不同通風(fēng)方向?qū)Φ竟冉邓Ч绊懙臄?shù)值模擬研究

王遠(yuǎn)成 季振江 王雙林 曲安迪 杜傳致

(山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院1,濟(jì)南 250101)(河北清苑國家糧食儲備庫2,保定 071100)(中儲糧成都糧食儲藏科學(xué)研究所3,成都 610000)

影響糧食儲存的兩個(gè)重要因素是溫度和水分，經(jīng)過長期的實(shí)踐和研究，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)糧食溫度低于 15℃(糧食安全儲藏的溫度)時(shí)，糧食水分在 12%～14.0%(不同儲糧生態(tài)區(qū)域以及不同糧種會有差異)時(shí)，可以有效地避免蟲害的發(fā)生，抑制糧堆中生物體的生命活動，延緩儲糧品質(zhì)的劣變。Holmes[1]在研究報(bào)告中指出，水分和溫度將直接影響糧食的霉變和蟲害進(jìn)而導(dǎo)致糧食的損失。因此控制糧堆內(nèi)溫度和水分的變化，是糧食存儲的重要技術(shù)手段。就倉機(jī)械通風(fēng)在糧食儲藏中具有降溫效果顯著、費(fèi)用較低等特點(diǎn)，在確保儲糧安全方面，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[2]。1971 年 Sinha[3]提出，減少儲糧變質(zhì)的一種方法是通過冷卻干燥通風(fēng)把它降低到一個(gè)安全溫度和安全水分。1990 年 Wilkin等[4]提出，糧食儲藏期間通過冷卻通風(fēng)降低儲糧溫度可以有效控制蟲害，并減少殺蟲劑的使用。

目前研究糧堆內(nèi)部熱濕傳遞過程的方法有現(xiàn)場觀測方法(實(shí)倉測試)，現(xiàn)場觀測方法所得到的結(jié)果無疑是可靠的，但現(xiàn)場觀測方法需要投入較大的人力物力，成本較高，而且結(jié)果不具有可重復(fù)性?；谟?jì)算流體動力學(xué)的數(shù)值模擬方法是國外近年發(fā)展起來的一種研究流動、傳熱傳質(zhì)等現(xiàn)象的新方法，它可以形象地再現(xiàn)流動、熱濕傳遞過程的情景，為研究儲糧通風(fēng)問題提供了一個(gè)較好的途徑和手段[5]。

本研究以中儲糧成都糧食儲藏科學(xué)研究所完成的垂直向上通風(fēng)(通常稱為正向通風(fēng))的實(shí)驗(yàn)工況為研究對象，采用數(shù)值模擬方法，對實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行了完整的數(shù)值模擬，分析了在垂直向上的機(jī)械通風(fēng)過程中糧食溫度和水分的變化規(guī)律，并比較分析了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果，檢驗(yàn)了模型的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí)，模擬了同樣的通風(fēng)條件下垂直向下(通常稱為反向通風(fēng))通風(fēng)時(shí)實(shí)驗(yàn)倉內(nèi)部稻谷溫度和水分變化規(guī)律，探究了垂直向上和垂直向下通風(fēng)時(shí)的降水效果差異，并從理論上分析了其原因，以期為糧庫的儲糧通風(fēng)操作提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)工況

本實(shí)驗(yàn)糧倉的長寬高分別為1.5 m、1.0 m和1.8 m，底部為全開孔地板，四壁絕熱，頂部為出風(fēng)口，實(shí)驗(yàn)臺如圖1所示。糧堆的高度為1.6 m，進(jìn)風(fēng)口直徑110 mm，全開孔地板開孔率25%，出風(fēng)口直徑250 mm。通風(fēng)機(jī)的型號為CF-11 No.1.5，風(fēng)機(jī)最高風(fēng)壓912 Pa，最大風(fēng)量800 m3/h，實(shí)測風(fēng)壓風(fēng)量分別為550 Pa和330 m3/h。采用自動通風(fēng)控制系統(tǒng)進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)采集和通風(fēng)控制，當(dāng)環(huán)境濕度低于75%時(shí)進(jìn)行通風(fēng)，至8月31日結(jié)束通風(fēng)時(shí)共通風(fēng)169.1 h，耗電28.7 kW·h。

通風(fēng)降水實(shí)驗(yàn)的糧食種類為雜交秈稻，質(zhì)量為1 350 kg， 8月10日開始通風(fēng)，8月31通風(fēng)結(jié)束。初始平均濕基水分18.5%，為了測定糧食水分，事先在糧堆內(nèi)部一定的位置預(yù)埋200 g袋裝稻谷，預(yù)埋袋為網(wǎng)狀編織袋，以保證通風(fēng)透氣性能。而且由于袋裝樣品質(zhì)量較少，對周圍糧堆溫度和水分影響較小。通風(fēng)期間的快速取出預(yù)埋袋糧食，并進(jìn)行水分的測定，測定糧食水分變化情況如表1所示。采用糧情系統(tǒng)自動記錄糧溫，倉內(nèi)對角線上布置測溫線3根(底部處掛在地板的掛鉤上)，共布置測溫點(diǎn)8層，每層9個(gè)測溫點(diǎn)，每層測溫點(diǎn)間的距離為20 cm，第1層為下層，距底板約20 cm，1～7層埋入糧堆內(nèi)，8層位于糧層表面，實(shí)驗(yàn)過程中，每10 min自動采集一次溫度數(shù)據(jù)。實(shí)測溫度變化數(shù)據(jù)如表2所示。

圖1 垂直向上通風(fēng)實(shí)驗(yàn)裝置圖

時(shí)間1(下)層2(中下)層3(中)層4(中上)層5(上)層全倉平均原始樣19.318.419.419.416.118.5通風(fēng)12.0 h15.717.818.619.016.317.5通風(fēng)47.7 h13.617.418.118.616.616.9通風(fēng)97.3 h11.112.214.017.016.714.2通風(fēng)131.1 h10.710.911.714.716.712.9通風(fēng)169.1 h10.811.011.211.612.311.4

注：1層為最底層，5層為最上層，底層埋袋位于全開孔地板上，其他各層間距約30 cm。

表2 實(shí)測糧食溫度變化

注：*8層為最底層，1層為最上層(糧面層)，各層間距約20 cm。

2 數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

假設(shè)糧堆是連續(xù)性的、均勻分布的多孔介質(zhì)，糧堆內(nèi)部滿足局部熱濕平衡原理，考慮糧食顆粒的吸濕和解吸濕特性，忽略糧食的呼吸作用和蟲霉生長的產(chǎn)生的熱量和水分。糧堆內(nèi)部流動及熱濕耦合傳遞的控制方程如下[6-7]：

2.1.1 連續(xù)性方程

(1)

動量方程

(2)

2.1.2 能量方程

(3)

2.1.3 水分遷移方程

(4)

式中：ε為空隙率；ρa(bǔ)為空氣密度；ρb為糧堆的容重；dp為谷物顆粒的等效直徑；u為糧堆內(nèi)部空氣的表觀速度或達(dá)西速度；p為壓力；t為時(shí)間；為微分算子；ca、cb分別為空氣和糧堆的比熱；T為糧堆絕對溫度；W為糧堆的水分；keff為糧堆的有效導(dǎo)熱系數(shù)；μ為空氣的動力粘度。w為糧粒間空氣的絕對含濕量，Deff為糧粒間空氣中的含濕量通過糧堆的有效擴(kuò)散系數(shù)，hs為谷粒解吸或吸附熱。

2.2 數(shù)值方法

2.2.1 初始和邊界條件

按照實(shí)驗(yàn)中分為5層測試稻谷水分的原則，對稻谷的初始溫度和水分同步進(jìn)行了5層分布的設(shè)置處理，通風(fēng)開始時(shí)實(shí)驗(yàn)倉內(nèi)稻谷的初始溫度和水分見表3。入口風(fēng)量為330 m3/h，進(jìn)口溫度為隨著時(shí)間變化的環(huán)境溫度，送風(fēng)濕度為隨著時(shí)間變化的環(huán)境濕度，本次模擬邊界條件(通風(fēng)條件)是不斷變化的，即進(jìn)風(fēng)口的溫濕度是不斷變化的。

表3 初始糧溫和水分

2.2.2 數(shù)值方法

對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行有限體積的離散，采用二階迎風(fēng)格式，計(jì)算質(zhì)量守恒方程、空氣流動的N-S和Brinkman方程、水汽遷移方程、對流傳熱方程和干燥速率方程時(shí)采用欠松弛因子的辦法使計(jì)算快速準(zhǔn)確，對壓力和速度的耦合采用SIMLPE算法，設(shè)置以上參數(shù)并進(jìn)行初始化進(jìn)行數(shù)值模擬。采用亞松弛方法來實(shí)現(xiàn)控制迭代。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 垂直向上通風(fēng)過程中糧堆溫度變化的模擬結(jié)果及分析

圖2是垂直向上通風(fēng)過程中稻谷的溫度變化的模擬和實(shí)測結(jié)果。由圖2a～圖2e可知在通風(fēng)一段時(shí)間后，糧食各層溫度的實(shí)測值和模擬值的變化趨勢幾乎一致，各層溫度值的最大誤差在2 ℃以內(nèi)，整個(gè)糧堆溫度的平均誤差為0.7 ℃。從圖2a～2b可以看出，由于通風(fēng)氣流溫度是不斷變化的，通風(fēng)口附近的糧溫隨著通風(fēng)溫度的改變而變化劇烈，上部糧溫變化相對緩慢。分析其原因在于，垂直向上機(jī)械通風(fēng)過程中，由于糧堆中存在熱阻，熱量在糧堆各層中的傳遞有遲滯效應(yīng)，這也是通風(fēng)結(jié)束時(shí)，糧堆中各層之間有溫度梯度的原因。以圖2b為例，當(dāng)外界空氣溫度升高時(shí)，在距離入風(fēng)口較近位置的糧層溫度升高，而距入風(fēng)口位置較遠(yuǎn)處的糧層溫度沒有受到影響，糧溫變化較小。

圖2f是垂直向上通風(fēng)過程中模擬的各層糧溫分布圖，可以看出，從1～8層從下至上的糧溫是隨著通風(fēng)風(fēng)溫而變化的。通風(fēng)時(shí)間為12.4 h時(shí)，各層溫度普遍降低至28 ℃左右。當(dāng)通風(fēng)時(shí)間為48.1 h時(shí)，除了最上面兩層糧層溫度為30 ℃，下面糧層溫度皆降低至25 ℃左右。當(dāng)通風(fēng)時(shí)間為97.7 h時(shí)，溫度降低十分顯著，自上至下，溫度從28～21 ℃之間變化。當(dāng)通風(fēng)時(shí)間為131.1 h時(shí)，各層溫度又有所回升。當(dāng)通風(fēng)時(shí)間為169.1 h時(shí)，由于通風(fēng)氣流溫度升高導(dǎo)致各糧層溫度又重新達(dá)到30 ℃以上，但此時(shí)各層間溫度梯度已經(jīng)變得很小。

圖2 垂直向上通風(fēng)時(shí)各層平均溫度實(shí)測值與模擬值的對比及各層平均溫度的變化圖

3.2 垂直向上通風(fēng)過程中糧堆水分變化的模擬結(jié)果及分析

圖3是垂直向上通風(fēng)過程中稻谷的水分變化的模擬和實(shí)測結(jié)果?？梢钥闯觯捎谕L(fēng)過程在控濕措施，即始終保持通風(fēng)氣流的濕度小于75%。此時(shí)，通風(fēng)氣流的濕度始終小于糧堆內(nèi)部的平衡相對濕度，根據(jù)解吸濕理論，糧堆內(nèi)部的水分是逐漸降低的，尤其是在通風(fēng)的47.7 h內(nèi)，通風(fēng)口附近稻谷水分下降最為明顯，上部區(qū)域稻谷水分變化緩慢。隨著通風(fēng)的不斷進(jìn)行，上部的水分最終也降低下來。由圖3a～圖3e可知，糧食各層水分實(shí)測值與模擬值的變化趨勢也基本一致，各層水分值的最大誤差在2%以內(nèi)，整個(gè)糧堆水分的平均誤差為1.1%。圖3f是通風(fēng)過程中各層模擬水分的變化圖，可以看出，在通風(fēng)過程中，各層水分總體趨勢都是逐步下降的，但水分鋒面遷移較溫度鋒面移動地慢。通風(fēng)初始階段，糧堆底部，即靠近通風(fēng)口處的水分首先降低；隨著通風(fēng)時(shí)間的不斷增加，上面各層糧堆的水分也開始降低，但相對于溫度變化而言，水分變化的過程較為緩慢。具體地說，當(dāng)通風(fēng)時(shí)間達(dá)到12.4 h時(shí)，僅有最下面兩層的水分含量變化比較明顯，其他糧層的水分含量的變化非常的小。當(dāng)通風(fēng)時(shí)間為48.1 h時(shí)，中下層的水分含量也有所明顯降低，且與最下層的水分含量相差不大，但中層及其以上的水分含量仍變化不明顯。當(dāng)通風(fēng)時(shí)間為97.7 h時(shí)，而下層及中下層的水分含量已經(jīng)顯著降至10%左右，中層和中上層的水分含量也明顯產(chǎn)生了降低，此時(shí)只有最上層糧堆的水分含量還沒有顯著的降低。當(dāng)通風(fēng)時(shí)間達(dá)到131.1 h時(shí)，五個(gè)糧層的水分含量都有了很顯著的降低，但最上層仍然有著較高的水分含量。當(dāng)通風(fēng)時(shí)間達(dá)到169.1 h時(shí)，所有糧層的水分都已經(jīng)降低至較為一致的水平。

通過以上分析和比較，可以看出，采用數(shù)值模擬方法可以有效地反映通風(fēng)過程在糧堆內(nèi)部溫度和水分的變化規(guī)律。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)之所以有誤差，主要是由于稻谷的孔隙率、平衡水分、糧?？障兜挠厍室约拔鼭?解吸濕速率常數(shù)的取值，國內(nèi)目前還沒有可靠的數(shù)據(jù)，數(shù)值模擬中都是參考國外的數(shù)據(jù)而設(shè)定的，因此，在模擬水分遷移的過程中，必然會出現(xiàn)一定的誤差。下一步，將對模型進(jìn)行修正，逐步調(diào)整相關(guān)參數(shù)，使得模擬結(jié)果更加接近實(shí)際。

圖3 垂直向上通風(fēng)時(shí)各層平均水分實(shí)測與模擬值的對比及各層水分平均變化圖

3.3 垂直向下通風(fēng)的數(shù)值模擬與垂直向上通風(fēng)模擬結(jié)果的比較

為了比較不同通風(fēng)方向的降水效果，采用相同的初始和邊界條件，即稻谷初始溫度、初始水分、通風(fēng)氣流的溫濕度和通風(fēng)量與垂直向上通風(fēng)時(shí)的相同，模擬了垂直向下通風(fēng)過程中實(shí)驗(yàn)倉內(nèi)稻谷的溫度和水分變化規(guī)律。圖4和圖5是垂直向上和向下通風(fēng)時(shí)流場布圖。

圖4 垂直向上通風(fēng)的流場圖

圖5 垂直向下通風(fēng)流的場圖

圖6和圖7是垂直向上通風(fēng)與垂直向下通風(fēng)的效果的數(shù)值模擬結(jié)果的比較。從圖6和圖7中可以看出，相同的糧堆初始溫度和水分、相同的通風(fēng)條件，兩種不同的通風(fēng)方向時(shí)，最終糧溫非常接近，但最終的水分則不相同。即盡管兩種通風(fēng)方向的降溫效果完全相同，但降水效果卻不一樣。相對于垂直向上通風(fēng)而言，垂直向下的通風(fēng)時(shí)，更有利于降水。分析原因，主要是由于沿著糧層溫度梯度方向通風(fēng)(從糧層溫度底處向溫度高處通風(fēng))可有效提高出口溫度，從而增大出口的絕對含濕量，提高降水速率。

這種現(xiàn)象，可以從理論上進(jìn)行分析。根據(jù)熱力學(xué)原理，可知進(jìn)出口氣流含絕對濕度din、dout與進(jìn)出口氣流溫度T和相對濕度RH成正比，即d=0.622·RH·Psb/(B-RH·Psb)(kg/kg),B為大氣壓，Psb為飽和蒸汽分壓。通風(fēng)過程中糧堆水分的變化量M=ρqf(dout-din)，其中，ρ為空氣密度，qf為通風(fēng)量。在通風(fēng)量一定的情況下，(dout-din)越大，則M越大。當(dāng)進(jìn)倉氣流溫度和相對濕度一定時(shí)，即din相同時(shí)，dout越大，M也就越大。所以，提高出倉氣流溫度和相對濕度可以加快糧食水分的降低。因而，沿著糧層溫度梯度方向通風(fēng)(從糧層溫度底處向溫度高處通風(fēng))，可以有效提高降水率。從表3可以看出，實(shí)驗(yàn)倉內(nèi)部上層糧溫低于底層的糧溫，垂直向上通風(fēng)是逆溫度梯度的通風(fēng)，而垂直向下通風(fēng)則是沿著溫度梯度方向的通風(fēng)。因此，垂直向下通風(fēng)更有利于降水。

圖6 垂直向上和向下通風(fēng)時(shí)糧溫比較

圖7 垂直向上和向下通風(fēng)時(shí)水分比較

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬的方法，模擬分析了糧堆內(nèi)溫度和水分在垂直機(jī)械通風(fēng)過程中的變化規(guī)律并與實(shí)測值進(jìn)行了對比分析，驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí)，探究了垂直向上(正向)和垂直向下(反向)通風(fēng)時(shí)的降水效果。研究結(jié)論如下：

垂直通風(fēng)過程中，糧堆各層溫度和水分的實(shí)測值和模擬值的變化趨勢幾乎一致，而且各層之間的實(shí)測值和模擬值平均誤差在0.7 ℃和1.1%以內(nèi)，數(shù)值模擬方法可以有效和形象地反映通風(fēng)過程中糧堆內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)規(guī)律。

就倉通風(fēng)時(shí)，控制通風(fēng)氣流的濕度，使之小于糧堆內(nèi)部平衡濕度，可以實(shí)現(xiàn)就倉降水通風(fēng)，從而達(dá)到就倉降水通風(fēng)的目的。

相比較而言，在通風(fēng)條件相同時(shí)，沿著糧堆溫度梯度方向通風(fēng)，降水效果更加明顯。