储粮横向通风多尺度热湿耦合传递研究

余 海 杨开敏 王远成 鲁子枫 王 柯

(山东建筑大学热能工程学院, 济南 250101)

储粮安全是粮食安全的重中之重，而温度、湿度又是粮食安全储藏过程中两个最为重要的因素，如果不能保证合适的温湿度，害虫数量以及霉菌就会急剧增加，最终导致粮堆粮食局部害虫的发育和霉变、发热。粮堆由粮粒堆积而成，粮堆是吸湿性多孔介质，仓外大气温湿度随季节更替而变化给水分迁移带来隐患[1]。粮粒是一个由壳、麸皮和胚乳多层结构组成的颗粒几何体。粮粒具有吸湿和解吸湿的特性，粮粒会和粮堆间隙中的周围空气进行热质交换，并且引起粮粒内部水分扩散[2]。

基于计算流体力学的数值模拟方法是国内外近年发展起来的一种研究流动、传热传质等现象的新方法，可以形象的再现气体流动、热湿传递过程的情景，为解决储粮通风问题提供了一个良好的数值分析和优化的工具[3,4]。当前国内外采用数值模拟方法研究通风情况下粮堆内部热湿耦合传递的模型普遍还是为Thorpe建立的模型[5]。该模型虽然可以较好地反映粮堆内部温度和水分的分布特点，但不能准确的给出颗粒内部的温湿度分布。刘慧等[6]通过实验对高水分粮进行机械通风得出了粮堆上中下层水分分布情况，但粮粒的温度和水分分布规律无法得出。戚禹康等[7]从粮堆尺度和粮粒尺度研究了稻谷在自然储存中的热湿耦合传递规律，但是粮食在长期的储存过程中，如果只依靠自然储存恐难以维持合适的粮温及湿度，因为粮堆内的温度和水分随外界环境温湿度的变化而变化。Jia等[8,9]对粮粒内部温度和水分进行了数值模拟并预测了颗粒内部的水分分布，但没有从粮堆尺度出发分析粮粒与粮堆的相互耦合关系。本研究采用COMSOL Multiphysics软件对稻谷进行横向通风数值模拟，机械通风是在自然储存75 d的基础之上进行的，从粮堆尺度和粮粒尺度出发探究粮堆和粮粒的温度和水分分布规律。

1 物理模型

1.1 粮仓和粮堆物理模型

图1是用COMSOL以浙江省某粮库为研究对象建立的物理模型，模型按照实仓原尺寸构建，其中为了简化问题，选取房式仓的横截面作为数值模拟的对象，实仓内部横跨18 m，高10 m，混凝土墙厚0.5 m，粮堆高度5 m。为了得到粮堆内部某个位置的温度和水分数据，在模拟过程中设置了3个监测点来记录粮堆内部的温湿度变化，3个监测点的位置分别为监测点1(0.4 m，0.4 m)，2(9 m，2.5 m)，3(17.6 m，4.6 m)，其中监测点1和监测点3靠近墙壁，监测点1在左侧(南墙壁)左下角，监测点3在右侧(北墙壁)右上角。因为南北墙直接与大气接触，所以靠近粮仓墙壁的粮食容易受大气环境的影响，故在两侧的墙壁附近各设置一个监测点，而粮堆内部受大气环境的影响不是很大，因此在粮堆中部设置一个监测点。

图1 粮堆物理模型及监测点位置示意图

1.2 粮粒物理模型

图2为粮粒的物理模型及监测点位置示意图，该模型按稻谷实际尺寸构建，并且根据实际情况将粮粒分为外部壳和内部胚乳两部分，COMSOL构建粮粒模型时，用两个椭球分别代替壳和胚乳，外部椭球(壳)长半轴为4.5 mm，短半轴1 mm，内部椭球(胚乳)长半轴为3 mm，短半轴0.9 mm。为了获得粮粒中某个位置的温度和水分数据，在粮粒中同样设置了3个监测点，监测点位置分别为A(0，0，0)，B(0，0.9，0)，C(0，1，0)，单位为mm，监测点A位于粮粒中心，B位于壳表面，C位于壳与胚乳交界面，位置如图2所示。

图2 粮粒物理模型及监测点位置示意图

2 数学模型及条件设置

假定粮堆为连续性的、均匀分布的多孔介质区域[4,10-12]，空气-水蒸气混合物不可压缩，考虑粮堆内部的热湿耦合和稻谷颗粒的吸湿与解吸湿特性，建立储粮横向通风过程中的粮堆和粮粒的流动与热质平衡方程。

2.1 粮堆的数学模型

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

能量方程：

(3)

水分守恒方程：

(4)

2.2 粮粒的数学模型

能量守恒方程:

(5)

水分守恒方程：

(6)

式中：ρs为稻谷颗粒密度;Cs为稻谷比热容;T为温度;k为传热系数;Qs为蒸发潜热;M稻谷颗粒水分湿基百分数;M=Wg/(1+Wg)×100;D为扩散系数。

2.3 数值模拟条件设置

该模型采用有限元法进行数值模拟分析，横向通风是稻谷自然储存至75 d后进行的，通风时长6 d，时间跨度为2016年12月15日至2016年12月20日。粮堆的密度ρs为580 kg/m3，比热容Cs=(1 269+34.89M) W/m·k-1，渗透率K为7.27×10-9m3，孔隙率ε为0.48。单位通风量为10.3 m3/(h·t)，进风温湿度为仓外大气温湿度，大气平均气温在75 d时为14.5 ℃，77～78 d的时间段骤降至2.7 ℃，在81 d时平均气温上升至7.2 ℃，平均相对湿度为65%，通风前，粮堆的平均温度为20 ℃，平均湿基水分为11.5%。粮粒的初始温度为13.4 ℃，边界空气温度Ta=4 ℃，粮粒的初始水分为11.2%。

3 模拟结果分析

3.1 粮堆温度与水分分布

模拟过程中，横向通风的进风口在南墙与稻谷的交界面，出风口在北墙和稻谷的交界面。图3是通风情况下3个监测点记录的温度变化情况，3个监测点温度变化情况并不相同。3个监测点分别为：监测点1位于粮堆左下角，监测点2位于粮堆正中间，监测点3位于粮堆右上角。从图3 可看出，在通风初期，监测点2的温度最高，这是由于自然储存至75 d时，粮堆温度处于热芯粮状态(粮堆内部温度高，外部温度低)，随后在通风阶段监测点2的温度逐渐降低。监测点3在最初通风时，温度出现先上升后下降的情况，因为在通风初期，粮温为热芯粮状态，所以刚开始通风时粮堆中部的热量随着空气传递到了北墙，导致靠近北墙粮食温度出现上升。监测点1的温度在77～78 d的时间段出现骤降的情况，而监测点2、3较监测点1温度大幅降低的时间点稍微滞后，这是因为大气气温在77～78 d的时间段出现急剧降低，而送的冷风首先接触的是靠近南墙的粮食，故监测点1的温度先骤降，这也充分验证了温度的延滞效应。通风至144 h时，监测点1和监测点3温度接近外界大气温度，这是由于南墙、北墙的粮食受外界大气温度的影响比较大，再一次说明粮堆内部温度受外界环境温度影响很大。图4是粮仓内的速度场分布，其中三角形区域为空气区，矩形区域为粮食区，从图4可以清楚地看出，通风过程中，粮堆内部的微气流分布非常均匀，而空气区域为自然对流运动，因此空气区域内的微气流比较杂乱。均匀的气流为粮堆快速降温降湿创造了条件。

图3 通风时3个监测点温度变化规律

图4 通风144 h仓内微气流分布

图5为横向通风144 h的粮堆温度分布图，通风后的温度相对于通风初期粮堆温度要低得多，平均温度由20 ℃下降到5 ℃，平均温度下降了15 ℃之多。粮堆中的高温出现在靠近南墙、北墙附近，这是因为跟外界环境温度有关，最高温出现在靠近北墙、粮面下2.5 m左右，最高温为6.12 ℃，这是由于横向通风时稻谷和昆虫呼吸产生的热量随气流扩散到北墙，因而最高温位于此。另外，从温度分布图还可以看出，粮堆内部温度分布比较均匀，而且横向温度没有出现分层现象，从这就可以体现出横向通风的优点了，即横向通风可以避免粮堆垂直方向出现温度梯度，从而使粮堆温度分布更为均匀。

图5 通风144 h时粮堆温度分布

通风阶段监测点3的水分有升高、降低，再升高再降低的变化规律，但总体是呈降低趋势的，这表明通风过程中易受外界大气温湿度的影响。图6为144 h粮堆的水分分布，经过144 h的机械通风，粮堆的平均湿基水分降到了11.0%，水分下降了0.5%。

图6 通风144 h时粮堆水分分布

3.2 粮粒温度与水分分布

通风阶段，以监测点1(粮堆左下角)处的粮粒为研究对象，粮粒周围空气初始温度取自自然储存75 d时监测点1记录的温度，为13.4 ℃，边界条件为送风空气温度，为4 ℃，通风空气速度4 m/s。粮粒设置了3个监测点，分别在粮粒内部正中央、壳与胚乳交界面、壳表面，3个监测点记录的初始温度为13.4 ℃，通风阶段，3个监测点的温度下降趋势大致相同，但降至同一温度时监测点A用时较监测点B和C多几秒钟，监测点B和监测点C的温度非常接近。通风时间接近100 s时，粮粒温度已经趋近空气温度，但监测点A相对于监测点B、C有一定的延迟，这是由于粮粒内部存在热阻，所以热量从粮粒中心传递到粮粒表面存在延迟现象。图7是10 s时粮粒内部温度分布图，这时粮粒内部温度已经趋向均匀了，可以看出，粮粒内部温度趋于一致的时间非常短。粮粒中部的温度比两端的要高，粮粒内部温度略高于表面空气温度，最高温度在粮粒中心，这是因为粮粒内部热阻大于壳表面空气热阻，再一次说明热量从粮粒中心传到表面有一定的延迟效应。

图7 t=10 s粮粒温度分布

横向通风前，粮堆左下角监测点1记录的初始水分为11.2%，横向通风结束后，进风口处粮堆水分降至9.9%，以该处的空气湿度作为粮粒初始条件，粮粒初始水分设为 11.2%，通风模拟设置第三类边界条件，边界条件为hm*(Meq-M1)，Me为平衡水分，与粮食颗粒的温度和水分活度有关，稻谷颗粒体积很小，其水分扩散速率不仅和边界温湿度有关，还与自身吸湿和解吸湿有关。 粮粒内部水分在40 s时就已经趋向均匀了(如图8所示)，t=40 s时粮粒平均水分为10.6%，较初始水分降低0.6%，水分降低很少，这是由于横向通风时空气的平均相对湿度为65%，接近粮粒的平衡湿度，所以粮粒的水分降幅很低。对比粮粒温度的扩散速度可知粮粒水分扩散速度远小于温度扩散速度。

图8 t=40 s粮粒水分分布

4 结论

本研究采用有限元法从耦合粮堆尺度和粮粒尺度对房式仓内稻谷横向通风过程中粮堆和粮粒温度水分变化规律进行了数值模拟，对模拟结果进行分析研究，得出以下结论：横向通风由于流场分布均匀，粮堆降温迅速且显著，粮堆内部温度分布均匀，避免了垂直方向上的温度分层现象。因为受外界环境的影响，横向通风时粮堆最高温出现在仓壁附近。热量在粮堆与粮粒内部的传递存在延迟效应，横向通风时靠近进风口的粮食温度率先降温，随后沿气流方向逐渐降低；粮粒内部热量传递的延迟是由于粮粒内部热阻大于壳表面热阻造成的。稻谷颗粒体积很小，其水分扩散速率不仅和边界温湿度有关，还与自身吸湿和解吸湿有关。通风过程中粮堆与粮粒的水分略有降低，但由于进风空气平均相对湿度较大，所以粮堆与粮粒的水分下降幅度不大。粮粒内部温度在10 s时就趋于一致，粮粒内部水分在40 s时趋于一致，粮粒水分扩散速度远小于温度扩散速度。