儲料豎向壓力對糧倉中小麥糧堆濕熱傳遞的影響

陳桂香，劉超賽，蔣敏敏，陳家豪，王海濤，張宏偉

儲料豎向壓力對糧倉中小麥糧堆濕熱傳遞的影響

陳桂香，劉超賽，蔣敏敏，陳家豪，王海濤，張宏偉

（河南工業(yè)大學土木工程學院，鄭州 450001）

糧倉中存在壓力場、溫度場和濕度場等多物理場，為了得出各物理因子共同影響下的糧堆內濕熱傳遞規(guī)律，該研究利用自行研制的糧堆多場耦合試驗裝置，針對倉內小麥糧堆單元體，研究在高溫邊界38.5 ℃、低溫邊界5.2 ℃，初始糧溫25.8 ℃，豎向壓力分別為50、100、150 kPa條件下小麥糧堆濕熱傳遞情況。試驗結果表明：豎向壓力增加，糧堆孔隙率減小，熱量通過糧食籽粒間傳導增加，傳遞速率加快，豎向壓力從50 kPa 增大至150 kPa，糧溫較入倉時下降約0.5～1.3 ℃，溫度梯度變化率達8.7%，不同壓力下糧堆高溫區(qū)面積隨儲藏時間呈冪函數減小。糧堆內濕空氣在邊界處累積至峰值時會有部分濕空氣向糧堆內遷移。糧堆中部與靠近低溫邊界溫差大于6.3 ℃時，糧堆內濕空氣擴散加快，糧堆中部平均相對濕度下降速率隨豎向壓力增加而加快。研究結果可為散裝糧堆多場耦合研究提供理論支持。

溫度；相對濕度；小麥糧堆；豎向壓力；多場耦合

0 引 言

中國小麥年產量超1.3億t，儲備周期通常長達3 a，保障糧食儲藏安全關系國計民生和國家安全。糧堆內存在壓力場、溫度場和濕度場等多物理場，儲糧過程中，季節(jié)更替、太陽輻射等外界環(huán)境因素，以及糧食籽粒呼吸、微生物代謝等作用均會引起糧堆內溫濕度的分布發(fā)生改變[1]。糧堆內豎向壓力隨糧堆深度的增加而增大，糧堆壓力場的變化直接影響糧堆內孔隙率的分布，進而影響熱量和濕分的遷移，部分區(qū)域溫度和濕分適宜時，極易引發(fā)糧食霉變與蟲害，危及儲糧安全[2]。因此，研究儲料豎向壓力對糧堆濕熱傳遞的影響對于安全儲糧極為重要。

針對糧堆壓力場、溫度場和濕度場已有大量研究。在壓力場方面，陳桂香等[3-4]、王錄民等[5]、陳家豪等[6-7]分別對散裝糧堆空間壓力場進行模擬和實測研究，提出筒倉儲料靜態(tài)壓力場的計算方法，得出糧堆高度及倉壁摩擦力對倉底壓力的影響規(guī)律。Mounfield等[8]通過離散元法，得出豎直方向上貯料結拱時的應力分布。研究者還提出糧堆深度與孔隙率的關系，唐福元等[9]、張小正[10]分別建立了筒倉中稻谷、小麥孔隙率與糧堆深度的關系，糧堆深度40 m時，稻谷和小麥孔隙率分別為0.56和0.33，分別較頂層糧堆減小7.9%和15.6%。王娟[11]建立小麥糧堆孔隙率與豎向壓力的關系，當豎向壓力為150 kPa時，糧堆孔隙率為0.39，其樣品較小且加載邊界不能較好模擬糧堆內籽粒與籽粒之間的柔性擠壓。糧堆孔隙率隨壓力和糧堆深度變化較大，在分析大型倉儲結構儲糧安全時，應考慮堆高對濕熱傳遞的影響。

關于糧堆內溫濕度場的分布狀態(tài)已有相當多的研究成果。針對糧堆內的濕熱傳遞問題，Jia等[12]建立和小麥糧堆密度相關的二維非線性傳熱有限元模型，模擬小型儲糧倉在內置熱源情況下小麥糧堆7 h內溫度分布，得出離倉中心距離增加，糧堆溫度變化減小。Thorpe[13]通過有限元法，建立太陽輻射對糧堆儲藏過程中熱量傳遞影響的數學模型。陳桂香等[14]、張忠杰等[15-16]分別模擬了平房倉和淺圓倉內準靜態(tài)狀態(tài)時溫度場的變化趨勢。Jian等[17]對散裝小麥糧堆的溫濕度分布進行長期監(jiān)測，分析不同季節(jié)糧堆內濕熱傳遞規(guī)律，得出距倉底1.6 m高處溫度梯度可達32.4℃/m，糧堆內部水分變化小于表層糧堆水分變化。

在糧堆多場耦合研究方面，Hammami等[18]基于熱濕平衡原理，建立圓形筒倉糧堆內溫濕度變化模型。Gaston等[19]通過有限元法，得出季節(jié)變化時倉儲小麥的溫度分布和水分遷移規(guī)律。王遠成等[20-21]通過理論分析與數值模擬研究靜態(tài)儲藏時的濕熱耦合傳遞過程。王振華[22]取糧堆中單元體為研究對象，考慮靜態(tài)儲藏時溫度和含水率變化及氣體自然對流情況，建立與糧堆孔隙率有關的靜態(tài)儲藏模型。尹君[23]基于多場耦合理論提出小麥糧堆受季節(jié)氣溫變化影響的糧堆內溫度場、濕度場和微氣流場多場耦合規(guī)律。王小萌等[24-25]研究糧堆在內置熱源和糧堆霉變引起自發(fā)熱時糧堆內部溫濕度場的變化規(guī)律。

目前對于糧堆多場耦合方面的研究大多集中于糧堆壓力場、溫度場的單獨研究和糧堆內熱濕耦合的研究，對糧堆內熱濕耦合的研究主要集中于數值模擬，多數研究缺少相關試驗的驗證。糧堆壓力通過改變孔隙率和導熱系數影響糧堆溫、濕度場分布規(guī)律的研究較少，因此難以準確反映糧堆內多物理因子共同作用的儲糧環(huán)境。

本文針對糧堆壓力通過影響孔隙率和導熱系數進而影響糧堆內的濕熱傳遞問題，以散裝小麥糧堆單元體為研究對象，自行設計了多場耦合試驗平臺，考慮糧倉內不同深度豎向壓力對糧堆濕熱傳遞的影響，較好模擬糧堆溫濕度邊界條件。通過小麥糧堆濕熱傳遞試驗，模擬倉內糧堆單元的壓力和溫濕度邊界條件，研究豎向壓力改變對糧堆孔隙率和導熱系數等的影響，得出豎向壓力改變時，糧堆內溫度梯度和糧堆內相對濕度場的變化規(guī)律及糧溫升高區(qū)面積與儲藏時間之間的數學關系，以期為倉內糧堆多場耦合理論和儲糧安全研究提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗以河南產小麥為研究對象，初始含水率8.56%，為避免初始含水率不均對試驗造成的影響，模擬低水分夏糧入倉工況，試驗前對小麥樣品調質，并在25.8 ℃恒溫室內靜置10 d[24]，使樣品溫濕度均一，調質后的小麥含水率為10.89%。

1.2 試驗儀器

101型電熱鼓風干燥箱：北京永光明醫(yī)療儀器有限公司；2638A-60-DC Fluke全能型數據采集器：美國FLUKE公司；散裝糧堆多場耦合實驗裝置：河南工業(yè)大學；伺服柔性加載控制系統(tǒng)：建湖惠通機械有限公司；HX-08控溫系統(tǒng)：江蘇天翎儀器有限公司；PT100高精度鉑電阻探頭：OMEGA公司；HT75濕度探頭：SENSIRION公司。

1.3 試驗方法

前期研究表明，筒倉內豎向壓力自糧堆頂面隨糧層深度增加呈線性增大，糧堆孔隙率隨之改變，進而引起糧堆內熱量和濕分的復雜傳遞，不同糧層深度溫濕度分布存在較大差別[7,23]。為了研究大型倉儲結構糧堆內豎向壓力對濕熱傳遞影響的多物理因子相互作用問題，本文以倉內某一糧堆單元為研究對象，控制糧堆單元體壓力、溫度和濕度邊界條件，研究豎向壓力對糧堆內濕熱傳遞的影響。

糧堆單元體左右兩側施加均勻的溫度邊界，可模擬糧堆0～100 ℃溫度范圍，溫度波動±0.05 ℃。非溫控邊界鋪設剛度較大的納米板保溫墊，保證糧堆單元體的保溫性能和熱量在垂直于軸的平面單向傳遞，消除非溫控邊界對傳遞的影響。單元體頂部為與倉儲環(huán)境相近似的柔性橡膠氣囊，氣囊四周側壁涂薄層凡士林，消除氣囊與側壁之間的摩擦效應，能夠對單元均勻施加壓力[26]，較好地模擬實倉糧堆力學性能。調整糧堆內溫濕度測點呈網格狀布置，如圖1所示，溫、濕度傳感器分3層布置，沿高度方向分別為=0.1、0.3、0.5 m，沿糧堆溫度梯度方向中垂面上測點分別距高溫邊界0.05、0.30、0.55 m，中心測點（b4）位于糧堆單元體的幾何中心，便于較好的研究濕分、熱量的單向傳遞[27]，每個測點均布置溫度傳感器和濕度傳感器。傳感器精度：溫度傳感器±0.15 ℃，濕度傳感器2%。

注：“”代表糧堆中垂面測點。各測點位置分別布置溫度傳感器和濕度傳感器。A、B、C為濕度傳感器，a、b、c為溫度傳感器。

式中~x為糧堆內不同位置溫度值（或相對濕度值），℃（%）；P()為溫度（或相對濕度）隨測點位置變化的函數，℃（%）；()為溫度（或相對濕度）誤差隨測點位置變化的函數，℃（%）；將所得到的云圖進行灰度和二值化處理，計算糧堆內高溫區(qū)面積。

1.4 試驗方案

試驗中將初始含水率為10.89%的小麥樣品均勻裝入糧堆單元內，并按照圖1布置溫濕度傳感器，糧堆單元總高度0.6 m，樣品總質量143.93 kg。初始糧溫25.8 ℃，空氣相對濕度61.5%。

根據大型糧倉內糧堆的壓力范圍，選取試驗豎向壓力分別為50、100、150 kPa共3個等級，采用伺服柔性加載控制系統(tǒng)以25 kPa逐級加壓，每組試驗初始條件相同。由于糧堆導熱系數小，較小溫度差引起的濕熱遷移緩慢[25]，為便于觀察豎向壓力通過改變孔隙率進而影響糧堆濕熱傳遞的規(guī)律，根據Jian等[17]和尹君[23]關于糧堆內溫度梯度和不同糧層深度濕熱傳遞規(guī)律研究成果，取高溫邊界溫度值38.5 ℃，低溫邊界溫度值5.2 ℃，目的是利用溫差引發(fā)糧堆內濕熱傳遞[24]。糧堆單元體置于恒溫恒濕環(huán)境中，設定室內溫度25.8 ℃、空氣相對濕度61.5%，模擬華北地區(qū)秋季氣候環(huán)境?？紤]到糧食籽粒排列具有隨機性以及試驗數據采集的離散性，本研究相同條件重復3組試驗，取試驗平均值進行研究。

2 結果與分析

2.1 溫度變化

2.1.1 糧堆單元的溫度變化

不同豎向壓力下沿糧堆溫度梯度方向中垂面上9個測點的溫度變化曲線如圖2所示。

注：a2~a6, b2~b6, c2~c6含義見圖1。

由圖2可知，相同壓力下，儲藏0～5 h，因側壁溫度邊界與糧堆間持續(xù)的熱量交換，在控溫邊界與糧堆間的較大溫差作用下，靠近溫度邊界糧食糧溫基本呈直線趨勢變化，儲藏5～43.5 h，靠近控溫邊界測點溫度變化斜率逐漸減小，表明由于熱量不斷傳遞，控溫邊界與靠近控溫邊界測點間溫差減小，糧堆溫度變化減慢。靜態(tài)儲藏72 h，豎向壓力為50 kPa時，中間截面（平行于，=300 mm，以下簡稱“中面”）測點a4、b4、c4平均溫度變化速率最小，為0.007 ℃/h，100 kPa時中面測點平均溫度變化速率為0.010 ℃/h，150 kPa時平均溫度變化速率最大，為0.018 ℃/h。表明豎向壓力增大，糧堆孔隙率減小，通過糧食籽粒間熱傳導增加，熱量傳遞速率加快。

2.1.2 豎向壓力對熱量傳遞影響

圖3為不同豎向壓力下糧堆中面測點（a4、b4、c4）的平均溫度變化。由圖可知，不同豎向壓力下，測點平均溫度變化趨勢基本一致，相同時刻溫度值存在差別。高溫邊界38.5 ℃、低溫邊界5.2 ℃，初始糧溫25.8 ℃條件下，隨著儲藏時間的變化，受糧堆溫度與高、低溫邊界間溫差的影響，中面糧堆平均糧溫在0～5 h時有一定升高趨勢，5 h后逐漸降低，豎向壓力為50 kPa（糧堆深度約6 m）時，平均糧溫最高，靜態(tài)儲藏72 h，糧溫較入倉時降低0.5 ℃；豎向壓力為150 kPa（糧堆深度約19 m）時糧溫最低，靜態(tài)儲藏72 h，糧溫較入倉時降低1.3 ℃。圖3結果表明，堆高較大時，糧堆孔隙率隨豎向壓力的增加而減小，糧食籽粒間接觸面積增加，通過糧食籽粒間的熱傳導增加，小麥堆導熱系數為0.129 6 W/(m·K)，是空氣導熱系數的49倍[22]，通過孔隙間微氣流對流傳熱減少，在低溫邊界與糧堆溫差作用下，熱量自糧堆內向近低溫邊界傳遞加快，中面平均糧溫更快趨向于平衡溫度。

圖3 不同壓力下中面測點平均溫度變化

溫差是影響糧堆內熱量傳遞的主要因素[25]。本文研究了不同豎向壓力下糧堆中面和靠近低溫邊界測點溫差隨時間的變化趨勢。因靠近低溫邊界測點離低溫邊界距離近，溫度下降較快，糧堆中面與近低溫邊界測點間溫差隨儲藏時間的變化逐漸增大。兩截面溫差變化趨勢如圖4所示，各壓力下溫差隨時間變化規(guī)律基本一致，相同時刻不同壓力糧堆中面與近低溫邊界測點間溫差存在差別：儲藏72 h時，50 kPa時溫度差最大，為10.3 ℃，100 kPa時，溫差為9.2 ℃，150 kPa時溫度差最小，為7.3 ℃，受豎向壓力影響，豎向壓力從50 kPa增大至150 kPa，溫差變化率達29%。結果表明，倉壁受氣候影響溫度降低時，糧堆熱量以熱傳導和自然對流的方式向糧堆邊界傳遞，糧堆深度增加，豎向壓力增大，糧堆孔隙率減小，糧食籽粒間接觸面積增加，熱傳導速率加快，自儲藏初始階段糧堆與低溫邊界間溫差更快趨向于平衡。

圖4 不同壓力下中面和靠近低溫邊界測點間溫差

2.1.3 高溫區(qū)面積變化

長期儲糧過程中，由于糧食籽粒及微生物呼吸作用等，糧堆內易形成發(fā)熱點，導致糧堆局部溫度偏高，糧食長時間處于高溫區(qū)域環(huán)境易形成霉變，導致籽?；盍ο陆?，發(fā)芽率降低，甚至失去種用價值。糧堆單元體入倉糧溫為25.8 ℃，定義溫度高于25.8 ℃的區(qū)域為高溫區(qū)。圖5為不同壓力下中垂面糧堆溫度場云圖。由圖5可知，在控溫邊界與糧堆間較大的溫差作用下，熱量自控溫邊界向糧堆內部傳遞，儲藏0～5 h，在高溫邊界與糧堆間的溫差作用下，高溫區(qū)面積逐漸增大，儲藏5 h時高溫區(qū)面積達到最大，各壓力狀態(tài)下糧堆單元體溫度分布較為均勻，受豎向壓力與倉壁摩擦力影響，近高溫邊界糧堆孔隙率隨壓力增大而減小，通過糧食籽粒間熱傳導增加，孔隙間微氣流對流傳熱受阻，近控溫邊界溫度分布存在差異。因低溫邊界與糧堆間較大的溫差作用，糧堆內熱量不斷向低溫邊界傳遞，高溫區(qū)面積在靜態(tài)儲藏5 h后逐漸減小。靜態(tài)儲藏43.5 h時，由于糧堆單元試驗條件限制，難以絕對隔熱，高溫邊界上下兩端存在熱量散失，中心處較上下兩端溫度高。壓力從50 kPa增大至150 kPa時，糧堆單元體高溫區(qū)所占比例減小。

在高溫邊界38.5 ℃、低溫邊界5.2 ℃，初始糧溫25.8 ℃條件下進行了糧堆高溫區(qū)面積比例與儲藏時間關系的研究。圖6為儲藏5 h后不同壓力下高溫區(qū)面積隨儲藏時間的變化圖，結果表明，各壓力下高溫區(qū)面積所占比例隨儲藏時間呈冪函數關系減小，表示為

式中為高溫區(qū)面積所占比例，%；T為儲藏時間，h；a為反映糧堆高溫區(qū)面積隨儲藏時間降低的指數。對于指數a，豎向壓力為50 kPa時最大，為0.047（R2=0.97），隨著豎向壓力的增大，指數a的值越大，100 kPa時，指數a為0.052（R2=0.97），150 kPa時，為0.084（R2=0.95），R2均不小于0.95，表明所選數學模型在豎向壓力50～150 kPa范圍內適合小麥糧堆在該試驗條件下高溫區(qū)面積的擬合。

圖6 不同壓力下高溫區(qū)面積隨儲藏時間變化

由圖6可知，靜態(tài)儲藏72 h，豎向壓力為50 kPa時，高溫區(qū)面積所占比例從52.5%降至45.7%。豎向壓力增大到150 kPa時，高溫區(qū)面積所占比例從49.3%降至41.3%。豎向壓力增加，高溫區(qū)面積所占比例減小，由于壓力改變了糧堆孔隙率，進而影響了熱量傳遞速率，隨著儲藏時間的變化，高溫區(qū)面積變化受壓力影響顯著。

2.1.4 溫度梯度變化

溫度梯度是造成微氣流形成的主要原因[3]，不僅可以使熱量發(fā)生傳遞，還會促使?jié)穹謹U散和再分配[28]。圖7為儲藏期間不同壓力下糧堆靠近高溫邊界測點與靠近低溫邊界測點之間溫度梯度變化曲線。儲藏72 h，豎向壓力為50 kPa時，糧堆單元溫度梯度最大，為34.6 ℃/m，100 kPa時溫度梯度為34.1 ℃/m，150 kPa時，糧堆溫度梯度最小，為31.6 ℃/m。恒定溫度場環(huán)境中，豎向壓力從50 kPa增大到150 kPa時，溫度梯度變化率達8.7%。大型倉儲結構中，糧層深度增加，糧堆豎向壓力增大，糧堆孔隙率減小，糧堆對流傳熱受阻，通過籽粒間熱傳導增加，糧堆豎向壓力影響糧堆內溫度場分布，近倉底區(qū)域糧堆內豎向壓力較大，熱量通過籽粒間熱傳導增加，糧堆溫度梯度減小。

圖7 不同壓力下小麥糧堆溫度梯度

2.2 相對濕度變化

2.2.1 糧堆相對濕度變化

溫差是引發(fā)糧堆內濕分遷移的重要因素，長期儲糧過程中，受外界環(huán)境和糧堆生態(tài)子系統(tǒng)的影響，在溫差作用下，糧堆內濕度重新分布[22]。圖8為不同壓力下中垂面糧堆相對濕度場云圖，由圖可知，小麥糧堆相對濕度分布在高、低溫邊界溫差作用下發(fā)生變化。高度≥0.3 m中上層糧堆，在糧堆與高溫邊界間較大的溫差作用下，小麥發(fā)生解吸，孔隙間水汽分壓升高，糧堆內濕空氣由高溫邊界向低溫邊界均勻遷移。高度<0.3 m中下層糧堆，受倉底不能絕對隔熱條件限制，近高溫邊界與近低溫邊界測點間溫差相比高度=0.3 m較小，所形成的微氣流作用減弱，近高溫邊界糧堆濕空氣隨微氣流向低溫邊界移動減少，近高溫邊界下端相對濕度較高。

圖9為不同壓力下中面與近低溫邊界平均相對濕度變化。豎向壓力從50 kPa增大至150 kPa時，在本研究試驗條件下，儲藏72 h過程中，糧堆單元體中面相對濕度均逐漸降低，近低溫邊界均先升高后降低，并最終保持相對濕度不變。因兩控溫邊界與糧堆溫差的不同，初始糧溫與低溫邊界間溫差?1，大于糧堆與高溫邊界間溫差?2，所形成微氣流作用較強，因此糧堆內濕空氣隨微氣流由糧堆內部向低溫邊界遷移速率1大于由高溫邊界向糧堆內遷移速率2，圖1中A4、B4和C4測點的平均相對濕度不斷下降，形成中部低濕區(qū)，如圖8所示。圖9b結果表明糧堆內濕空氣在靠近低溫邊界聚集，靠近低溫邊界平均相對濕度升高?？拷蜏剡吔缂Z堆濕空氣累積至峰值，因濃度較高，部分濕空氣向糧堆內遷移，近低溫邊界相對濕度下降，并最終保持不變。

圖8 不同壓力下中垂面糧堆相對濕度場云圖

圖9 不同壓力下小麥糧堆平均相對濕度變化

Fig 9 Changes of average relative humidity of wheat bulk under different pressures

2.2.2 壓力對相對濕度分布的影響

溫差是糧堆內濕熱遷移的動力源[25]，壓力通過影響孔隙率，是影響糧堆濕熱遷移的重要因素。圖10為不同壓力下糧堆中面平均相對濕度隨靠近低溫邊界糧堆與中面溫度差的變化關系。由圖可知，隨著溫差的增大，中面糧堆平均相對濕度逐漸降低，因糧堆導熱系數小，糧堆內熱量傳遞較慢，溫差較小時，相對濕度隨溫差變化基本一致；溫差大于6.3 ℃時，所形成的微氣流作用增強，糧堆內濕空氣隨微氣流向近低溫邊界遷移，中面糧堆相對濕度迅速下降。壓力為150 kPa時，糧堆孔隙率較小，熱量通過籽粒間熱傳導增加，糧堆與低溫邊界間溫差更快趨向于平衡，平均相對濕度隨溫差變化最快。豎向壓力50 kPa時，糧堆孔隙率較大，糧堆內部熱量向低溫邊界遷移變慢，糧堆與低溫邊界間溫差相比較大，平均相對濕度隨溫差變化較慢。

圖10 不同壓力下中面糧堆平均相對濕度隨溫差變化

3 結 論

本文針對大型倉儲結構儲糧環(huán)境中豎向壓力對濕熱傳遞影響問題，通過自行研制的多場耦合試驗平臺，以倉內小麥糧堆單元為研究對象，研究了高溫邊界38.5 ℃、低溫邊界5.2 ℃，初始糧溫25.8 ℃條件下，豎向壓力從50 kPa增大至150 kPa時糧堆內的熱量和濕分遷移規(guī)律，得出以下結論：

1）豎向壓力增加，熱量通過籽粒間熱傳導作用增強，通過孔隙間微氣流對流傳熱減少，熱量傳遞速率加快，糧堆內溫度較入倉時下降約0.5～1.3 ℃，溫度梯度變化率達8.7%。50 kPa時糧堆中部與靠近低溫邊界間溫度差最大，為10.3 ℃，150 kPa時最小，為7.3 ℃。

2）不同壓力下高溫區(qū)面積隨儲藏時間均呈冪函數關系減小，且冪函數的指數隨豎向壓力的增加而增大。

3）糧堆內溫差大于6.3 ℃時，糧堆內濕空氣隨微氣流流動加快，遷移速率隨豎向壓力增加而加快。糧堆內濕空氣在邊界處聚集，累積至峰值時少量濕空氣會向糧堆內遷移。

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Effects of vertical pressure on moisture and heat transfer of wheat bulk in a granary

Chen Guixiang, Liu Chaosai, Jiang Minmin, Chen Jiahao, Wang Haitao, Zhang Hongwei

(,450001,)

Multiple physical fields, such as pressure, temperature and humidity, can pose grains deterioration in the wheat bulk during storage. It is necessary to explore coupled moisture and heat transfer in wheat bulk under multi-field conditions for the safety of grain storage. In most previous studies, the significant findings are: 1) the porosity decreases with the increase of grain depth; 2) the contact area between grains increases with increasing vertical pressure; 3) the thermal conductivity of wheat bulk is 49 times that of air; and 4) the thermal conductivity between grains decreases with the decrease of porosity. However, an accurate prediction of grain moisture and temperature during storage is still lacking, in order to develop efficient strategies of ventilation conditions. This paper aims to find the influence of vertical pressure on the moisture and heat transfer in the wheat bulk, taking a wheat bulk unit in the silo as the research object, and thereby an experimental study was performed on a multi-field coupling test device. Temperature and humidity of the wheat bulk were measured under three vertical pressure conditions of 50, 100 and 150 kPa, according to the pressure range in large-scale wheat bulk. The temperature was set as high temperature boundary of 38.5℃, low temperature boundary of 5.2℃, and initial grain temperature of 25.8℃. The experimental results show that the grain temperature reduced by 0.5℃ in the vertical pressure of 50 kPa, compared with the initial grain temperature, whereas, it reduced by 1.3℃ when the vertical pressure was 150 kPa. In a constant temperature field, the temperature gradient of wheat bulk decreased from 34.6℃/m to 31.6℃/m, while the rate of change reached 8.7% when the vertical pressure increased from 50 to 150 kPa. The area of high temperature decreased as a power function with storage period of wheat bulk under different vertical pressures, whereas, the power function index increased with the increase of vertical pressures. The temperature difference can cause the wet air in grain bulk to migrate from the higher temperature region to the lower temperature region. In the middle and upper grain bulk with the height greater than 0.3 m, under the action of a large temperature difference between the grain bulk and the high temperature boundary, the wet air in the grain bulk uniformly migrated from the high temperature boundary to the low temperature boundary with the micro airflow. In the middle and lower grain bulk with the height less than 0.3 m, the temperature difference between the two temperature control boundaries was small, and the micro-airflow effect was weak, due to the bottom of the unit cannot be absolutely insulated. The wet air near the high-temperature boundary moved to the low temperature, while the relative humidity was high below near high temperature boundary. A small amount of wet air in the grain bulk can migrate from the low temperature boundary to the wheat bulk after the relative humidity near the low temperature boundary region reached its peak value. When the temperature difference between the middle part of wheat bulk and the boundary near the low temperature was greater than 6.3℃, the migration rate of wet air in grain bulk increased with micro airflow, and the decrease rate of average relative humidity in the middle of wheat bulk increased with the increase of vertical pressure. The findings can provide theoretical support for the research on the evolution of grain temperature and moisture in the multi-field coupling of stored grain bulk under different ventilation conditions.

temperature; relative humidity; thewheat bulk; vertical pressure; multi-field coupling

陳桂香，劉超賽，蔣敏敏，等. 儲料豎向壓力對糧倉中小麥糧堆濕熱傳遞的影響[J]. 農業(yè)工程學報，2020，36(8)：246-253.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.030 http://www.tcsae.org

Chen Guixiang, Liu Chaosai, Jiang Minmin, et al. Effects of vertical pressure on moisture and heat transfer of wheat bulk in a granary[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(8): 246-253. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.030 http://www.tcsae.org

2019-12-19

2020-04-08

國家糧食公益性行業(yè)科研專項（201513001）；國家自然科學基金項目（51408197）；河南省科技廳自然科學項目（182102210387）

陳桂香，教授，博士，主要從事安全儲糧技術等方面研究。Email：chen-guixiang@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.030

TU111.4

A

1002-6819(2020)-08-0246-08