一种新型通风网络对房式仓通风效果影响的模拟研究

李加斌，王远成，刘家琦，杨泰，杨开敏✉

（山东建筑大学 热能工程学院，山东 济南 250101）

我国是一个人口大国，储粮安全一直都是我国的头等大事。由于粮食在自然储存过程中会由于自身的呼吸作用和外界环境的影响，导致局部温度和水分的升高，引起害虫的产生或者发生霉变，影响食用。为确保粮仓内部的温度和水分在安全储存范围内，需要对粮仓进行机械通风[1]。

房式仓是我国储粮的主流仓型，而垂直通风是其常用的通风方式，根据地上通风管道布置方式的不同，可分为“U”型通风、“圭”字型通风等。“U”型通风由于使用了大量风机，功耗较高，且在靠近墙体的位置易形成通风死角，通风均匀性较差。圭字型通风虽然解决了“U”型通风均匀性差的缺点，但是由于地上笼仍布置在地面，在垂直方向上仍然有着较长的通风路径，并且进风空气在粮堆内的推进过程中会有损耗，导致进风空气在垂直方向上的推进速度较慢，可能会导致上部粮食没有及时得到有效的通风而发生霉变，尤其是进行熏蒸作业时，对于易分解的熏蒸气体，如：臭氧，在粮堆内停留时间过长会导致自身降解，影响杀虫除菌效果，不能很好的满足各种通风作业的需要。

基于计算流体动力学的数值模拟方法为解决储粮通风问题提供了一个良好的工具[2]。Thorpe等[3]研究了粮堆内温度变化的机理，并构建了相关数学模型，使用CFD模拟技术得到了不同工况下粮堆内部的温度分布和变化情况。李祥利等[4]模拟研究了“圭”字型风道垂直通风状态下粮堆温度和水分变化规律，但没有解决进风空气在垂直方向上推进速度较慢的问题。马文斌等[5]利用横向通风系统与原有地上笼竖向通风系统混合使用的方式开展实验研究，对比分析了横向通风系统和竖向通风系统在单独使用和混合使用时效果的差异。俞晓静等[6]对高大平方仓的横向与竖向通风方式下进行数值模拟和分析，从粮堆温度、水分分布和均匀性指数等方面综合评价了两种通风方式的优缺点。

尽管国内外对房式仓机械通风时温度变化情况的模拟仿真和实仓测试研究均已经取得了一定的进展，但是对于圭字型加垂直风管的通风方式的研究还没有确切定论。为此，本文选择小麦为研究对象，利用数值模拟的方法对圭字型加垂直风管的新型通风网络的通风效果进行研究，并利用降温速率、均匀性以及通风能耗等指标来综合评价其性能。得到的结果可以进一步完善房式仓垂直通风技术的理论体系，对房式仓通风道的设计改造提供科学的理论指导。

1 房式仓通风模型的建立及条件设置

1.1 物理模型的建立

以高大房式仓为研究对象，如图1中所示，建立物理模型，长37.22 m，宽22.86 m，高10.5 m，堆粮高度为6 m，采用双向通风，两侧一共八个通风口，出口窗户两侧共12个，初选立管高度为1.5 m，立管在房式仓内均匀分布。

图1 房式仓物理模型Fig.1 Physical model of room warehouse

1.2 数学模型及定解条件

粮堆区域由一颗颗的粮粒堆积而成，粮粒之间的孔隙区域充满了空气，所以粮堆是一种具有生物特性的多孔介质。对粮堆进行机械通风的过程，本质上就是多孔介质与周围空气进行热湿耦合传递的过程。基于多孔介质的流动和传热传质理论，可以建立通风粮堆的热湿耦合传递数学模型[7]。

本次模拟的粮种为小麦，粮堆孔隙率为0.4，进口采用双侧质量流量进口，吨粮通风量为5 m3/(t·h)，出口为压力出口，固体壁面采用无滑移的边界条件，粮堆平均温度为30 ℃，仓外大气温度为22 ℃，送风温度和粮堆温度相差8 ℃。

1.3 数据分析

利用后处理软件 Tecplot把模拟得到的数据做成云图，重点关注粮堆内的气流分布情况，以及不同通风天数下粮仓内不同位置截面的温度分布情况；利用Origin软件将模拟监测的数据绘制成折线图，对新型通风网络的通风特点进行综合分析。

2 结果与分析

2.1 粮仓内气流分析

选取添加了垂直立管和没有垂直立管的两个有代表性的截面，观察气流在粮仓内的流场分布情况，由图2可得，粮仓内整体气流分布较均匀，不存在通风死角。由于采用的是双向通风，进风空气在入口处的风速较大，越靠近粮仓的中部位置，气流速度越小。在垂直立管存在的位置，立管的中上部速度较大，每个立管的风速基本保持一致。加了垂直立管，气流在垂直方向上的流动阻力减小，明显缩短了进风空气在粮堆内的通风路径和时间，当进行熏蒸作业时，尤其是对于臭氧这种半衰期很短，极容易分解的熏蒸气体，加了立管可以更快的把臭氧送到害虫聚集的顶部粮堆，有效地避免了熏蒸剂的降解，可以极大地提高杀虫效率。

图2 新型通风网络粮仓内流线和速度分布图Fig.2 Streamline and velocity distribution in the granary of the new ventilation network

2.2 小麦粮堆温度的变化规律

分别选取通风时间分别为2、4和7 d时的代表性的截面来观察粮仓内温度分布情况，其中Y=13.8 m和Y=3 m分别为沿粮仓跨度方向，有立管存在和无立管存在位置的不同截面。如图3所示，粮堆由下到上温度逐渐下降，且沿通风方向温度有分层现象。新型通风网络中，由于加了垂直立管，沿垂直方向的流动阻力减小，所以在立管附近的冷锋面推进速度更快，冷锋面呈山峰型，由图5和图8可得，而在两根立管之间的粮堆区域仍主要依靠经由圭字型管道流动过来的空气进行降温，温度降低的会慢一些，在云图上显示为凹进去的山谷状。如图4和图7所示，在没加立管的原有圭字型风道位置，温度分布也呈一定的波浪型，这是由于位于支风道上方和支风道之间粮食区域温度降低速率不同所致。

图3 通风2天，Y=13.8 m温度分布Fig.3 Temperature distribution of ventilation for 2 days, Y=13.8 m

图4 通风2天，Y=3 m温度分布Fig.4 Temperature distribution of ventilation for 2 days, Y=3 m

图5 通风2天，X=11.43 m温度分布Fig.5 Temperature distribution of ventilation for 2 days, X=11.43 m

图6 通风4天，Y=13.8 m温度分布Fig.6 Temperature distribution of ventilation for 4 days, Y=13.8 m

图7 通风4天，Y=3 m温度分布Fig.7 temperature distribution of ventilation for 4 days, Y=3 m

图8 通风4天，X=11.43 m温度分布Fig.8 temperature distribution of ventilation for 4 days, X=11.43 m

由图6可得，垂直立管附近的冷锋面在通风第4天就已经穿过了粮面，并与粮堆上方空气进行了换热。如图9～11所示，除了最顶部粮面与空气区域接触的位置还有极小部分区域粮堆温度在23 ℃外，其余区域粮堆的温度都降至22 ℃，可以看出新型通风网络的降温效果很好。

图9 通风7天，Y=13.8 m温度分布Fig.9 Temperature distribution of ventilation for 7 days, Y=13.8 m

图10 通风7天，Y=3 m温度分布Fig.10 Temperature distribution of ventilation for 7 days, Y=3 m

图11 通风7天，X=11.43 m温度分布Fig.11 Temperature distribution of ventilation for 7 days, X=11.43 m

由图12中给出平均温度和最高温度随时间变化情况可得，新型通风网络在前5天降温速度较快，5天后降温趋势逐渐趋于平缓，这是由于沿垂直方向上的通风路径有一定的长度，而进风空气与粮粒的传热强度不断在衰减。随着通风的进行，在通风第7天时平均温度降到最低温度22℃左右并保持稳定。最高温度在前几天基本保持在初始温度 30 ℃不变，这是因为冷锋面穿透粮层需要一定的时间，虽然立管位置的冷锋面推进速度变快了，但在两根立管之间的粮堆降温速率仍然较慢，没被进风空气冷却的位置一直保持着较高的温度。

图12 平均温度和最高温度对比折线图Fig.12 Broken line diagram of average temperature and maximum temperature comparison

2.3 小麦粮堆不同高度粮层温度对比

图13为不同高度粮层的温度变化情况。由图可得，由于0.5 m粮层距离通风道很近，所以可以更快的与进风空气进行换热，因此在第5天左右就可以达到降温通风的预期效果。粮层高度越高，通风路径越长，粮层温度开始下降所需要的通风时间也就越长。加设垂直立管后，高处粮层温度开始下降所需时间明显缩短了，5.5 m粮层从第2天开始就出现了降温，说明新型通风网络在通风2天冷锋面的前沿已经达到了5.5 m的高度，所有高度粮层均可以在通风第7天达到安全储粮温度的要求。

图13 不同高度粮层温度随时间变化对比折线图Fig.13 Comparison of grain layer temperature at different heights with time

3 通风均匀性和能耗分析

为了验证新型通风网络通风结束时粮堆内部温度和速度分布的均匀性，在粮堆的高度方向分别设置三层监测点，每层监测点均匀分布。粮堆内部共三层观测点，最底层距离仓底1 m，最上层距离粮面1 m，中间层高度为粮堆高度的一半[9]。每层的监测点的数量相同，都为13个，一个39个监测点，四个角的监测点距离墙壁的距离为1 m，其余的等距离分布，具体尺寸和分布见图14，测点分布均匀合理，有利于均匀性的检测。

图14 观测点布局图Fig.14 Layout of observation points

3.1 速度和温度均匀性分析

由于通风6天后粮堆平均温度降低速率变的缓慢，继续通风为低效通风，所以选择通风第 6天计算粮堆内的速度和温度均匀性。

3.1.1 速度均匀性指数

均匀性指数采用 Weltens等[10]建立的评价流动分布特性的均匀性指数来表示流速/混合的均匀性程度计算式：

式中，r为均匀性指数，在 0～1之间取值，越接近1说明粮堆内的速度均匀性越好；vi为各观测点的速度，m/s；v为全部观测点的平均速度，m/s；n观测点数量；

计算得到，新型通风网络的平均速度为0.006 m/s，均匀性指数为0.95，均匀性较好。

3.1.2 温度均匀性指数

与速度均匀性的公式相似，评价新型通风网络的温度均匀性指数公式为：

式中，ti为各观测点的温度，℃；t为全部观测点的平均温度，℃；

根据各监测节点的温度可计算得到，新型通风网络的温度均匀性为0.98，温度均匀性很好。

3.2 通风系统的通风能耗

通风能耗是反映通风节能降耗情况和能源消费水平的主要指标，计算公式：

式中，Ws表示通风系统的能耗，KW；Q为通风过程的通风量，m3/h；P为出风口与进风口的压差，Pa；η为风机效率，这里取 0.75。

计算可得，新型通风网络的通风能耗为3.43×106KW，相同条件下的未加立管的圭字型通风网络的通风能耗为 4.1×106KW，能耗降低了16%。这是由于加设垂直立管后，减小了进风空气在垂直方向上的流动阻力，从而降低能耗。

4 结论

本研究提出了一种圭字型加垂直立管的新型通风网络，通过数值模拟方法对其通风效果进行预测分析，并从粮堆温度、速度均匀性、温度均匀性和能耗等方面进行综合分析，讨论其对通风效果的影响情况，得到的结论如下：

（1）采用新型通风网络的粮仓内部速度分布较均匀，无通风死角，加设立管可以明显提高冷锋面的推进速度，通风两天就可以穿透5.5 m粮层，可以快速的将进风空气或熏蒸气扩散深入到粮堆内部。

（2）新型通风网络的降温效果较好，前五天的降温速率较快，在第七天可以把粮堆温度降低到 22 ℃，降温的后粮堆内的各处温度分布较均匀，但在通风过程中两个立管之间的粮堆降温相对会慢一些。

（3）新型通风网络由于加设了垂直立管，减小了通风方向上的流动阻力，空气和熏蒸气体等更容易从粮面溢出，从而降低了能耗，可以同时满足降温、降水、熏蒸、气调、质调等多项功能作业。