◎ 李坤由

（鄭州中糧科研設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450001）

筒倉根據(jù)高徑比可分為深倉和淺倉；根據(jù)截面形狀的變化，可分為圓形筒倉、矩形筒倉和正多邊形筒倉等；根據(jù)倉壁材料不同，可分為木制筒倉、鋼結(jié)構(gòu)筒倉、磚砌筒倉和鋼筋混凝土筒倉等[1]。筒倉吞吐量大，機(jī)械化程度高，易于管理，便于長期儲(chǔ)藏且儲(chǔ)藏能力大，被廣泛應(yīng)用于糧食倉儲(chǔ)物流領(lǐng)域，應(yīng)用較多的為鋼筋混凝土圓形筒倉和鋼結(jié)構(gòu)圓形筒倉，一般深倉用于中轉(zhuǎn)，淺倉用于儲(chǔ)藏。

1 筒倉應(yīng)用現(xiàn)狀

筒倉的坍塌事故偶爾發(fā)生，造成坍塌的因素較為復(fù)雜，尤其是卸料過程的動(dòng)態(tài)壓力無法準(zhǔn)確計(jì)算，故筒倉卸料過程其內(nèi)部物料流動(dòng)狀態(tài)及倉壁測(cè)壓力一直是國內(nèi)外研究學(xué)者研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)[2-3]。目前，糧食的重要性顯而易見，糧食事關(guān)國運(yùn)民生，糧食安全是國家安全的重要基礎(chǔ)，節(jié)糧減損、安全儲(chǔ)藏是確保糧食安全的重要舉措。為此，在糧食轉(zhuǎn)運(yùn)儲(chǔ)藏過程中提出降碎減損、安全儲(chǔ)藏等保障糧食安全的要求。由于筒倉倉容大，高度高的特點(diǎn)需要增加輔助裝置達(dá)到降低破碎、通風(fēng)降溫、監(jiān)管糧情等效果，如折板扶壁降碎裝置、中心減壓管裝置、測(cè)溫電纜等。但增加裝置的筒倉散體物料流動(dòng)狀態(tài)研究較少，導(dǎo)致在筒倉卸料過程伴有工程事故發(fā)生，如測(cè)溫電纜被拉斷，扶壁被破壞、通風(fēng)地籠受損、中心減壓管破壞等，導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低，浪費(fèi)人力、物力、財(cái)力。

2 筒倉卸料研究方法

目前，許多國家的筒倉設(shè)計(jì)規(guī)范均是基于修正后的JANASEN公式，即正壓力乘以靜壓系數(shù)，不同之處在于側(cè)壓力系數(shù)的取值。實(shí)際上，對(duì)于筒倉受力尤其是動(dòng)態(tài)壓力及散料流動(dòng)狀態(tài)，并沒有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及計(jì)算理論。但國內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)筒倉卸料的相關(guān)研究從未停止過。目前研究方法主要分為理論研究、簡化模型實(shí)驗(yàn)研究、計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究。

2.1 理論研究

JANASEN公式中前提假設(shè)條件是顆粒均勻填充且性質(zhì)一致，不可壓縮，顆粒在同一水平面的鉛錘壓力大小相等，倉內(nèi)任意一點(diǎn)垂直壓力與水平壓力比值恒定。且該公式只適用于靜態(tài)壓力計(jì)算，未考慮動(dòng)態(tài)載荷影響。為了能準(zhǔn)確分析筒倉卸料動(dòng)態(tài)壓力，JENIKE[4]通過建立圖表方式推算筒倉的動(dòng)、靜壓力，對(duì)JANASEN公式進(jìn)行了適當(dāng)修正。李國柱等[5]考慮筒倉流動(dòng)壓力及側(cè)壓力系數(shù)隨倉深變化情況，建立方程，得出倉壁動(dòng)態(tài)壓力近似計(jì)算公式。MADRID等[6]提出了一個(gè)在料倉卸料過程中散體物料流量的微分方程，給出了卸料過程中壓力的解析表達(dá)式。但目前尚未見系統(tǒng)的理論計(jì)算公式能夠被推廣應(yīng)用。

2.2 實(shí)驗(yàn)研究

大尺度筒倉實(shí)驗(yàn)研究報(bào)道較少，早前蘇聯(lián)學(xué)者赫塔美謝夫進(jìn)行過大規(guī)模實(shí)驗(yàn)研究[7]，徐志軍等[8]在河南省國家糧食庫庫區(qū)29號(hào)淺圓倉側(cè)壓力的進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用貝葉斯統(tǒng)計(jì)理論給出側(cè)壓力概率特性的推斷方法。足尺寸的大規(guī)模實(shí)驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，實(shí)驗(yàn)過程糧食流動(dòng)狀態(tài)不可見，只能通過分析及傳感器數(shù)據(jù)傳遞來對(duì)結(jié)果進(jìn)行研究，且可變因素較多，如在大規(guī)模實(shí)驗(yàn)傳感器類型的選取上，實(shí)驗(yàn)中由于交叉施工、生產(chǎn)作業(yè)，傳感器長期掩埋無法標(biāo)定導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不可靠等。因此，通過足尺寸實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)筒倉進(jìn)行研究的方法難以被接受。通常采用簡化筒倉模型的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。YI等[9]研究了細(xì)長顆粒從筒倉旋轉(zhuǎn)底部卸料的流動(dòng)狀態(tài)，PENG等[10]通過實(shí)驗(yàn)研究了單球形顆粒和一對(duì)球形顆粒組成的二元混合料在二維筒倉內(nèi)的卸料過程，提出了一個(gè)用來評(píng)估雙球顆粒比例對(duì)流量影響的經(jīng)驗(yàn)公式，TU等[11]研究了卸料過程中的結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)筒倉內(nèi)流量和壓力的影響，F(xiàn)ANK等[12]通過安裝在鋼筋混凝土板上的壓力傳感器和兩根支撐柱下的荷載傳感器來測(cè)量大型筒倉在裝載、儲(chǔ)藏和卸載過程的壓力分布情況，F(xiàn)ULLARD等[13]對(duì)裝滿顆粒物料的有機(jī)玻璃三維平底筒倉（卸料口尺寸可變）進(jìn)行重力驅(qū)動(dòng)卸料過程物料流態(tài)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，CALDERON等[14]通過實(shí)驗(yàn)研究了種子顆粒在筒倉內(nèi)質(zhì)量流狀態(tài)的卸料過程，驗(yàn)證了Beverloo方程中涉及到的流動(dòng)參數(shù)與種子顆粒的形狀參數(shù)之間的關(guān)系，F(xiàn)ULLARD等[15]通過實(shí)驗(yàn)研究了裝滿谷物的可視化筒倉卸料過程中發(fā)生的流動(dòng)變化。GELLA等[16]研究了顆粒大小對(duì)筒倉卸料過程的影響，并分析了是否還有其他影響速度和體積分?jǐn)?shù)分布情況的因素，吳宏旻[17]通過中心錐體筒倉縮小尺寸的實(shí)驗(yàn)，研究出中心錐體筒倉卸料過程中倉壁超壓系數(shù)最大值總是出現(xiàn)在滿倉倉壁側(cè)壓力最大的位置。周長明等[18]采用壓實(shí)和松散兩種裝料方式，研究了筒倉卸料過程物料流態(tài)及對(duì)倉壁側(cè)壓力的影響。吳承霞等[19]采用高1.1 m直徑為0.5 m 的有機(jī)玻璃筒對(duì)大豆、小麥和砂子3種貯料進(jìn)行筒倉卸料實(shí)驗(yàn)，得出卸料過程中3種物料最大超壓系數(shù)分別為2.27，1.52和1.24，位置在筒倉高度1/3附近。

2.3 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬仿真技術(shù)

隨著科學(xué)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高，數(shù)值仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，通過數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)合手段的研究成果可信度較高。在筒倉卸料研究方面，目前主要分為有限元法和離散單元法。有限元法分析筒倉的結(jié)構(gòu)響應(yīng)方面成果頗多，但連續(xù)介質(zhì)數(shù)學(xué)模型研究散粒體存在一定的局限性。散體物料在不同尺度下具有其特殊的物理力學(xué)現(xiàn)象，故19世紀(jì)70年代研究非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)行為的離散元理論誕生，隨后被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。

基于離散元理論針對(duì)筒倉國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，為筒倉設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用提供了有力支撐。徐志軍等[20]通過縮尺模型實(shí)驗(yàn)和離散元數(shù)值模擬研究了普通雙側(cè)壁卸料和帶流槽雙側(cè)壁卸料2種工況下的側(cè)壓力環(huán)向分布。原方等[21]探討了筒壁雙側(cè)卸料方式下高徑比（1.1和2.2）不同的筒倉的靜、動(dòng)態(tài)側(cè)壓力大小及分布位置。周劍萍等[22]利用基于離散元法模擬了干顆粒和濕顆粒在筒倉卸料過程，分析了不同水分顆粒在筒倉卸料過程宏觀特性，得出存在液橋力的濕顆粒阻塞概率大。TAKHTAMISHEV等[23]通過改變填倉速度卸料狀況出口布置得出筒倉內(nèi)散粒體應(yīng)力狀態(tài)圖，LANGSTON等[24]基于離散元法改變顆粒半徑出料口尺寸及漏斗傾角，得出筒倉卸料時(shí)倉壁應(yīng)力分布，H?RTL[25]和YANG等[26]研究了筒倉底部增加分流器后卸料過程中顆粒流動(dòng)特性，HIDALGO等[27]分析了出料口成拱的筒倉內(nèi)顆粒受力狀態(tài)，JI等[28]研究了外力作用下筒倉卸料過程筒倉與顆粒接觸力的變化。HUINAN等[29]研究了帶有中心減壓管筒倉內(nèi)顆粒流態(tài)與倉壁壓力的變化情況。

從以上的研究中可以看出筒倉卸料數(shù)值研究仍局限于縮小尺寸的筒倉與計(jì)算機(jī)仿真結(jié)合的手段，原因在于足尺度的筒倉卸料數(shù)值研究計(jì)算量難以達(dá)到，為了提高簡化的筒倉實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率，國內(nèi)外專家學(xué)者在力學(xué)模型、計(jì)算機(jī)軟硬件等方面做了大量研究工作。在力學(xué)模型方面，為有效模擬不同形態(tài)的離散單元體，由規(guī)則的幾何顆粒模型發(fā)展到非規(guī)則顆粒模型，由二維圓盤、三維球體發(fā)展到超二次曲面顆粒單元、擴(kuò)展多面體單元等，相應(yīng)的力學(xué)接觸模型也在探索中優(yōu)化完善，很大程度上提高了數(shù)值模擬的效率及準(zhǔn)確率。在計(jì)算手段方面，各類分析軟件也在不斷開拓發(fā)展，同時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算效率也提出要求。硬件方面CPU多核技術(shù)的發(fā)展，很大程度上提高了計(jì)算效率，但是仍不能滿足研究學(xué)者們的計(jì)算要求，隨之GPU并行技術(shù)、CPU-GPU協(xié)同并行技術(shù)迅速發(fā)展?；陔x散元方法的計(jì)算軟件方面近年來發(fā)展也較為迅速，國外從最初的PFC2D發(fā)展到目前的EDEM、Rocky等多種功能強(qiáng)大離散元軟件，國內(nèi)研究學(xué)者也在開發(fā)自主產(chǎn)權(quán)的離散元軟件，如中國科學(xué)院力學(xué)研究所李世海等開發(fā)的CDEM，南京大學(xué)劉春等開發(fā)的MatDEM，浙江大學(xué)趙永志等開發(fā)的DEMSLab，大連理工大學(xué)開發(fā)的SDEM等。

3 結(jié)語

為保障國家糧食安全，對(duì)綠色儲(chǔ)糧、安全儲(chǔ)糧、節(jié)能減損等方面的要求越來越高，筒倉設(shè)計(jì)不斷提出創(chuàng)新工藝、創(chuàng)新倉型，為了確保安全生產(chǎn)，提質(zhì)增效，筒倉卸料過程仍會(huì)有不同程度的問題出現(xiàn)，盡管國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究工作且得出很多研究成果，但針對(duì)筒倉卸料相關(guān)研究仍有大量工作要做，然而糧食物料的特有屬性、糧食顆粒與筒倉的尺度差異給筒倉卸料研究帶來了很大挑戰(zhàn)，以下問題仍需要研究人員關(guān)注重視。

盡管計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在快速發(fā)展，準(zhǔn)確的散體物料物理特性參數(shù)是影響數(shù)值模擬仿真技術(shù)的關(guān)鍵因素，目前我國設(shè)計(jì)規(guī)范中采用的糧食物理特性數(shù)據(jù)仍沿用前蘇聯(lián)數(shù)據(jù)，隨著糧食種的改變及基因變化，糧食物理特性有所變化，有必要對(duì)目前不同地域、不同品種的糧食物理特性進(jìn)行系統(tǒng)化研究，為筒倉設(shè)計(jì)及相關(guān)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

由于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證耗材、耗力、耗時(shí)，大尺度筒倉卸料實(shí)驗(yàn)研究較少，實(shí)驗(yàn)研究基本停留在實(shí)驗(yàn)室模型簡化研究，同時(shí)結(jié)合數(shù)值模擬研究對(duì)比驗(yàn)證。但模型縮放的失真率有待進(jìn)一步商榷，簡化模型的可信度需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

隨著數(shù)值模擬研究的快速發(fā)展，很多領(lǐng)域已經(jīng)將該手段很好地應(yīng)用于工程實(shí)踐，但數(shù)值模擬計(jì)算效率和計(jì)算規(guī)模目前仍是難以突破的瓶頸，為了突破這一瓶頸目前一些學(xué)者也提出了相應(yīng)的解決辦法，如粗?；⒍嗪薈PU并行、GPU并行等。綜上，可以看出目前研究筒倉的卸料過程方法也在不斷優(yōu)化，但目前無論是力學(xué)模型還是硬件配套都需進(jìn)一步升級(jí)從而提高計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。因此，還需進(jìn)一步加強(qiáng)離散元方法的基礎(chǔ)理論、數(shù)值算法，誤差分析以及參數(shù)選取等方面的研究，另外，還需要通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，理論解以及其他數(shù)值方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)而支撐工程應(yīng)用，預(yù)防解決工程問題。