粮仓通风CFD 技术研究

吕宗旺，冯黎明，孙福艳

（河南工业大学 信息科学与工程学院，河南 郑州 450001）

0 引言

粮仓粮堆是由无数粮食颗粒集聚而成，粮堆中粮粒之间的孔隙被各种气体填充，这些粮堆中的“生物成分”（基本粮粒、有机杂质、昆虫和所携带的微生物）的活动及代谢，会影响到粮堆内温度、湿度及气体成分的变化[1].粮堆内的温、湿度，气体成分同时也会影响粮堆内的“生物成分”的代谢.其中，粮堆微生物旺盛的呼吸作用是导致粮食发热的主要因素.粮食在储藏过程中，采用通风来降低粮食水分和温度，以达到低温和干燥储粮的目的.我国对粮仓通风研究始于20 世纪50 年代，经过数十年的攻关研究，通风系统设计方面成绩显著.但是，储粮通风方面仍然存在如下问题：通风风量设置不合理造成能源消耗大，通风条件不够精确造成效率低等[2].如何改良当前的粮仓通风系统，是安全生态储粮需要迫切解决的问题.因此，需要准确提出最佳储粮通风指标，实时监控粮堆的温湿度变化情况，通过模拟结果得出最优的通风方案.

1 粮仓通风系统现状

1.1 粮仓通风现状

控制粮堆温湿度的传统方法有自然通风、机械通风和谷物冷却技术，机械通风和谷物冷却技术是比较常用的.机械通风是比较廉价的储粮通风技术，在粮食仓储安全方面起到了非常大的作用.我国北方地区常年温度偏低，利用通风技术并辅以隔热保温技术，可实现常年安全低温储粮.南方一些地区，通过隔热降温、补充冷源技术和机械通风，也基本实现准低温安全储粮.粮仓通风就是利用通风设备在合适的条件下对粮食的温湿度进行调节，控制粮堆温湿度在理想的范围，以保证粮食的安全储藏.粮仓通风的关键技术在于进行通风储粮时，如何保证通入风的温湿度和通风量对粮堆温湿变化的有效控制.其研究核心是确定粮堆温湿度的安全范围并利用通风技术控制这些温湿度参数在合理的范围内.

1.2 粮仓风网现状

我国的粮仓以立筒仓和房式仓两种仓型为主，房式仓占80%以上.立筒仓成本较大，常用作粮食加工厂和港口中转仓库.房式仓的容量较大、建造的成本相对低，通常不固定设置通风设备，不存在设备使用率低问题，因此房式仓的性价比高且适合长期储粮.房式仓通风分为单管通风、排风扇通风、箱式通风和应用广泛的地上笼通风系统.一般来说，我国储粮通风研究以实仓为主，因此人力财力的研究成本较高，而且受气候条件、试验周期、测量精度等影响，试验不具有可重复性，数据的准确性也无法保证.因此，研究人员多采用数值模拟研究粮堆通风的温湿度变化过程.

2 CFD 技术在粮仓通风中的应用

2.1 计算机流体力学

计算流体力学（CFD）是流体力学的一个分支，伴随着数值计算机技术、计算机技术的发展向前发展.其基本思想是把自然界中的在时间域和空间域上连续的物理量，如速度场、温度场，用有限个离散点上的相应变量的集合来代替，通过质量守恒、动量守恒和能量守恒等原则建立各变量的非线性方程组，最后离散求解得到各变量的近似值.CFD 方法克服试验测量法和理论分析求解的难题，所有涉及流体运动、热交换、质量传递等现象的难题，通过计算流体力学的方法进行分析模拟，实现低成本、高效率的研究目的.

2.2 CFD 在工程中的应用情况

CFD 技术具有预测精度高、低耗、高效且可靠性高等优点，已经广泛在工程结构设计时进行模拟计算，通风模拟结果分析比较，提出改进方案和建议，提高工程质量和效益.粮食仓储及粮仓通风的重点在于实际工程应用，尽管仓储通风模型模拟研究有效地促进储粮安全.但这方面理论研究较少，基于CFD 模拟研究粮堆通风的成果也较低少.随着计算技术的不断提高和流场算法的改进，复杂的数值模拟越来越多.计算采用的数学模型由全速势方程到Euler 方程，再过渡到Navier-Stokes 方程.CFD 技术在粮仓干燥及温室控制等领域模拟研究，为仓储粮堆通风的工程实际难题提供思路.李琼、彭威等[3-4]利用CFD 软件Fluent 对平房仓通风情况进行了数值模拟，得出了有效的压力场及流场分布，数值模拟与试验吻合.

粮食可以看作是多孔介质及孔隙流体，流体流动伴有发热、霉变和虫害等.CFD 技术利用粮堆内热量、动量、质量运动来描述其内部流体流动情况.针对粮仓粮堆动量、热量、质量三传数学模型研究相对有限，目前只对粮食温度预测并建立简单的数学模型.研究建立的模型忽略了粮仓粮堆籽粒与周围气流间复杂的相互作用，没有办法得到真实状态下粮堆特殊结构对流体运动的影响.目前粮仓粮堆内部温度变化多采用多孔介质模型进行研究.国外学者采用数值方法研究粮食热质传递和粮仓通风.Jayas 等[5-6]研究了粮堆孔隙在通风系统下对气流的阻力，孔隙率与颗粒大小、形状、压力状态等有关.Khankari 等[7]通过研究谷物中水分和空气中水分的传输，构建了水分传输模型，除水分传输外，该数值模型试验结果和预测结果相同.

2.3 CFD 数学模型

粮仓通风的过程模拟，主要指粮堆区域的通风过程及温湿度场的变化.模拟对象为通风设备系统和仓内流体，包括仓房边壁条件、通风入口、出口空气温湿度条件都是影响粮仓系统内部的主要参数.边界条件的处理会影响数值模拟结果，CFD技术用来模拟粮仓通风后温湿度的变化情况.

粮堆中各个参数的控制可用标准k—ε 湍流模型，湍动能和耗散率的模型方程：

式中：ρ 为液体密度，kg/m3；k 为湍动能，kg·m2/s2；ε为湍流能量的黏性耗散，m2/s2；μ 为黏度，Pa·s；ui为i 方向的速度分量；Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能的产生项.

其中经验常数：Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3，C1ε=1.44，C2ε=1.92.

能量守恒方程：所解的能量方程的形式为：

式中：keff为有效热传导系数，Jj1为组分j 的扩散流量.方程（4）右边的前3 项分别描述了热传导、组分扩散和黏性耗散所引起的能量输动.方程（4）中的定义为：

焓hj1的定义为：dT，其中Tref=298.15 K，

Sh包含了化学反应以及其他用户自定义的体积热源项.堆积散粮的传热方程：

3 粮仓通风模拟结果

3.1 试验环境

试验在某中央直属库储备库的粮仓一个廒间中进行.仓型选择高大平房仓，廒间长48 m，跨度24 m，顶棚高8.5 m，装粮高度为6 m，粮食品种为小麦，粮堆的初始平均温度为20 ℃，初始含水率为13.4%.实仓如图1 所示.

本次试验选用北京某公司研制的智能通风系统对粮仓内粮情进行检测.通风设备选用功率为15 kW 风量为13 643 m3/h 离心风机，通风时长为25 d（24*25 h）.

图1 粮仓外观

3.2 模拟环境及CFD 建模

采用Fluent 软件对粮仓粮堆通风过程进行仿真.Fluent 是目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的CFD 软件之一[8].在流体建模中被广泛使用：任意复杂外形二维、三维的可压缩和不可压缩流动，热传导、对流传热和辐射传热计算，流体传热的耦合计算，化学组元混合与反应计算，源项体积任意变化的计算等.

利用Fluent 软件对粮仓粮堆进行建模，几何模型如图2 所示，网络划分如图3 所示.

图2 粮堆几何模型

图3 粮堆通风体网格划分

3.3 试验结果与模拟结果

试验是在高大平房仓中进行，按照国家粮食储藏技术规范中有关粮食温湿度检测的标准对粮食温湿度传感器进行布置，在粮仓的水平方向上以5 m 的间距设置测温电缆和湿度传感器；测温电缆在南北方向上要距墙边2 m，在东西方向上距墙边1 m，每根测温电缆上有5 个温度传感器和5 个湿度传感器，在粮堆安装的深度分别为1.5 m（M层）、3 m（L 层）、4.5 m（H 层）.通风25 d，对实仓粮层温度进行检测，结果如图4 所示，粮温CFD 模拟结果见图5，粮温实仓监测与CFD 模拟对比见图6，对粮食水分进行检测，结果如图7 所示.

图4 粮温实仓监测结果

由图4 可知，上层平均粮温从25.4 ℃降至8.6℃，降幅达16.8 ℃.中层和下层属于冷心区，降温幅度最小，仅为5.3 ℃和3.8 ℃.

图5 粮温CFD 模拟结果

图6 粮温平均温度模拟与试验对比

图7 粮温水分模拟与试验对比

3.4 分析

通过图6 和图7 可以看出，通风降温的实测数据和CFD 数值模拟结果基本吻合，同时验证了CFD 技术在模拟粮仓通风降温研究的可行性.

精准的粮仓通风模型可使粮堆处于均匀合理的温湿度，保持储粮安全与稳定.利用CFD 技术进行粮仓通风建模，可以对粮堆内部温湿度场的数值进行模拟分析，建立粮堆内部温湿场分布模型，预测粮堆内部湿热变化情况，以便及时进行粮仓通风，降低粮食水分，提高储粮安全.根据数值模拟结果，对通风系统方案和参数模型进行优化，达到减少设备的投入数量和均匀通风的目的.

4 结论

对静态仓储粮堆进行物理建模并使用标准湍流模型、湍动能和耗散率的模型方程对粮仓通风降温进行CFD 数值模拟是可行的.因此，在已建立的模型条件下，通过改变边界条件和参数的设置，CFD 可以实现粮堆通风降温模型的优化.

［1］张来林，金文，朱庆芳，等.储粮通风技术的应用及发展［J］.粮食加工，2011，36（3）：66-70.

［2］吴子丹，曹阳.绿色生态低碳储粮新技术［M］.北京：中国科学技术出版社，2011:362-405.

［3］李琼.仓储粮堆温度场CFD 模拟研究［D］.北京：中国农业大学，2008.

［4］彭威，张忠杰，任广跃，等.仓储粮堆温度场CFD 模拟应用研究［J］.粮食工程，2011，19（6）:5-8.

［5］Jayas Digvir S，White Noel D G，Muir William E.Stored-grain ecosystems［M］.Marcel Dekker，Inc，1995.

［6］Jian Fuji，Jayas Digvir S，White Noel D G.Temperature fluctuations and moisture migration in wheat stored for 15 months in a metal silo in Canada［J］.Journal of Stored Products Research，2009，45：82-90.

［7］Khankari K K，Patankar S V，Morey R V.A mathematical model for natural convection moisture migration stored in stored Grain［J］.Transactions of the ASAE，1995，38（6）:1777-1787.

［8］田晓红，李光涛.粮食孔隙率测定方法探讨［J］.粮食加工，2009，34（5）:35.