浅谈粮食流通领域筒仓卸料研究方法

◎ 李坤由

（郑州中粮科研设计院有限公司，河南 郑州 450001）

筒仓根据高径比可分为深仓和浅仓；根据截面形状的变化，可分为圆形筒仓、矩形筒仓和正多边形筒仓等；根据仓壁材料不同，可分为木制筒仓、钢结构筒仓、砖砌筒仓和钢筋混凝土筒仓等[1]。筒仓吞吐量大，机械化程度高，易于管理，便于长期储藏且储藏能力大，被广泛应用于粮食仓储物流领域，应用较多的为钢筋混凝土圆形筒仓和钢结构圆形筒仓，一般深仓用于中转，浅仓用于储藏。

1 筒仓应用现状

筒仓的坍塌事故偶尔发生，造成坍塌的因素较为复杂，尤其是卸料过程的动态压力无法准确计算，故筒仓卸料过程其内部物料流动状态及仓壁测压力一直是国内外研究学者研究的重点及难点[2-3]。目前，粮食的重要性显而易见，粮食事关国运民生，粮食安全是国家安全的重要基础，节粮减损、安全储藏是确保粮食安全的重要举措。为此，在粮食转运储藏过程中提出降碎减损、安全储藏等保障粮食安全的要求。由于筒仓仓容大，高度高的特点需要增加辅助装置达到降低破碎、通风降温、监管粮情等效果，如折板扶壁降碎装置、中心减压管装置、测温电缆等。但增加装置的筒仓散体物料流动状态研究较少，导致在筒仓卸料过程伴有工程事故发生，如测温电缆被拉断，扶壁被破坏、通风地笼受损、中心减压管破坏等，导致生产效率降低，浪费人力、物力、财力。

2 筒仓卸料研究方法

目前，许多国家的筒仓设计规范均是基于修正后的JANASEN公式，即正压力乘以静压系数，不同之处在于侧压力系数的取值。实际上，对于筒仓受力尤其是动态压力及散料流动状态，并没有系统的设计及计算理论。但国内外研究学者对筒仓卸料的相关研究从未停止过。目前研究方法主要分为理论研究、简化模型实验研究、计算机数值仿真结合实验研究。

2.1 理论研究

JANASEN公式中前提假设条件是颗粒均匀填充且性质一致，不可压缩，颗粒在同一水平面的铅锤压力大小相等，仓内任意一点垂直压力与水平压力比值恒定。且该公式只适用于静态压力计算，未考虑动态载荷影响。为了能准确分析筒仓卸料动态压力，JENIKE[4]通过建立图表方式推算筒仓的动、静压力，对JANASEN公式进行了适当修正。李国柱等[5]考虑筒仓流动压力及侧压力系数随仓深变化情况，建立方程，得出仓壁动态压力近似计算公式。MADRID等[6]提出了一个在料仓卸料过程中散体物料流量的微分方程，给出了卸料过程中压力的解析表达式。但目前尚未见系统的理论计算公式能够被推广应用。

2.2 实验研究

大尺度筒仓实验研究报道较少，早前苏联学者赫塔美谢夫进行过大规模实验研究[7]，徐志军等[8]在河南省国家粮食库库区29号浅圆仓侧压力的进行了实验监测，基于实验数据利用贝叶斯统计理论给出侧压力概率特性的推断方法。足尺寸的大规模实验费时费力，实验过程粮食流动状态不可见，只能通过分析及传感器数据传递来对结果进行研究，且可变因素较多，如在大规模实验传感器类型的选取上，实验中由于交叉施工、生产作业，传感器长期掩埋无法标定导致实验数据不可靠等。因此，通过足尺寸实验的方式对筒仓进行研究的方法难以被接受。通常采用简化筒仓模型的方式进行实验研究。YI等[9]研究了细长颗粒从筒仓旋转底部卸料的流动状态，PENG等[10]通过实验研究了单球形颗粒和一对球形颗粒组成的二元混合料在二维筒仓内的卸料过程，提出了一个用来评估双球颗粒比例对流量影响的经验公式，TU等[11]研究了卸料过程中的结构振动对筒仓内流量和压力的影响，FANK等[12]通过安装在钢筋混凝土板上的压力传感器和两根支撑柱下的荷载传感器来测量大型筒仓在装载、储藏和卸载过程的压力分布情况，FULLARD等[13]对装满颗粒物料的有机玻璃三维平底筒仓（卸料口尺寸可变）进行重力驱动卸料过程物料流态进行了实验研究，CALDERON等[14]通过实验研究了种子颗粒在筒仓内质量流状态的卸料过程，验证了Beverloo方程中涉及到的流动参数与种子颗粒的形状参数之间的关系，FULLARD等[15]通过实验研究了装满谷物的可视化筒仓卸料过程中发生的流动变化。GELLA等[16]研究了颗粒大小对筒仓卸料过程的影响，并分析了是否还有其他影响速度和体积分数分布情况的因素，吴宏旻[17]通过中心锥体筒仓缩小尺寸的实验，研究出中心锥体筒仓卸料过程中仓壁超压系数最大值总是出现在满仓仓壁侧压力最大的位置。周长明等[18]采用压实和松散两种装料方式，研究了筒仓卸料过程物料流态及对仓壁侧压力的影响。吴承霞等[19]采用高1.1 m直径为0.5 m 的有机玻璃筒对大豆、小麦和砂子3种贮料进行筒仓卸料实验，得出卸料过程中3种物料最大超压系数分别为2.27，1.52和1.24，位置在筒仓高度1/3附近。

2.3 计算机数值模拟仿真技术

随着科学的进步，计算机技术的提高，数值仿真技术被广泛应用于各个领域，通过数值仿真与实验结合手段的研究成果可信度较高。在筒仓卸料研究方面，目前主要分为有限元法和离散单元法。有限元法分析筒仓的结构响应方面成果颇多，但连续介质数学模型研究散粒体存在一定的局限性。散体物料在不同尺度下具有其特殊的物理力学现象，故19世纪70年代研究非连续介质力学行为的离散元理论诞生，随后被应用到各个领域。

基于离散元理论针对筒仓国内外学者进行了大量研究，为筒仓设计及工程应用提供了有力支撑。徐志军等[20]通过缩尺模型实验和离散元数值模拟研究了普通双侧壁卸料和带流槽双侧壁卸料2种工况下的侧压力环向分布。原方等[21]探讨了筒壁双侧卸料方式下高径比（1.1和2.2）不同的筒仓的静、动态侧压力大小及分布位置。周剑萍等[22]利用基于离散元法模拟了干颗粒和湿颗粒在筒仓卸料过程，分析了不同水分颗粒在筒仓卸料过程宏观特性，得出存在液桥力的湿颗粒阻塞概率大。TAKHTAMISHEV等[23]通过改变填仓速度卸料状况出口布置得出筒仓内散粒体应力状态图，LANGSTON等[24]基于离散元法改变颗粒半径出料口尺寸及漏斗倾角，得出筒仓卸料时仓壁应力分布，HÄRTL[25]和YANG等[26]研究了筒仓底部增加分流器后卸料过程中颗粒流动特性，HIDALGO等[27]分析了出料口成拱的筒仓内颗粒受力状态，JI等[28]研究了外力作用下筒仓卸料过程筒仓与颗粒接触力的变化。HUINAN等[29]研究了带有中心减压管筒仓内颗粒流态与仓壁压力的变化情况。

从以上的研究中可以看出筒仓卸料数值研究仍局限于缩小尺寸的筒仓与计算机仿真结合的手段，原因在于足尺度的筒仓卸料数值研究计算量难以达到，为了提高简化的筒仓实验与数值仿真数据的准确性和计算效率，国内外专家学者在力学模型、计算机软硬件等方面做了大量研究工作。在力学模型方面，为有效模拟不同形态的离散单元体，由规则的几何颗粒模型发展到非规则颗粒模型，由二维圆盘、三维球体发展到超二次曲面颗粒单元、扩展多面体单元等，相应的力学接触模型也在探索中优化完善，很大程度上提高了数值模拟的效率及准确率。在计算手段方面，各类分析软件也在不断开拓发展，同时对计算机的计算效率也提出要求。硬件方面CPU多核技术的发展，很大程度上提高了计算效率，但是仍不能满足研究学者们的计算要求，随之GPU并行技术、CPU-GPU协同并行技术迅速发展。基于离散元方法的计算软件方面近年来发展也较为迅速，国外从最初的PFC2D发展到目前的EDEM、Rocky等多种功能强大离散元软件，国内研究学者也在开发自主产权的离散元软件，如中国科学院力学研究所李世海等开发的CDEM，南京大学刘春等开发的MatDEM，浙江大学赵永志等开发的DEMSLab，大连理工大学开发的SDEM等。

3 结语

为保障国家粮食安全，对绿色储粮、安全储粮、节能减损等方面的要求越来越高，筒仓设计不断提出创新工艺、创新仓型，为了确保安全生产，提质增效，筒仓卸料过程仍会有不同程度的问题出现，尽管国内外学者做了大量研究工作且得出很多研究成果，但针对筒仓卸料相关研究仍有大量工作要做，然而粮食物料的特有属性、粮食颗粒与筒仓的尺度差异给筒仓卸料研究带来了很大挑战，以下问题仍需要研究人员关注重视。

尽管计算机仿真技术在快速发展，准确的散体物料物理特性参数是影响数值模拟仿真技术的关键因素，目前我国设计规范中采用的粮食物理特性数据仍沿用前苏联数据，随着粮食种的改变及基因变化，粮食物理特性有所变化，有必要对目前不同地域、不同品种的粮食物理特性进行系统化研究，为筒仓设计及相关研究提供基础数据支撑。

由于实验验证耗材、耗力、耗时，大尺度筒仓卸料实验研究较少，实验研究基本停留在实验室模型简化研究，同时结合数值模拟研究对比验证。但模型缩放的失真率有待进一步商榷，简化模型的可信度需要进一步验证。

随着数值模拟研究的快速发展，很多领域已经将该手段很好地应用于工程实践，但数值模拟计算效率和计算规模目前仍是难以突破的瓶颈，为了突破这一瓶颈目前一些学者也提出了相应的解决办法，如粗粒化、多核CPU并行、GPU并行等。综上，可以看出目前研究筒仓的卸料过程方法也在不断优化，但目前无论是力学模型还是硬件配套都需进一步升级从而提高计算机数值模拟的准确性。因此，还需进一步加强离散元方法的基础理论、数值算法，误差分析以及参数选取等方面的研究，另外，还需要通过与实验结果，理论解以及其他数值方法的计算结果进行比较，进而支撑工程应用，预防解决工程问题。