我国是世界上最大的粮食生产、储藏及消费大国,粮食储藏是国家为防备战争、灾荒及其他突发性事件而采取的有效措施,因此粮食的安全储藏是关系到国计民生的战略大事^[1].但是粮食在储藏过程中会因为温度、湿度、自身呼吸、微生物滋生等各方面的原因发霉变质.因此,在粮食储藏过程中根据其温湿度变化情况,对其进行降温降湿来抑制微生物生长及鼠害都是很有必要的^{[2, 3]}.目前,人们通过人工倒仓、自然通风、机械通风等手段对粮食进行降温降湿处理.然而,人工倒仓花费较大,自然通风受季节限制,比较而言,相对方便灵活的通风手段主要是机械通风^[4].但是机械通风的均匀性很难把握,通风不均匀很容易产生降温死角.我国制定的储粮机械通风技术规程^[5]规定:在亚热带地区,机械通风要在粮食平均温度与进风温度之差小于3℃的情况下停止通风.最高温度区域无疑是降温死角,但是寻找降温死角的传统方法是通过实仓实验获得,但实仓实验周期长、费用高、采集数据设备易老化.因此,目前引入数值计算方法提高粮食储存技术水平是非常可行、方便的方法.

本文利用流体力学相似性原理和量纲分析理论,以实际粮仓原型建立模型仓,采用数值模拟取代实仓实验,从而大大减少了实验成本并克服了设备易老化等缺点.本文根据模型仓实验取得的数据并参考相关文献,确定了模拟计算所需的边解条件,利用数值传热方法对粮仓通风时粮堆内部的温度场、速度场进行了模拟,通过温度场分析可确定降温死角区域.这为完善粮仓机械通风、设计更为合理的风道提供了依据.本文使用的模型仓及数值计算方法已在粮仓中使用并得到验证^{[6, 7, 8, 9, 10]}.

本文根据相似性原理和量纲分析理论,将某典型平房仓^[11]按几何比例50:1缩小成模型仓.原型平房仓与模型仓的尺寸如表 1所示.

表 1 Table 1

表 1 原型平房仓与模型仓尺寸对比 Tab. 1 Comparison of the geometry between the real granary real and model granary 仓类 型 侧墙 长度/m 侧墙宽 度/m 吊顶高 度/m 粮层高 度/m 风道尺 寸/m 原型 平房仓 24 42 10 8 0.4 模型仓 0.48 0.84 0.2 0.16 0.008

表 1 原型平房仓与模型仓尺寸对比 Tab. 1 Comparison of the geometry between the real granary real and model granary

根据相似性原理,同类现象相似的条件为:① 同名的已定特征数相等;② 单值性条件相似.本文中由于涉及到粮仓速度场和温度场的变化,因此雷诺数和普朗特数要相等^[12].利用热线风速仪测出模型仓支管段风速υ_m=22.5 m·s^-1.《储粮机械通风技术规程》^[5]规定,支管段风速最好控制在6 m·s^-1以下,最高不超过9 m·s^-1,一般为4～5 m·s^-1.因此,取原型平房仓支管段风速υ=4 m·s^{-1[4, 5]},则有

式中:Re、Re_m分别为原型平房仓和模型仓雷诺数;d、d_m分别为原型和模型仓支管段直径;ν、ν_m分别为原型平房仓和模型仓中空气的运动黏度.

虽然Re不等于Re_m,但是根据流体力学相似性原理,当原型的雷诺数处于自模化区时,模型的雷诺数不必保证与原型的雷诺数相等,只要与原型处于同一模化区即可.因为原型平房仓和模型仓的雷诺数均在第二模化区(＞10³~10⁴)^[13],因此可认为相似.

实验装置如图 1所示,主要部件有变频器、风机、模型仓、T型热电偶、阿尔泰数据采集模块、计算机等.实验介质为大米.

图 1

Fig. 1

图 1 实验装置图 Fig. 1 Experimental setup

根据《粮食平房仓设计规范》^[11]要求,模型仓采用最常用的一机四道地槽通风方式.图 2给出了模型仓内通风地槽布置情况.实验采用压入式通风,将风机产生的风量通过风管送入通风地槽,通过空气分配器对风量进行均匀分配后对实验材料进行冷却.

图 2

Fig. 2

图 2 模型仓内通风地槽布置情况 Fig. 2 Distribution of the ventilation duct in the model granary

实验时,通过变频器控制风机转速来调节通风量.热线风速仪可测出初始时刻模拟所需的温湿度,T型热电偶的信号通过阿尔泰数据采集模块输入计算机,再利用采集软件记录粮仓内温度情况.因此可测出模拟计算时所需的初始条件,以便进行数值模拟.

本文对多孔介质中的温度场、速度场随时间变化进行研究分析.多孔介质由气固两相组成,其中:固相为大米,为非连续相,以多孔介质的形式存在;气相为空气,为连续相.在层流和牛顿流体的多相系统中,通过体积平均方法获得计算所用的控制方程^[14].

连续性方程

动量方程(达西定律)

能量守恒方程

式中:ρ为密度;V为体积;下标β代表空气;C为渗透张力;P为压强;g为当地重力加速度;c_p为空气定压比热容;λ为导热系数;t为时间;T为温度;μ为黏度系数.

式(3)～(5)中所有变量均为体积平均值.基于实验数据建立数学模型和理论计算的需要,本文假设:① 实验对象为多孔介质模型且各向同性;② 粮仓为木质结构并配有隔热材料,壁面绝热;③ 根据Boussinesq近似在传热传质中的应用,除了浮升力会产生温度和浓度梯度的双重扩散影响之外,密度等可视为常数^{[15, 16, 17]};④ 因为粮食的达西数为10^-8数量级^[18],因此动量方程适用于达西定律^[19].

根据模型仓具体尺寸使用建模软件Gambit建立3D模型,利用模型仓的对称性,取模型仓的1/4进行计算.模型仓1/4模型如图 3所示.图中已标出模型的进风口、出风口、大米层和空气层,2个对称面和其他没标处均为模型仓1/4模型墙壁,空气进口位置即为通风地槽位置.将建好的模型导入Fluent软件中,利用实验测得的数据和由文献^{[20, 21, 22]}查到的参数设置多孔介质模型参数并进行模拟计算.

图 3

Fig. 3

图 3 模型仓1/4模型 Fig. 3 Quarted model of the model granary

根据《储粮机械通风技术规程》^[5]规定,在亚热带地区粮仓平均温度与进风温度差小于3℃时,可以停止以降温为目的的通风.因此,当模拟计算时间t=1 h时,粮仓温度可达到规定要求.为了更直观地显示粮仓内的温度分布,取Z=0.12 m处的横截面不同时刻的温度等值线,如图 4所示.模拟开始时,由T型热电偶测得粮仓初始温度为309 K,由热线风速仪测得空气层温度为307 K,通风地槽进口温度为298 K,风速为0.5 m·s^-1;图 4(a)为t=10 min时温度分布情况,此时空气层温度已和粮仓大米层上层温度相同,粮食层高温区域温度为307.5 K,低温区域温度为306 K,温度相差1.5 K;图 4(b)为t=30 min时温度分布情况,此时粮食层高温区域温度为304 K,低温区域温度为303 K,温度相差1 K;图 4(c)为t=60 min时温度分布情况,此时粮食层高温区域温度为301.1 K,低温区域温度为300.5 K,温度相差0.6 K.从图 4可看出粮仓内温度场分布随时间的变化情况,冷却时间越长,粮仓内温度越低,温度梯度也越小,且易找出温度高的区域.这些区域就是因通风不均匀产生的降温死角.虽然随着t增加温度梯度变小,但仍可看出粮仓内存在一定的温差,而且冷却速率逐渐变小,并且这是建立在长时间风机冷却的基础上.因此,吹风后期能量消耗大但效果却不好,所以需要完善风道,改善降温通风的均匀性,以降低能量消耗,便于粮食的保存,防止细菌等滋生从而使粮食产生霉变.

图 4

Fig. 4

图 4 不同时刻的温度分布 Fig. 4 Temperature distributions at different time

为了便于查看粮仓内通风均匀与否,取Z=0.12 m处的横截面,该横截面不同位置的速度和流线分布如图 5所示.从图中可看出,空气层速度分布在0.04~0.2 m·s^-1,靠近出口处风速较大,远离出口处风速较小.粮食层速度分布在0.01~0.09 m·s^-1,靠近墙壁处速度较小,靠近通风地槽处速度较大.对照图 4显示的高低温区域发现,高温区域风速较小,低温区域风速较大,这与冷却效果相吻合.

图 5

Fig. 5

图 5 Z=0.12 m处横截面速度和流线分布(单位:m·s-1) Fig. 5 Velocity and flow lines distribution at the cross-section of Z=0.12 m(Unit:m·s-1)

为了便于比较模型仓内不同位置的降温情况,在1/4模型仓内具有代表性的区域取T1、T2、T3三个点作为温度提取点位置,如图 6所示.图 7为不同点温度随时间的变化,其中MAX为降温死角,位于T1附近.从图中可看出,虽然各点温度随时间均呈下降趋势,但是同一时刻的温差仍有1~2 K,降温速率随时间变化而减小,可见随着粮食逐渐被冷却,冷却效果越来越差.

图 6

Fig. 6

图 6 温度提取点位置 Fig. 6 Position of temperature pick-up

图 7

Fig. 7

图 7 不同点温度随时间的变化 Fig. 7 Evolution of the temperature with the time

为了达到降温要求^[5],需要较长时间的机械通风才能使粮仓内温度死角的温度降到所要求的范围内,即所谓的短板效应,这造成了机械能的浪费.因此,均匀的机械通风可使粮仓温度整体下降,减少不必要的能量消耗.

本文将实验与模拟计算相结合,找出了粮仓在机械通风过程中的降温死角区域,验证了普通粮仓在通风降温过程中的不均匀性;模拟计算粮仓通风降温的过程方便直观,不仅节约了实验费用而且节省了大量的时间.

本文实验台采用了应用最广泛的平房仓一机四道机械通风形式,但其中存在的通风死角值得进一步完善:① 在建立粮仓之前,可先利用计算机进行模拟计算,找出最佳的通风位置和通风方法,对其通风地槽进行优化设置.根据粮仓所处地理环境、具体尺寸等找出一个有利于通风的地槽或将不同通风方式进行比较,选择通风均匀性最好的一种以供后期粮仓搭建时参考.② 在原有的粮仓基础上,通过找到降温死角,利用局部性通风或地槽局部延长配合机械通风,这不仅可去除降温死角,保证粮食品质,在一定程度上降低能源消耗,而且可控性很强.

本文为建立更为完善的实验与计算方法、获得更加准确的数据以及为粮仓的设计与监测提供了一定的指导与帮助.