地下倉糧堆通風溫度場數(shù)值模擬研究

張祥祥，王振清，陳曦

地下倉糧堆通風溫度場數(shù)值模擬研究

張祥祥，王振清*，陳曦

(河南工業(yè)大學土木工程學院，河南 鄭州 450001)

為了解地下倉通風對糧堆溫度場變化的影響，對筒倉直徑25 m、倉高20.1 m的地下倉糧堆進行了288 h通風工況下的溫度場數(shù)值模擬研究。該模型以實際地下倉為背景，基于多物理場數(shù)值模擬軟件COMSOL，通過調(diào)整內(nèi)置質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程和動量守恒方程，分析不同入口邊界壓力和溫度下地下倉溫度場的變化情況。結果表明：在對地下倉通風288 h條件下，豎向通風比橫向通風降溫更快；提高邊界入口壓力(由300 Pa提高至400 Pa)時，橫向通風和豎向通風糧堆均溫都有效下降；在降低入口邊界溫度(由17 ℃降至13 ℃)時，相同時間的降溫效果都得到明顯改善，豎向通風過程的整體糧堆溫度下降較快，在通風288 h后，倉內(nèi)溫度趨于平穩(wěn)。

地下倉；糧堆；橫向通風；豎向通風；溫度場

大量實踐和研究表明，低溫儲糧不僅能延緩糧食的劣變，還能抑制蟲害的發(fā)生[1]?，F(xiàn)階段，中國儲備糧庫多為平房倉、淺圓倉、立筒倉等倉型[2]，地下倉雖擁有天然低溫環(huán)境，能較好地保護糧食品質(zhì)和減少有毒藥物熏蒸[3]，但地下倉存在初始入糧糧溫高的問題。為保證儲糧安全，對地下倉進行機械通風意義十分重大。相比于實倉測試成本較高、受限條件多等，數(shù)值模擬對于探索糧堆內(nèi)部溫度場分布及其傳遞規(guī)律更經(jīng)濟有效[4]。JIA等[5]構建了笛卡爾坐標系下的圓筒倉糧堆溫度場模型，結果表明隨著距倉壁和頂面距離的增加，小麥的溫度變化逐漸減小，環(huán)境峰值溫度與小麥峰值溫度之間的時間延遲約為3至4個月；THORPE[6–7]對通風時糧堆的溫度變化進行研究，并建立了數(shù)學模型，在滿足局部熱平衡的條件下，該模型能很好地重現(xiàn)倉內(nèi)糧堆溫度場的分布；劉文磊等[8]基于數(shù)值模擬軟件COMSOL，探討了糧堆中壓力場的變化對溫度場分布的影響，結果表明，隨著儲糧壓力的增大，糧堆溫度遷移逐漸變慢；戚禹康等[9]對淺圓倉不同裝糧高度的徑向與垂直通風進行模擬對比研究，得出裝糧高度對徑向、垂直通風的降溫效果沒有明顯影響，且淺圓倉徑向與垂直通風的通風效果比較接近；王遠成等[10]基于局部熱平衡原理和多孔介質(zhì)理論，對糧堆橫向谷冷通風過程進行了數(shù)值模擬研究，得出橫向通風時糧堆內(nèi)部速度分布均勻，且具有降溫速度快、冷卻效率高的結論；相對于地上籠垂直通風而言，橫向谷冷通風時糧堆內(nèi)部溫度梯度較小。王振清等[11]、金立兵等[12]通過對地下倉溫度場進行數(shù)值模擬，認為地下倉糧溫存在縱向明顯分層現(xiàn)象，且上層溫度受外界溫度的影響大于下層的，下層溫度整體趨于穩(wěn)定。這些研究多集中于平房倉和淺圓倉，在地下倉溫度場的研究中，對非人工干預條件下糧堆溫度場雖有所涉及，但對地下倉通風降溫的研究還相對較少。筆者采用橫向和豎向通風2種降溫方式，對筒倉直徑25 m、倉高20.1 m地下倉裝糧后288 h的糧堆溫度場進行數(shù)值模擬對比，分析不同入口溫度邊界和壓力邊界下的地下倉糧堆溫度場分布，以期為制定地下倉安全儲糧措施提供參考。

1　地下倉糧堆模型的建立與條件設置

糧堆可視作是典型的多孔介質(zhì)[13]。在糧堆通風過程中，糧粒之間空氣進行熱交換，由于空氣與糧堆溫度存在差異，冷風會通過糧?？紫稁ё邿崃浚辜Z溫逐漸下降。為簡化計算，假定糧堆是均勻連續(xù)分布的，遵循平衡熱力學基本定律，且通風時間短，可忽略糧堆自呼吸影響及糧粒間的輻射作用。

1.1　數(shù)學模型的建立

在糧堆的CFD數(shù)值模擬過程，遵從基本守恒定律，即質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒[14]。假定空氣為不可壓縮流體，則質(zhì)量守恒方程為：

式中：為孔隙率；a為空氣密度；為時間變量；v為x方向空氣的流動速度。

動量守恒方程為：

忽略壓力功、粘性發(fā)熱和由于糧食顆粒自呼吸產(chǎn)生的熱量，則能量守恒方程簡化為：

式中：g為糧食密度；為溫度；g為糧食比熱容；g為糧食導熱系數(shù)；a為空氣比熱容。

1.2　物理模型的建立與探針布置

1.2.1模型建立及網(wǎng)格劃分

由于地下倉為軸對稱空間結構，為簡化計算，僅以右半部分建立幾何模型和進行網(wǎng)格劃分，COMSOL可自動計算出整倉結果。

地下倉內(nèi)半徑為12.5 m，中心筒半徑為1.3 m，倉高20.1 m，其中裝糧線高18 m，錐底高8.5 m，倉壁厚0.35 m，錐底壁厚0.25 m，倉底壁厚0.5 m，倉壁為混凝土結構。鑒于長江以北地區(qū)地下土壤均溫為16～20 ℃[11]，取土壤均溫17 ℃，外部環(huán)境溫度為30 ℃。糧倉內(nèi)區(qū)域劃分成糧堆域和空氣域，裝糧線上至倉頂蓋區(qū)域為空氣域，裝糧線以下為糧堆域。糧倉采用壓入式通風方式，豎向通風時，在錐底斜面上布置地上籠風道；橫向通風時，風道布置于中心筒壁上。在倉內(nèi)布置邊界探針用于記錄溫度變化。邊界探針共布置6層，豎向通風按照從下到上、橫向通風按照從左到右的方式布置，邊界探針間距為2 m，邊界探針與倉壁和中心筒壁的距離為1 m。錐底采用域探針的形式以消除通風不均的影響。地下倉剖面和網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1　地下倉右半部分模型和網(wǎng)格劃分

1.2.2COMSOL邊界條件及參數(shù)設置

對地下倉進行通風288 h的模擬，數(shù)值模擬初始條件：夏季裝糧，初始糧溫30 ℃，地下倉倉壁溫度取地下土壤均溫17 ℃，倉頂為外部環(huán)境溫度30 ℃。倉內(nèi)空氣域溫度為初始外部環(huán)境溫度30℃，參照文獻[15]獲取糧食的物性參數(shù)。在入口邊界相對壓力分別為300、350、400 Pa，入口溫度分別為13、15、17 ℃的9種工況下進行數(shù)字模擬。

2　結果與分析

利用建立的糧倉二維對稱物理模型，對橫向和豎向通風2種通風方式進行數(shù)值模擬。糧食入倉后，模擬通風時長288 h，糧堆域平均表觀速度為0.021 m/s，糧堆域流動速度較小，靜壓驅(qū)動是糧堆域內(nèi)空氣流動的主要驅(qū)動力。

2.1　橫向通風溫度場的分布

由圖2可知，橫向通風時，冷空氣從中心筒邊界不斷向糧堆擴散，且呈現(xiàn)弧狀。通風96 h時，中心筒與糧堆溫差達13 ℃，冷空氣擴散較快，使得靠近中心筒區(qū)域糧堆孔隙間發(fā)生強烈的熱交換，近中心筒區(qū)域糧堆溫度迅速下降至17 ℃，糧堆整體均溫降至22.9 ℃。通風144 h后，糧堆溫度下降速率逐漸放緩，靠近倉壁處溫度較高，且由于倉頂蓋外邊界與外界環(huán)境直接接觸，上部空氣域仍有部分不規(guī)則高溫區(qū)域，此時糧堆整體均溫為21.1 ℃。通風288 h后，倉壁處仍有小部分區(qū)域溫度未降至通風溫度，糧堆整體溫度降至18.1 ℃。中心筒邊界為通風入口邊界，使得中心筒得以降溫。由于采用壓差通風，隨著與入口邊界距離的增加，導致與入口邊界較遠的倉壁溫度下降緩慢。不過由于地下倉倉壁外土壤具有較好的保溫作用，土壤的低溫在倉壁處通過導熱的方式穿透混凝土倉壁，進而滲透進糧倉，在一定程度上有利于倉壁處糧堆溫度的降低。

a　通風96 h；b　通風144 h；c　通風192 h；d　通風288 h。

2.2　豎向通風溫度場的分布

由圖3可知，地下倉豎向通風過程中，冷空氣從倉底斜坡處向糧堆滲透，在糧粒孔隙間與初始熱空氣發(fā)生熱交換，由于初始溫差大，因而熱驅(qū)動力較大。通風144 h后，糧堆溫度從初始的30 ℃降至17 ℃，下降較快，此時糧堆整體均溫為19.1 ℃，比初始糧溫下降10.9 ℃；通風192 h后，糧堆溫度趨于穩(wěn)定，此時糧堆均溫為18.1 ℃，僅靠近中心筒處存在小部分高溫區(qū)域，這是因為中心筒采用混凝土材料(導熱系數(shù)為1.8 W/(m·K))，導熱系數(shù)較小，熱阻較大。糧堆豎向通風過程中，冷空氣無法直接和中心筒內(nèi)空氣進行對流換熱，冷空氣通過和中心筒混凝土壁進行熱傳導和熱對流，中心筒壁再與中心筒內(nèi)部高溫空氣進行導熱和自然對流換熱，使得中心筒溫度下降較慢，致使高溫集中于中心筒處，特別是中心筒壁處。通風288 h后，混凝土壁均溫僅比初始溫度降低1.5 ℃，為28. 5℃。提示后期可通過加強中心筒內(nèi)的對流換熱來降低其溫度。

a　通風96 h；b　通風144 h；c　通風192 h；d　通風288 h。

2.3　糧層溫度的分布

由圖4可知，無論何種通風方式，通風入口邊界處溫度都下降較快，而隨著與通風入口邊界距離的增大，糧堆溫度下降都變得緩慢。這是因為糧堆作為一種熱導體，在糧堆通風降溫過程中，糧堆存在熱阻，使得糧堆溫度的變化出現(xiàn)延遲現(xiàn)象。對比分析圖5可知，不論是倉身還是錐型倉底，橫向通風過程糧堆的熱阻都比豎向的大，通風144 h后，橫向通風與豎向通風整體糧溫相差2 ℃；通風288 h后，豎向通風糧堆平均糧溫降至17.2 ℃，橫向通風糧堆均溫降至18.1 ℃，豎向通風的降溫效果更好。

a 橫向通風；b 豎向通風。

a　錐底溫度；b　整倉溫度。

2.4　不同入口邊界條件的溫度變化

在數(shù)值模擬軟件COMSOL中，改變?nèi)肟谶吔绲臏囟群蛪毫?，通過監(jiān)測糧堆的溫度均值變化，得出整倉糧堆的溫度，如圖6所示。表明增大入口邊界壓力和降低入口邊界溫度均能加速糧堆的降溫，這是由于邊界條件的改變使得換熱更加劇烈的緣故。

a　不同入口壓力；b　不同入口溫度。

在通風過程中，相同初始溫度的糧堆，通過改變?nèi)肟谶吔鐗毫l件，豎向通風過程的整體糧堆溫度下降較快，入口邊界相對壓力提高(由300 Pa升至400 Pa)的過程中，降溫效果得到提升；通過改變?nèi)肟跍囟葪l件，豎向通風過程的整體糧堆溫度同樣下降較快，入口邊界溫度降低(由17 ℃降至13 ℃)過程中，相同時間的降溫效果都得到明顯改善。在通風288 h后，倉內(nèi)溫度趨于平穩(wěn)。

在本研究條件下，通過改變?nèi)肟谶吔鐗毫Γ蚋淖內(nèi)肟谶吔鐪囟?，豎向通風的糧堆整體降溫要好于橫向通風方式。

3　結論

基于數(shù)值模擬軟件COMSOL，采用橫向和豎向通風的降溫方式，對裝糧后288 h的地下倉糧堆溫度場進行數(shù)值模擬，并通過改變?nèi)肟谶吔绲臏囟群蛪毫?，地下倉糧堆溫度場變化結果表明：地下倉橫向通風過程中，隨著與入口邊界距離的增加，遠離入口邊界區(qū)(倉壁處)通風降溫緩慢，但地下倉可依托天然的外界低溫環(huán)境，對倉壁處糧堆溫度的降低起促進作用。

地下倉豎向通風過程中，能克服橫向通風倉壁處降溫緩慢的問題，但中心筒邊界處溫度下降緩慢，高溫區(qū)域集中于中心筒邊界處。

地下倉通風過程中，增大入口邊界壓力(由300 Pa升至400 Pa)和降低入口邊界溫度(由17 ℃降至13 ℃)，橫向通風和豎向通風都會提高降溫效果。與橫向通風相比，豎向通風在相同條件下表現(xiàn)出更好的降溫效果。

[1] 毛海鋒，曾端輝，盧黃華，等．優(yōu)質(zhì)秈米地下倉儲藏過程中品質(zhì)變化[J]．糧油食品科技，2017，25(3)：87–91．

MAO H F，ZENG D H，LU H H，et al．Study on the changes of quality index of high quality milled long- grain-nonglutinous rice during storage in underground granary[J]． Science and Technology of Cereals，Oils and Foods，2017，25(3)：87–91．

[2] 尹君，吳子丹，張忠杰，等．不同倉型的糧堆溫度場重現(xiàn)及對比分析[J]．農(nóng)業(yè)工程學報，2015，31(1)：281–287．

YIN J，WU Z D，ZHANG Z J，et al．Comparison and analysis of temperature field reappearance in stored grain of different warehouses[J]．Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2015，31(1)：281–287．

[3] 王振清，揣君，劉永超，等．地下糧倉的結構設計研究現(xiàn)狀與新進展[J]．河南工業(yè)大學學報(自然科學版)，2019，40(5)：132–138．

WANG Z Q，CHUAI J，LIU Y C，et al．Current situation and new progresses of the structure design of underground silos[J]．Journal of Henan University of Technology (Natural Science Edition)，2019，40(5)：132–138．

[4] 陳桂香，張宏偉，王海濤，等．基于COMSOL的平房倉冷卻通風過程中糧堆熱濕耦合傳遞研究[J]．中國糧油學報，2018，33(11)：79–85．

CHEN G X，ZHANG H W，WANG H T，et al．Numerical simulation of coupled heat and moisture transfer in stored grains during cooling ventilation by using COMSOL[J]. Journal of the Chinese Cereals and Oils Association，2018，33(11)：79–85．

[5] JIA C C，SUN D W，CAO C W，et al．Computer simulation of temperature changes in a wheat storage bin[J]．Journal of Stored Products Research，2001，37(2)：165–177．

[6] THORPE G R．Modelling ecosystems in ventilated conical bottomed farm grain silos [J]．Ecological Modelling，1997，94(2/3)：255–286．

[7] THORPE G R．The application of computational fluid dynamics codes to simulate heat and moisture transfer in stored grains[J]．Journal of Stored Products Research，2008，44(1)：21–31．

[8] 劉文磊，陳桂香，陳家豪，等．儲糧壓力對玉米糧堆溫度場影響的實驗與模擬研究[J]．中國糧油學報，2020，35(4)：92–99．

LIU W L，CHEN G X，CHEN J H，et al．Experimental and simulation study on the influence of grain storage pressure on the temperature field of maize grain pile[J]. Journal of the Chinese Cereals and Oils Association，2020，35(4)：92–99．

[9] 戚禹康，王遠成，俞曉靜，等．淺圓倉不同裝糧高度時徑向與垂直通風模擬對比研究[J]．河南工業(yè)大學學報(自然科學版)，2019，40(4)：108–113．

QI Y K，WANG Y C，YU X J，et al．Comparative study on radial and vertical ventilation simulation of different filling heights in squat silos[J]．Journal of Henan University of Technology (Natural Science Edition)，2019，40(4)：108–113．

[10] 王遠成，高帥，邱化禹，等．橫向谷冷通風過程的數(shù)值模擬研究[J]．中國糧油學報，2016，31(7)：103–106．

WANG Y C，GAO S，QIU H Y，et al．Numerical study during the horizontal grain aeration with cooling air[J]. Journal of the Chinese Cereals and Oils Association，2016，31(7)：103–106．

[11] 王振清，田棟杰，劉海燕．鋼筋混凝土圓形地下糧倉溫度場試驗研究[J]．河南工業(yè)大學學報(自然科學版)，2018，39(3)：99–102．

WANG Z Q，TIAN D J，LIU H Y．Experimental study on temperature field of underground reinforced concrete circular granary[J]．Journal of Henan University of Technology(Natural Science Edition)，2018，39(3)：99–102．

[12] 金立兵，薛雅琪，梁新亞，等．地下儲糧倉溫度場的數(shù)值模擬與試驗研究[J]．河南工業(yè)大學學報(自然科學版)，2019，40(5)：120–125．

JIN L B，XUE Y Q，LIANG X Y，et al．Numerical simulation and experiment on temperature field in underground granary[J]．Journal of Henan University of Technology(Natural Science Edition)，2019，40(5)：120–125．

[13] 王遠成，段海峰，張來林．就倉通風時糧堆內(nèi)部熱濕耦合傳遞過程的數(shù)值預測[J]．河南工業(yè)大學學報(自然科學版)，2009，30(6)：75–79．

WANG Y C，DUAN H F，ZHANG L L．Numerical simulation of coupled heat and moisture transfer in grain bulk during in-bin drying[J]．Journal of Henan University of Technology (Natural Science Edition)，2009，30(6)：75–79．

[14] 楊希文，蔣蘋，羅亞輝，等．氣霧栽培箱噴霧條件下溫度場的CFD數(shù)值模擬[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學學報(自然科學版)，2019，45(1)：103–107．

YANG X W，JIANG P，LUO Y H．et al．CFD numerical simulation of temperature field under spray condition in aeroponics cultivation box[J]．Journal of Hunan Agricultural University(Natural Sciences)，2019，5(1)：103–107．

[15] 潘鈺．房式倉糧堆自然儲藏和機械通風過程中熱濕耦合問題的研究[D]．濟南：山東建筑大學，2017．

PAN Y．Research on coupled heat and moisture transfer in the warehouse during natural storage and mechanical ventilation process[D]．Jinan：Shandong Jianzhu University，2017．

Numerical simulation on ventilation temperature field of grain piles in underground silos

ZHANG Xiangxiang，WANG Zhenqing*，CHEN Xi

(School of Civil Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou, Henan 450001, China)

In order to study the influence of underground warehouse ventilation on the temperature field of the grain piles, the temperature field of underground warehouse with the diameter of 25 m and the height of 20.1 m was simulated under 288 h ventilation condition. Based on multi-physical field numerical simulation software COMSOL, the model takes the actual underground warehouse as the background. By adjusting the built-in mass conservation equation, energy conservation equation and momentum conservation equation, the temperature field evoluation of the underground warehouse is analyzed under different inlet boundary pressures and temperatures. The results show that the temperature of vertical ventilation is faster than that of transverse ventilation under the condition of 288 h ventilation of underground warehouse. When increasing the pressures from 50 Pa to 100 Pa, the mean temperature of grain piles was effectively reduced for transverse ventilation and vertical ventilation. When the inlet boundary temperature was lowered from 17 ℃ to 13 ℃, the cooling effect under the same time was significantly improved, whereas the overall grain pile temperature decreased rapidly in the vertical ventilation process. The temperature tended to be stable in the whole underground warehouse after 288 h ventilation.

underground silos; grain piles; horizontal ventilation; vertical ventilation; temperature field

TU249.2

A

1007–1032(2021)05–0591–07

張祥祥，王振清，陳曦．地下倉糧堆通風溫度場數(shù)值模擬研究[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學學報(自然科學版)，2021，47(5)：591–597．

ZHANG X X，WANG Z Q，CHEN X．Numerical simulation on ventilation temperature field of grain piles in underground silos[J]．Journal of Hunan Agricultural University(Natural Sciences)，2021，47(5)：591–597．

http://xb.hunau.edu.cn

2020–10–12

2021–03–09

糧食公益性行業(yè)科研專項(201413007–01、201513001–03)；河南省科學技術廳項目(202102110122)；河南工業(yè)大學高層次人才科研啟動基金項目(2018BS077)

張祥祥(1993—)，男，河南周口人，碩士研究生，主要從事糧食倉儲研究，zhangxiang2052@163.com；*通信作者，王振清，碩士，教授，主要從事糧食倉儲研究，hautwang@126.com

責任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立