一種新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)房式倉(cāng)通風(fēng)效果影響的模擬研究

李加斌，王遠(yuǎn)成，劉家琦，楊泰，楊開敏?

（山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

我國(guó)是一個(gè)人口大國(guó)，儲(chǔ)糧安全一直都是我國(guó)的頭等大事。由于糧食在自然儲(chǔ)存過程中會(huì)由于自身的呼吸作用和外界環(huán)境的影響，導(dǎo)致局部溫度和水分的升高，引起害蟲的產(chǎn)生或者發(fā)生霉變，影響食用。為確保糧倉(cāng)內(nèi)部的溫度和水分在安全儲(chǔ)存范圍內(nèi)，需要對(duì)糧倉(cāng)進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)[1]。

房式倉(cāng)是我國(guó)儲(chǔ)糧的主流倉(cāng)型，而垂直通風(fēng)是其常用的通風(fēng)方式，根據(jù)地上通風(fēng)管道布置方式的不同，可分為“U”型通風(fēng)、“圭”字型通風(fēng)等。“U”型通風(fēng)由于使用了大量風(fēng)機(jī)，功耗較高，且在靠近墻體的位置易形成通風(fēng)死角，通風(fēng)均勻性較差。圭字型通風(fēng)雖然解決了“U”型通風(fēng)均勻性差的缺點(diǎn)，但是由于地上籠仍布置在地面，在垂直方向上仍然有著較長(zhǎng)的通風(fēng)路徑，并且進(jìn)風(fēng)空氣在糧堆內(nèi)的推進(jìn)過程中會(huì)有損耗，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)空氣在垂直方向上的推進(jìn)速度較慢，可能會(huì)導(dǎo)致上部糧食沒有及時(shí)得到有效的通風(fēng)而發(fā)生霉變，尤其是進(jìn)行熏蒸作業(yè)時(shí)，對(duì)于易分解的熏蒸氣體，如：臭氧，在糧堆內(nèi)停留時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致自身降解，影響殺蟲除菌效果，不能很好的滿足各種通風(fēng)作業(yè)的需要。

基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬方法為解決儲(chǔ)糧通風(fēng)問題提供了一個(gè)良好的工具[2]。Thorpe等[3]研究了糧堆內(nèi)溫度變化的機(jī)理，并構(gòu)建了相關(guān)數(shù)學(xué)模型，使用CFD模擬技術(shù)得到了不同工況下糧堆內(nèi)部的溫度分布和變化情況。李祥利等[4]模擬研究了“圭”字型風(fēng)道垂直通風(fēng)狀態(tài)下糧堆溫度和水分變化規(guī)律，但沒有解決進(jìn)風(fēng)空氣在垂直方向上推進(jìn)速度較慢的問題。馬文斌等[5]利用橫向通風(fēng)系統(tǒng)與原有地上籠豎向通風(fēng)系統(tǒng)混合使用的方式開展實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比分析了橫向通風(fēng)系統(tǒng)和豎向通風(fēng)系統(tǒng)在單獨(dú)使用和混合使用時(shí)效果的差異。俞曉靜等[6]對(duì)高大平方倉(cāng)的橫向與豎向通風(fēng)方式下進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，從糧堆溫度、水分分布和均勻性指數(shù)等方面綜合評(píng)價(jià)了兩種通風(fēng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

盡管國(guó)內(nèi)外對(duì)房式倉(cāng)機(jī)械通風(fēng)時(shí)溫度變化情況的模擬仿真和實(shí)倉(cāng)測(cè)試研究均已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但是對(duì)于圭字型加垂直風(fēng)管的通風(fēng)方式的研究還沒有確切定論。為此，本文選擇小麥為研究對(duì)象，利用數(shù)值模擬的方法對(duì)圭字型加垂直風(fēng)管的新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的通風(fēng)效果進(jìn)行研究，并利用降溫速率、均勻性以及通風(fēng)能耗等指標(biāo)來(lái)綜合評(píng)價(jià)其性能。得到的結(jié)果可以進(jìn)一步完善房式倉(cāng)垂直通風(fēng)技術(shù)的理論體系，對(duì)房式倉(cāng)通風(fēng)道的設(shè)計(jì)改造提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。

1 房式倉(cāng)通風(fēng)模型的建立及條件設(shè)置

1.1 物理模型的建立

以高大房式倉(cāng)為研究對(duì)象，如圖1中所示，建立物理模型，長(zhǎng)37.22 m，寬22.86 m，高10.5 m，堆糧高度為6 m，采用雙向通風(fēng)，兩側(cè)一共八個(gè)通風(fēng)口，出口窗戶兩側(cè)共12個(gè)，初選立管高度為1.5 m，立管在房式倉(cāng)內(nèi)均勻分布。

圖1 房式倉(cāng)物理模型Fig.1 Physical model of room warehouse

1.2 數(shù)學(xué)模型及定解條件

糧堆區(qū)域由一顆顆的糧粒堆積而成，糧粒之間的孔隙區(qū)域充滿了空氣，所以糧堆是一種具有生物特性的多孔介質(zhì)。對(duì)糧堆進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)的過程，本質(zhì)上就是多孔介質(zhì)與周圍空氣進(jìn)行熱濕耦合傳遞的過程?；诙嗫捉橘|(zhì)的流動(dòng)和傳熱傳質(zhì)理論，可以建立通風(fēng)糧堆的熱濕耦合傳遞數(shù)學(xué)模型[7]。

本次模擬的糧種為小麥，糧堆孔隙率為0.4，進(jìn)口采用雙側(cè)質(zhì)量流量進(jìn)口，噸糧通風(fēng)量為5 m3/(t·h)，出口為壓力出口，固體壁面采用無(wú)滑移的邊界條件，糧堆平均溫度為30 ℃，倉(cāng)外大氣溫度為22 ℃，送風(fēng)溫度和糧堆溫度相差8 ℃。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用后處理軟件 Tecplot把模擬得到的數(shù)據(jù)做成云圖，重點(diǎn)關(guān)注糧堆內(nèi)的氣流分布情況，以及不同通風(fēng)天數(shù)下糧倉(cāng)內(nèi)不同位置截面的溫度分布情況；利用Origin軟件將模擬監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)繪制成折線圖，對(duì)新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的通風(fēng)特點(diǎn)進(jìn)行綜合分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 糧倉(cāng)內(nèi)氣流分析

選取添加了垂直立管和沒有垂直立管的兩個(gè)有代表性的截面，觀察氣流在糧倉(cāng)內(nèi)的流場(chǎng)分布情況，由圖2可得，糧倉(cāng)內(nèi)整體氣流分布較均勻，不存在通風(fēng)死角。由于采用的是雙向通風(fēng)，進(jìn)風(fēng)空氣在入口處的風(fēng)速較大，越靠近糧倉(cāng)的中部位置，氣流速度越小。在垂直立管存在的位置，立管的中上部速度較大，每個(gè)立管的風(fēng)速基本保持一致。加了垂直立管，氣流在垂直方向上的流動(dòng)阻力減小，明顯縮短了進(jìn)風(fēng)空氣在糧堆內(nèi)的通風(fēng)路徑和時(shí)間，當(dāng)進(jìn)行熏蒸作業(yè)時(shí)，尤其是對(duì)于臭氧這種半衰期很短，極容易分解的熏蒸氣體，加了立管可以更快的把臭氧送到害蟲聚集的頂部糧堆，有效地避免了熏蒸劑的降解，可以極大地提高殺蟲效率。

圖2 新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)糧倉(cāng)內(nèi)流線和速度分布圖Fig.2 Streamline and velocity distribution in the granary of the new ventilation network

2.2 小麥糧堆溫度的變化規(guī)律

分別選取通風(fēng)時(shí)間分別為2、4和7 d時(shí)的代表性的截面來(lái)觀察糧倉(cāng)內(nèi)溫度分布情況，其中Y=13.8 m和Y=3 m分別為沿糧倉(cāng)跨度方向，有立管存在和無(wú)立管存在位置的不同截面。如圖3所示，糧堆由下到上溫度逐漸下降，且沿通風(fēng)方向溫度有分層現(xiàn)象。新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中，由于加了垂直立管，沿垂直方向的流動(dòng)阻力減小，所以在立管附近的冷鋒面推進(jìn)速度更快，冷鋒面呈山峰型，由圖5和圖8可得，而在兩根立管之間的糧堆區(qū)域仍主要依靠經(jīng)由圭字型管道流動(dòng)過來(lái)的空氣進(jìn)行降溫，溫度降低的會(huì)慢一些，在云圖上顯示為凹進(jìn)去的山谷狀。如圖4和圖7所示，在沒加立管的原有圭字型風(fēng)道位置，溫度分布也呈一定的波浪型，這是由于位于支風(fēng)道上方和支風(fēng)道之間糧食區(qū)域溫度降低速率不同所致。

圖3 通風(fēng)2天，Y=13.8 m溫度分布Fig.3 Temperature distribution of ventilation for 2 days, Y=13.8 m

圖4 通風(fēng)2天，Y=3 m溫度分布Fig.4 Temperature distribution of ventilation for 2 days, Y=3 m

圖5 通風(fēng)2天，X=11.43 m溫度分布Fig.5 Temperature distribution of ventilation for 2 days, X=11.43 m

圖6 通風(fēng)4天，Y=13.8 m溫度分布Fig.6 Temperature distribution of ventilation for 4 days, Y=13.8 m

圖7 通風(fēng)4天，Y=3 m溫度分布Fig.7 temperature distribution of ventilation for 4 days, Y=3 m

圖8 通風(fēng)4天，X=11.43 m溫度分布Fig.8 temperature distribution of ventilation for 4 days, X=11.43 m

由圖6可得，垂直立管附近的冷鋒面在通風(fēng)第4天就已經(jīng)穿過了糧面，并與糧堆上方空氣進(jìn)行了換熱。如圖9～11所示，除了最頂部糧面與空氣區(qū)域接觸的位置還有極小部分區(qū)域糧堆溫度在23 ℃外，其余區(qū)域糧堆的溫度都降至22 ℃，可以看出新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的降溫效果很好。

圖9 通風(fēng)7天，Y=13.8 m溫度分布Fig.9 Temperature distribution of ventilation for 7 days, Y=13.8 m

圖10 通風(fēng)7天，Y=3 m溫度分布Fig.10 Temperature distribution of ventilation for 7 days, Y=3 m

圖11 通風(fēng)7天，X=11.43 m溫度分布Fig.11 Temperature distribution of ventilation for 7 days, X=11.43 m

由圖12中給出平均溫度和最高溫度隨時(shí)間變化情況可得，新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)在前5天降溫速度較快，5天后降溫趨勢(shì)逐漸趨于平緩，這是由于沿垂直方向上的通風(fēng)路徑有一定的長(zhǎng)度，而進(jìn)風(fēng)空氣與糧粒的傳熱強(qiáng)度不斷在衰減。隨著通風(fēng)的進(jìn)行，在通風(fēng)第7天時(shí)平均溫度降到最低溫度22℃左右并保持穩(wěn)定。最高溫度在前幾天基本保持在初始溫度 30 ℃不變，這是因?yàn)槔滗h面穿透糧層需要一定的時(shí)間，雖然立管位置的冷鋒面推進(jìn)速度變快了，但在兩根立管之間的糧堆降溫速率仍然較慢，沒被進(jìn)風(fēng)空氣冷卻的位置一直保持著較高的溫度。

圖12 平均溫度和最高溫度對(duì)比折線圖Fig.12 Broken line diagram of average temperature and maximum temperature comparison

2.3 小麥糧堆不同高度糧層溫度對(duì)比

圖13為不同高度糧層的溫度變化情況。由圖可得，由于0.5 m糧層距離通風(fēng)道很近，所以可以更快的與進(jìn)風(fēng)空氣進(jìn)行換熱，因此在第5天左右就可以達(dá)到降溫通風(fēng)的預(yù)期效果。糧層高度越高，通風(fēng)路徑越長(zhǎng)，糧層溫度開始下降所需要的通風(fēng)時(shí)間也就越長(zhǎng)。加設(shè)垂直立管后，高處糧層溫度開始下降所需時(shí)間明顯縮短了，5.5 m糧層從第2天開始就出現(xiàn)了降溫，說(shuō)明新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)在通風(fēng)2天冷鋒面的前沿已經(jīng)達(dá)到了5.5 m的高度，所有高度糧層均可以在通風(fēng)第7天達(dá)到安全儲(chǔ)糧溫度的要求。

圖13 不同高度糧層溫度隨時(shí)間變化對(duì)比折線圖Fig.13 Comparison of grain layer temperature at different heights with time

3 通風(fēng)均勻性和能耗分析

為了驗(yàn)證新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)結(jié)束時(shí)糧堆內(nèi)部溫度和速度分布的均勻性，在糧堆的高度方向分別設(shè)置三層監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每層監(jiān)測(cè)點(diǎn)均勻分布。糧堆內(nèi)部共三層觀測(cè)點(diǎn)，最底層距離倉(cāng)底1 m，最上層距離糧面1 m，中間層高度為糧堆高度的一半[9]。每層的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量相同，都為13個(gè)，一個(gè)39個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，四個(gè)角的監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離墻壁的距離為1 m，其余的等距離分布，具體尺寸和分布見圖14，測(cè)點(diǎn)分布均勻合理，有利于均勻性的檢測(cè)。

圖14 觀測(cè)點(diǎn)布局圖Fig.14 Layout of observation points

3.1 速度和溫度均勻性分析

由于通風(fēng)6天后糧堆平均溫度降低速率變的緩慢，繼續(xù)通風(fēng)為低效通風(fēng)，所以選擇通風(fēng)第 6天計(jì)算糧堆內(nèi)的速度和溫度均勻性。

3.1.1 速度均勻性指數(shù)

均勻性指數(shù)采用 Weltens等[10]建立的評(píng)價(jià)流動(dòng)分布特性的均勻性指數(shù)來(lái)表示流速/混合的均勻性程度計(jì)算式：

式中，r為均勻性指數(shù)，在 0～1之間取值，越接近1說(shuō)明糧堆內(nèi)的速度均勻性越好；vi為各觀測(cè)點(diǎn)的速度，m/s；v為全部觀測(cè)點(diǎn)的平均速度，m/s；n觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量；

計(jì)算得到，新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的平均速度為0.006 m/s，均勻性指數(shù)為0.95，均勻性較好。

3.1.2 溫度均勻性指數(shù)

與速度均勻性的公式相似，評(píng)價(jià)新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的溫度均勻性指數(shù)公式為：

式中，ti為各觀測(cè)點(diǎn)的溫度，℃；t為全部觀測(cè)點(diǎn)的平均溫度，℃；

根據(jù)各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的溫度可計(jì)算得到，新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的溫度均勻性為0.98，溫度均勻性很好。

3.2 通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)能耗

通風(fēng)能耗是反映通風(fēng)節(jié)能降耗情況和能源消費(fèi)水平的主要指標(biāo)，計(jì)算公式：

式中，Ws表示通風(fēng)系統(tǒng)的能耗，KW；Q為通風(fēng)過程的通風(fēng)量，m3/h；P為出風(fēng)口與進(jìn)風(fēng)口的壓差，Pa；η為風(fēng)機(jī)效率，這里取 0.75。

計(jì)算可得，新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的通風(fēng)能耗為3.43×106KW，相同條件下的未加立管的圭字型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的通風(fēng)能耗為 4.1×106KW，能耗降低了16%。這是由于加設(shè)垂直立管后，減小了進(jìn)風(fēng)空氣在垂直方向上的流動(dòng)阻力，從而降低能耗。

4 結(jié)論

本研究提出了一種圭字型加垂直立管的新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，通過數(shù)值模擬方法對(duì)其通風(fēng)效果進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，并從糧堆溫度、速度均勻性、溫度均勻性和能耗等方面進(jìn)行綜合分析，討論其對(duì)通風(fēng)效果的影響情況，得到的結(jié)論如下：

（1）采用新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的糧倉(cāng)內(nèi)部速度分布較均勻，無(wú)通風(fēng)死角，加設(shè)立管可以明顯提高冷鋒面的推進(jìn)速度，通風(fēng)兩天就可以穿透5.5 m糧層，可以快速的將進(jìn)風(fēng)空氣或熏蒸氣擴(kuò)散深入到糧堆內(nèi)部。

（2）新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的降溫效果較好，前五天的降溫速率較快，在第七天可以把糧堆溫度降低到 22 ℃，降溫的后糧堆內(nèi)的各處溫度分布較均勻，但在通風(fēng)過程中兩個(gè)立管之間的糧堆降溫相對(duì)會(huì)慢一些。

（3）新型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)由于加設(shè)了垂直立管，減小了通風(fēng)方向上的流動(dòng)阻力，空氣和熏蒸氣體等更容易從糧面溢出，從而降低了能耗，可以同時(shí)滿足降溫、降水、熏蒸、氣調(diào)、質(zhì)調(diào)等多項(xiàng)功能作業(yè)。