鋼筋混凝土地下糧倉準靜態(tài)溫度場數(shù)值模擬

陳桂香 岳龍飛 王振清 王海濤 張 虎

鋼筋混凝土地下糧倉準靜態(tài)溫度場數(shù)值模擬

陳桂香1，2岳龍飛1王振清1，2王海濤1張 虎2

（河南工業(yè)大學土木建筑學院1，鄭州 450001）
（河南工業(yè)大學設(shè)計研究院2，鄭州 450001）

研究準靜態(tài)溫度場可以為地下糧倉設(shè)計提供參考和依據(jù)。采用計算流體動力學（CFD）數(shù)值模擬方法，建立了大直徑鋼筋混凝土地下糧倉的物理模型，根據(jù)糧倉實體圍護結(jié)構(gòu)和地下環(huán)境條件，研究地下糧倉在不通風情況下溫度場的變化規(guī)律，分析糧堆溫度總體變化趨勢和溫度場與倉內(nèi)幾何尺寸關(guān)系等問題。研究結(jié)果表明隨著時間變化，地下糧倉內(nèi)糧堆溫度由外到內(nèi)逐漸趨向于所處恒溫層溫度，倉中通風道內(nèi)空氣柱能起到均勻降溫的作用。

高分子磁性多孔微球 假絲酵母脂肪酶 固定化 催化活性

地下儲糧（underground grain storage）是一種利用地下土體和巖體空間進行儲糧的方法。地下儲糧在我國已有幾千年歷史，早在仰韶文化期間就利用地下窖藏儲存糧食。地下糧倉利用淺層低溫效應(yīng)和密閉效應(yīng)使糧食處于封閉低溫度場中，并通過倉體圍護結(jié)構(gòu)影響儲糧溫度，無需機械制冷即可實現(xiàn)低溫儲糧，可以減緩儲糧品質(zhì)衰變過程和限制生蟲條件，實現(xiàn)節(jié)地、節(jié)能、減損及綠色儲糧。我國現(xiàn)有的地下糧倉主要分2種：北方地區(qū)以地下喇叭倉為主，南方地區(qū)以山洞倉為主［1-3］。這些地下糧倉的建造需要依托特殊的地質(zhì)條件，倉容量小，機械化程度低。大直徑鋼筋混凝土地下糧倉是一種新型地下糧倉，它在保留現(xiàn)有地下糧倉優(yōu)點的同時，克服了現(xiàn)有地下糧倉部分缺點，實現(xiàn)了自動化、機械化、散糧化大規(guī)模儲糧。掌握地下環(huán)境對大直徑鋼筋混凝土地下糧倉倉體圍護結(jié)構(gòu)影響的作用機理，并準確預測倉內(nèi)糧堆溫度場變化的規(guī)律，是發(fā)掘淺層低溫儲糧優(yōu)勢和確保地下糧倉糧食安全儲藏的基礎(chǔ)，對地下大直徑鋼筋混凝土筒倉推廣具有重要意義［4-5］。

目前國內(nèi)外還沒有建成現(xiàn)代化大型地下糧倉，地下糧倉儲糧環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)研究成果較少。糧食儲藏過程中糧堆內(nèi)溫度變化情況復雜，采用實倉測量和試驗研究的方法，獲得糧食儲藏過程中溫度場分布并預測其變化趨勢較困難。目前，數(shù)值模擬是一種經(jīng)濟有效的研究手段，國內(nèi)外學者已有采用數(shù)值模擬的方法研究儲糧生態(tài)系統(tǒng)［6］。Chang等［7-8］采用有限差分方法，提出了一個預測小麥通風狀態(tài)下溫度和水分變化的數(shù)學模型。Thorpe［9］通過編寫用戶自定義文件（UDF），利用CFD數(shù)值模擬通風過程中糧堆與濕空氣之間的水分和熱量傳遞。彭威等［10］給出了倉儲糧堆靜態(tài)儲藏和機械通風2種模式下的CFD數(shù)值模擬結(jié)果，分析了機械通風技術(shù)和CFD數(shù)值模擬技術(shù)在糧食安全儲藏中的應(yīng)用前景。張忠杰等［11］進行了高大平房倉準靜態(tài)倉儲糧堆溫度場變化過程的CFD數(shù)值模擬，可以為糧倉通風系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計提供參考和依據(jù)。任廣躍等［12］采用CFD數(shù)值模擬方法研究了倉儲糧堆機械通風過程中的壓力場分布，用于預測倉儲糧堆的壓力場。王遠成等［13］以實例介紹了CFD數(shù)值模擬技術(shù)在儲糧通風中的應(yīng)用情況。顧?。?4］采用CFD模擬、模型試驗測量和實倉試驗的方法，設(shè)計了一種環(huán)形回流通風地槽形式，可有效降低通風阻力、消除通風死角和提高通風效率。

大直徑鋼筋混凝土地下糧倉糧食儲藏周期較長，不通風情況下的準靜態(tài)儲藏過程占整個糧食儲藏周期的大部分時間。地下自然環(huán)境、倉體圍護結(jié)構(gòu)和糧堆之間的溫度場變化是影響儲糧穩(wěn)定性的主要外部因素，本試驗采用CFD數(shù)值模擬方法，以某大直徑混凝土地下糧倉為研究對象，實現(xiàn)了一年儲藏周期內(nèi)溫度場分布及其變化情況的數(shù)值模擬，并對模擬結(jié)果進行了分析和討論。

1 大直徑混凝土地下糧倉的物理模型

以鄭州地區(qū)擬建的某大直徑鋼筋混凝土地下糧倉為研究對象，圖1為群筒倉結(jié)構(gòu)平面布置圖?；炷羵}的內(nèi)徑為25 m，平面組合為2排5列，總倉容為5.3萬 t。頂蓋采用鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，板厚0.25 m，倉體側(cè)壁厚度0.35 m，倉底板厚度0.8 m，單倉結(jié)構(gòu)總高度20.25 m，總深度為24.25 m。單倉筒中央有一鋼筋混凝土管道，用作機械通風管道和進出糧管道，其半徑為1.25 m，壁厚0.25 m。圖2為地下糧倉單倉剖面圖。

本試驗在模擬中不涉及機械通風過程，所以研究對象僅包括糧倉頂板、墻壁、底板和通風管道等鋼筋混凝土實體結(jié)構(gòu)，糧堆高度為18.25 m，糧堆上表面距倉房頂板的距離為2 m。

圖1 鋼筋混凝土地下糧倉群倉平面布置圖

圖2 鋼筋混凝土地下糧倉單倉剖面圖

圖3 鋼筋混凝土地下糧倉單倉三維物理模型

根據(jù)已知研究對象的物理條件，利用CFD前處理軟件ICEM建立模型并進行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，共計982萬網(wǎng)格。模擬區(qū)域包括糧堆、倉內(nèi)上部空氣層和通風管道內(nèi)空氣柱3個獨立流體區(qū)域。糧堆與其上部空氣層相互連通，通風管道內(nèi)空氣柱與前2個區(qū)域以鋼筋混凝土墻壁隔開，圖3為大直徑鋼筋混凝土地下糧倉單倉三維物理模型。

2 數(shù)值模擬的參數(shù)設(shè)置

2.1 環(huán)境溫度

在土壤的恒溫帶，土壤導熱與太陽輻射熱之間的相互影響將達到熱量平衡。恒溫帶的深度與溫度受緯度、高度、巖性、地表水體的分布等因素影響。地下糧倉受地表淺層低溫土壤的影響，常年處于低溫穩(wěn)定狀態(tài)，地下糧倉糧堆準靜態(tài)儲藏過程中，主要受到所處恒溫帶的影響［15］。資料顯示，鄭州地區(qū)的地層恒溫帶深度為27 m，恒溫帶溫度為17℃，全年溫度變化不超過0.5℃，地溫梯度屬正常梯度范圍，在2.47～3.18℃／100 m之間。地表4 m以下的土壤溫度變化不大，基本處于恒定狀態(tài)，在此研究中地表氣溫變化對倉內(nèi)空氣相關(guān)參數(shù)的影響可以忽略不計［16］。本研究對象處在地下4～24.25 m，因此可以假定研究對象處于恒定為17℃的溫度場中［17］。

2.2 地下糧倉邊壁溫度

在1年的糧食儲藏周期內(nèi)，糧食處于沒有機械通風的準靜態(tài)，外界環(huán)境通過改變糧倉邊壁溫度，從而影響糧倉內(nèi)的糧食生態(tài)系統(tǒng)。Fluent軟件中有固定熱通量、固定壁面溫度、固定對流換熱、外界輻射換熱、對流與外界輻射綜合換熱5種壁面熱邊界條件。通風管道邊壁介于風道內(nèi)空氣柱與糧堆、倉頂空氣層之間，利用溫差進行熱量交換。地下糧倉處于淺層恒溫層中，糧倉墻壁外界穩(wěn)定低溫度場是影響糧堆內(nèi)溫度場分布的主要因素，因此糧倉墻壁采用固定壁面溫度條件處理，糧倉墻壁熱流量為

式中：hf為流體對流的換熱系數(shù)；Tw為墻壁面溫度；Tf為墻壁內(nèi)表面的空氣溫度；qrad為墻壁外表面的輻射熱流量［18］。

2.3 數(shù)值模擬的參數(shù)設(shè)置

在散糧堆積區(qū)域內(nèi)，是以谷物顆粒作為骨架的多孔介質(zhì)，谷物顆粒之間構(gòu)成了一定的空隙，空隙空間相互連通。在機械通風過程中，濕空氣可以在谷物空隙之間流動。將散糧堆積區(qū)域作為多孔介質(zhì)區(qū)域進行數(shù)值模擬。濕空氣在多孔介質(zhì)孔隙中流動時需要克服糧堆阻力，包括黏性阻力和慣性阻力。在CFD數(shù)值模擬過程中，可以通過向標準動量偏微分方程增加一個動量源項來描述空氣流動阻力。糧堆可以看作各向同性的均勻多孔介質(zhì)，因此空氣流動阻力可表示為

式中：α是滲透性系數(shù)；C2是內(nèi)部阻力因子；μ是空氣分子間的黏性。

式中：Dp為糧食顆粒平均直徑；φ為糧堆顆粒多孔介質(zhì)孔隙率［19］。

假定糧堆是6月入倉的夏糧，根據(jù)香港天文臺資料可知鄭州地區(qū)6月的平均氣溫為25.9℃，假設(shè)該研究中地下糧倉中糧堆初始溫度為26℃［20］。進行倉儲糧堆準靜態(tài)儲藏過程的CFD數(shù)值模擬時，主要參數(shù)的確定十分重要，表1給出了相關(guān)主要參數(shù)的設(shè)定值。

表1 CFD模擬的條件設(shè)置及具體參數(shù)

3 結(jié)果與討論

由于地下糧倉周圍的土壤溫度基本上恒定不變，假定糧堆是6月入倉的夏糧，模擬總時間為1年，共12個月，每天按24 h計算，共計8 640 h。

3.1 糧堆溫度場云圖

圖4～圖7分別給出了2 160 h（3個月），4 320 h（6個月），6 480 h（9個月）和8 640 h（12個月）地下糧倉中垂面溫度場云圖（YZ軸）。由圖4～圖7可知，糧倉上部空氣層溫度與邊壁恒定溫度基本一致，中央混凝土風道將糧堆分為對稱的2個溫度場。隨著時間的增加，糧堆溫度場的較高溫度區(qū)域不斷減小，糧堆溫度場冷卻前沿由外向內(nèi)存在明顯的分層現(xiàn)象。糧堆與糧倉環(huán)形墻壁接觸面冷卻前沿移動速度與糧倉底板接觸面冷卻前沿、糧堆上部空氣接觸面冷卻前沿移動速度大致相同，但三者移動速度均明顯大于糧堆與中央風道墻壁接觸面冷卻前沿移動速度。隨著儲藏時間的增加，2部分糧堆溫度逐漸降低并透過倉中央風道形成連通等溫溫度場。

圖5 4 320 h地下糧倉中垂面（YZ）溫度場云圖

圖6 6 480 h地下糧倉中垂面（YZ）溫度場云圖

圖7 8 640 h地下糧倉中垂面（YZ）溫度場云圖

3.2 倉內(nèi)溫度變化趨勢

圖8 給出儲藏過程中空氣層、糧堆和風道空氣柱平均溫度預測值。由圖8可知，糧堆上部空氣層溫度、糧堆平均溫度和風道空氣柱溫度均在降低，糧堆上部空氣層溫度下降最快，糧堆平均溫度下降速度最慢。糧堆上部空氣層溫度經(jīng)過12個月下降至18.02℃，糧堆平均溫度經(jīng)過12個月下降至21.42℃，風道空氣柱溫度最初3個月下降，然后其溫度逐漸上升，經(jīng)過12個月其溫度與糧堆溫度趨于一致。

圖9給出了地下糧倉熱量交換示意圖。由圖9可知，受較低的外界溫度場影響，與糧堆進行熱量交換的有倉頂空氣層、倉四周環(huán)形邊壁、倉底漏斗形邊壁、中部風道空氣柱等。其中糧倉四周環(huán)形邊壁和倉底漏斗形邊壁直接與外界環(huán)境進行熱量交換；倉頂空氣層與倉頂邊壁進行熱量交換。

圖8 倉頂空氣層、糧堆和風道空氣柱平均溫度預測值

圖9 地下糧倉熱量交換示意圖

為了明確風道空氣柱對糧堆均勻降溫的影響，需要分析風道空氣柱溫度變化的影響因素。風道空氣柱溫度變化的主要影響因素有：柱頂邊壁、柱底邊壁、糧堆和糧堆上部空氣層。外部低溫環(huán)境通過柱頂邊壁、柱底邊壁與風道空氣柱進行熱量交換，導致風道空氣柱溫度逐漸接近外部低溫環(huán)境的溫度。由于糧堆上部空氣層溫度下降較快，風道空氣柱與空氣層通過風道混凝土墻壁進行熱交換，導致風道空氣柱溫度逐漸趨向于糧堆上部空氣層溫度。因為混凝土導熱系數(shù)遠大于糧堆導熱系數(shù)，所以外部低溫環(huán)境對風道空氣柱溫度的影響大于其對糧堆溫度的影響。

隨著糧堆冷卻前沿的移動，風道兩側(cè)糧堆“熱心”不斷縮小，中部靠近風道的糧堆溫度明顯降低，此時糧堆與風道之間溫差逐漸減小，2個糧堆的溫度場趨向于相同，2個溫度場穿過風道空氣柱出現(xiàn)連通區(qū)域，且溫度場連通區(qū)域的面積不斷增大。該現(xiàn)象的出現(xiàn)是因為糧堆與風道空氣柱之間的溫差在逐漸減小，導致風道空氣柱與上頂邊壁和下底邊壁以及倉頂空氣層的熱交換量減小。風道空氣柱中部的熱交換量（與糧堆熱交換量）大于兩端的熱量交換量（與上頂邊壁和下底邊壁以及倉頂空氣層熱交換量），導致風道空氣柱中部溫度逐漸趨向于糧堆溫度，出現(xiàn)風道空氣柱中部溫度升高現(xiàn)象，而后隨著整個糧堆平均溫度共同降低。與圖4～圖7給出了地下糧倉中垂面（YZ）一年內(nèi)溫度場變化云圖給出結(jié)果一致。

4 結(jié)論

本試驗選取鋼筋混凝土地下糧倉作為研究對象，通過對外界環(huán)境和倉體的分析，確定模擬方案，進行了地下準靜態(tài)儲糧溫度場8 640 h的CFD數(shù)值模擬，通過對模擬結(jié)果分析討論，得到以下結(jié)論：

4.1 高溫季節(jié)進高溫糧靜態(tài)儲藏條件下的降溫時間較長，宜適時機械通風降溫；低溫季節(jié)入糧不需要機械通風來進行冷卻，糧倉處于低溫的土壤溫度場，可使糧堆處于低溫儲藏狀態(tài)，達到節(jié)能、綠色儲糧要求。

4.2 在地下糧倉準靜態(tài)儲糧過程中，倉體中央混凝土風道空氣柱連通倉頂和倉底，連通糧堆內(nèi)部與倉頂空氣層，能很好隔離大體積糧堆，避免出現(xiàn)熱量中糧堆中央大量堆積，提高降溫效率和均勻性。合理利用地下糧倉儲糧結(jié)構(gòu)中材料特質(zhì)差異，可以作為一種優(yōu)化地下糧倉儲糧生態(tài)系統(tǒng)方式。

4.3 地下糧倉儲糧品質(zhì)與安全和地下糧倉準靜態(tài)儲糧溫度場有密切聯(lián)系，研究地下糧倉準靜態(tài)溫度場可以為地下糧倉的設(shè)計提供參考和依據(jù)。

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Quasistatic Temperature Field Simulation of Reinforced Concrete Underground Warehouse Grain

Chen Guixiang1，2Yue Longfei1Wang Zhenqing1，2Wang Haitao1Zhang Hu2
（College of Civil Engineering and Architecture，Henan University of Technology1，Zhengzhou 450001）
（Henan University of Technology Design and Research Academy2，Zhengzhou 450001）

Research on quasi-static temperature field can provide reference and basis for the design of underground warehouse.CFD mathematical models and simulation schemes have been established；the simulation area and boundary conditions had also been determined；dividing grids and selecting models according to underground warehouse structure and environmental temperature.In the paper，the CFD method has been adopted to simulate the temperature field of stored bulk grain in major diameter concrete underground warehouse without ventilation.The temperature fields and the temperature alterations with ambient temperature and geometric dimension relations were simulated by the methods described above.The results showed that the temperature of stored bulk grain tend was similar to the temperature of the constant temperature layer soil；moreover，the column of air duct of underground warehouse could help to cool the stored bulk grain in underground warehouse uniformly.

underground warehouse，quasi-static temperature field，CFD

S379

A

1003-0174（2014）03-0079-05

時間：2014-02-12 09：54

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：／／www.cnki.net／kcms／detail／11.2864.TS.20140212.0954.002.html

863計劃（2012AA101608），“十二五”國家科技支撐計劃（2011BAD03B01）

2013-09-05

陳桂香，女，1976年出生，副教授，儲糧安全技術(shù)