朱世偉，陳剛，陳立德

（南華大學 土木工程學院，湖南衡陽 421001）

0 引言

近年來，我國提出糧食安全、“藏糧于技”等戰(zhàn)略要求，成品糧儲備以其應急、高效、節(jié)約倉容[1]等特點得到重視。然而，成品糧沒有外殼，容易受到外界不良環(huán)境因素如蟲害、潮熱等的影響，尤其在高溫高濕的華南地區(qū)，成品糧儲存更加不易。低溫儲存成品糧技術近年來以其能夠節(jié)糧減損、保持糧食品質以及利于環(huán)保等優(yōu)點得到迅速發(fā)展。高大空間成品糧倉使用的低溫儲糧技術中氣流組織對糧倉內(nèi)環(huán)境和用能情況影響巨大，因此研究高大空間低溫成品糧糧倉內(nèi)氣流組織分布具有重要意義。

關于高大平房低溫成品糧糧倉氣流組織優(yōu)化方面的研究成果較少，僅有學者運用CFD 模擬軟件研究風口布置[2-4]、堆碼方式[5-6]對糧倉氣流組織、降溫效果的影響，以及MURAKAI S[7-8]等人發(fā)現(xiàn)除了空調(diào)系統(tǒng)出風口氣流射流速度和溫度外，送風口、回風口的布置，燈光、設備的分布等也會對氣流組織產(chǎn)生影響。其中缺乏對具有高大空間屬性的低溫成品糧糧倉氣流組織的研究，對其進行研究如果采用實驗的方法，過程繁瑣復雜，需要布置大量傳感器進行長時間的監(jiān)測，且得到的結果多局限于特定系統(tǒng)。而數(shù)值模擬技術（CFD）能夠預先得知待建糧倉內(nèi)的溫濕度場，得到良好的氣流組織形式，以縮短時間、節(jié)約成本。故本文通過CFD 模擬軟件對華南地區(qū)高大平房低溫成品糧糧倉氣流組織進行數(shù)值模擬，將糧倉設計參數(shù)作為初始模擬條件，通過正交試驗設計工況，得出最佳送風方案，為待建低溫成品糧糧倉的設計使用提供技術參考。

1 工程項目及空調(diào)設計參數(shù)概況

高大平房低溫成品糧糧倉主要功能為儲存以及轉運成品糧，由低溫庫區(qū)、緩蘇區(qū)以及裝卸作業(yè)區(qū)三部分組成，中間由快速門隔斷且布置軟簾，東西低溫兩庫區(qū)由防火卷簾隔開。項目總平面布置圖如圖1 所示。

圖1 高大平房低溫成品糧糧倉布置平面圖

該糧倉概況如下：低溫庫區(qū)尺寸93.5×60×30m，緩蘇區(qū)尺寸28.5×60×30m，采用貨架自動堆碼，低溫庫區(qū)貨架裝糧高度區(qū)間為1～28.8m，單倉總容量為33060t。成品糧進出周轉率1200t/天，需在3 天內(nèi)[9]將進庫高溫糧降溫至安全儲藏溫度（≤20℃），進出庫時避免糧食表面出現(xiàn)結露，低溫庫區(qū)要求儲藏溫度≤15℃，所有操作均由機械臂完成，貨架之間不允許設置管道，以免影響動作。本文取設計溫度15℃，總設計冷負荷285.3kW，設計送風溫差3℃，風速9.7m/s，送風口大小0.25×0.25m，夏季的送風量為282475m3/h。

2 模型構建

2.1 物理模型

對低溫庫區(qū)模型進行以下簡化處理：

（1）模型東西對稱，選取西低溫庫區(qū)（圖2）為模擬對象，幾何尺寸為：長93.5 m，寬30m，高30m；

圖2 西低溫庫區(qū)物理模型圖

（2）貨架、糧堆與環(huán)境溫度相同，可視為一個整體。

2.2 數(shù)學模型

在仿真過程中作出以下假設：

（1）糧倉內(nèi)空氣符合Boussinesq 假設且不可壓縮；

（2）忽略通過快速門對糧倉溫濕度場的影響；

（3）忽略糧倉內(nèi)成品糧外包裝、托盤、自動堆碼設備對流場的影響；

（4）不考慮成品糧呼吸熱；

（5）不考慮糧倉內(nèi)空氣與已儲存成品糧之間的換熱。

運用網(wǎng)格劃分軟件ICEM 進行結構化網(wǎng)格劃分，導入FLUENT 軟件后選用Realizable k-模型，計算時采用SIMPLE 算法。

2.3 邊界條件

糧倉墻體、倉蓋采用壁面邊界條件，根據(jù)《糧油儲藏技術規(guī)范國家標準》(GB/T 29890—2013)，深圳屬于高溫高濕儲糧區(qū)，糧倉墻體傳熱系數(shù)應為0.46～0.52 W/(m2·K)，倉蓋傳熱系數(shù)不大于0.35 W/(m2·K)。外墻、倉蓋傳熱系數(shù)分別選為0.5 W/(m2·K)、0.35 W/(m2·K)，送風口采用速度入口，風速為9.7 m/s，送風溫度為12 ℃，回風口采用壓力出口，其余壁面邊界條件設置見表1。

表1 糧倉CFD模擬邊界條件表

3 初步設計數(shù)值模擬結果分析

3.1 設計要求

模擬時應滿足如下幾點要求：

（1）糧倉均溫≤15℃，糧堆堆放區(qū)環(huán)境溫度不超過15℃；

（2）避免風口正對糧食直吹，風速不宜過大；

（3）采用側送側回的送風方式。

3.2 氣流組織模擬分析

模擬得到Z=28.6m 截面貨架表面溫度云圖（圖3），Z=0.5、9、20、29m 截面的溫度分布云圖（圖4）和速度分布云圖（圖5）。

圖3 Z=28.6m截面貨架區(qū)域溫度分布云圖

圖4 Z=0.5、9、20、29m截面溫度分布云圖

圖5 Z=0.5、9、20、29m截面速度分布云圖

通過對圖3—圖5 分析可知：

（1）糧倉內(nèi)環(huán)境平均溫度為14.75℃，符合設計要求，說明初始設計負荷已經(jīng)能夠滿足日常安全儲存需要。然而貨架部分區(qū)域表面溫度高于15℃，并有向內(nèi)蔓延趨勢，不符合設計要求；

（2）Z=0.5、9、20、29m 截面平均溫度分別為14.68℃、14.95℃、14.95℃、14.75℃，對比各截面平均溫度，Z=0.5m（回風口）、29m（送風口）兩處截面溫度比糧倉中部的溫度略低，且屋頂傳入的熱量較少，上下溫度沒有明顯分層，符合設計要求。

上述分析中存在的問題是由于南北外墻附近熱量不能及時被帶走，導致熱量由外向內(nèi)擴散，蔓延到貨架區(qū)域，進而影響糧食安全儲存。

4 綜合優(yōu)化數(shù)值模擬結果分析

為解決存在的問題，本文引入正交試驗設計進行分析。

4.1 正交試驗設計

因素選取：以高大平房低溫成品糧糧倉送風口數(shù)量、送風溫差、送風速度為影響因素，對每個因素取3 水平，設計適合3 因素3 水平的正交表，將各因素的不同水平進行搭配，得到9 組工況。因素水平表、正交試驗設計表依次見表2、表3。

表2 因素水平表

表3 正交試驗設計表

4.2 氣流組織評價指標

采用氣流組織評價指標——不均勻系數(shù)判斷氣流組織均勻性，引入氣流組織評價指標——能量利用系數(shù)判斷能否有效地排出倉內(nèi)余熱，以平均溫度評價糧倉內(nèi)通風效果。

4.2.1 不均勻系數(shù)

該系數(shù)可表示各截面的溫度、速度分布均勻程度，如式（1）所示：

式中，xi表示第i 個點的溫度、速度值，n 為總測點數(shù)，x 表示溫度或速度的平均值，kx越小，氣流組織均勻性越好。各工況溫度不均勻性如圖6 所示，速度不均勻性如圖7 所示。

圖6 工況1—9 Z=9、20m截面溫度不均勻系數(shù)均值

圖7 工況1—9 Z=9、20m截面速度不均勻系數(shù)均值

通過圖6—圖7 可知：工況8 的溫度不均勻系數(shù)為各工況最小，為0.0056；工況5 的速度不均勻系數(shù)為各工況最小，為0.469；不存在溫度不均勻系數(shù)與速度不均勻系數(shù)同時為最佳的工況，綜合判定工況4、5、7 為較優(yōu)工況。

4.2.2 平均溫度及能量利用系數(shù)

能量利用系數(shù)可表達倉內(nèi)空調(diào)送風排出空調(diào)區(qū)余熱的能力，如式（2）所示：

式中，TP為排風溫度，TO為進風溫度，為倉內(nèi)平均溫度，ET越大，能量利用效果越好。各工況平均溫度如圖8 所示，能量利用系數(shù)如圖9 所示。

圖8 工況1—9 倉內(nèi)平均溫度

圖9 工況1—9 能量利用系數(shù)

通過圖8—圖9 可知：除了工況5 平均溫度為15.006℃，各工況平均溫度均小于15℃，均能滿足設計要求。各個工況的能量利用系數(shù)也均可達到一個較高的數(shù)值，其中工況6 的能量利用系數(shù)最高，為0.979，工況7 為0.974，表明各個工況均可有效排出空調(diào)區(qū)余熱。

通過正交試驗設計綜合比較9 組工況的不均勻系數(shù)、平均溫度以及能量利用系數(shù)，發(fā)現(xiàn)工況4、5、7 為較優(yōu)工況。

4.3 較優(yōu)工況氣流組織分析

選取工況4、5、7 中z=0.5、9、20、29m 截面的溫度分布云圖（圖10）和速度分布云圖（圖11）進行分析。

圖10 工況4、5、7溫度分布云圖

圖11 工況4、5、7速度分布云圖

通過對圖10、圖11 分析可知：

（1）工況4、5、7 各截面最高的平均溫度依次為15.05℃、15.01℃、14.91℃，平均溫度都能夠基本達到設計要求。送風量從大到小依次排序為工況5、4、7，且工況7 的截面平均溫度最低，然而工況5、7 有大面積區(qū)域溫度超過安全儲存溫度，而工況4 貨架區(qū)溫度均勻且沒有局部熱點；

（2）上述3 工況的風速均表現(xiàn)為在送風口截面和回風口截面風速較大，在儲藏區(qū)域由于貨架和糧食的阻礙作用，風速衰減得很快，各工況截面z=9、20m 的風速基本都在0.25m/s 左右。

結合不均勻系數(shù)、能量利用系數(shù)以及溫度、速度分布云圖進行綜合分析，工況4 為9 組正交試驗設計工況中的最優(yōu)工況，即送風口26 個，送風溫差3℃，送風速度8.7m/s。

5 結論

本文針對高大平房低溫成品糧糧倉氣流組織形式，運用CFD模擬軟件對成品糧糧倉氣流組織進行模擬優(yōu)化，模擬結果表明：

（1）從原設計方案模擬結果分析可知，初始設計方案基本滿足要求，但存在倉內(nèi)氣流組織不合理的問題，通過正交試驗設計得出的最優(yōu)方案（送風口26 個，送風溫差3℃，送風速度8.7m/s）能夠有效降低送風量，在減少能耗同時達到良好的氣流組織，保證成品糧的安全儲存；

（2）初始設計方案：設計溫度為15℃，總設計冷負荷為285.3kW，送風溫差為3℃，風速為9.7m/s，送風口大小為0.25×0.25m。優(yōu)化后設計方案：設計溫度為15℃，總設計冷負荷為285.3kW，送風溫差為3℃，風速為8.7m/s，送風口大小為0.3×0.3m，送風量減少9.2%；

（3）此工程在保證設計要求的前提下，在待建糧倉空調(diào)系統(tǒng)設計過程中，可將數(shù)值模擬方法作為空調(diào)工程設計的一種輔助手段，實現(xiàn)提前預知空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織情況，并針對初始設計方案提出改善氣流組織措施，從而完善設計方案。