高大平房仓双侧吸出式斜流通风数值模拟和实验的比较研究

王远成 石天玉 曲安迪 杨开敏 魏 雷

(山东建筑大学热能工程学院1,济南 250101) (国家粮食和物资储备局科学研究院2,北京 100037)

机械通风作为储粮生态系统热湿调控的方法之一，具有降温效果显著、费用较低等特点，在确保储粮安全方面，发挥着至关重要的作用[1]。传统的机械通风方式主要是竖向通风，竖向通风需要在粮仓地面铺设通风笼(或设置地槽)。通风笼的铺设，会带来粮食出入仓不便、劳动生产率低的问题，且不便于机械化操作。为了解决竖向通风存在的弊端，我国开展了横向通风工艺的研究。横向通风是把通风笼垂直安装在粮仓跨度方向的两个内墙上，俗称“地上笼上墙”，并通过吸出式的方式沿着粮仓跨度方向进行水平通风。横向通风避免了地上笼的铺设所带来的粮食进出仓的不便，可以实现粮食进出仓的机械化操作，大大地提高了粮食进出仓的效率。同时，横向通风时，气流在粮堆内水平横向流动，粮堆单位面积通风量比竖向通风提高3～5倍，表观速度较大，热湿对流作用相对较强，粮温和水分变化的相对较快[2]。但是，横向通风相对于竖向通风，由于通风路径长，通风阻力大，且沿着粮仓跨度方向的粮堆温度和水分分层较为明显。

当入仓粮食的水分低于安全水分时，机械通风的目的是降低粮堆温度的同时减少通风过程中储粮水分的丢失。对于竖向和横向降温保水通风工艺，国内已有较多研究[3-7]。鉴于目前横向通风工艺存在的问题,国家粮食与物资储备局科学研究院提出了分段揭膜双侧吸出式的“斜向”快速降温通风工艺，如图1所示。其中，图1a为中间揭膜两侧覆膜的

图1 房式仓双侧吸出式斜流降温通风原理图

通风方式，图1b为中间覆膜两侧揭膜的通风方式。但是，由于斜向通风属于一种新的通风工艺，有许多问题还有待于深入细致的研究。

本研究采用数值模拟的方法，以国家粮食与物资储备局科学研究院在青海省海东市互助土族自治县国家粮食储备库实验工况为研究对象，对双侧吸出式的“斜向”快速降温通风工艺进行了数值模拟研究，分析了双侧吸出式“斜向”通风时降温保水效果，探究了双侧吸出式“斜向”通风与横向通风相结合的快速降温保水通风工艺，研究结果可以为储粮通风操作提供借鉴。

1 实验工况和实测数据

本次进行的双侧吸出式斜流通风工艺的实验仓为青海互助县国家粮食储备库新库区3号高大平房仓，仓房内部长度为48 m，跨度为23 m，粮堆高度6.7 m。本实验所采用的试供粮食为山东小麦，容重为786 kg/m3，平均水分为12.0%，数量为6 012.64 t。实验时间为11月下旬，实验环境接近于秋冬季气候。根据斜向通风工艺的要求，确定在粮堆表面覆盖PA/PE薄膜与否以及覆膜区域的大小。由于粮堆的实际宽度为23 m，揭膜方式原则上可以取粮堆宽度的1/3进行揭膜，同时，考虑到中间揭膜适当增大一些，有利于提高降温速率，减小通风阻力，因此，分别进行了中间揭膜9 m两侧覆膜7 m，两侧揭膜7 m中间覆膜9 m，以及中间揭膜3 m两侧覆膜10 m。鉴于中间揭膜3 m两侧覆膜10 m的斜向通风降温效果较差，本文只讨论前两种斜向通风方式。

本实验主要采用了局部揭膜双侧吸出的通风方式，粮堆表面分别进行双侧覆膜或中间覆膜，具体通风过程如下：1)11月25日上午10点至11月27日上午7点30分，进行双侧覆膜中间揭膜的斜向通风，共通风46.5 h。即在粮堆表面南北两侧沿着长度方向进行覆膜，覆膜宽度为7 m；沿粮仓长度方向，粮面中间进行揭膜，揭膜宽度为9 m，且两侧薄膜与墙壁不密封。然后打开仓上的通风窗，同时开启南北两侧的风机进行通风操作。2)11月27日上午9点30至11月28日上午8点30，进行双侧揭膜中间覆膜的斜向通风，共通风23 h。即在粮堆表面南北两侧各7 m的区域揭膜，粮面中间9 m位置进行覆膜。然后打开仓上的通风窗，同时开启南北两侧的风机进行通风操作。实验过程中，分别测定4台风机的风压和通风量，风机型号为CFLH-11A，功率为11 kW。每两小时测定一次粮温，水分的测定采用抽样方法，进行化验检测。实验工况和测定数据如表1、表2及图2所示，其中，图2a为中间揭膜通风，图2b为两侧揭膜通风。

图2 两侧揭膜和中间揭膜通风的实测温度

当采用中间揭膜两侧覆膜的斜向通风时，各层温度随时间变化趋势如图2a所示，当采用两侧揭膜中间覆膜的斜向通风时，各层温度随时间变化趋势如图2b所示。由图2a和图2b可见，由于采用的是双侧吸出式的通风方式，粮堆最上层的温度受气温影响较大，温度先升高后降低，中上层和中层的粮温的降低效果较好，但中下层及最下层的降温效果较差，随时间的推移甚至还有一定的上升趋势，但是粮堆整体的平均温度还是有所降低的。

通风开始至结束，对粮堆进行3次分区扦样，使用105 ℃烘干法检测粮食水分。其中第四次仅扦取了表层样品，其余六次均扦取了上、中、下三层样品，上层距离粮面0.5 m，下层距离仓底0.5 m，中层位于粮堆中心高度。水分检测数据如表2所示。通风过程中，粮食平均水分(湿基)在12.0%～12.6%范围内波动。可知，经过本次通风，粮食水分基本没有损失，达到了降温通风的目的，并取得了良好的保水效果。中间揭膜9 m两侧覆膜7 m斜向通风的单位能耗为0.065 kW·h/(t·℃)，两侧各揭膜7 m中间覆膜9 m斜向通风的单位通风能耗为0.068 kW·h/(t·℃)。

表1 实验工况的各项参数

表2 通风过程中粮食水分的变化

2 粮堆内部流动和热湿耦合传递过程的数学模型

假设粮堆是均匀分布的多孔介质，粮堆内部满足局部热平衡原理，考虑粮食颗粒的吸湿和解吸湿特性，忽略粮食的呼吸作用和虫霉生长的产生的热量和水分。粮堆内部流动及热湿耦合传递的控制方程如下[8-11]：

连续性方程：

(1)

式中：ε为空隙率；ρa为空气密度；u为粮堆内部空气的表观速度或达西速度；t为时间；为微分算子。

动量方程：

(2)

式中：p为通风空气的压力；μ为空气的动力黏度；dP为谷物颗粒的等效直径。

能量方程：

(3)

式中：ρb为粮堆的容重；ca、cb分别为空气和粮堆的比热；T为粮堆的温度；keff为粮堆的有效导热系数；hs为谷粒吸湿或解吸湿热；M为粮堆的湿基水分。

水分迁移方程：

(4)

式中：w为粮粒间空气中的绝对含湿量；Deff为湿空气在粮堆中的有效扩散系数；∂M/∂t为单位时间内粮粒与周围空气交换的水分量。

3 数值方法及数值模拟条件

3.1 数值方法

对控制方程采用有限体积法进行离散，离散格式为二阶上风差分格式。为了防止迭代过程的发散和数值不稳定，对动量方程、能量和标量输运方程采用了欠松弛技术，压力与速度耦合采用SIMPLE算法。

3.2 通风数值模拟的初始和边界条件

初始条件：中间揭膜和两侧揭膜斜向通风数值模拟的各层小麦的初始温度和水分分别见表3和表4。

表3 中间揭膜9 m斜向通风的初始粮温和水分

表4 两侧各揭膜7 m斜向通风的初始粮温和水分

入口条件：将入口设为流量进口条件，入口总风量为25 400 m3/h。同时，以通风时进风口处的温湿度为数值模拟的温湿度条件，中间揭膜和两侧揭膜斜向通风的进口条件分别如图3a和图3b所示，其中，图3a为中间揭膜9 m通风空气的温湿度，图3b为两侧揭膜7 m通风空气的温湿度。

图3 中间揭膜和两侧揭膜斜向通风入口温度与湿度随时间变化图

出口条件：出风口设为压力出口条件。

壁面边界条件：由于通风时间相对较短，因此将壁面条件设为绝热壁和不渗透条件。

3.3 物性参数

储藏粮种为山东小麦，容重为692 kg/m3，导热系数为0.16 W/(m·℃)，孔隙率为0.43，比热容为1 790 J/(kg·K)。

3.4 模拟通风时间

中间揭膜9 m斜向通风时间共计46.5 h，两侧揭膜7 m斜向时间共计23.0 h。

4 数值模拟研究结果和分析

4.1 中间揭膜和两侧揭膜斜向通风时的流场

图4和图5分别是双侧吸出式中间揭膜9 m和两侧揭膜7 m通风的流场图。图4和图5中Y和Z分别为粮堆高度和跨度方向的尺寸。从图4和图5可以看出，双侧吸出式中间揭膜通风时，气流从通风窗进入，经过中间揭膜粮面并流过粮堆，然后进入垂直支风道和底部的主风道流出粮仓。双侧吸出式两侧揭膜通风时，气流从通风窗进入，经过两侧揭膜的粮面并流过粮堆，然后进入垂直支风道和底部的主风道流出粮仓。

图4 中间揭膜9 m通风的流场图

图5 两侧揭膜7 m通风的流场图

4.2 中间揭膜斜向通风时温度和水分的数值模拟结果及分析

图6a和图6b是中间揭膜9 m双侧吸出式斜流降温通风46.5 h时粮仓长度一半位置的横截面上粮堆内部的温度和水分场。从图6a可以看出，当采用中部揭膜9 m双侧吸出式斜流降温通风时，冷空气首先从粮堆中间进风，房式仓中上部的粮食温度降温最快，由于存在通风死角，粮堆南北两侧的中上部降温不明显；粮堆下部的粮温下降较慢，最底部2 m处基本没有降温。从图6b可以看出，在该通风工艺下，由于从粮堆中间进风，且通风时间较短，粮堆上部的水分含量受空气的湿度变化的影响较小，水分由12%降到11.9%，上层的水分含量略有降低。而粮堆中层的水分含量变化不是很明显，含水量仍为12%左右，粮堆下层的水分含量没有变化。

图6 中部揭膜9 m通风时间46.5 h时 不同截面的温度和水分场

图7是数值模拟与实仓测试温度结果的比较。从图7可知，由于从粮堆中间进风，上层与中上层的温度受环境温度影响较大，呈下降的趋势；中层的温度先升后降，且降温速率比较慢；而中下层和下层的温度呈现上升的趋势。从图7可以看出，模拟值与实验测试值基本相符，最大误差小于1.5 ℃左右。

表5为中部揭膜通风时初始水分和通风时间46.5 h时后粮堆平均水分的比较。从表5可以看出，当采用中部揭膜9 m双侧吸出式斜流降温通风时，粮堆各层水分略有上升，但变化不大；数值模拟的整个粮堆的平均含水量由通风前的12.03%增加到12.17%，与实验测试值(12.3%)基本吻合。

图7 中部揭膜9 m斜向通风各层的温度对比图

表5 初始水分和通风时间46.5 h时后实测与模拟水分比较

水分上层中上层中层中下层下层平均值初始水分/%12.0—12.0—12.112.03实测水分/%12.5—12.2—12.212.30模拟水分/%12.1812.0212.0912.2112.2312.17

4.3 两侧揭膜斜向通风时温度和水分的数值模拟结果及分析

图8a和图8b是两侧揭膜7 m双侧吸出式斜流通风23.0 h后粮堆内部的温度和水分场。从图8a可以看出，当两侧各揭膜7 m时，由于从粮堆两侧进风，房式仓内两侧(靠近南北墙的部分)的温度下降得较快，中部由于存在一定的通风死角的问题，其温度下降较慢。同时，由于两侧各揭膜7 m斜流通风是在中部揭膜9 m斜流通风之后进行的，在跨度方向上，同一高度的粮堆中心区域的温度要高于粮仓两侧的温度，这可能是由于前46.5 h通风时间较短以及中间揭膜宽度设置的不合理导致粮堆中部通风降温不充分导致的。而且两侧揭膜通风时间也较短，粮堆下部的粮温仍然降的很慢，尤其是最底部2 m处，粮温变化不显著。

从图8b可以看出，在该通风工艺下，由于从粮堆两侧进风，且通风时间较短，上层的水分含量略有降低，而粮堆中层两侧含水量由12.2%变到12.1%；粮堆中层和下层的水分含量没有变化。

图8 通风时间23 h时不同截面的温度场

图9为两侧各揭膜7 m双侧吸出式斜流通风数值模拟与实仓测试温度结果的比较图。由图9可以看出，模拟值与实验测试值基本相符，最大误差小于1.5 ℃左右。分析差生误差的原因，主要有两个方面，一是数值模拟中的热物性参数的选取与实际情况会有一些出入，二是温度和水分测量精度，这些都会导致实测温度和水分与数值模拟结果有一定的误差。

表6为两侧各揭膜7 m双侧吸出式斜流通风时间23.0 h时后平均水分的比较。由表6可以看出，当采用两侧各揭膜7 m双侧吸出式斜流降温通风工艺进行降温时，粮堆各层水分变化不大，其原因在于通风时间较短，湿分传递较少的缘故。同时，从表6也可以看出，数值模拟值与实仓测试值基本吻合，说明所建立的数学模型具有较好的合理性。

图9 两侧各揭膜9 m斜向通风各层的温度对比图

表6 初始水分和通风时间23.0 h时后实测与模拟水分比较

水分上层中上层中层中下层下层平均值初始水分/%12.5—12.2—12.212.30实测水分/%12.5—12.0—12.312.27模拟水分/%12.4212.2412.1012.1812.2812.24

4.4 横向通风数值模拟结果及分析

由于中间揭膜和两侧揭膜通风时间较短，而且存在着通风短路的问题，从而导致的粮堆下层温度降低不足的问题，因此，需要进一步采用横向通风，才能降低粮堆底部的粮温。图10和图11分别是不同送风温度时横向通风24 h后粮堆内部的温度和水分模拟结果。从中可以看出，在采用了中间揭膜和两侧揭膜通风后，再适当地进行一段时间的横向通风，就可以有效地降低粮堆底部的粮温，而且横向降温通风过程中，粮堆水分基本不变。

图10 送风温度0 ℃时经过24 h横向通风后的温度和水分场

图11 送风温度4 ℃时经过24 h横向通风后的温度和水分场

5 结论

本研究以国家粮食储备库双侧吸出式斜流通风实验工况为研究对象，对双侧吸出式的“斜向”快速降温通风工艺进行了数值模拟研究，比较分析了实验和数值模拟数据，得出了以下结论：

采用双侧吸出式揭膜斜流通风，可以实现秋冬季高大平房粮堆上部的快速降温，同时，在通风空气湿度合适的情况下，也可以达到保水效果。但是，由于斜流通风的气流短路的问题，底部粮堆降温效果不明显，存在着通风死角的问题。

在进行了中间揭膜和两侧揭膜的斜流通风后，再适当地进行一段时间的横向通风，就可以有效地降低粮堆底部的粮温，而且横向降温通风过程中，粮堆水分基本不变。

通过数值模拟的方法，可以对双侧吸出式斜流通风的降温降水过程进行实验模拟，并且具有较好的可行性和准确性。而且数值模拟技术可以更为直观的重现双侧吸出式斜流通风时粮堆内温度和水分的变化过程，这为储粮机械通风操作提供参考。