平房倉(cāng)儲(chǔ)糧生態(tài)多場(chǎng)耦合系統(tǒng)水分遷移傳遞機(jī)理研究綜述

王明旭， 趙子炎

(河南工業(yè)大學(xué)，鄭州 450000)

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)、人口大國(guó)、糧食生產(chǎn)大國(guó)，糧食儲(chǔ)備量大，存儲(chǔ)周期長(zhǎng)，由于糧食產(chǎn)后監(jiān)管技術(shù)研究和應(yīng)用的滯后，造成糧食在流通、倉(cāng)儲(chǔ)領(lǐng)域的損失難以避免。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)顯示，2019年我國(guó)糧食總產(chǎn)量為 66 384萬t。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)查，按糧食在產(chǎn)后儲(chǔ)藏過程中損耗5%左右測(cè)算，2019年的糧食損失可達(dá) 663.84億斤，損耗巨大。在糧食儲(chǔ)藏過程中，生蟲、發(fā)霉、結(jié)露等現(xiàn)象占糧食損失的重要一部分，而儲(chǔ)糧倉(cāng)內(nèi)溫濕度升高所導(dǎo)致的危險(xiǎn)糧情是蟲害、霉變現(xiàn)象發(fā)生的主要原因[1]。

糧食在糧食儲(chǔ)藏過程中由于呼吸放熱產(chǎn)水、倉(cāng)外輻射傳熱等原因，會(huì)導(dǎo)致倉(cāng)內(nèi)糧食的溫度升高、濕度增大，影響糧食儲(chǔ)存安全。當(dāng)前糧食倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)普遍采用對(duì)糧庫(kù)自然通風(fēng)或機(jī)械通風(fēng)方式實(shí)現(xiàn)糧堆散熱、降低糧食溫度，糧堆熱量以對(duì)流換熱的方式傳遞到含濕谷物顆粒中去，使谷堆內(nèi)部的濕氣以蒸汽的形式通過對(duì)流傳質(zhì)擴(kuò)散至干燥介質(zhì)，放熱后的干燥介質(zhì)再將蒸汽帶走，從而達(dá)到除去物料內(nèi)部濕分，實(shí)現(xiàn)糧堆內(nèi)部溫濕度的傳遞、水分的遷移，保障系統(tǒng)儲(chǔ)糧安全。

隨著國(guó)內(nèi)各種糧庫(kù)倉(cāng)儲(chǔ)量不斷增大，糧庫(kù)倉(cāng)容大、裝糧高，糧食濕熱遷移難度大，容易出現(xiàn)發(fā)熱和結(jié)露現(xiàn)象，由于環(huán)境和成本的限制，測(cè)量糧堆內(nèi)部溫濕度的傳感器無法分布在糧倉(cāng)的各個(gè)位置，也就無法做到對(duì)整個(gè)糧倉(cāng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。儲(chǔ)藏過程不能及時(shí)對(duì)儲(chǔ)糧系統(tǒng)采取措施，從而導(dǎo)致糧堆發(fā)生霉變，造成儲(chǔ)備糧的重大損失。糧堆表面及內(nèi)部各層的溫度、濕度、微氣流、糧食平衡水分和壓力等參數(shù)之間具有較強(qiáng)耦合關(guān)聯(lián)性，糧堆內(nèi)部溫濕度傳遞和水分遷移屬于復(fù)雜性難題，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)糧堆傳熱傳質(zhì)、水分遷移方面的研究，多局限單一因素條件下的研究。研究者很少基于糧食生態(tài)系統(tǒng)條件，考慮儲(chǔ)糧因素多樣性，結(jié)合糧堆本身的特殊性質(zhì)，系統(tǒng)開展儲(chǔ)糧系統(tǒng)熱濕耦合、水分遷移機(jī)理的探究。

平房倉(cāng)作為目前儲(chǔ)糧的主要倉(cāng)型，由于其儲(chǔ)糧倉(cāng)容大、儲(chǔ)存周期長(zhǎng)、水分遷移規(guī)律更復(fù)雜，受太陽(yáng)輻射帶來的倉(cāng)內(nèi)溫差較大，問題更嚴(yán)重。以平房倉(cāng)的儲(chǔ)糧系統(tǒng)為研究對(duì)象，結(jié)合糧食自身生命特性，研究散糧糧堆壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、氣流場(chǎng)與糧食顆粒間的多場(chǎng)耦合作用，探究糧堆內(nèi)部熱量-水分-溫度間的作用與遷移規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)糧堆中氣體流動(dòng)及濕熱傳遞的控制，確保對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)糧情的準(zhǔn)確跟蹤、分析和預(yù)測(cè)，達(dá)到控制糧食儲(chǔ)藏環(huán)境，抑制儲(chǔ)糧害蟲生長(zhǎng)，減少儲(chǔ)糧過程中糧食損失，保證糧食的品質(zhì)安全的目的，最終突破當(dāng)前糧食倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)理論瓶頸，豐富我國(guó)多場(chǎng)耦合理論和儲(chǔ)糧生態(tài)系統(tǒng)理論，對(duì)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)糧過程糧食品質(zhì)一致性、安全、綠色儲(chǔ)糧具有重要意義。因此本文在綜述國(guó)內(nèi)外研究基礎(chǔ)上，提出基于多孔介質(zhì)理論，考慮尺寸效應(yīng)對(duì)于微/納米多孔結(jié)構(gòu)中導(dǎo)熱及流動(dòng)的影響，從介觀和微觀尺度下研究它的傳熱傳質(zhì)內(nèi)在機(jī)理和規(guī)律，建立宏、微觀尺度下糧堆多孔介質(zhì)場(chǎng)下的傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)平房倉(cāng)儲(chǔ)糧生態(tài)多場(chǎng)耦合系統(tǒng)水分遷移傳遞機(jī)理的探討。

1 項(xiàng)目國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 多孔介質(zhì)內(nèi)部傳熱傳質(zhì)規(guī)律的研究

糧堆屬于多孔介質(zhì)是由糧食顆粒與空氣組成的多相物質(zhì)共存的一種組合體，糧食顆粒與顆粒間有孔隙存在，孔隙由氣體占據(jù)，構(gòu)成空隙的某些空洞在空間上相互連接。

近年來，國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)多孔介質(zhì)中流體流動(dòng)和傳熱傳質(zhì)問題做了大量的基礎(chǔ)理論研究和實(shí)驗(yàn)工作，該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)包括石油和煤層氣的開采、地下水的開采和污染物遷移等問題，針對(duì)糧堆多孔介質(zhì)內(nèi)部傳熱傳質(zhì)規(guī)律進(jìn)行的研究相對(duì)較少，但被研究者廣泛重視。由于多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)過程是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，受到許多因素影響，并且與其本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此多孔介質(zhì)糧食儲(chǔ)藏過程傳熱傳質(zhì)研究仍存在一定限制。

借鑒多孔介質(zhì)在其它領(lǐng)域中應(yīng)用的理論成果和研究來解決糧堆多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)問題的方法被研究者重視。糧食倉(cāng)儲(chǔ)過程實(shí)質(zhì)是糧食多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)和糧食微干燥系統(tǒng)水分、濕分和能量的遷移過程。由于糧食不僅自身具有生命過程，另外多孔介質(zhì)內(nèi)部孔隙尺度細(xì)微、具有復(fù)雜的容水結(jié)構(gòu)，而水分遷移傳遞過程，物理機(jī)制種類繁多及傳輸過程無法直接觀察等諸多原因，目前還沒有模型可以相對(duì)準(zhǔn)確地模擬多孔干燥過程水分的遷移過程。當(dāng)前多孔介質(zhì)內(nèi)部熱量和濕分傳遞模型有：蒸發(fā)-凝結(jié)理論模型、體積平均理論模型、液態(tài)擴(kuò)散模型和基于非平衡熱力學(xué)理論模型等，這些模型對(duì)多孔介質(zhì)內(nèi)部的物質(zhì)傳遞理論闡釋仍存在一定的局限，糧堆作為特殊的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)，其微干燥系統(tǒng)中水分和能量的遷移過程機(jī)理具有復(fù)雜性。需運(yùn)用宏觀體積法與局部熱平衡原理，從生物性多孔介質(zhì)自然對(duì)流傳熱傳質(zhì)的角度，研究分析自然儲(chǔ)藏過程中糧堆內(nèi)部孔隙空氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、水分場(chǎng)的耦合作用機(jī)理，同時(shí)分析機(jī)械通風(fēng)和自然倉(cāng)儲(chǔ)過程中糧堆內(nèi)部溫度和水分遷移的多孔介質(zhì)內(nèi)部傳熱傳質(zhì)規(guī)律。

多孔介質(zhì)中熱濕耦合傳遞理論最早源于土壤熱質(zhì)耦合傳遞的研究，含濕量的遷移不僅包括液態(tài)擴(kuò)散，同時(shí)也包括液體的毛細(xì)流動(dòng)和蒸汽的擴(kuò)散滲透理論，并以濃度梯度和溫度梯度為兩個(gè)驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行耦合，以飽和度和溫度為雙變量建立雙場(chǎng)模型。隨著多孔介質(zhì)理論的不斷發(fā)展，多孔介質(zhì)理論已滲透到了各行業(yè)，其中學(xué)者針對(duì)多孔介質(zhì)內(nèi)部傳熱傳質(zhì)規(guī)律的研究多集中在多孔介質(zhì)的干燥過程，研究者提出的濕分傳遞和水分遷移理論主要有液態(tài)擴(kuò)散理論、蒸發(fā)—凝結(jié)理論、Luikov A.V.理論、毛細(xì)流動(dòng)理論以及體積平均理論、納米粒子的流動(dòng)與沉積等[2-4]為進(jìn)一步在微觀尺度上深入理解多孔介質(zhì)表面的流體流動(dòng)特性傳遞機(jī)理提供了參考依據(jù)。

多年來，經(jīng)眾多學(xué)者的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，對(duì)多孔介質(zhì)內(nèi)部熱質(zhì)遷移的機(jī)理研究得出目前主要存在以下幾種熱、濕質(zhì)遷移機(jī)制，分別是：濕分在濃度梯度作用下的擴(kuò)散遷移、濕分在壓力梯度作用下的擴(kuò)散遷移、由毛細(xì)管力引起的液體在毛細(xì)管內(nèi)的流動(dòng)遷移、由于介質(zhì)內(nèi)部溫度梯度而引起的水分熱擴(kuò)散遷移、水分在毛細(xì)通道中蒸發(fā)與冷凝所引起的水分遷移等[5，6]。

利用多孔介質(zhì)理論研究糧堆熱濕分遷移、傳熱傳質(zhì)規(guī)律方面的研究較早由Laurindo等[7-9]據(jù)流體力學(xué)理論研究了糧堆中水分?jǐn)U散、多孔介質(zhì)非達(dá)西流體的流動(dòng)因子和多孔介質(zhì)中自然對(duì)流現(xiàn)象，建立了相關(guān)模型并進(jìn)行了優(yōu)化求解，為掌握糧堆傳熱傳質(zhì)問題提供了解決路徑。Thorpe等[10]建立偏微分方程組對(duì)含濕多孔介質(zhì)熱量傳輸進(jìn)行了描述與預(yù)測(cè)。Rocha等[11]研究了非飽和多孔介質(zhì)在溫度差作用下，由初始均勻濕度達(dá)到新平衡的動(dòng)態(tài)過程。Xu等[12]根據(jù)仿真方法得到的糧堆內(nèi)氣體組分及含量變化規(guī)律，并將其用于預(yù)測(cè)糧堆儲(chǔ)藏狀態(tài)，指導(dǎo)糧食倉(cāng)儲(chǔ)。Gbenga等[13]依據(jù)CFD原理質(zhì)量對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)氣流場(chǎng)分析，深入研究糧堆傳熱傳濕問題。有學(xué)者基于守恒定律和傳質(zhì)機(jī)理建立了數(shù)學(xué)模型，依據(jù)數(shù)學(xué)模型對(duì)筒倉(cāng)內(nèi)玉米糧堆內(nèi)水分變化規(guī)律進(jìn)行了探索，為深入研究糧堆傳熱傳質(zhì)問題提供了參考。

國(guó)內(nèi)研究者在多孔介質(zhì)理論研究方面，以及利用多孔介質(zhì)理論針對(duì)谷物干燥和糧食儲(chǔ)藏過程方面的研究雖然起步相對(duì)較晚，但經(jīng)過廣大研究者的不懈努力和長(zhǎng)期堅(jiān)持，取得了豐碩成果并將成果用于指導(dǎo)工程實(shí)踐。如王遠(yuǎn)成等[14]和尹君等[15]從多孔介質(zhì)，多尺度下分析自然儲(chǔ)藏過程中外界氣象參數(shù)變化時(shí)糧堆內(nèi)部的熱濕變化以及稻谷顆粒內(nèi)部熱濕傳遞與周圍空氣的溫濕度關(guān)系和水分遷移影響因素，并取得了系列成果。鄭先哲等[16]較早從糧食顆粒內(nèi)部傳熱傳質(zhì)耦合規(guī)律的研究進(jìn)行糧食(稻谷、玉米)干燥工藝及裝備的開發(fā)。胡眾歡等[17]構(gòu)建了熱風(fēng)干燥過程中物料外部與內(nèi)部的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、質(zhì)量場(chǎng)的控制方程及模型，描述了熱風(fēng)干燥過程中整個(gè)干燥室內(nèi)的濕熱傳遞規(guī)律，針對(duì)油菜籽熱風(fēng)干燥過程進(jìn)行了模擬。王會(huì)林等[18]根據(jù)生物多孔介質(zhì)中溫度、水分及應(yīng)力之間復(fù)雜的耦合關(guān)系,基于菲克擴(kuò)散定律、傅立葉導(dǎo)熱定律和熱彈性力學(xué)理論,建立了對(duì)流干燥條件下,含濕多孔介質(zhì)內(nèi)部傳熱傳質(zhì)過程熱-濕-力雙向耦合的數(shù)學(xué)模型。湯一村等[19]基于Whitaker體積平均理論建立了多孔介質(zhì)熱風(fēng)干燥的理論模型，結(jié)合隱式有限差分法對(duì)其進(jìn)行了離散求解，在處理方程的非線性效應(yīng)時(shí)采用了預(yù)估-校正算法。

理論所建立的多依據(jù)多孔介質(zhì)干燥模型，多以連續(xù)體假設(shè)為基礎(chǔ)，認(rèn)為在任意時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)占據(jù)了空間內(nèi)的所有點(diǎn)，而表示物體運(yùn)動(dòng)特性和物體性質(zhì)的物理量是空間和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。由于多孔介質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)干燥過程和干燥品質(zhì)的影響很大，使得模型的模擬計(jì)算和分析研究不甚理想。因此，迫切需要找到一種合適的幾何描述方法來定量表征多孔介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜特性，揭示對(duì)其內(nèi)部滲流規(guī)律和濕分遷移機(jī)理的影響，從而可能使多孔介質(zhì)傳遞過程的研究取得突破性進(jìn)展。作為微干燥系統(tǒng)的糧食倉(cāng)儲(chǔ)過程的模型，由于糧食儲(chǔ)藏過程自身的呼吸作用，在建立糧倉(cāng)內(nèi)部多孔介質(zhì)內(nèi)部傳熱傳質(zhì)規(guī)律模型時(shí)，需要突破當(dāng)前多孔介質(zhì)理論的局限，多孔介質(zhì)作為宏觀尺度上的虛擬連續(xù)體，按照多尺度理論從介觀和微觀尺度去認(rèn)識(shí)和研究它的傳熱傳質(zhì)內(nèi)在機(jī)理和規(guī)律。另外糧堆熱濕耦合水分、能量遷移規(guī)律研究涉及湍流、濕空氣傳熱、多孔介質(zhì)傳熱、多孔介質(zhì)傳質(zhì)和環(huán)境大氣等多個(gè)物理場(chǎng)。

本研究提出基于介觀和微觀尺度去建立糧堆的多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)模型，同時(shí)結(jié)合影響糧堆傳質(zhì)傳熱模型影響因素的耦合關(guān)系以及結(jié)合尺寸效應(yīng)的影響，搭建一個(gè)多因素耦合作用的多尺度下的糧堆內(nèi)糧粒間的傳熱傳質(zhì)理論分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的研究系統(tǒng)，從介觀和微觀尺度下揭示糧食儲(chǔ)藏過程糧堆內(nèi)的傳熱傳質(zhì)內(nèi)在機(jī)理和能量遷移規(guī)律。

1.2 儲(chǔ)糧生態(tài)多場(chǎng)耦合系統(tǒng)水分遷移傳遞機(jī)理研究

糧堆內(nèi)部空氣占比為30%～50%，空氣中的含水量通常用相對(duì)濕度表示，空氣中的相對(duì)濕度在研究時(shí)用濕分表達(dá)，空隙間空氣的相對(duì)濕度與儲(chǔ)糧所含的水分含量為緊密相連的。溫度相同時(shí)，在一段時(shí)間后，若氣體不流動(dòng)，此時(shí)糧食物料內(nèi)的水分含量與空氣中的相對(duì)濕度達(dá)到平衡，糧食中的水分向空氣中蒸發(fā)的速率與糧食從空氣中吸收濕分的速率平衡。這時(shí)的相對(duì)濕度稱為平衡相對(duì)濕度，而此時(shí)的水分也稱為平衡水分，不在這個(gè)平衡狀態(tài)的糧堆通常處于解吸濕狀態(tài)，或者吸濕狀態(tài)。由于本次研究對(duì)象平房倉(cāng)面積較大，有向陽(yáng)面有背陰面，太陽(yáng)輻射對(duì)倉(cāng)內(nèi)熱量帶來較大影響，由于外界氣溫晝夜以及季節(jié)變化，糧食不斷與外界通過倉(cāng)壁進(jìn)行熱量交換，而糧食比熱容較大，糧堆內(nèi)部空隙間的空氣與糧堆外部空氣都易形成溫度梯度。在溫度梯度的影響下，會(huì)產(chǎn)生與溫度梯度同方向的水蒸氣壓力梯度，而糧食存在吸濕和解吸濕特性，最終會(huì)導(dǎo)致水蒸氣在糧堆內(nèi)移動(dòng)，也就是水分遷移。

為研究?jī)?chǔ)糧生態(tài)多場(chǎng)耦合系統(tǒng)水分遷移傳遞機(jī)理，首先需要理清儲(chǔ)糧生態(tài)多場(chǎng)耦合系統(tǒng)關(guān)系，然后根據(jù)此耦合關(guān)系，建立宏、微觀尺度下糧堆多孔介質(zhì)多場(chǎng)下的傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型，并對(duì)模型計(jì)算分析和研究，進(jìn)而理清儲(chǔ)糧生態(tài)多場(chǎng)耦合系統(tǒng)水分遷移傳遞機(jī)理。糧堆內(nèi)部的熱濕耦合傳遞和水分遷移作為非線性問題，是本項(xiàng)目將要重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵問題。糧堆內(nèi)溫度水分的研究逐步被研究者關(guān)注，并采用實(shí)驗(yàn)、理論分析等多種方法開展研究，取得了一定成績(jī)。

如Thorpe[20]較早開展糧堆水分、質(zhì)量傳輸機(jī)理方面研究，先后構(gòu)建了相關(guān)數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用仿真分析方法得到了儲(chǔ)藏過程糧食溫度、水分等物理場(chǎng)的分布及變化規(guī)律。Ruska等[21]采用二維柱坐標(biāo)導(dǎo)熱微分方程獲得了笛卡爾坐標(biāo)系下，筒倉(cāng)內(nèi)溫度場(chǎng)分布和其隨環(huán)境溫度變化的規(guī)律，作為早期開展糧堆內(nèi)部的熱濕耦合傳遞和水分遷移方面的研究者。Abe等[22]提出溫度、濕度是影響儲(chǔ)糧狀態(tài)的兩個(gè)重要因素，實(shí)驗(yàn)得到了筒倉(cāng)內(nèi)稻谷在一個(gè)儲(chǔ)藏周期中溫度場(chǎng)的變化，盡管沒有考慮稻谷溫濕度的耦合作用，但為預(yù)測(cè)儲(chǔ)藏周期內(nèi)稻谷的溫、濕度場(chǎng)的變化提供了支撐，為后續(xù)研究提供了幫助。Gastón等[23]采用谷物水分等溫吸附方程和熱質(zhì)局部平衡原理，分別以倉(cāng)儲(chǔ)小麥和稻谷作為研究對(duì)象，構(gòu)建了糧食倉(cāng)儲(chǔ)過程的熱濕傳遞耦合模型。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，研究者開始嘗試新的手段和方法對(duì)糧堆溫度梯度模擬，水分遷移規(guī)律進(jìn)行探討，甚至采用核磁共振技術(shù)分析觀察小麥顆粒自身變化特性。其中Ghosh等[24]將核磁共振用于觀察小麥顆粒干燥過程中不同部位水分分布和遷移的變化情況。Decarvalho等[25]考慮倉(cāng)儲(chǔ)過程糧堆自身發(fā)熱作用，并引入糧堆內(nèi)自熱和周期變化的環(huán)境數(shù)據(jù)構(gòu)建了不同倉(cāng)儲(chǔ)狀態(tài)下糧倉(cāng)內(nèi)溫濕度的變化模型。Carrera等[26]基于數(shù)值計(jì)算方法獲得了圓筒倉(cāng)內(nèi)高粱的溫度場(chǎng)隨著環(huán)境溫濕度的變化規(guī)律。隨后Wang等[27]在強(qiáng)制對(duì)流作用下熱量傳輸和垂直方向水分傳遞規(guī)律，強(qiáng)制通風(fēng)降溫時(shí)糧堆內(nèi)溫濕度與通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)速、氣流溫濕度之間的規(guī)律方面也取得了一定成果，采用仿真和實(shí)驗(yàn)的方法來預(yù)測(cè)糧堆溫濕度變化和水分遷移實(shí)現(xiàn)對(duì)糧倉(cāng)的有效控制。Andrea等[28]研究了谷物干燥溫度和原始水分與水分遷移之間的關(guān)系, 并闡述了水分?jǐn)U散和吸收之間能量變化, 提出了影響水分遷移的因素為原始水分含量、平衡水分含量和谷物的等效半徑。

國(guó)內(nèi)研究者也陸續(xù)根據(jù)糧堆多孔介質(zhì)特性和環(huán)境因素的影響，先后依據(jù)傳熱學(xué)理論再運(yùn)用有限元方法模擬了非穩(wěn)態(tài)下水稻溫度場(chǎng)的分布；基于實(shí)倉(cāng)溫度測(cè)試數(shù)據(jù)的擬合分析，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)內(nèi)不同糧層處溫濕度變化的預(yù)測(cè)；基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)房式倉(cāng)“F”型網(wǎng)絡(luò)冷卻通風(fēng)時(shí)糧堆內(nèi)溫度、水分的變化進(jìn)行數(shù)值仿真，以獲取糧堆濕熱遷移規(guī)律；由于糧食裝倉(cāng)后存在自身壓力等情況的影響，研究者在分析糧倉(cāng)內(nèi)糧食溫濕度及水分遷移規(guī)律時(shí)，需要考慮多場(chǎng)耦合的作用。如任廣躍等[29]以中試鋼板淺圓倉(cāng)為目標(biāo)倉(cāng)，以小麥為研究對(duì)象模擬了機(jī)械通風(fēng)過程中糧堆內(nèi)壓力場(chǎng)分布，得出了風(fēng)量、通風(fēng)方式和壓力之間規(guī)律。陳桂香等[30]確立了機(jī)械通風(fēng)強(qiáng)制對(duì)流狀態(tài)下糧堆內(nèi)濕熱耦合傳遞模型，模擬了糧食解吸和吸附狀態(tài)時(shí)熱量交換和水分遷移的變化過程，得出了該過程中糧堆熱濕耦合規(guī)律。亓偉等[31]認(rèn)為糧食具有生命活動(dòng)，需考慮其自呼吸作用，并借助多物理場(chǎng)數(shù)值模擬軟件針對(duì)不通風(fēng)狀態(tài)下糧食在自然對(duì)流和溫度梯度等耦合影響和不同季節(jié)的溫度分布和水分轉(zhuǎn)移。段珊珊等[32]針對(duì)氣象因素對(duì)儲(chǔ)糧環(huán)境的影響,建立了倉(cāng)儲(chǔ)糧堆溫度參數(shù)和氣象因素的數(shù)學(xué)關(guān)系,證明了基于氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行糧堆溫度預(yù)測(cè)的可行性。提出了基于氣象8因素的儲(chǔ)藏糧堆表層(糧面以下50 cm處)平均溫度預(yù)測(cè)模型，利用氣象的氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、地面溫度、日照時(shí)間、降水量、蒸發(fā)量、風(fēng)速多個(gè)因素展開構(gòu)建對(duì)儲(chǔ)藏糧堆表層平均溫度估計(jì)。李冬坤[33]研究了不同儲(chǔ)藏條件下粳稻谷質(zhì)量指標(biāo)、氣味以及低場(chǎng)核磁采集粳稻谷水分?jǐn)?shù)據(jù)的變化。李陽(yáng)[34]曾對(duì)糧食干燥機(jī)理，糧食顆粒強(qiáng)度等物理性能與糧食水分間的關(guān)系進(jìn)行過深入研究。解決了糧食低溫儲(chǔ)藏裝備面臨的相關(guān)技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了糧食儲(chǔ)藏裝備的產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代，減少了傳統(tǒng)糧食儲(chǔ)存過程需要化學(xué)藥品熏蒸所造成的環(huán)境污染、糧食污染及化學(xué)藥品殘留超標(biāo)的問題。

此外，當(dāng)前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)糧食儲(chǔ)藏過程中熱濕傳遞現(xiàn)象可概括成：與糧堆熱濕傳遞過程密切相關(guān)的小麥、五米等谷物的熱物性的測(cè)試、以及影響因素的分析，獲得了小麥、玉米等糧堆的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱?；诰植康臒豳|(zhì)衡原理和吸濕解吸濕相變理論，提出了描述深展糧堆內(nèi)部熱濕耦合傳遞規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)溫度變化的規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬。借助數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，以小麥為研究對(duì)象，研究分析糧倉(cāng)內(nèi)部的溫濕度通風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)量和氣流的溫濕度關(guān)系。

當(dāng)前研究多考慮單一因素溫度、濕度與通風(fēng)氣流、風(fēng)量的關(guān)系，很難理清儲(chǔ)糧生態(tài)多場(chǎng)耦合系統(tǒng)關(guān)系，另外由于糧食自身具有呼吸功能的生命特性，而當(dāng)前多孔介質(zhì)理論多從單一尺度下建立研究理論模型的。尚不能從介觀和微觀尺度下研究多孔介質(zhì)倉(cāng)儲(chǔ)糧堆的傳熱傳質(zhì)內(nèi)在機(jī)理和規(guī)律，建立基于糧食生態(tài)作用的宏、微觀尺度下糧堆多孔介質(zhì)多場(chǎng)傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型。結(jié)合儲(chǔ)糧生態(tài)多場(chǎng)耦合系統(tǒng)的各因素相干性問題，從理論角度深層次闡釋儲(chǔ)糧生態(tài)多場(chǎng)耦合系統(tǒng)水分遷移傳遞機(jī)理，為生態(tài)儲(chǔ)糧提供理論支撐。

2 儲(chǔ)糧系統(tǒng)水分遷移機(jī)理研究展望

儲(chǔ)糧倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)模型對(duì)于自然存儲(chǔ)時(shí)糧堆的熱濕傳遞已有大量研究，但是鮮見針對(duì)糧食呼吸作用開展的研究，而糧食顆粒作為有生命體征的多孔介質(zhì)，糧堆作為完整的生態(tài)系統(tǒng)，其內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，參數(shù)眾多，且各參數(shù)之間相互影響確定較為困難，目前主要依靠經(jīng)驗(yàn)公式。對(duì)于糧堆的水分遷移的機(jī)理研究較為薄弱，目前現(xiàn)有的熱濕模型的精確度難以保證。針對(duì)儲(chǔ)糧過程的機(jī)械通風(fēng)作業(yè)，缺少糧倉(cāng)內(nèi)部溫濕度以及水分遷移的機(jī)理研究，導(dǎo)致出現(xiàn)能耗大、過度通風(fēng)、無效通風(fēng)，通風(fēng)后糧食水分過度損耗帶來嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)問題與糧食安全問題。因此，針對(duì)儲(chǔ)量系統(tǒng)水分遷移機(jī)理研究的未來發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)該從4個(gè)方面進(jìn)行研究：

建立反映實(shí)際情況的儲(chǔ)糧系統(tǒng)多場(chǎng)耦合數(shù)學(xué)模型。首先將糧堆假設(shè)為虛擬連續(xù)多孔介質(zhì)體，由眾多谷物顆粒以及充滿空氣和水蒸汽的混合氣體組成，顆粒大小分布均勻，孔隙分布均勻。糧堆在自然通風(fēng)倉(cāng)儲(chǔ)過程和機(jī)械通風(fēng)過程作為一個(gè)微觀干燥過程，采用局部非平衡方法建立數(shù)學(xué)模型，認(rèn)為顆粒溫度和氣體溫度未達(dá)到平衡，顆粒的水分濃度和氣體的水分濃度也未達(dá)到平衡，采用達(dá)西定律描述氣體在糧堆多孔介質(zhì)中的流動(dòng)狀態(tài)，并考慮各參數(shù)和變量之間的耦合影響，最終建立糧堆溫度和含水率、空氣溫度和濕度、空氣流速和壓強(qiáng)的三維糧堆通風(fēng)干燥數(shù)學(xué)模型。

構(gòu)建非穩(wěn)態(tài)非線性的偏微分方程組數(shù)學(xué)模型，從數(shù)學(xué)關(guān)系的角度，揭示儲(chǔ)糧系統(tǒng)多場(chǎng)條件下的儲(chǔ)糧影響因素耦合相干性問題。結(jié)合多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)理論和熱濕耦合作用，建立糧食自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)過程中熱濕耦合傳遞數(shù)學(xué)模型，針對(duì)玉米、小麥、稻谷等糧食顆粒，分析其熱力學(xué)特性，研究不同糧食在含水率不同時(shí)，吸濕以及解吸濕帶來的熱量傳遞，建立不同糧食的熱傳遞回歸方程。多孔介質(zhì)材料的內(nèi)部的濕熱互為因果、相互耦合，水的相變和濃度梯度作用下的遷移都會(huì)伴隨著熱量的轉(zhuǎn)移，同時(shí)水分會(huì)對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)、熱容等材料屬性產(chǎn)生影響，進(jìn)而產(chǎn)生溫度梯度影響水分的遷移現(xiàn)象。

充分利用仿真分析方法針對(duì)散糧實(shí)驗(yàn)倉(cāng)儲(chǔ)過程多場(chǎng)耦合傳遞過程的數(shù)值模擬研究，得到不同散糧堆的氣流場(chǎng)、水蒸氣壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及水分場(chǎng)等隨儲(chǔ)藏時(shí)間的變化規(guī)律。因?yàn)樯婕岸辔锢韴?chǎng)的數(shù)值模擬，常用的流體仿真軟件FLURNT進(jìn)行流場(chǎng)仿真已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的增加物理場(chǎng)，針對(duì)多場(chǎng)耦合推薦使用COMSOL多物理場(chǎng)仿真軟件，在多孔介質(zhì)傳熱的基礎(chǔ)上先增加空氣流場(chǎng)使二者耦合后，再添加水分場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)耦合，生物質(zhì)帶來的影響不容忽視，應(yīng)加入呼吸作用化學(xué)方程式，綜合考率后并根據(jù)守恒定律，推理獲得倉(cāng)儲(chǔ)糧堆傳熱傳質(zhì)控制方程，包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、水分遷移方程和對(duì)流傳熱方程，對(duì)上述方程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，進(jìn)行分析求解，為實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)建立好的模型以及數(shù)值仿真的結(jié)果，設(shè)計(jì)相關(guān)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。根據(jù)平房倉(cāng)不同區(qū)域可能出現(xiàn)的問題，基于實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法，分模塊搭建糧食倉(cāng)儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，建立糧食倉(cāng)儲(chǔ)過程自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)狀態(tài)下，糧倉(cāng)內(nèi)溫度梯度場(chǎng)、壓力梯度場(chǎng)空氣溫度和濕度場(chǎng)，另外通過扦樣方法獲得糧倉(cāng)內(nèi)糧食顆粒的水分梯度。對(duì)于靜態(tài)倉(cāng)儲(chǔ)的自然對(duì)流擴(kuò)散現(xiàn)象和機(jī)械通風(fēng)的動(dòng)態(tài)水分傳遞傳遞的多場(chǎng)耦合過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)建立的數(shù)學(xué)模型以及數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。在實(shí)際倉(cāng)內(nèi)實(shí)驗(yàn)和模擬測(cè)試實(shí)驗(yàn)、多物理場(chǎng)耦合數(shù)學(xué)模型仿真的基礎(chǔ)上，研究散糧糧堆中多場(chǎng)間相互作用關(guān)系，建立多尺度糧堆濕熱模型全面地描述糧堆內(nèi)部溫度場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)更大范圍糧情的跟蹤、分析和預(yù)測(cè)。針對(duì)未來研究提出了一些規(guī)劃如圖1。

3 總結(jié)

本文概述了當(dāng)前針對(duì)糧食倉(cāng)儲(chǔ)的熱濕耦合機(jī)理模型、實(shí)驗(yàn)和仿真的研究方法。介紹了現(xiàn)有的多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)模型多依據(jù)多孔介質(zhì)干燥模型，而多孔介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)等參數(shù)對(duì)于實(shí)際干燥過程和品質(zhì)帶來的影響很大，導(dǎo)致現(xiàn)有模型無法真正模擬實(shí)際糧堆的傳熱傳質(zhì)過程。提出了基于介觀微觀尺度，建立糧倉(cāng)內(nèi)部多孔介質(zhì)傳熱規(guī)律模型，搭建了充分考慮糧堆完整生態(tài)的模型。

在對(duì)平房倉(cāng)儲(chǔ)糧生態(tài)多場(chǎng)耦合系統(tǒng)水分遷移傳遞機(jī)理研究的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，提出基于多孔介質(zhì)理論，考慮尺寸效應(yīng)對(duì)于微/納米多孔結(jié)構(gòu)中導(dǎo)熱及流動(dòng)的影響，從介觀和微觀尺度下研究它的傳熱傳質(zhì)內(nèi)在機(jī)理和規(guī)律，建立宏、微觀尺度下糧堆多孔介質(zhì)多場(chǎng)下的傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)平房倉(cāng)儲(chǔ)糧生態(tài)多場(chǎng)耦合系統(tǒng)水分遷移傳遞機(jī)理探討，確保國(guó)家糧食安全。在整體趨勢(shì)上，本領(lǐng)域的熱濕耦合水分遷移研究將向數(shù)值模擬更加真實(shí)、考慮因素更加全面，實(shí)驗(yàn)研究更加貼合實(shí)情、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)更加仔細(xì)，理論更加深入、結(jié)果分析更加實(shí)際的方向發(fā)展。