局地气候下不同初始水分稻谷静态储藏的模拟研究

李 鑫,余 海,王远成,杨开敏,杜鑫明

山东建筑大学 热能工程学院, 山东 济南 250101

粮食安全是国家安全的根本保障,作为我国三大口粮之一的稻谷,在静态储藏过程中如果水分含量过高,很容易诱发霉变、发热和虫害。因此,研究不同初始湿基水分下稻谷静态储藏过程中热湿耦合传递规律,能够为安全储粮提供精确的理论指导,并对减少储藏过程的粮食损耗具有重要意义。

Weinberg等[1]通过试验研究水分含量对储藏期间玉米品质的影响,得到水分含量越高,玉米损失越大的结论。Feng等[2]通过研究稻谷储藏期间温度和水分含量对霉菌毒素的影响,得出籼稻和粳稻的安全水分含量分别为13.5%和14.0%。Shafiekhani等[3]研究了温度和水分含量对水稻颜色的影响,结果表明高水分含量和高温导致稻谷的黄变速率和霉菌的增长速率更快。王诚等[4]的研究表明随着储藏温度的升高和水分的增加,粮堆的复粒淀粉颗粒会明显地增多。陈基银等[5]通过研究动态储运条件下稻谷的品质变化和水分迁移规律,认为对于长时间储运的稻谷,初始水分含量应限定在16%及以下。姜洪等[6]通过试验研究不同水分含量的粮堆,得出小麦、玉米、稻谷的安全储藏水分含量不应高于13.0%、14.0%、14.5%。数值模拟方法是近年来国内外发展起来的一种研究流体流动与传热、传质等现象的理想方法,可以有效解决安全储粮的成本问题。Fedorov等[7]通过数值模拟的方法,建立了稻谷储藏期间水分扩散模型,对不同初始水分含量稻谷的通风干燥进行了研究。Ranjbaran等[8]结合C语言开发了应用于计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)的用户自定义函数,研究了深床稻谷的干燥行为。Chen等[9]基于静态储粮特性和连续介质假设,模拟了粮仓内空气的自然对流以及传热和传质规律。陈桂香等[10-11]根据局部热质平衡原理,建立了在通风过程中粮堆内部热湿耦合传递的数学模型。潘钰等[12]采用数值模拟的方法,研究粮堆内部物理场变化,发现粮堆内部因温度产生的微气流导致了粮堆内水分的迁移。王远成等[13-17]根据局部气候条件、粮食的吸湿和解吸湿特性,建立了以大气温湿度和稻谷解吸湿特性等因素协同作用的粮堆内热湿耦合传递模型。

国内外对稻谷的储藏进行了大量的试验研究,并取得了一定的成果。然而由于稻谷的种类和储藏条件等差异,其研究得出的储藏标准对我国稻谷的储藏参考意义并不太大。我国现阶段对于高初始水分下稻谷的静态储藏研究主要还是采用试验的方法,而该方法必然会耗费大量的人力和物力。

作者建立了仓储稻谷在静态储存条件下粮堆内部热湿耦合传递的数学模型,通过仿真软件COMSOL Multiphysics模拟了稻谷在初始湿基为14%的安全储藏水分以及16%、19%的高水分条件下的热湿耦合传递过程。为了更贴近实际储粮环境,将边界条件设为动态变化的大气环境温度,以期为静态储粮提供理论帮助。

1 粮堆模型的建立与条件设置

1.1 粮堆物理模型

以浙江某粮库的中试圆筒仓为研究对象,其几何尺寸为6 m(高度,y)×3 m(直径,x)。在粮仓内部设置3个探测点,以获取粮堆内部特定位置的温度和水分含量,其几何坐标分别为A(1.25 m,0.25 m)、B(0 m,3 m)、C(-1.25 m,5.75 m),具体位置如图1所示。对圆筒仓而言,轴对称图形使其沿直径的截面尺寸相同,因此本研究选取沿筒仓直径的截面作为计算域,网格划分采用结构化(图2)。为了提高计算精度,对粮仓壁面的网格采用加密处理[18]。

注:A、B、C为探测点

图2 网格划分Fig.2 Meshing

1.2 粮堆数学模型

1.2.1 连续性方程

粮堆是由粮食颗粒堆积而成的,属于典型的生物性多孔介质,其内部流体的质量守恒求解表示如下:

1.2.2 动量方程

静态储藏粮堆仓内空气密度随温度的变化近似于布森内斯克方程(Boussinesq equation)[19],粮堆内部流体流动的速度求解如下:

式中:μ为流体的动力黏度,Pa·s;β为空气的膨胀系数,β=1/T0;T0和T分别为稻谷粮堆初始温度和实时温度,℃;δij为狄利克雷函数;φ为谷物颗粒当量直径,m;K为渗透率,m2;p为压力,Pa;g为重力加速度,m/s2。

1.2.3 能量方程

在静态储藏条件下,粮堆的热量传递满足能量守恒,能量方程表示如下:

式中:ρg为粮堆的密度,kg/m3;Cg和Ca分别为稻谷、空气比热容,J/(kg·K);kg为导热系数,W/(m·K);W为粮堆的湿基水分,%;hfg为稻谷的吸湿或解吸湿热,J;qh为稻谷呼吸作用的散热量,J;YH2O为稻谷呼吸作用的散湿量,kg。

1.2.4 水分迁移方程

静态储藏时粮堆的水分迁移方程表示如下:

式中:DM为基于水分梯度的水蒸气有效扩散系数;σ为一定温度下水分含量改变引起的分压变化量;ω为一定水分含量下温度改变引起的分压变化量;Rv为水分迁移率;DT为基于温度梯度的水蒸气有效扩散系数;qw为稻谷呼吸作用的散湿量,kg;YCO2为稻谷呼吸作用的CO2释放率。

1.3 初始与边界条件

采用有限元法对初始湿基水分为14%、16%以及19%的稻谷粮堆进行模拟分析,研究了静态储粮条件下在秋冬季初始温度为20 ℃、春夏季初始温度为0 ℃各5个月(150 d)温度和水分分布以及自然对流变化过程。稻谷和空气物性参数如表1所示。秋冬季与春夏季边界温度设为大气环境温度(数据取自浙江省某粮库中试圆筒仓记录的温度),温度曲线如图3所示。

表1 稻谷和空气参数Table 1 Rice and air parameters

图3 外界温度曲线Fig.3 External temperature curve

2 模拟结果与分析

2.1 粮堆温度变化

2.1.1 粮堆温度场分布

以初始湿基水分为16%的粮堆工况为例进行分析,静态储藏时温度场分布如图4和图5所示。由图4可知,在秋冬季(粮堆初始温度为20 ℃)条件下静态储藏30 d时,粮堆温度从外到内分为冷—热—暖3个区域。从图4(a)、(b)可得,随着储藏时间的积累,粮堆中心温度从20 ℃降到17 ℃,粮堆与粮仓壁面交界处(|x|>1.4 m)温度明显低于粮堆内部温度,“冷皮热芯”现象愈发明显。这主要是由于秋冬季外界温度降低,而壁面与大气环境是处于动态的热平衡,导致粮堆温度持续降低,局部(|x|>1.4 m,0

图4 初始湿基16%的粮堆秋冬季温度场Fig.4 Autumn and winter temperature field of initial wet base 16% of grain piles

图5 初始湿基16%的粮堆春夏季温度场Fig.5 Spring and summer temperature field of initial wet base 16% of grain piles

在春夏季(粮堆初始温度为0 ℃)储藏工况下,粮堆中心温度从0 ℃上升到了20 ℃。其中在30～90 d内,温度变化最剧烈。此时粮堆温度场处于“冷芯热皮”的状态。这主要是由于春夏季大气温度上升,粮堆不断吸收来自外界的热量。其中仓壁以及仓顶部分的粮面区域(5.5 m1.0 m,5.5 m

2.1.2 秋冬季粮堆温度变化

由图6可知,在前20 d内,外界仍处于高温状态,粮堆温度有所升高,20 d之后粮温出现骤降的现象。湿基14%、16%、19%下粮堆的平均温度变化幅度分别为8.521 ℃、8.360 ℃和8.004 ℃,由此可得对于初始湿基水分为19%的粮堆,在秋冬季储藏条件下平均温度变化最小,但温度峰值波动最大。

图6 秋冬季粮堆平均温度变化Fig.6 Changes of average temperatures of grain piles in autumn and winter

由图7可知,在秋冬季静态储粮20 d内,探测点A的温度均上升到了25 ℃,储藏130 d时A点温度下降到冬季储粮最低温度7 ℃,下降率约为0.163 ℃/d。探测点C的温度下降率约为0.2 ℃/d,表明秋冬季储粮条件下粮面附近区域受外界温度影响较大。

图7 秋冬季探测点温度变化Fig.7 Changes of temperatures of detection points in autumn and winter

由图7(b)可知,粮堆内部区域(|x|<1.0 m,2.0 m

对于初始湿基水分为19%的粮堆工况,在第75天、第110天以及第140天时,3个探测点的温度峰值均高于其他两个工况。这主要是由于稻谷比热容随水分含量的增加而增大[20],导致初始湿基水分为19%的粮堆温度降低较缓慢;而在第75天、第110天和第140天时外界温度呈现先升后降的趋势,从而使得19%的初始湿基水分含量的粮堆温度波动峰值较大。

2.1.3 春夏季粮堆温度变化

由图8可知,在春夏季条件下,3种工况(初始湿基14%、16%、19%)粮堆的平均温度随着外界温度的升高呈现出线性上升的趋势,粮堆的温度变化幅度分别为28.16 ℃、27.96 ℃和27.72 ℃。而对于初始湿基水分为19%的粮堆,在春夏季储藏下平均温度变化幅度最小,表明该工况下粮堆温度受外界影响小。

图8 春夏季粮堆平均温度变化Fig.8 Changes of average temperatures of grain piles in spring and summer

由图9可知,在初始湿基水分为14%的粮堆工况下,探测点A和C的温度变化基本与图3所示的外界温度变化趋势一致。该现象表明粮温随外界温度的变化与初始湿基水分有很大关联。由图9(b)可知,粮堆内部受外界温度变化影响较小,探测点B的温度变化明显小于探测点A和C,表明在春夏季节外界温度变化对粮堆底部(|x|>1.0 m)和粮面区域影响较大。

图9 春夏季探测点温度变化Fig.9 Changes of temperatures of detection points in spring and summer

2.2 粮堆水分迁移

2.2.1 粮堆水分分布

以初始湿基水分为16%的粮堆工况为例进行分析,静态储藏时粮堆水分分布如图10和图11所示。在秋冬季,随着储藏时间的延长,粮堆与仓壁交界处的水分明显增加。主要原因是该阶段粮仓处于“热芯冷皮”状态,热量传递与水分迁移的共同作用使交界处温度低于露点温度,从而出现结露的现象。在秋冬季储藏过程中应注意此区域粮堆,防止稻谷出现霉变等问题;春夏季储藏条件下,稻谷活性加强,呼吸散热增加,粮堆内部水分明显高于秋冬季。由图10和图11可知,粮堆内部水分均呈现向上层迁移的规律,其主要原因是粮堆内部存在温度梯度,导致内部空气形成密度差而产生自然对流现象。

图10 初始湿基16%的粮堆秋冬季水分分布Fig.10 Moisture distribution in autumn and winter of 16% initial wet base of grain piles

图11 初始湿基16%的粮堆春夏季水分分布Fig.11 Moisture distribution in spring and summer with initial wet base 16% of grain piles

2.2.2 粮堆水分变化

由图12可知,在初始湿基水分为14%的粮堆工况下,随着储藏时间的积累,探测点A的水分在春夏季和秋冬季分别由14%降至12.5%和13.9%,二者变化率相差1.4%;探测点B的水分变化到14.1%(春夏季)和13.95%(秋冬季);探测点C的水分变化到13.3%(春夏季)和13.97%(秋冬季)。春夏季3个探测点的水分变化量均大于秋冬季,表明春夏季粮堆水分扩散速率高于秋冬季。

图12 14%初始湿基水分探测点水分变化Fig.12 Change of moisture at each detection point of 14% initial wet base moisture

由图13可知,在秋冬季,探测点B区域的粮堆处于解吸湿状态,水分含量呈下降趋势;探测点C区域的粮堆处于吸湿状态,水分含量呈现上升趋势,但上升量仅在0.05%左右。探测点A区域的水分在整个阶段始终处于下降趋势,秋冬季阶段水分下降了0.74%,春夏季下降了7.5%。表明无论是秋冬季还是春夏季,静态储粮下粮堆底部区域稻谷始终处于解吸湿状态。

图13 16%初始湿基水分探测点水分变化Fig.13 Change of moisture at each detection point of 16% initial wet base moisture

由图14可知,19%的高初始湿基水分的粮堆在春夏季储藏时间下,A、B、C探测点的水分变化量分别为1.3%、0.1%、0.3%;在秋冬季储藏时间下,A、B、C点的水分变化量分别为0.15%、0.05%、0.05%。可以得出19%的高初始湿基水分的粮堆在储藏期间水分变化量最小,表明无论秋冬季还是春夏季,粮堆均处于高湿的状态。总之,对于19%的高水分静态储粮,粮堆始终处于高温高湿的危险储粮状态。

图14 19%初始湿基水分探测点水分变化Fig.14 Change of moisture at each detection point of 19% initial wet base moisture

2.3 粮堆静态储藏速度场分布

以初始湿基水分为16%、19%的粮堆工况进行分析,静态储藏第150天时速度场分布如图15、图16所示。由图15和图16可知,秋冬季储藏条件下,在对称轴(x=0)右侧,气流流向为顺时针,而左侧为逆时针流动,且粮堆与壁面交界处以及粮堆内部气流流动相对较强;在春夏季工况下,仓内气体流动方向与秋冬季工况相反。这主要是由于秋冬季粮堆“热芯冷皮”的温度场特征,导致靠近壁面处空气密度大,粮堆内部空气密度低,从而出现“M”形的速度矢量场分布;春夏季粮堆处于“热皮冷芯”状态,靠近壁面处空气密度较低,粮堆内部空气密度较大,便产生了“W”形的速度矢量场分布。

图15 16%初始湿基水分速度场Fig.15 Velocity field of 16% initial moisture

图16 19%初始湿基水分速度场Fig.16 Velocity field of 19% initial moisture

秋冬季条件下,仓内微气流引起的空气流速显然小于春夏季。初始湿基水分为19%的粮堆内部空气流动速度比初始湿基水分为16%的粮堆内部空气流动速度大。这主要是由于初始水分为19%的粮堆内部水分变化较小,使得粮堆始终处于高温高湿状态,稻谷活性相对较大,呼吸散热散湿量多。此工况下储粮易造成稻谷霉变等变化,从而降低稻谷品质。

3 结论

以稻谷粮堆初始湿基水分为14%、16%、 19%,温度为0 ℃(春夏季)、20 ℃(秋冬季)作为初始条件,采用有限元法研究了浙江某粮库中试圆筒仓内稻谷在静态储藏时热湿耦合迁移规律,得出以下结论:

3种工况下静态储粮时,秋冬季粮堆温度分布从冷—热—暖变化到“冷皮热芯”状态,春夏季储粮150 d时,局部(|x|>1.0 m,5.5 m

外界环境对粮堆温度的影响与粮堆的初始湿基水分有很大关系。对于初始湿基水分为19%的粮堆,在秋冬季条件下,在第75、110、140天时,3个探测点粮堆温度峰值均大于初始湿基水分为14%、16%的粮堆工况;在春夏季静态储粮时,初始湿基水分为19%的粮堆3个探测点的温度上升量相对较小,但仍处于高温状态。

稻谷在19%的高初始湿基水分下静态储藏期间,其活性相对较大,呼吸散热散湿量多,粮堆始终处于高温高湿的危险储粮状态。在此工况下储粮易造成稻谷霉变等变化,进而降低稻谷品质。此外,对于不同初湿基水分条件下的稻谷储藏,还可以研究不同的管理策略和措施,以最大程度地保持粮食质量和安全。