華南地區(qū)高大平房低溫成品糧糧倉氣流組織數(shù)值模擬研究

朱世偉，陳剛，陳立德

（南華大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南衡陽 421001）

0 引言

近年來，我國提出糧食安全、“藏糧于技”等戰(zhàn)略要求，成品糧儲(chǔ)備以其應(yīng)急、高效、節(jié)約倉容[1]等特點(diǎn)得到重視。然而，成品糧沒有外殼，容易受到外界不良環(huán)境因素如蟲害、潮熱等的影響，尤其在高溫高濕的華南地區(qū)，成品糧儲(chǔ)存更加不易。低溫儲(chǔ)存成品糧技術(shù)近年來以其能夠節(jié)糧減損、保持糧食品質(zhì)以及利于環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)得到迅速發(fā)展。高大空間成品糧倉使用的低溫儲(chǔ)糧技術(shù)中氣流組織對(duì)糧倉內(nèi)環(huán)境和用能情況影響巨大，因此研究高大空間低溫成品糧糧倉內(nèi)氣流組織分布具有重要意義。

關(guān)于高大平房低溫成品糧糧倉氣流組織優(yōu)化方面的研究成果較少，僅有學(xué)者運(yùn)用CFD 模擬軟件研究風(fēng)口布置[2-4]、堆碼方式[5-6]對(duì)糧倉氣流組織、降溫效果的影響，以及MURAKAI S[7-8]等人發(fā)現(xiàn)除了空調(diào)系統(tǒng)出風(fēng)口氣流射流速度和溫度外，送風(fēng)口、回風(fēng)口的布置，燈光、設(shè)備的分布等也會(huì)對(duì)氣流組織產(chǎn)生影響。其中缺乏對(duì)具有高大空間屬性的低溫成品糧糧倉氣流組織的研究，對(duì)其進(jìn)行研究如果采用實(shí)驗(yàn)的方法，過程繁瑣復(fù)雜，需要布置大量傳感器進(jìn)行長時(shí)間的監(jiān)測，且得到的結(jié)果多局限于特定系統(tǒng)。而數(shù)值模擬技術(shù)（CFD）能夠預(yù)先得知待建糧倉內(nèi)的溫濕度場，得到良好的氣流組織形式，以縮短時(shí)間、節(jié)約成本。故本文通過CFD 模擬軟件對(duì)華南地區(qū)高大平房低溫成品糧糧倉氣流組織進(jìn)行數(shù)值模擬，將糧倉設(shè)計(jì)參數(shù)作為初始模擬條件，通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)工況，得出最佳送風(fēng)方案，為待建低溫成品糧糧倉的設(shè)計(jì)使用提供技術(shù)參考。

1 工程項(xiàng)目及空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)概況

高大平房低溫成品糧糧倉主要功能為儲(chǔ)存以及轉(zhuǎn)運(yùn)成品糧，由低溫庫區(qū)、緩蘇區(qū)以及裝卸作業(yè)區(qū)三部分組成，中間由快速門隔斷且布置軟簾，東西低溫兩庫區(qū)由防火卷簾隔開。項(xiàng)目總平面布置圖如圖1 所示。

圖1 高大平房低溫成品糧糧倉布置平面圖

該糧倉概況如下：低溫庫區(qū)尺寸93.5×60×30m，緩蘇區(qū)尺寸28.5×60×30m，采用貨架自動(dòng)堆碼，低溫庫區(qū)貨架裝糧高度區(qū)間為1～28.8m，單倉總?cè)萘繛?3060t。成品糧進(jìn)出周轉(zhuǎn)率1200t/天，需在3 天內(nèi)[9]將進(jìn)庫高溫糧降溫至安全儲(chǔ)藏溫度（≤20℃），進(jìn)出庫時(shí)避免糧食表面出現(xiàn)結(jié)露，低溫庫區(qū)要求儲(chǔ)藏溫度≤15℃，所有操作均由機(jī)械臂完成，貨架之間不允許設(shè)置管道，以免影響動(dòng)作。本文取設(shè)計(jì)溫度15℃，總設(shè)計(jì)冷負(fù)荷285.3kW，設(shè)計(jì)送風(fēng)溫差3℃，風(fēng)速9.7m/s，送風(fēng)口大小0.25×0.25m，夏季的送風(fēng)量為282475m3/h。

2 模型構(gòu)建

2.1 物理模型

對(duì)低溫庫區(qū)模型進(jìn)行以下簡化處理：

（1）模型東西對(duì)稱，選取西低溫庫區(qū)（圖2）為模擬對(duì)象，幾何尺寸為：長93.5 m，寬30m，高30m；

圖2 西低溫庫區(qū)物理模型圖

（2）貨架、糧堆與環(huán)境溫度相同，可視為一個(gè)整體。

2.2 數(shù)學(xué)模型

在仿真過程中作出以下假設(shè)：

（1）糧倉內(nèi)空氣符合Boussinesq 假設(shè)且不可壓縮；

（2）忽略通過快速門對(duì)糧倉溫濕度場的影響；

（3）忽略糧倉內(nèi)成品糧外包裝、托盤、自動(dòng)堆碼設(shè)備對(duì)流場的影響；

（4）不考慮成品糧呼吸熱；

（5）不考慮糧倉內(nèi)空氣與已儲(chǔ)存成品糧之間的換熱。

運(yùn)用網(wǎng)格劃分軟件ICEM 進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，導(dǎo)入FLUENT 軟件后選用Realizable k-模型，計(jì)算時(shí)采用SIMPLE 算法。

2.3 邊界條件

糧倉墻體、倉蓋采用壁面邊界條件，根據(jù)《糧油儲(chǔ)藏技術(shù)規(guī)范國家標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 29890—2013)，深圳屬于高溫高濕儲(chǔ)糧區(qū)，糧倉墻體傳熱系數(shù)應(yīng)為0.46～0.52 W/(m2·K)，倉蓋傳熱系數(shù)不大于0.35 W/(m2·K)。外墻、倉蓋傳熱系數(shù)分別選為0.5 W/(m2·K)、0.35 W/(m2·K)，送風(fēng)口采用速度入口，風(fēng)速為9.7 m/s，送風(fēng)溫度為12 ℃，回風(fēng)口采用壓力出口，其余壁面邊界條件設(shè)置見表1。

表1 糧倉CFD模擬邊界條件表

3 初步設(shè)計(jì)數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 設(shè)計(jì)要求

模擬時(shí)應(yīng)滿足如下幾點(diǎn)要求：

（1）糧倉均溫≤15℃，糧堆堆放區(qū)環(huán)境溫度不超過15℃；

（2）避免風(fēng)口正對(duì)糧食直吹，風(fēng)速不宜過大；

（3）采用側(cè)送側(cè)回的送風(fēng)方式。

3.2 氣流組織模擬分析

模擬得到Z=28.6m 截面貨架表面溫度云圖（圖3），Z=0.5、9、20、29m 截面的溫度分布云圖（圖4）和速度分布云圖（圖5）。

圖3 Z=28.6m截面貨架區(qū)域溫度分布云圖

圖4 Z=0.5、9、20、29m截面溫度分布云圖

圖5 Z=0.5、9、20、29m截面速度分布云圖

通過對(duì)圖3—圖5 分析可知：

（1）糧倉內(nèi)環(huán)境平均溫度為14.75℃，符合設(shè)計(jì)要求，說明初始設(shè)計(jì)負(fù)荷已經(jīng)能夠滿足日常安全儲(chǔ)存需要。然而貨架部分區(qū)域表面溫度高于15℃，并有向內(nèi)蔓延趨勢，不符合設(shè)計(jì)要求；

（2）Z=0.5、9、20、29m 截面平均溫度分別為14.68℃、14.95℃、14.95℃、14.75℃，對(duì)比各截面平均溫度，Z=0.5m（回風(fēng)口）、29m（送風(fēng)口）兩處截面溫度比糧倉中部的溫度略低，且屋頂傳入的熱量較少，上下溫度沒有明顯分層，符合設(shè)計(jì)要求。

上述分析中存在的問題是由于南北外墻附近熱量不能及時(shí)被帶走，導(dǎo)致熱量由外向內(nèi)擴(kuò)散，蔓延到貨架區(qū)域，進(jìn)而影響糧食安全儲(chǔ)存。

4 綜合優(yōu)化數(shù)值模擬結(jié)果分析

為解決存在的問題，本文引入正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

4.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

因素選?。阂愿叽笃椒康蜏爻善芳Z糧倉送風(fēng)口數(shù)量、送風(fēng)溫差、送風(fēng)速度為影響因素，對(duì)每個(gè)因素取3 水平，設(shè)計(jì)適合3 因素3 水平的正交表，將各因素的不同水平進(jìn)行搭配，得到9 組工況。因素水平表、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表依次見表2、表3。

表2 因素水平表

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

4.2 氣流組織評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用氣流組織評(píng)價(jià)指標(biāo)——不均勻系數(shù)判斷氣流組織均勻性，引入氣流組織評(píng)價(jià)指標(biāo)——能量利用系數(shù)判斷能否有效地排出倉內(nèi)余熱，以平均溫度評(píng)價(jià)糧倉內(nèi)通風(fēng)效果。

4.2.1 不均勻系數(shù)

該系數(shù)可表示各截面的溫度、速度分布均勻程度，如式（1）所示：

式中，xi表示第i 個(gè)點(diǎn)的溫度、速度值，n 為總測點(diǎn)數(shù)，x 表示溫度或速度的平均值，kx越小，氣流組織均勻性越好。各工況溫度不均勻性如圖6 所示，速度不均勻性如圖7 所示。

圖6 工況1—9 Z=9、20m截面溫度不均勻系數(shù)均值

圖7 工況1—9 Z=9、20m截面速度不均勻系數(shù)均值

通過圖6—圖7 可知：工況8 的溫度不均勻系數(shù)為各工況最小，為0.0056；工況5 的速度不均勻系數(shù)為各工況最小，為0.469；不存在溫度不均勻系數(shù)與速度不均勻系數(shù)同時(shí)為最佳的工況，綜合判定工況4、5、7 為較優(yōu)工況。

4.2.2 平均溫度及能量利用系數(shù)

能量利用系數(shù)可表達(dá)倉內(nèi)空調(diào)送風(fēng)排出空調(diào)區(qū)余熱的能力，如式（2）所示：

式中，TP為排風(fēng)溫度，TO為進(jìn)風(fēng)溫度，為倉內(nèi)平均溫度，ET越大，能量利用效果越好。各工況平均溫度如圖8 所示，能量利用系數(shù)如圖9 所示。

圖8 工況1—9 倉內(nèi)平均溫度

圖9 工況1—9 能量利用系數(shù)

通過圖8—圖9 可知：除了工況5 平均溫度為15.006℃，各工況平均溫度均小于15℃，均能滿足設(shè)計(jì)要求。各個(gè)工況的能量利用系數(shù)也均可達(dá)到一個(gè)較高的數(shù)值，其中工況6 的能量利用系數(shù)最高，為0.979，工況7 為0.974，表明各個(gè)工況均可有效排出空調(diào)區(qū)余熱。

通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)綜合比較9 組工況的不均勻系數(shù)、平均溫度以及能量利用系數(shù)，發(fā)現(xiàn)工況4、5、7 為較優(yōu)工況。

4.3 較優(yōu)工況氣流組織分析

選取工況4、5、7 中z=0.5、9、20、29m 截面的溫度分布云圖（圖10）和速度分布云圖（圖11）進(jìn)行分析。

圖10 工況4、5、7溫度分布云圖

圖11 工況4、5、7速度分布云圖

通過對(duì)圖10、圖11 分析可知：

（1）工況4、5、7 各截面最高的平均溫度依次為15.05℃、15.01℃、14.91℃，平均溫度都能夠基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。送風(fēng)量從大到小依次排序?yàn)楣r5、4、7，且工況7 的截面平均溫度最低，然而工況5、7 有大面積區(qū)域溫度超過安全儲(chǔ)存溫度，而工況4 貨架區(qū)溫度均勻且沒有局部熱點(diǎn)；

（2）上述3 工況的風(fēng)速均表現(xiàn)為在送風(fēng)口截面和回風(fēng)口截面風(fēng)速較大，在儲(chǔ)藏區(qū)域由于貨架和糧食的阻礙作用，風(fēng)速衰減得很快，各工況截面z=9、20m 的風(fēng)速基本都在0.25m/s 左右。

結(jié)合不均勻系數(shù)、能量利用系數(shù)以及溫度、速度分布云圖進(jìn)行綜合分析，工況4 為9 組正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)工況中的最優(yōu)工況，即送風(fēng)口26 個(gè)，送風(fēng)溫差3℃，送風(fēng)速度8.7m/s。

5 結(jié)論

本文針對(duì)高大平房低溫成品糧糧倉氣流組織形式，運(yùn)用CFD模擬軟件對(duì)成品糧糧倉氣流組織進(jìn)行模擬優(yōu)化，模擬結(jié)果表明：

（1）從原設(shè)計(jì)方案模擬結(jié)果分析可知，初始設(shè)計(jì)方案基本滿足要求，但存在倉內(nèi)氣流組織不合理的問題，通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)得出的最優(yōu)方案（送風(fēng)口26 個(gè)，送風(fēng)溫差3℃，送風(fēng)速度8.7m/s）能夠有效降低送風(fēng)量，在減少能耗同時(shí)達(dá)到良好的氣流組織，保證成品糧的安全儲(chǔ)存；

（2）初始設(shè)計(jì)方案：設(shè)計(jì)溫度為15℃，總設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為285.3kW，送風(fēng)溫差為3℃，風(fēng)速為9.7m/s，送風(fēng)口大小為0.25×0.25m。優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案：設(shè)計(jì)溫度為15℃，總設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為285.3kW，送風(fēng)溫差為3℃，風(fēng)速為8.7m/s，送風(fēng)口大小為0.3×0.3m，送風(fēng)量減少9.2%；

（3）此工程在保證設(shè)計(jì)要求的前提下，在待建糧倉空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，可將數(shù)值模擬方法作為空調(diào)工程設(shè)計(jì)的一種輔助手段，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)知空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織情況，并針對(duì)初始設(shè)計(jì)方案提出改善氣流組織措施，從而完善設(shè)計(jì)方案。