高大平房倉(cāng)橫向與豎向通風(fēng)的數(shù)值模擬及分析

俞曉靜王遠(yuǎn)成戚禹康

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

0 引言

機(jī)械通風(fēng)作為一種操作方便且成本較低的降溫技術(shù)，目前已大規(guī)模地投入使用于高大平房倉(cāng)的儲(chǔ)糧過程中[1]。 對(duì)糧倉(cāng)進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)不但可以將糧堆溫度控制在理想的低溫條件下，還可以有效地調(diào)節(jié)糧倉(cāng)內(nèi)部糧堆的水分分布[2]。 傳統(tǒng)豎向通風(fēng)方式在平房倉(cāng)地面上鋪設(shè)通風(fēng)道，其通風(fēng)較為均勻且降溫效果快，但是糧食進(jìn)出倉(cāng)時(shí)需安裝和拆卸地上籠風(fēng)道，嚴(yán)重地制約了糧食進(jìn)出庫(kù)的機(jī)械化水平[3]。 針對(duì)豎向通風(fēng)存在的問題，采用一種新型的通風(fēng)方式即橫向通風(fēng)，其將通風(fēng)道固定在糧倉(cāng)壁面，可以有效地提高進(jìn)出倉(cāng)效率[4]。 豎向通風(fēng)和橫向通風(fēng)是兩種主要的糧倉(cāng)通風(fēng)方式，因此對(duì)比研究分析不同通風(fēng)方式下，糧堆溫度和水分的變化，可為實(shí)際通風(fēng)操作提供最佳的進(jìn)風(fēng)溫濕度條件[5]。

糧堆機(jī)械通風(fēng)過程中涉及到多孔介質(zhì)的熱質(zhì)交換問題，通風(fēng)實(shí)驗(yàn)的外界環(huán)境溫濕度、風(fēng)機(jī)開啟時(shí)間、當(dāng)?shù)貧夂?、氣流速度等都?huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和環(huán)境的影響，糧溫和進(jìn)風(fēng)溫濕度會(huì)隨環(huán)境變化，不能進(jìn)行相同條件的多次實(shí)驗(yàn)[6]。 借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD(Computational Fluid Dynamics)軟件，可以克服實(shí)驗(yàn)操作難題。 通過建立通風(fēng)道位置不同的物理模型，模擬豎向、橫向兩種通風(fēng)方式[7]，可以控制其他模擬條件不變，所得結(jié)果直觀、準(zhǔn)確，為糧食儲(chǔ)存提供理論指導(dǎo)。 王遠(yuǎn)成等[8]提出通風(fēng)過程中糧堆內(nèi)部的熱濕耦合傳遞模型，研究機(jī)械通風(fēng)后糧堆內(nèi)部熱量和水分遷移規(guī)律；Thrope[9]基于傳熱傳質(zhì)的守恒方程建立數(shù)字模型，研究糧堆的物性參數(shù)對(duì)通風(fēng)過程的影響；許啟鏗等[10]建立顆粒流數(shù)值模型，對(duì)散糧堆底部壓力進(jìn)行數(shù)值模擬分析；趙會(huì)義等[11]研究了不同通風(fēng)和風(fēng)速條件下的糧層阻力的變化規(guī)律；陳桂香等[12]采用CFD 軟件數(shù)值模擬高大平房倉(cāng)的熱濕傳遞過程，得到最佳的機(jī)械通風(fēng)量。

文章基于多孔介質(zhì)的傳熱傳質(zhì)理論，以高大平房倉(cāng)為例，建立了通風(fēng)過程中熱濕耦合的k - ε模型，采用CFD 軟件，模擬通風(fēng)過程中糧堆(稻谷)的溫濕度變化，從溫度、水分均勻性和能耗角度進(jìn)行分析，得到降溫保水效果最佳的通風(fēng)方式，并對(duì)橫向和豎向通風(fēng)的結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)和分析。

1 高大平房倉(cāng)模型的建立、參數(shù)與實(shí)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置

1.1 物理模型的建立及網(wǎng)格劃分

以高大平房倉(cāng)為研究對(duì)象，其長(zhǎng)為27.0 m、高為12.5 m、裝糧高度為6.0 m。 采用橫向和豎向兩種通風(fēng)方式，豎向通風(fēng)采用上行壓入式通風(fēng)，橫向通風(fēng)采用左進(jìn)右出的吸入式通風(fēng)[13]。 高大平房倉(cāng)物理模型及其網(wǎng)格劃分如圖1 所示。 采用GMBIT 軟件對(duì)高大平房倉(cāng)進(jìn)行建模，數(shù)值模擬區(qū)域分為糧倉(cāng)糧堆區(qū)域(黃色區(qū)域)等3 部分、糧倉(cāng)上部空氣區(qū)域(紅色區(qū)域)和風(fēng)道空氣區(qū)域(藍(lán)色區(qū)域)。

圖1 高大平房倉(cāng)通風(fēng)物理模型圖

1.2 通風(fēng)過程的數(shù)學(xué)模型

假設(shè)不同通風(fēng)方式下的倉(cāng)儲(chǔ)糧堆體積都是均勻分布的的多孔介質(zhì)，則機(jī)械通風(fēng)過程可以視為多孔介質(zhì)與周圍空氣進(jìn)行熱濕耦合傳遞的過程。 基于多孔介質(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和傳質(zhì)模型[14]。 由于連續(xù)通風(fēng)時(shí)間相對(duì)較短，谷物的呼吸作用產(chǎn)生的水分和熱量可以忽略不計(jì)。

1.2.1 連續(xù)性方程

根據(jù)質(zhì)量守恒定律可知，在控制體內(nèi)質(zhì)量總量的改變，等于從邊界流入和流出質(zhì)量之差。 由此得到糧堆的連續(xù)性方程的微分形式由式(1)表示為

式中:ε為孔隙率；ρa(bǔ)為空氣密度，kg / m3；t為時(shí)間，s；u為氣流的表觀速度或達(dá)西速度，m / s。

1.2.2 動(dòng)量守恒方程

稻谷糧堆是典型的多孔介質(zhì)，糧粒間空氣動(dòng)量的變化率滿足Navier-Stokes 方程。 由此推導(dǎo)出糧堆的動(dòng)量守恒方程由式(2)表示為

式中:ρ為糧食密度，kg/m3；Si為糧堆阻力項(xiàng)[15]。

1.2.3 對(duì)流傳熱方程

儲(chǔ)糧內(nèi)部的熱量傳遞過程滿足熱力學(xué)第一定律，考慮到糧堆粒間空氣的焓和糧粒的相[16]，根據(jù)能量守恒方程可得糧堆內(nèi)部熱量傳遞的對(duì)流換熱方程由式(3)表示為

式中:ca、cg、cw分別 為 空氣、糧食 和水 的 比熱，J/(kg·K)；keff是糧堆的有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)，取0. 157；hs為 對(duì) 流 換 熱 系 數(shù)， W/(m2· K)；

1.2.4 水分遷移方程

根據(jù)局部熱平衡理論可以推導(dǎo)出水分遷移方程由式(4)表示為

式中:w為糧粒間的絕對(duì)含濕量，kg/kg；Deff為粒間空氣水分通過糧堆的有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Sw為吸濕解吸濕的源項(xiàng)。

1.3 模擬的參數(shù)設(shè)置

糧堆機(jī)械通風(fēng)過程受到進(jìn)風(fēng)溫度和濕度的影響，根據(jù)散糧的堆積特性和粒間空氣與糧粒之間的熱濕耦合規(guī)律，研究糧堆溫濕水變化需要設(shè)置合理的送風(fēng)溫差和濕差。 數(shù)值模擬采用k -ε模型，模擬儲(chǔ)糧品種為中晚秈稻，糧堆的初溫為25 ℃，濕基水分為15%。 稻谷糧堆的容重為600 kg/m3，孔隙率取0.6，比熱容為1600 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.11 W/(m·K)。 根據(jù)初始糧溫和初始濕基水分來確定糧堆的初始相對(duì)濕度為76.5%，具體的計(jì)算公式由式(5)表示為

式中:r為糧堆的相對(duì)濕度，%；W為谷物濕基平衡水分，%；T為谷物溫度，℃；A、B和C皆為取決于谷物品種的等溫常數(shù)。

露點(diǎn)溫度的計(jì)算公式由式(6)表示為

式中:Tdew為露點(diǎn)溫度，℃；r為相對(duì)濕度，%；T為進(jìn)風(fēng)空氣的溫度，℃。

將3 個(gè)不同的進(jìn)風(fēng)空氣的溫度和相對(duì)濕度代入式(6)中，可以分別求出露點(diǎn)溫度為12.7、11.5 和13.6 ℃，皆低于進(jìn)風(fēng)溫度，不會(huì)發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象，進(jìn)風(fēng)空氣的相對(duì)濕度設(shè)置合理。

為研究?jī)煞N不同通風(fēng)方式對(duì)糧堆內(nèi)部溫度和水分分布規(guī)律的影響，設(shè)置3 個(gè)進(jìn)風(fēng)濕度不同的對(duì)照組，每一個(gè)對(duì)照組中除通風(fēng)方式外其他送風(fēng)條件均相同，具體的通風(fēng)參數(shù)值見表1。

表1 不同通風(fēng)濕度工況下的初始參數(shù)表

1.4 實(shí)際測(cè)點(diǎn)的設(shè)置

實(shí)驗(yàn)在安徽省現(xiàn)代物流中心糧食儲(chǔ)備庫(kù)中進(jìn)行，根據(jù)LS/T 1203—2002《儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)技術(shù)規(guī)程》[17]，在糧堆中合理布置溫濕度傳感器。 為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)對(duì)比，采用溫度檢測(cè)系統(tǒng)和溫濕水一體化檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)定實(shí)驗(yàn)中糧堆溫度和濕基水分?jǐn)?shù)據(jù)，并對(duì)通風(fēng)過程中的溫度和水分變化值進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。 水分測(cè)定采用型號(hào)為L(zhǎng)DS-1S 的電腦水分測(cè)定儀，測(cè)量誤差≤±0.5%。

橫向通風(fēng)沿糧倉(cāng)寬度方向設(shè)置3 個(gè)糧層，糧層1 和糧層3 皆距倉(cāng)壁0.6 m，糧層2 取寬度的1/2，每一糧層上皆均勻設(shè)置13 個(gè)監(jiān)控測(cè)點(diǎn)，如圖2(a)所示。 豎向通風(fēng)沿糧倉(cāng)高度方向設(shè)置3 個(gè)糧層，糧層3 距離地面0.8 m，頂部糧層距離糧面0.8 m，糧層2取裝糧高度的1/2，即距離地面3 m 處，每一糧層上均勻設(shè)置的13 個(gè)測(cè)點(diǎn)如圖2(b)所示。 實(shí)際測(cè)點(diǎn)和數(shù)值模擬的監(jiān)控測(cè)點(diǎn)應(yīng)保持一致，設(shè)置依據(jù)是進(jìn)出風(fēng)口處的溫度和水分變化幅度大，應(yīng)設(shè)置更多監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)距離倉(cāng)壁1 m 內(nèi)糧層的溫度和水分變化，便于分析糧堆內(nèi)部的熱濕耦合傳遞規(guī)律。

圖2 實(shí)倉(cāng)測(cè)試點(diǎn)布置圖

2 模擬結(jié)果與分析

文章研究的是谷物冷卻的通風(fēng)過程，進(jìn)風(fēng)空氣恒溫恒濕，其溫度低于初始糧溫，溫差為8 ℃，模擬為期6 d 的降溫冷卻通風(fēng)過程，通過通風(fēng)過程的溫度和水分變化圖，以分析不同通風(fēng)方式和不同進(jìn)風(fēng)相對(duì)濕度對(duì)通風(fēng)效果的影響。

2.1 對(duì)照組一的溫度和水分變化

主要對(duì)比研究橫、豎向通風(fēng)6 d 后的結(jié)果。 通風(fēng)結(jié)束時(shí)糧堆內(nèi)部的溫度分布如圖3 所示，沿通風(fēng)方向糧堆溫度出現(xiàn)分層現(xiàn)象，這是由于傳熱過程有衰減延遲現(xiàn)象。 圖3(a)所示的橫向通風(fēng)方式由于通風(fēng)路徑長(zhǎng)，相較于圖3(b)的豎向通風(fēng)方式，溫度梯度大，但糧堆內(nèi)總溫差在倉(cāng)儲(chǔ)允許范圍內(nèi)。

進(jìn)風(fēng)濕度為76.5%時(shí)水分隨通風(fēng)時(shí)間的變化如圖4 所示。 橫向通風(fēng)結(jié)束時(shí)，進(jìn)口附近的糧層水分高于初始水分值，這是因?yàn)橥L(fēng)過程中該糧層表面的蒸汽分壓不斷降低，水分沿壓差方向傳遞，表現(xiàn)為糧堆吸收水分。 而豎向通風(fēng)方式下，進(jìn)口附近糧層的水分變化幅度小，如圖4(b)所示。

橫、豎通風(fēng)方式通風(fēng)0 ～144 h 的數(shù)值模擬與通風(fēng)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)的溫度、水分值對(duì)比如圖5 所示。 在橫向和豎向通風(fēng)時(shí)，無論是糧堆的溫度值還是水分值，其模擬與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)都基本吻合，因此數(shù)值模擬結(jié)果是可靠的。

圖3 通風(fēng)6 d 時(shí)進(jìn)風(fēng)濕度為76.5%工況的溫度分布圖

圖4 通風(fēng)6 d 時(shí)進(jìn)風(fēng)濕度為76.5%工況的水分分布圖

圖5 橫、豎向通風(fēng)144 h 溫度和濕基水分的模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

2.2 對(duì)照組二的溫度和水分變化

進(jìn)風(fēng)濕度為71.5%時(shí)，糧堆內(nèi)部的溫度分布如圖6 所示。 由于進(jìn)風(fēng)濕度低于糧堆濕度，糧粒的解吸濕貫穿整個(gè)通風(fēng)過程，稻谷糧堆放出熱量，如圖6(a)所示，橫向通風(fēng)結(jié)束時(shí)，平均溫度降幅較大，降為18.3 ℃。 如圖6(b)所示，因豎向通風(fēng)的路徑短，平均溫度降為17.4 ℃，下降幅度更大。

進(jìn)風(fēng)濕度為71.5%時(shí)，水分隨通風(fēng)時(shí)間的變化如圖7 所示。 糧堆的初始相對(duì)濕度高于進(jìn)風(fēng)濕度，糧堆內(nèi)部不斷發(fā)生解吸濕過程，通風(fēng)結(jié)束時(shí)糧堆的水分丟失較多。 但隨著糧粒表面的蒸汽分壓的降低，空氣中的水分向糧堆傳遞，最終吸濕過程和解吸濕過程達(dá)到平衡時(shí)，糧堆內(nèi)部的平均水分基本不變。

圖6 通風(fēng)6 d 時(shí)進(jìn)風(fēng)濕度為71.5%工況的溫度分布圖

圖7 通風(fēng)6 d 時(shí)進(jìn)風(fēng)濕度為71.5%工況的水分分布圖

2.3 對(duì)照組三的溫度和水分變化

進(jìn)風(fēng)濕度為81.5%時(shí)，糧堆溫度分布如圖8 所示。 通風(fēng)糧堆這一多孔介質(zhì)有吸濕再熱現(xiàn)象，而進(jìn)風(fēng)濕度高于糧堆的相對(duì)濕度，由圖8(a)和(b)可以看出橫、豎向通風(fēng)方式下，糧堆各處溫度均有所上升，平均溫度分別為19.4 和18.5℃，是糧堆平均溫度最高的對(duì)照組。

進(jìn)風(fēng)濕度為81.5%時(shí)，糧堆水分分布如圖9 所示。 通風(fēng)初始階段進(jìn)風(fēng)空氣的蒸汽分壓低于糧堆的蒸汽分壓，糧堆丟失較多水分。 由于進(jìn)風(fēng)濕度較大，糧堆很快進(jìn)入長(zhǎng)期吸濕過程。 如圖9(a)所示，糧堆各處丟水比較嚴(yán)重，但進(jìn)口附近的糧層相比初始水分增高；如圖9(b)所示，豎向通風(fēng)方式下的增水效果比較弱。

圖8 通風(fēng)6 d 時(shí)進(jìn)風(fēng)濕度為81.5%工況的溫度分布圖

圖9 通風(fēng)6 d 時(shí)進(jìn)風(fēng)濕度為81.5%工況的水分分布圖

2.4 通風(fēng)后糧堆的均勻性分析

為表征通風(fēng)結(jié)束后糧堆溫度的分布特性，對(duì)不同通風(fēng)方式的通風(fēng)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用評(píng)價(jià)分布特性的均勻性指數(shù)表示糧堆內(nèi)部的溫度、水分均勻性程度[16]。 溫度均勻性指數(shù)由式(7)表示為

式中:γtem為溫度均勻性指數(shù)，一般在0 ～1 之間取值，其值越大表示糧堆內(nèi)部的溫度分布越均勻；Ti為各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度；T1為糧堆內(nèi)部的平均溫度；n為測(cè)點(diǎn)的數(shù)量。

水分分布的均勻性指數(shù)由式(8)表示為

式中:γwat為水分均勻性指數(shù)，一般在0 ～1 之間取值，其值越大表示糧堆內(nèi)部的水分分布越均勻；Wi為各個(gè)測(cè)點(diǎn)的水分；W1為糧堆內(nèi)部的平均水分。

通風(fēng)結(jié)束時(shí)的溫度均勻性指數(shù)和水分均勻性指數(shù)見表2。 可以看出，橫向和豎向通風(fēng)后溫度均勻性無明顯差異，均勻性指數(shù)皆接近于1，表明兩種通風(fēng)方式的降溫均勻性都很好。 橫向通風(fēng)的水分分布均勻性較豎向通風(fēng)方式更好，同樣是進(jìn)風(fēng)濕度為76.5%的保水工況1 和工況2，豎向通風(fēng)方式下的水分均勻性指數(shù)僅為0.84，表明通風(fēng)結(jié)束時(shí)糧堆的水分分布不均勻。 綜合溫度和水分的分布情況及其均勻性，進(jìn)風(fēng)濕度為76.5%時(shí)的橫向通風(fēng)為最佳降溫保水方案。

表2 不同通風(fēng)方式下的溫度均勻性指數(shù)表

2.5 通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)能耗

通風(fēng)系統(tǒng)的能耗由式(9)[18]表示為

式中:Ws為通風(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，此處取0.85。

根據(jù)式(9)計(jì)算可得橫、豎向通風(fēng)方式下的通風(fēng)能耗分別為4.6×105和1.3×105kW，橫向通風(fēng)方式由于通風(fēng)路徑長(zhǎng)，其能耗相對(duì)較大，但優(yōu)勢(shì)在于通風(fēng)不易形成死角，單位通風(fēng)阻力小。 后期需做各項(xiàng)通風(fēng)參數(shù)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)，選擇最佳適用風(fēng)機(jī)以降低能耗。

3 結(jié)論

基于多孔介質(zhì)的熱濕耦合傳遞規(guī)律，對(duì)高大平房倉(cāng)橫、豎向通風(fēng)方式下的多個(gè)工況進(jìn)行數(shù)值模擬。從糧堆溫度、水分分布及其均勻性指數(shù)和能耗等方面進(jìn)行分析，得到的結(jié)論如下:

(1) 進(jìn)風(fēng)濕度會(huì)影響糧堆的水分分布。 進(jìn)風(fēng)濕度小，糧堆內(nèi)部一直處于解吸濕過程，通風(fēng)結(jié)束時(shí)糧堆水分丟失較多；進(jìn)風(fēng)濕度大，通風(fēng)結(jié)束時(shí)進(jìn)風(fēng)口附近糧層的水分高于初始水分。 橫向通風(fēng)方式下，由于通風(fēng)跨度大糧溫下降慢，相應(yīng)的糧粒表面與進(jìn)風(fēng)空氣之間的蒸汽分壓差值較小，糧堆內(nèi)部吸濕與解吸濕過程更快達(dá)到平衡，因此采用橫向通風(fēng)方式，糧堆內(nèi)部的保水性能更好。

(2) 相較于傳統(tǒng)的豎向通風(fēng)，橫向通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)路徑長(zhǎng)且通風(fēng)死角少，單位通風(fēng)阻力?。煌L(fēng)結(jié)束時(shí)糧堆內(nèi)部的溫度和水分均勻性指數(shù)接近于1，表明糧堆各處的溫度和水分值均勻性較好；相同進(jìn)風(fēng)濕度條件下水分丟失較少，可實(shí)現(xiàn)降溫保水通風(fēng)。

(3) 由于通風(fēng)路徑長(zhǎng)，橫向通風(fēng)總能耗高于豎向通風(fēng)總能耗；總阻力也相對(duì)較大，但其單位阻力較小，因此對(duì)于單位糧堆而言空氣流動(dòng)速度快，相同溫濕度條件下，其降溫調(diào)濕的效率更高。