計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)在糧食儲(chǔ)藏中的應(yīng)用

穆垚

摘要：計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)（Computational Fluid Dynamics，CFD）經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各種產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中。本文從計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用原理、糧食存儲(chǔ)中的問題、計(jì)算流體力學(xué)的計(jì)算模型出發(fā)，闡述了計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)在糧食儲(chǔ)存中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：計(jì)算流體力學(xué)技術(shù);糧食儲(chǔ)藏;實(shí)際應(yīng)用

計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）是一門通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬進(jìn)行運(yùn)算流體力學(xué)中各種復(fù)雜問題的一門學(xué)科，是流體力學(xué)的分支科目。糧食儲(chǔ)藏管理不僅需要技術(shù)和設(shè)備的輔助，面對(duì)糧食儲(chǔ)藏中的蟲害、糧食存儲(chǔ)中濕熱過大導(dǎo)致糧食變質(zhì)等問題，為了保證糧食儲(chǔ)藏的品質(zhì)、減少損失，準(zhǔn)確地隨時(shí)掌握糧食儲(chǔ)藏的情況，將計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)運(yùn)用到糧食儲(chǔ)藏管理中，能夠有效地提高糧食儲(chǔ)藏中的管理質(zhì)量。

計(jì)算流體力學(xué)的理論原理

計(jì)算流體力學(xué)的定義是通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)于包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。也就是說計(jì)算流體力學(xué)是對(duì)流動(dòng)現(xiàn)象的分析，這些包括了很多的流動(dòng)參數(shù)，如速度、溫度等。流動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生需要遵守一定的規(guī)律，這也就是可以根據(jù)能量、動(dòng)量守恒方程進(jìn)行計(jì)算，從而獲得數(shù)值模型。在CFD上常用的流動(dòng)控制方程多數(shù)采用的是納維—斯托克斯方程或者歐拉方程。通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行流動(dòng)空城方程計(jì)算，而獲得實(shí)際中的接近的參考數(shù)值，從而也是數(shù)值模型建立的意義。

糧食儲(chǔ)存的問題

糧食是人類生存的重要物資，而每年的糧食生產(chǎn)后需要進(jìn)行一定量的儲(chǔ)存，以用于不備之需。因此，糧食儲(chǔ)藏是生產(chǎn)中的關(guān)鍵內(nèi)容。而糧食儲(chǔ)藏往往涉及到糧食儲(chǔ)藏管理，雖然目前的糧倉管理上已經(jīng)采取了比較先進(jìn)的設(shè)備，提高通風(fēng)、定期進(jìn)行電子溫度系統(tǒng)管控，從而有效地改變谷倉內(nèi)的溫度。但是，糧倉的儲(chǔ)藏溫度不均勻，以及在有效防止糧食變質(zhì)上，科技技術(shù)還是不能夠做到徹底有效的監(jiān)控。在糧食儲(chǔ)藏中糧食除了需要進(jìn)行定期的通風(fēng)和散熱外，還要考慮到害蟲、農(nóng)藥殘留等問題對(duì)谷物儲(chǔ)藏的影響。由于糧食在短時(shí)間儲(chǔ)存時(shí)通過簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)還能夠掌握糧食的情況，但是時(shí)間稍長(zhǎng)的情況下，不能全面檢查并采取有效措施。因此，需要更加高級(jí)的科技監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)，來提高糧食儲(chǔ)藏的管理水平。而計(jì)算流體力學(xué)在糧食儲(chǔ)藏中的應(yīng)用主要是為了解決糧食儲(chǔ)藏中的局部熱力和濕度不均衡問題，提高糧食儲(chǔ)藏的管理水平。

計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)的流程和常用軟件

CFD的技術(shù)發(fā)展經(jīng)過了幾代人的努力，從二維勢(shì)流經(jīng)過準(zhǔn)三元方法、三維勢(shì)流發(fā)展到現(xiàn)在的三維歐拉法。在CFD的離散方法上，根據(jù)假設(shè)模型的特點(diǎn)，可以分為有限差分法、有限體積法和有限元法三種離散方法。在CFD 的處理中，需要根據(jù)問題進(jìn)行前處理。這里的處理包括建立數(shù)學(xué)模型和三維構(gòu)造，然后進(jìn)行各部件的網(wǎng)格劃分和銜接。通過對(duì)要求解的問題進(jìn)行前處理后，在制定求解策略并給定邊界條件，從而進(jìn)行迭代求解獲得計(jì)算結(jié)果。通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，再進(jìn)行后續(xù)的處理。

在CFD技術(shù)中，目前常用的幾款軟件，根據(jù)其CFD操作技術(shù)的不同時(shí)期，需求不同。在數(shù)學(xué)建模和三維造型中，常用到的是UG、I-DEAS等軟件，而在網(wǎng)格劃分中常用軟件是ICEM-CFD、Grid-Gen、TurboGrid等，最后后處理的軟件是FieldView、TecPlot等軟件。軟件是進(jìn)行CFD操作的核心內(nèi)容，目前市場(chǎng)上運(yùn)用最多的還是Fluent、CFX和Start-CD。這些軟件的功能廣泛強(qiáng)大，各有特點(diǎn)。軟件的好壞和運(yùn)算的使用，是CFD操作過程中的關(guān)鍵。

計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)在糧食儲(chǔ)藏中的應(yīng)用研究

根據(jù)文獻(xiàn)查閱，發(fā)現(xiàn)CFD在糧食儲(chǔ)藏中的應(yīng)用時(shí)間短，目前CFD應(yīng)用研究不多。國外學(xué)者有基于熱質(zhì)平衡理論的數(shù)學(xué)模型，利用CFD預(yù)測(cè)了小麥通風(fēng)儲(chǔ)藏中溫度和水分的分布規(guī)律，此方法是基于有限差分方法進(jìn)行的。模型的建立是以圓筒倉為研究對(duì)象，需要將糧倉直徑、可達(dá)的裝糧高度進(jìn)行數(shù)字記錄。糧堆以小麥為參考依據(jù)，進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的數(shù)據(jù)包括初始溫度、千基水分、檢測(cè)進(jìn)風(fēng)口的空氣相對(duì)濕度、比熱容等。利用筒形為對(duì)稱空間，選擇二維計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算，獲得冷卻通風(fēng)時(shí)的模型。考慮實(shí)際糧倉的維護(hù)結(jié)構(gòu)容易受到太陽能輻射和空氣的影響，因此采用綜合溫度考慮。并計(jì)算獲得綜合溫度下，糧倉在不同的時(shí)間下的濕度分布情況和小麥內(nèi)水分的變化。對(duì)于糧倉內(nèi)部由于自然對(duì)流和溫度的梯度變化，會(huì)導(dǎo)致非通風(fēng)下水分的改變，進(jìn)行規(guī)律分析。國內(nèi)學(xué)者，張中杰等通過CFD模擬在不通風(fēng)的情況下糧倉的溫度變化情況，從而為倉儲(chǔ)通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。其次，除了糧食儲(chǔ)存中的問題解決外，CFD也應(yīng)用在糧食儲(chǔ)藏的生態(tài)系統(tǒng)數(shù)值模擬中，能夠有效地避免生態(tài)系統(tǒng)中比如害蟲、農(nóng)藥等對(duì)糧食儲(chǔ)存的影響。CFD的應(yīng)用在糧食儲(chǔ)藏生態(tài)系統(tǒng)數(shù)值模型建立上做過了相應(yīng)的研究，通過對(duì)糧倉中的害蟲在糧倉中的產(chǎn)熱活動(dòng)從而進(jìn)行數(shù)學(xué)模型構(gòu)建，提供了實(shí)際應(yīng)用的參考。

糧食儲(chǔ)藏中遇到的很多問題，往往是難以通過簡(jiǎn)單的計(jì)算進(jìn)行預(yù)測(cè)和解決的。因此，CFD在糧食儲(chǔ)存中的模擬作用，能夠提前判斷糧倉中的問題，并積極地采取應(yīng)對(duì)措施，從而改善傳統(tǒng)的糧食儲(chǔ)存問題，提高糧食儲(chǔ)存的效益。未來隨著CFD的研究不斷地深入，越來越多的軟件推廣和普及，能夠改變傳統(tǒng)工作中的許多實(shí)際問題，為高效的工作效率和科學(xué)的處理方法提供基礎(chǔ)設(shè)備。

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