鋼筋混凝土筒倉(cāng)內(nèi)的出糧流態(tài)研究

摘 要：鋼筋混凝土筒倉(cāng)裝滿糧食后要承受糧食對(duì)倉(cāng)體結(jié)構(gòu)巨大的荷載。諸多學(xué)者研究表明，人們已經(jīng)能確定，當(dāng)糧食以底部卸料的形式從筒倉(cāng)中流出時(shí)，對(duì)筒倉(cāng)的壓力作用更大。而糧食出倉(cāng)過程中在筒倉(cāng)內(nèi)部的流態(tài)與壓力有密切關(guān)系。本文借助計(jì)算機(jī)模擬軟件對(duì)糧食出倉(cāng)全過程進(jìn)行數(shù)值模擬，觀察糧食的位移情況，分析得出糧食出倉(cāng)時(shí)的流態(tài)變化。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土筒倉(cāng)；流態(tài)；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TS210 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）10-0064-02

Study on Grain Flow Pattern of Reinforced Concrete Silo

LI Jiawei1 YUAN Fang 1，2 XU Zhijun 1 DU Qian 1

（1.School of Civil Engineering ， Henan University of Technology， Zhengzhou Henan 450001；2.School of Architecture and Engineering， Sanming University，Sanming Fujian 365004）

Abstract： When the reinforced concrete silos are filled with grain， they have to bear the huge load of grain on the warehouse structure. After research， people have been able to determine that when grain is discharged from silos in the form of bottom unloading， the pressure on silos is even greater. The flow pattern and pressure in silos are closely related to grain storage. In this paper， the whole process of grain warehouse was simulated with the aid of computer simulation software， the displacement of grain was observed， and the change of the flow pattern when grain was out of the warehouse was analyzed.

Keywords： reinforced concrete silo；flow state；numerical simulation

1 研究背景

筒倉(cāng)出糧時(shí)糧食在筒倉(cāng)內(nèi)的流態(tài)一直是廣泛關(guān)注的問題。筒倉(cāng)內(nèi)的糧食主要有兩種狀態(tài)：一是筒倉(cāng)裝滿糧食時(shí)是靜止的狀態(tài)；而當(dāng)卸料時(shí)，隨著糧食從儲(chǔ)料口慢慢流出，筒倉(cāng)內(nèi)部糧食變化。筒倉(cāng)作為一種立式的筒體結(jié)構(gòu)，極為適合儲(chǔ)存糧食，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化進(jìn)出糧食，具有占地面積小，防潮防蟲等優(yōu)點(diǎn)。筒倉(cāng)是一個(gè)直立的圓筒，下部連接一個(gè)倒置的錐形漏斗，漏斗最下部是一個(gè)出糧口。為了便于筒倉(cāng)卸糧，倉(cāng)體底部設(shè)計(jì)有底座，可以把筒倉(cāng)支撐起來，出料口一般都要高出地面數(shù)米，這樣運(yùn)糧車可以直接停在筒倉(cāng)下邊接收糧食。筒倉(cāng)出糧方式一般采用底部中心卸糧。在卸糧過程中，糧食自由下落流出倉(cāng)外，具有巨大的勢(shì)能，會(huì)對(duì)筒倉(cāng)倉(cāng)壁產(chǎn)生很大壓力和振動(dòng)作用，影響筒倉(cāng)安全。另外，糧食結(jié)拱、塌落等對(duì)筒倉(cāng)產(chǎn)生的沖擊更大。糧食流態(tài)與壓力有密切聯(lián)系。因此，研究筒倉(cāng)出糧過程中糧食的流動(dòng)形態(tài)很有必要。

糧食儲(chǔ)倉(cāng)常見的類型有房式倉(cāng)、筒倉(cāng)等[1]。其中，筒倉(cāng)是一種適于直接散裝顆粒物料或粉末物料的筒狀構(gòu)筑物。從建造材料上，其可以分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)筒倉(cāng)、鋼板筒倉(cāng)、砌體筒倉(cāng)和木質(zhì)倉(cāng)等；從倉(cāng)體形狀上，其可以分為圓形筒倉(cāng)和矩形筒倉(cāng)。圓形筒倉(cāng)又分為淺倉(cāng)和深倉(cāng)，淺倉(cāng)一般稱淺圓倉(cāng)，深倉(cāng)一般稱為筒倉(cāng)。淺倉(cāng)的高度和直徑往往比較接近，一般為25～30m，筒倉(cāng)的直徑為10～20m，高度一般可達(dá)30～50m以上。深倉(cāng)的高度比直徑大很多，往往是直徑的2～3倍。隨著儲(chǔ)糧要求和糧倉(cāng)建造技術(shù)的逐步提高，目前我國(guó)已經(jīng)廣泛建設(shè)筒倉(cāng)并投入使用，而且建造的筒倉(cāng)規(guī)模和尺寸越來越大。在實(shí)際使用中，筒倉(cāng)除了受到風(fēng)、雪荷載等外部因素影響外，在裝滿糧食之后，內(nèi)部的糧食對(duì)筒倉(cāng)的壓力也變得非常大。而且筒倉(cāng)出糧時(shí)，壓力會(huì)顯著增加，同時(shí)糧食在筒倉(cāng)流動(dòng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，會(huì)對(duì)倉(cāng)體產(chǎn)生一定的振動(dòng)作用。高大的筒倉(cāng)在使用過程中會(huì)不可避免地產(chǎn)生安全隱患。因此，為了設(shè)計(jì)出良好的筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)，要加強(qiáng)對(duì)筒倉(cāng)壓力和流態(tài)的研究。

鋼筋混凝土筒倉(cāng)一般都是封閉的，我們從外部觀察不到糧食的流動(dòng)情況，目前還沒有先進(jìn)的技術(shù)方法或者儀器能探測(cè)到筒倉(cāng)內(nèi)部糧食的流動(dòng)變化。而借助計(jì)算機(jī)仿真模擬軟件PFC[2]（顆粒流程序）模擬筒倉(cāng)出糧的過程是一種較為實(shí)用的方法，并且已被廣泛應(yīng)用于有關(guān)糧倉(cāng)的研究中。該方法發(fā)揮了顆粒流能夠計(jì)算非連續(xù)散體顆粒物質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，并且能通過軟件提供可視化的糧食流動(dòng)變化圖像，便于我們觀察糧食顆粒在整個(gè)筒倉(cāng)出糧過程中的位移變化，幫助研究糧食的流態(tài)[3]問題。

2 數(shù)值模擬

2.1 建立筒倉(cāng)模型

圖1是通過軟件建立的筒倉(cāng)模型。左圖是表示模型形狀和尺寸的簡(jiǎn)圖。圖1的筒倉(cāng)模型是按照實(shí)際筒倉(cāng)縮尺得到的，筒倉(cāng)下部是漏斗，上部是倉(cāng)體，漏斗高0.5m，倉(cāng)體高3.5m，寬1m。右圖是模型裝滿糧食后達(dá)到靜態(tài)平衡時(shí)的狀態(tài)。從圖1中可以明顯看出，筒倉(cāng)的高度比寬度大很多。實(shí)際中50m高的筒體直立在空中，當(dāng)糧食出倉(cāng)時(shí)，物料下落對(duì)倉(cāng)體產(chǎn)生壓力與沖擊作用，所以筒倉(cāng)的使用過程中對(duì)穩(wěn)定性的要求很高。筒倉(cāng)內(nèi)裝滿糧食后，為了便于準(zhǔn)確地觀察糧食流態(tài)變化，對(duì)糧食進(jìn)行分層，然后相鄰兩層賦予了不同的顏色，這樣在卸料過程中就可以通過每一層糧食顆粒的流動(dòng)過程來觀察并分析整個(gè)筒倉(cāng)的顆粒流態(tài)。

圖2是筒倉(cāng)出糧的過程（從整個(gè)卸糧過程中節(jié)選出來的具有代表性的幾個(gè)階段）。5幅圖分別展示了筒倉(cāng)內(nèi)糧食大約剩余2/3、1/2、1/4、1/5時(shí)的狀態(tài)。通過觀察每一幅圖的不同之處、每一層顆粒的位移及形狀破壞情況來分析筒倉(cāng)從卸料開始之前到卸料結(jié)束的過程中內(nèi)部糧食顆粒的流態(tài)。

觀察第二幅圖可以看出，在打開底部出料口以后，底部顆粒開始呈漏斗狀流出，倉(cāng)內(nèi)中上部位置的每層顆粒基本保持矩形形狀不破壞，每層顆粒都整體下落，即同一水平位置上的顆粒以相同速度下落。觀察筒倉(cāng)兩側(cè)發(fā)現(xiàn)，只有兩側(cè)與倉(cāng)壁接觸的少量顆粒在倉(cāng)壁作用下會(huì)受到阻礙，下落的距離比中部略小。從第三幅圖可以看出，卸料進(jìn)行到倉(cāng)內(nèi)剩余1/2糧食時(shí)，筒倉(cāng)中間位置的糧食顆粒相對(duì)于兩側(cè)的顆粒下落速度更快，說明此時(shí)顆粒下落形式開始由整體下落逐漸變?yōu)楣軤盍鲃?dòng)。觀察第四幅圖可以看出，中間顆粒先下落，兩側(cè)顆粒下落速度更加緩慢，顆粒上表面出現(xiàn)明顯的凹陷，可以認(rèn)為，當(dāng)顆粒剩余約1/4之后，糧食基本上開始進(jìn)行管狀流動(dòng)。觀察第五幅圖可以看出，此時(shí)糧食顆?；旧显谥虚g形成一個(gè)向下流的通道，兩邊顆粒逐漸向中間聚集然后向下流出。綜合分析整個(gè)過程發(fā)現(xiàn)，筒倉(cāng)在卸料中，前期顆粒為整體流動(dòng)，剩余1/2顆粒后開始逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣軤盍鲃?dòng)形式。

3 結(jié)語

通過觀察出糧過程的數(shù)值模擬圖像得到結(jié)論：筒倉(cāng)底部中心出糧的中前期筒倉(cāng)內(nèi)顆粒以相同的速度下落，即糧食顆粒流態(tài)為整體流動(dòng)。隨著糧食逐漸減少，剩余1/2顆粒后，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣軤盍鲃?dòng)形式，即中間先下落，兩側(cè)后落。

參考文獻(xiàn)：

[1]李偉，霍印君，王曉麗，等.平房倉(cāng)、淺圓倉(cāng)和立筒倉(cāng)儲(chǔ)糧性能探討[J].糧食儲(chǔ)藏，2006（5）：33-35.

[2]原方，李佳偉，崔秀琴，等.糧食入倉(cāng)自動(dòng)分級(jí)現(xiàn)象PFC模擬及定量分析[J].中國(guó)糧油學(xué)報(bào)，20018（3）：96-111.

[3]原方，龐焜，董承英，等.帶流槽側(cè)壁卸料動(dòng)態(tài)超壓及流態(tài)的PFC（3D）數(shù)值模擬[J].工程力學(xué)，2016（S1）：301-305.