儲(chǔ)糧橫向通風(fēng)多尺度熱濕耦合傳遞研究

余 海 楊開敏 王遠(yuǎn)成 魯子楓 王 柯

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

儲(chǔ)糧安全是糧食安全的重中之重，而溫度、濕度又是糧食安全儲(chǔ)藏過(guò)程中兩個(gè)最為重要的因素，如果不能保證合適的溫濕度，害蟲數(shù)量以及霉菌就會(huì)急劇增加，最終導(dǎo)致糧堆糧食局部害蟲的發(fā)育和霉變、發(fā)熱。糧堆由糧粒堆積而成，糧堆是吸濕性多孔介質(zhì)，倉(cāng)外大氣溫濕度隨季節(jié)更替而變化給水分遷移帶來(lái)隱患[1]。糧粒是一個(gè)由殼、麩皮和胚乳多層結(jié)構(gòu)組成的顆粒幾何體。糧粒具有吸濕和解吸濕的特性，糧粒會(huì)和糧堆間隙中的周圍空氣進(jìn)行熱質(zhì)交換，并且引起糧粒內(nèi)部水分?jǐn)U散[2]。

基于計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)值模擬方法是國(guó)內(nèi)外近年發(fā)展起來(lái)的一種研究流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)等現(xiàn)象的新方法，可以形象的再現(xiàn)氣體流動(dòng)、熱濕傳遞過(guò)程的情景，為解決儲(chǔ)糧通風(fēng)問(wèn)題提供了一個(gè)良好的數(shù)值分析和優(yōu)化的工具[3,4]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外采用數(shù)值模擬方法研究通風(fēng)情況下糧堆內(nèi)部熱濕耦合傳遞的模型普遍還是為Thorpe建立的模型[5]。該模型雖然可以較好地反映糧堆內(nèi)部溫度和水分的分布特點(diǎn)，但不能準(zhǔn)確的給出顆粒內(nèi)部的溫濕度分布。劉慧等[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)高水分糧進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)得出了糧堆上中下層水分分布情況，但糧粒的溫度和水分分布規(guī)律無(wú)法得出。戚禹康等[7]從糧堆尺度和糧粒尺度研究了稻谷在自然儲(chǔ)存中的熱濕耦合傳遞規(guī)律，但是糧食在長(zhǎng)期的儲(chǔ)存過(guò)程中，如果只依靠自然儲(chǔ)存恐難以維持合適的糧溫及濕度，因?yàn)榧Z堆內(nèi)的溫度和水分隨外界環(huán)境溫濕度的變化而變化。Jia等[8,9]對(duì)糧粒內(nèi)部溫度和水分進(jìn)行了數(shù)值模擬并預(yù)測(cè)了顆粒內(nèi)部的水分分布，但沒有從糧堆尺度出發(fā)分析糧粒與糧堆的相互耦合關(guān)系。本研究采用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)稻谷進(jìn)行橫向通風(fēng)數(shù)值模擬，機(jī)械通風(fēng)是在自然儲(chǔ)存75 d的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的，從糧堆尺度和糧粒尺度出發(fā)探究糧堆和糧粒的溫度和水分分布規(guī)律。

1 物理模型

1.1 糧倉(cāng)和糧堆物理模型

圖1是用COMSOL以浙江省某糧庫(kù)為研究對(duì)象建立的物理模型，模型按照實(shí)倉(cāng)原尺寸構(gòu)建，其中為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，選取房式倉(cāng)的橫截面作為數(shù)值模擬的對(duì)象，實(shí)倉(cāng)內(nèi)部橫跨18 m，高10 m，混凝土墻厚0.5 m，糧堆高度5 m。為了得到糧堆內(nèi)部某個(gè)位置的溫度和水分?jǐn)?shù)據(jù)，在模擬過(guò)程中設(shè)置了3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)記錄糧堆內(nèi)部的溫濕度變化，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置分別為監(jiān)測(cè)點(diǎn)1(0.4 m，0.4 m)，2(9 m，2.5 m)，3(17.6 m，4.6 m)，其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和監(jiān)測(cè)點(diǎn)3靠近墻壁，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1在左側(cè)(南墻壁)左下角，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3在右側(cè)(北墻壁)右上角。因?yàn)槟媳眽χ苯优c大氣接觸，所以靠近糧倉(cāng)墻壁的糧食容易受大氣環(huán)境的影響，故在兩側(cè)的墻壁附近各設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，而糧堆內(nèi)部受大氣環(huán)境的影響不是很大，因此在糧堆中部設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖1 糧堆物理模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

1.2 糧粒物理模型

圖2為糧粒的物理模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖，該模型按稻谷實(shí)際尺寸構(gòu)建，并且根據(jù)實(shí)際情況將糧粒分為外部殼和內(nèi)部胚乳兩部分，COMSOL構(gòu)建糧粒模型時(shí)，用兩個(gè)橢球分別代替殼和胚乳，外部橢球(殼)長(zhǎng)半軸為4.5 mm，短半軸1 mm，內(nèi)部橢球(胚乳)長(zhǎng)半軸為3 mm，短半軸0.9 mm。為了獲得糧粒中某個(gè)位置的溫度和水分?jǐn)?shù)據(jù)，在糧粒中同樣設(shè)置了3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置分別為A(0，0，0)，B(0，0.9，0)，C(0，1，0)，單位為mm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A位于糧粒中心，B位于殼表面，C位于殼與胚乳交界面，位置如圖2所示。

圖2 糧粒物理模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

2 數(shù)學(xué)模型及條件設(shè)置

假定糧堆為連續(xù)性的、均勻分布的多孔介質(zhì)區(qū)域[4,10-12]，空氣-水蒸氣混合物不可壓縮，考慮糧堆內(nèi)部的熱濕耦合和稻谷顆粒的吸濕與解吸濕特性，建立儲(chǔ)糧橫向通風(fēng)過(guò)程中的糧堆和糧粒的流動(dòng)與熱質(zhì)平衡方程。

2.1 糧堆的數(shù)學(xué)模型

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

能量方程：

(3)

水分守恒方程：

(4)

2.2 糧粒的數(shù)學(xué)模型

能量守恒方程:

(5)

水分守恒方程：

(6)

式中：ρs為稻谷顆粒密度;Cs為稻谷比熱容;T為溫度;k為傳熱系數(shù);Qs為蒸發(fā)潛熱;M稻谷顆粒水分濕基百分?jǐn)?shù);M=Wg/(1+Wg)×100;D為擴(kuò)散系數(shù)。

2.3 數(shù)值模擬條件設(shè)置

該模型采用有限元法進(jìn)行數(shù)值模擬分析，橫向通風(fēng)是稻谷自然儲(chǔ)存至75 d后進(jìn)行的，通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)6 d，時(shí)間跨度為2016年12月15日至2016年12月20日。糧堆的密度ρs為580 kg/m3，比熱容Cs=(1 269+34.89M) W/m·k-1，滲透率K為7.27×10-9m3，孔隙率ε為0.48。單位通風(fēng)量為10.3 m3/(h·t)，進(jìn)風(fēng)溫濕度為倉(cāng)外大氣溫濕度，大氣平均氣溫在75 d時(shí)為14.5 ℃，77～78 d的時(shí)間段驟降至2.7 ℃，在81 d時(shí)平均氣溫上升至7.2 ℃，平均相對(duì)濕度為65%，通風(fēng)前，糧堆的平均溫度為20 ℃，平均濕基水分為11.5%。糧粒的初始溫度為13.4 ℃，邊界空氣溫度Ta=4 ℃，糧粒的初始水分為11.2%。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 糧堆溫度與水分分布

模擬過(guò)程中，橫向通風(fēng)的進(jìn)風(fēng)口在南墻與稻谷的交界面，出風(fēng)口在北墻和稻谷的交界面。圖3是通風(fēng)情況下3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)記錄的溫度變化情況，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化情況并不相同。3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別為：監(jiān)測(cè)點(diǎn)1位于糧堆左下角，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2位于糧堆正中間，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3位于糧堆右上角。從圖3 可看出，在通風(fēng)初期，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的溫度最高，這是由于自然儲(chǔ)存至75 d時(shí)，糧堆溫度處于熱芯糧狀態(tài)(糧堆內(nèi)部溫度高，外部溫度低)，隨后在通風(fēng)階段監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的溫度逐漸降低。監(jiān)測(cè)點(diǎn)3在最初通風(fēng)時(shí)，溫度出現(xiàn)先上升后下降的情況，因?yàn)樵谕L(fēng)初期，糧溫為熱芯糧狀態(tài)，所以剛開始通風(fēng)時(shí)糧堆中部的熱量隨著空氣傳遞到了北墻，導(dǎo)致靠近北墻糧食溫度出現(xiàn)上升。監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的溫度在77～78 d的時(shí)間段出現(xiàn)驟降的情況，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、3較監(jiān)測(cè)點(diǎn)1溫度大幅降低的時(shí)間點(diǎn)稍微滯后，這是因?yàn)榇髿鈿鉁卦?7～78 d的時(shí)間段出現(xiàn)急劇降低，而送的冷風(fēng)首先接觸的是靠近南墻的糧食，故監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的溫度先驟降，這也充分驗(yàn)證了溫度的延滯效應(yīng)。通風(fēng)至144 h時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和監(jiān)測(cè)點(diǎn)3溫度接近外界大氣溫度，這是由于南墻、北墻的糧食受外界大氣溫度的影響比較大，再一次說(shuō)明糧堆內(nèi)部溫度受外界環(huán)境溫度影響很大。圖4是糧倉(cāng)內(nèi)的速度場(chǎng)分布，其中三角形區(qū)域?yàn)榭諝鈪^(qū)，矩形區(qū)域?yàn)榧Z食區(qū)，從圖4可以清楚地看出，通風(fēng)過(guò)程中，糧堆內(nèi)部的微氣流分布非常均勻，而空氣區(qū)域?yàn)樽匀粚?duì)流運(yùn)動(dòng)，因此空氣區(qū)域內(nèi)的微氣流比較雜亂。均勻的氣流為糧堆快速降溫降濕創(chuàng)造了條件。

圖3 通風(fēng)時(shí)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化規(guī)律

圖4 通風(fēng)144 h倉(cāng)內(nèi)微氣流分布

圖5為橫向通風(fēng)144 h的糧堆溫度分布圖，通風(fēng)后的溫度相對(duì)于通風(fēng)初期糧堆溫度要低得多，平均溫度由20 ℃下降到5 ℃，平均溫度下降了15 ℃之多。糧堆中的高溫出現(xiàn)在靠近南墻、北墻附近，這是因?yàn)楦饨绛h(huán)境溫度有關(guān)，最高溫出現(xiàn)在靠近北墻、糧面下2.5 m左右，最高溫為6.12 ℃，這是由于橫向通風(fēng)時(shí)稻谷和昆蟲呼吸產(chǎn)生的熱量隨氣流擴(kuò)散到北墻，因而最高溫位于此。另外，從溫度分布圖還可以看出，糧堆內(nèi)部溫度分布比較均勻，而且橫向溫度沒有出現(xiàn)分層現(xiàn)象，從這就可以體現(xiàn)出橫向通風(fēng)的優(yōu)點(diǎn)了，即橫向通風(fēng)可以避免糧堆垂直方向出現(xiàn)溫度梯度，從而使糧堆溫度分布更為均勻。

圖5 通風(fēng)144 h時(shí)糧堆溫度分布

通風(fēng)階段監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的水分有升高、降低，再升高再降低的變化規(guī)律，但總體是呈降低趨勢(shì)的，這表明通風(fēng)過(guò)程中易受外界大氣溫濕度的影響。圖6為144 h糧堆的水分分布，經(jīng)過(guò)144 h的機(jī)械通風(fēng)，糧堆的平均濕基水分降到了11.0%，水分下降了0.5%。

圖6 通風(fēng)144 h時(shí)糧堆水分分布

3.2 糧粒溫度與水分分布

通風(fēng)階段，以監(jiān)測(cè)點(diǎn)1(糧堆左下角)處的糧粒為研究對(duì)象，糧粒周圍空氣初始溫度取自自然儲(chǔ)存75 d時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1記錄的溫度，為13.4 ℃，邊界條件為送風(fēng)空氣溫度，為4 ℃，通風(fēng)空氣速度4 m/s。糧粒設(shè)置了3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別在糧粒內(nèi)部正中央、殼與胚乳交界面、殼表面，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)記錄的初始溫度為13.4 ℃，通風(fēng)階段，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度下降趨勢(shì)大致相同，但降至同一溫度時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)A用時(shí)較監(jiān)測(cè)點(diǎn)B和C多幾秒鐘，監(jiān)測(cè)點(diǎn)B和監(jiān)測(cè)點(diǎn)C的溫度非常接近。通風(fēng)時(shí)間接近100 s時(shí)，糧粒溫度已經(jīng)趨近空氣溫度，但監(jiān)測(cè)點(diǎn)A相對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)B、C有一定的延遲，這是由于糧粒內(nèi)部存在熱阻，所以熱量從糧粒中心傳遞到糧粒表面存在延遲現(xiàn)象。圖7是10 s時(shí)糧粒內(nèi)部溫度分布圖，這時(shí)糧粒內(nèi)部溫度已經(jīng)趨向均勻了，可以看出，糧粒內(nèi)部溫度趨于一致的時(shí)間非常短。糧粒中部的溫度比兩端的要高，糧粒內(nèi)部溫度略高于表面空氣溫度，最高溫度在糧粒中心，這是因?yàn)榧Z粒內(nèi)部熱阻大于殼表面空氣熱阻，再一次說(shuō)明熱量從糧粒中心傳到表面有一定的延遲效應(yīng)。

圖7 t=10 s糧粒溫度分布

橫向通風(fēng)前，糧堆左下角監(jiān)測(cè)點(diǎn)1記錄的初始水分為11.2%，橫向通風(fēng)結(jié)束后，進(jìn)風(fēng)口處糧堆水分降至9.9%，以該處的空氣濕度作為糧粒初始條件，糧粒初始水分設(shè)為 11.2%，通風(fēng)模擬設(shè)置第三類邊界條件，邊界條件為hm*(Meq-M1)，Me為平衡水分，與糧食顆粒的溫度和水分活度有關(guān)，稻谷顆粒體積很小，其水分?jǐn)U散速率不僅和邊界溫濕度有關(guān)，還與自身吸濕和解吸濕有關(guān)。 糧粒內(nèi)部水分在40 s時(shí)就已經(jīng)趨向均勻了(如圖8所示)，t=40 s時(shí)糧粒平均水分為10.6%，較初始水分降低0.6%，水分降低很少，這是由于橫向通風(fēng)時(shí)空氣的平均相對(duì)濕度為65%，接近糧粒的平衡濕度，所以糧粒的水分降幅很低。對(duì)比糧粒溫度的擴(kuò)散速度可知糧粒水分?jǐn)U散速度遠(yuǎn)小于溫度擴(kuò)散速度。

圖8 t=40 s糧粒水分分布

4 結(jié)論

本研究采用有限元法從耦合糧堆尺度和糧粒尺度對(duì)房式倉(cāng)內(nèi)稻谷橫向通風(fēng)過(guò)程中糧堆和糧粒溫度水分變化規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析研究，得出以下結(jié)論：橫向通風(fēng)由于流場(chǎng)分布均勻，糧堆降溫迅速且顯著，糧堆內(nèi)部溫度分布均勻，避免了垂直方向上的溫度分層現(xiàn)象。因?yàn)槭芡饨绛h(huán)境的影響，橫向通風(fēng)時(shí)糧堆最高溫出現(xiàn)在倉(cāng)壁附近。熱量在糧堆與糧粒內(nèi)部的傳遞存在延遲效應(yīng)，橫向通風(fēng)時(shí)靠近進(jìn)風(fēng)口的糧食溫度率先降溫，隨后沿氣流方向逐漸降低；糧粒內(nèi)部熱量傳遞的延遲是由于糧粒內(nèi)部熱阻大于殼表面熱阻造成的。稻谷顆粒體積很小，其水分?jǐn)U散速率不僅和邊界溫濕度有關(guān)，還與自身吸濕和解吸濕有關(guān)。通風(fēng)過(guò)程中糧堆與糧粒的水分略有降低，但由于進(jìn)風(fēng)空氣平均相對(duì)濕度較大，所以糧堆與糧粒的水分下降幅度不大。糧粒內(nèi)部溫度在10 s時(shí)就趨于一致，糧粒內(nèi)部水分在40 s時(shí)趨于一致，糧粒水分?jǐn)U散速度遠(yuǎn)小于溫度擴(kuò)散速度。