分布[17-18]，這是最佳的選擇。糧堆氣流分布通常認(rèn)為是流體流過多孔的介質(zhì)，糧堆氣流模型則用于描述氣流壓強(qiáng)降與氣流速度的關(guān)系。氣流分布模型可分為簡(jiǎn)單和高級(jí)模型。在簡(jiǎn)單模型中糧堆被認(rèn)為是同質(zhì)的或各向同性，在高級(jí)模型中糧堆則被考慮為各向異性或非均質(zhì)的特征。

（一）糧堆氣流與壓強(qiáng)降之間的關(guān)系

為了準(zhǔn)確模擬氣流通過筒倉中糧堆，模擬了各向異性的多孔介質(zhì)。許多學(xué)者采用有限元（FE）和有限體積（FV）方法[21-23]，以及Ergun方程（方程7）模擬了筒倉中一個(gè)元件的每單位長(zhǎng)度的壓強(qiáng)降?；诹黧w流動(dòng)阻力的雷諾爾德（Reynolds）理論，方程7中壓強(qiáng)降是粘性阻力（第一項(xiàng)）和惰性阻力（第二項(xiàng)）的函數(shù)。

粘性阻力項(xiàng)解釋了粘性流體穿過多孔介質(zhì)的壓強(qiáng)損失，它與表觀風(fēng)速成比例;該項(xiàng)顯示，較大的顆粒尺寸，發(fā)生較少的阻力，而孔隙度增加則減少粘性阻力。惰性阻力項(xiàng)是穿過多孔介質(zhì)的空氣密度的函數(shù)，它相關(guān)于當(dāng)氣流遷移通過糧堆曲折途徑空隙期間的惰性損失。它隨表觀風(fēng)速的平方增加，不依賴于顆粒尺寸和孔隙度。Lawrence and Maier [21]發(fā)現(xiàn)，粘性阻力和惰性阻力成分需要分別乘以因子3和1.7，以匹配儲(chǔ)存玉米的壓強(qiáng)降。需要修正這些因子包含進(jìn)入阻力成分的糧堆曲折度參數(shù)。因此，當(dāng)采用Ergun方程，通過糧堆的任何氣流研究必須確定合適的修正因子。以前的數(shù)值研究采用多孔介質(zhì)元件內(nèi)具有表觀風(fēng)速的質(zhì)量和動(dòng)量守恒定律。但是，在實(shí)際中，多孔介質(zhì)的空氣穿過孔空間更加快速。

（二）簡(jiǎn)化假說和邊界條件

通過綜合流體流動(dòng)方程和連同體方程，以Laplacian形式描述了氣流分布，報(bào)道的模型滲透率（K）不同，K被計(jì)算。一些科學(xué)家根據(jù)他們的方便性、可利用性及編程技術(shù)，以不同的計(jì)算機(jī)語言寫出他們自己的計(jì)算機(jī)編碼。一些學(xué)者修正可利用的程序以滿足研究和應(yīng)用的目的。對(duì)壓強(qiáng)P解方程，畫出等壓線和蒸汽線，以研究他們的氣流模型。

邊界條件幾乎對(duì)所有模型是一樣的，（1）糧食倉房壁被認(rèn)為是不透氣的，采用Neumann條件，即？犖P=0;（2）空氣入口和出口點(diǎn)被認(rèn)為是等壓值，采用Dirichlet條件，即P=Pe。 在大多數(shù)模型中，空氣存在的糧堆外部表面被認(rèn)為是大氣壓強(qiáng)（Pe=0），在少數(shù)情況，一些常數(shù)值被采用。

（三）影響糧堆氣流分布的因素

1. 糧堆孔隙度和曲折度

在筒倉地板之上，糧堆內(nèi)氣流分布依賴儲(chǔ)糧的孔隙度和曲折度。孔隙度是糧堆內(nèi)空氣比例的體積測(cè)定，而曲折度是測(cè)定空隙的連通性。筒倉中心入糧的方法導(dǎo)致在糧倉的中心較低的孔隙度，在倉壁處則逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高的孔隙度。Lawrence and Maier[21]分析直徑10m、高度8m 的筒倉內(nèi)玉米糧堆，核心處孔隙度為0.34，而近倉壁處孔隙度為0.38。Olatunde等[22]分析直徑15.63m、高度4m 內(nèi)稻谷糧堆，糧堆核心處孔隙度為0.45，而近倉壁處孔隙度為0.55。結(jié)果顯示，較低孔隙度的糧堆對(duì)穿過它的氣流提供較大的阻力。

Atungulu等[25]研究新收獲的四個(gè)品種稻谷在含水率18%-27%濕基范圍，其中扣除物含量范圍是0.2%-2.0%，扣除物含量依賴于收割機(jī)和天氣條件。當(dāng)?shù)竟人腿雰?chǔ)存?zhèn)}，在倉中心稻谷糧堆低孔隙度，而倉周邊較高孔隙度。這導(dǎo)致通風(fēng)期間倉中心顯示較低的氣流速度，而倉周邊糧堆較高的氣流速度。Siebenmorgen and Jindal[26]認(rèn)為氣流阻力來自粉塵的含量，他們采用含水率12%、18%、24%的長(zhǎng)粒稻谷品種，粉塵濃度是0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%， 氣流速度范圍是0.0135-0.387 m/s， 發(fā)現(xiàn)粉塵濃度增加1%，氣流阻力增加0.87%。Chung等[27]獲得相似的結(jié)果，采用的稻谷含水率12%、13%、15%、16%、18%，粉塵含量0%、1%、3%、5%，氣流速率0.05-0.38 m/s。

2. 籽粒形狀

不同種類糧食的形狀范圍從近似球形如油菜籽到縱長(zhǎng)型，且長(zhǎng)度大于寬度和厚度，如小麥。對(duì)球形和縱長(zhǎng)型籽粒，立筒倉內(nèi)糧堆對(duì)穿過它的氣流產(chǎn)生各向異性的阻力，水平阻力小于垂直方向的阻力（如表2）。當(dāng)孔隙度不變時(shí)曲折度隨著方向有差異[28]。

3. 糧堆高度

影響立筒倉內(nèi)氣流均勻性的最后一個(gè)因子是糧堆的高度。倉頂中心填充糧食的圓柱筒倉，產(chǎn)生中心峰，以糧食的靜止角（稻谷的自然靜止角30°）升高，空氣總是采取最小阻力的途徑。這意味著空氣趨向流動(dòng)到糧堆周邊部分，避開了通過頂峰的抬高[10]。解決這個(gè)問題的一個(gè)方法是，通過人工弄平糧堆或者采用去核心工藝設(shè)備最小化頂峰，從筒倉騰空一些糧食，減少糧堆頂峰的高度。除去糧堆頂峰改善了氣流通過上部糧堆的均勻性[21-22]。

Lai[29]在圓柱體糧食床中采用Ergun方程，給出三維非線性偏微分方程描述穿過多孔介質(zhì)的軸對(duì)稱的氣流分布，模擬糧堆核心和周邊的氣流分布采用的空隙度分布是0.4和0.6，Ergun方程（方程7）作為氣流阻力的源項(xiàng)添加到控制方程中。Singh and Thorpe[30]采用有限差異方法對(duì)帶有圓錐頂?shù)募Z堆提出了三維熱、質(zhì)量、動(dòng)量（自由對(duì)流）傳遞模型，模擬儲(chǔ)存在澳大利亞類型沙坑糧倉（bunkers）中的糧食，復(fù)雜的帶有圓錐頂?shù)募Z倉幾何學(xué)轉(zhuǎn)化為立方體計(jì)算結(jié)構(gòu)域，他們采用Darcy定律模擬糧堆中氣流阻力，采用矢量勢(shì)能概念解非線性方程。

Smith[31]采用基于Ergun方程的壓強(qiáng)和速度關(guān)系預(yù)測(cè)穿過糧食介質(zhì)的氣流速度，將非線性動(dòng)量方程簡(jiǎn)化為曲線方程。Garg （2005）采用有限體積方法研究糧堆中非均勻氣流分布，Lai的可變孔隙度概念被用于發(fā)展儲(chǔ)糧的非均勻氣流模型，在糧堆中心核區(qū)域（高雜質(zhì)含量）和周邊區(qū)域（低雜質(zhì)含量）采用了兩種孔隙度。

Bartosik and Maier[10]試驗(yàn)測(cè)定帶有圓錐頂、平整、去核心的玉米糧堆中氣流分布，對(duì)每種糧堆測(cè)定糧面中心附近和周邊的氣流速率?；诜蔷鶆蛞蜃樱∟UF）確定氣流分布的非均勻性，在玉米筒倉中，NUF定義為， （糧堆周邊風(fēng)速-中心風(fēng)速）*100/（糧堆周邊風(fēng)速+中心風(fēng)速），發(fā)現(xiàn)將帶有圓錐頂?shù)募Z堆弄成平整的糧面，非均勻度因子由89%減少到36%。

Lawrence and Maier[21]采用非均勻度因子驗(yàn)證Bartosik and Maier[10]的工作，假定從糧堆中心到周邊孔隙度是線性變化，采用基于多孔介質(zhì)理論的fluent 計(jì)算流體力學(xué)軟件解3D非均勻氣流模型，針對(duì)玉米筒倉中糧面帶有圓錐頂、平整、反轉(zhuǎn)的情況。他們對(duì)玉米糧堆采用兩種恒定的孔隙度（0.38和0.40）和三種可變的孔隙度（0.34-0.38、0.36-0.38、0.38-0.40）驗(yàn)證氣流分布，對(duì)可變的孔隙度0.34-0.38，模型預(yù)測(cè)非常接近試驗(yàn)結(jié)果。采用線性插值函數(shù)估計(jì)的糧堆中心孔隙度0.34，糧堆周邊孔隙度0.38。

Olatunde et al 2016[22]采用有限體積方法模擬評(píng)價(jià)筒倉中籽粒2.94mm、孔隙度0.55的長(zhǎng)粒稻谷糧堆，帶有圓錐頂、反轉(zhuǎn)、平整糧面情況下的氣流分布特征，對(duì)氣流速率0.55、0.825、1.1 m3/（min·t）進(jìn)行模擬，采用試驗(yàn)尺度壓強(qiáng)降系統(tǒng)和倉容700噸的帶有圓錐頂糧面的稻谷筒倉進(jìn)行驗(yàn)證，長(zhǎng)粒稻谷品種的粘性阻力和惰性阻力系數(shù)分別是9.72E+06和36185。帶有圓錐頂或反轉(zhuǎn)糧面的糧堆氣流呈現(xiàn)非均勻分布，帶有圓錐頂糧面的糧堆氣流阻力最大，圓錐頂處的氣流速率顯著低于糧堆周邊部位。從稻谷筒倉中測(cè)定的平均非均勻因子是34%，對(duì)恒定和可變孔隙度從模型獲得的非均勻因子分別是19%和71%。為了保證氣流分布的非均勻因子小于50%，對(duì)反轉(zhuǎn)糧面的情況需要移走最大50噸稻谷。

另外，通風(fēng)期間氣流分布影響糧堆熱傳遞。大多數(shù)研究假定通風(fēng)期間氣流均勻分布，而Garg （2005）研究了糧堆中由于非均勻氣流分布引起了的兩維熱、質(zhì)量、動(dòng)量傳遞。他采用基于軟件fluent的有限體積方法模擬非均勻動(dòng)量傳遞，采用2D PHAST-FEM 編碼（Post-Harvest Aeration & Storage Simulation Tool）作為非均勻氣流分布的函數(shù)模擬熱和質(zhì)量傳遞。

四、展望

（一）研究淺圓倉和立筒倉內(nèi)糧堆氣流分布影響因素

有幾個(gè)相互關(guān)聯(lián)的物理因子糧堆孔隙度和曲折度、糧粒形狀、糧堆高度等影響儲(chǔ)糧的氣流均勻性，能夠?qū)е虏畹臍饬鲄^(qū)域。為了減少儲(chǔ)存損失和成本，需要了解淺圓倉和立筒倉內(nèi)氣流分布，最佳化通風(fēng)期間的操作。這樣，數(shù)值模擬很重要，顯示如何最佳化糧食筒倉設(shè)計(jì)和操作最小化成本。

（二）機(jī)械通風(fēng)期間實(shí)時(shí)顯示糧堆各點(diǎn)的壓強(qiáng)和氣流速率

由于受大都市的溫室效應(yīng)影響，儲(chǔ)糧存儲(chǔ)周期內(nèi)在降溫通風(fēng)作業(yè)中水分損失嚴(yán)重，風(fēng)機(jī)噪音大，根本原因是對(duì)糧堆氣流壓強(qiáng)場(chǎng)缺乏研究。本研究根據(jù)我國淺圓倉通風(fēng)系統(tǒng)和糧食儲(chǔ)藏周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，實(shí)時(shí)顯示糧堆各點(diǎn)的壓強(qiáng)和氣流速率，有助于在降溫過程中合理選擇風(fēng)機(jī)，減少風(fēng)機(jī)噪音，減少糧食水分損失，節(jié)約電能，保持糧食的品質(zhì)，為民眾提供優(yōu)質(zhì)的原糧食品和美麗的宜居環(huán)境。

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（作者單位：國家糧食和物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院）