地下糧倉(cāng)不同內(nèi)襯材料儲(chǔ)糧實(shí)驗(yàn)與模擬研究

收稿日期：2022-03-07

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（12072107）；河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（212102310291）

通信作者：陳 雁（1977—），女，博士、教授，主要從事可再生能源與建筑節(jié)能方面的研究。chenyan@haut.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0269 文章編號(hào)：0254-0096（2023）06-0053-08

摘 要：針對(duì)地下糧倉(cāng)中不同內(nèi)襯防水材料，設(shè)計(jì)地下糧倉(cāng)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在3個(gè)連續(xù)變化的儲(chǔ)糧外界環(huán)境條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究在準(zhǔn)靜態(tài)非人工干預(yù)條件下不同內(nèi)襯防水材料對(duì)地下倉(cāng)內(nèi)壁處結(jié)露的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：外界環(huán)境的影響在地下糧倉(cāng)埋深較淺時(shí)較為顯著，尤其是倉(cāng)內(nèi)上層，使糧堆溫度呈“冷皮熱芯”的分布特點(diǎn)；內(nèi)襯為聚丙烯板時(shí)，倉(cāng)溫高于內(nèi)襯不銹鋼板，倉(cāng)內(nèi)空氣最大溫差為1.5 ℃，相對(duì)濕度小于內(nèi)襯不銹鋼板，最大差值為7.1%，平均糧溫相差0.5 ℃。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明聚丙烯更適合作為地下倉(cāng)內(nèi)襯防水材料。基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將不銹鋼、聚乙烯、聚丙烯、玻璃鋼、瀝青涂層及空白實(shí)驗(yàn)組（無(wú)內(nèi)襯材料混凝土倉(cāng)壁）進(jìn)行對(duì)比模擬研究，結(jié)果表明倉(cāng)內(nèi)降溫效果為：不銹鋼板gt;瀝青gt;聚乙烯板gt;玻璃鋼gt;聚丙烯板，但考慮到結(jié)露問(wèn)題，內(nèi)襯聚丙烯板溫度變化更平穩(wěn)，倉(cāng)壁處不易發(fā)生結(jié)露。

關(guān)鍵詞：糧食儲(chǔ)藏；地?zé)崮?；結(jié)露；模擬實(shí)驗(yàn)；內(nèi)襯材料

中圖分類(lèi)號(hào)：TK52；TU96" nbsp; " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

加強(qiáng)糧食儲(chǔ)備是防范、化解糧食風(fēng)險(xiǎn)，確保中國(guó)糧食安全的重要措施。由于建設(shè)年代較早，中國(guó)糧食倉(cāng)儲(chǔ)建筑普遍存在土地利用率低、儲(chǔ)糧能耗高等問(wèn)題。建設(shè)地下糧倉(cāng)為解決此類(lèi)問(wèn)題提供了一種思路。在中國(guó)南方地區(qū)，地下糧倉(cāng)位于地表以下3～30 m范圍內(nèi)，利用這一位置地溫在高溫季節(jié)顯著低于大氣溫度和土壤導(dǎo)熱系數(shù)低的特點(diǎn)［1］，既節(jié)約了土地資源，還能利用淺層自然地溫實(shí)現(xiàn)糧食長(zhǎng)期的低溫或準(zhǔn)低溫儲(chǔ)藏，避免化學(xué)熏蒸造成的藥物殘留，提高儲(chǔ)糧品質(zhì)［2］。地下土壤潮濕，為保持干燥的倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境，常見(jiàn)做法是對(duì)倉(cāng)體采用結(jié)構(gòu)防水和附加防水。儲(chǔ)糧過(guò)程中，由于地下溫度相對(duì)較低，糧食入倉(cāng)前若處理不當(dāng)，糧堆芯部會(huì)因自呼吸釋放熱量，在溫度梯度作用下向低溫倉(cāng)壁傳遞，隨之引起糧粒間隙相對(duì)濕度改變。如果壁面溫度低于對(duì)應(yīng)環(huán)境露點(diǎn)，則倉(cāng)壁處糧粒表面將產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致糧食發(fā)芽甚至霉變，造成壞糧等儲(chǔ)藏事故，危及糧食安全［3-5］。因此，做好倉(cāng)壁處的溫度控制有利于預(yù)防結(jié)露。本文針對(duì)地下糧倉(cāng)常用的兩種附加防水內(nèi)襯板材，即內(nèi)襯不銹鋼板和內(nèi)襯聚丙烯板，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究不同防水板材對(duì)地下倉(cāng)儲(chǔ)糧過(guò)程倉(cāng)內(nèi)熱環(huán)境尤其是壁面處溫度環(huán)境的影響。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與原理

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

本文根據(jù)相似理論，基于實(shí)際倉(cāng)房特點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，按實(shí)倉(cāng)特征尺寸相對(duì)比例搭建縮小的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。地下糧倉(cāng)外環(huán)境的傳熱為半無(wú)限大空間傳熱，沿深度方向上的溫度變化明顯大于水平方向，研究區(qū)域可簡(jiǎn)化為倉(cāng)體深度和長(zhǎng)度方向的二維傳熱。地下實(shí)驗(yàn)糧倉(cāng)為長(zhǎng)方體。根據(jù)實(shí)際工程倉(cāng)房數(shù)據(jù)，外界溫度變化對(duì)地上糧倉(cāng)的影響范圍可達(dá)倉(cāng)壁以內(nèi)0.3～0.5 m處，而對(duì)地下糧倉(cāng)產(chǎn)生影響的區(qū)域，則不超過(guò)0.3 m。由于地下溫度在水平方向上呈均勻分布，與深度垂直的平面上熱作用對(duì)稱，兩個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)糧倉(cāng)的尺寸均為1 m×1 m×1 m，所用儲(chǔ)藏介質(zhì)為小麥原糧。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

如圖1所示，模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含地下實(shí)驗(yàn)倉(cāng)主體和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。地下實(shí)驗(yàn)糧倉(cāng)由上部倉(cāng)頂蓋和下部空氣層、糧堆組成。頂蓋尺寸為237 cm×134 cm×4 cm，用以隔絕上方環(huán)境影響；下部空間尺寸為207 cm×104 cm×102 cm，中間采用3 cm 的隔熱板分為A、B兩個(gè)倉(cāng)室。在倉(cāng)室中除隔熱板面外分別對(duì)應(yīng)粘貼4塊厚度為0.3 cm、長(zhǎng)、寬尺寸均為95 cm的聚丙烯板（A倉(cāng)）和不銹鋼板（B倉(cāng)）。倉(cāng)體均采用1 cm厚的聚丙烯塑料作為外殼。裝糧前對(duì)實(shí)驗(yàn)倉(cāng)體進(jìn)行閉水實(shí)驗(yàn)，未發(fā)生漏水現(xiàn)象，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

本實(shí)驗(yàn)選用TOPRIE-TP700型多通路數(shù)據(jù)記錄儀采集數(shù)據(jù)，通過(guò)模塊與溫、濕度傳感器相連接。模擬實(shí)驗(yàn)倉(cāng)中共布置35個(gè)測(cè)點(diǎn)；傳感器采用TOPRIE-TP2305型，溫度量程為[-40～125] ℃、精度為±0.3%；相對(duì)濕度量程為0～100% RH、精度為±3.0% RH。測(cè)量?jī)x表最佳量程范圍覆蓋實(shí)際地下倉(cāng)儲(chǔ)糧過(guò)程可能出現(xiàn)的最低露點(diǎn)。溫、濕度傳感器均在實(shí)驗(yàn)前經(jīng)同一環(huán)境校準(zhǔn)至允許誤差范圍內(nèi)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 測(cè)點(diǎn)布置

A、B倉(cāng)室溫、濕度傳感器位置關(guān)于中部隔熱板對(duì)稱，如圖2a所示。以A倉(cāng)室為例：倉(cāng)室總高度為100 cm，裝糧高度為90 cm，沿與隔熱板垂直方向橫向4層布置（距倉(cāng)底90.0、67.5、45.0、0 cm分別為第1～4層）；與隔熱板平行方向縱向4列布置（距隔熱板100、75、50、0 cm分別為第1～4列）。此外，兩倉(cāng)室糧堆表面以上空氣層各布置測(cè)點(diǎn)1個(gè)，共布置35個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖2b所示。A、B兩倉(cāng)沿深度方向各取同一層4個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值作為該深度對(duì)應(yīng)的溫、濕度測(cè)量值（如：A1層為測(cè)點(diǎn)1、5、9、13的平均值，B1層為測(cè)點(diǎn)17、21、25、29的平均值），沿水平方向由倉(cāng)體壁面向隔板取各豎列上、下4個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值作為該列溫、濕度測(cè)量值（如：A1列為測(cè)點(diǎn)1、2、3、4的平均值，B1列為測(cè)點(diǎn)17、18、19、20的平均值）。

1.3.2 數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)儲(chǔ)藏階段從2020年9月24日—2021年1月12日，包含秋季、秋冬過(guò)渡季和冬季3個(gè)階段。通過(guò)數(shù)據(jù)記錄

儀連續(xù)記錄35個(gè)測(cè)點(diǎn)處糧堆溫、濕度和環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)變化，每5 min進(jìn)行一次采集，由于糧食導(dǎo)熱系數(shù)低、溫度變化慢，采用其日平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同內(nèi)襯材料對(duì)糧溫的影響

實(shí)驗(yàn)期間外界氣溫變化如圖3所示。根據(jù)氣溫高低劃分外界熱環(huán)境3個(gè)階段的起止時(shí)間。秋季：2020年9月24日—11月3日（氣溫為17～25 ℃）；秋冬過(guò)渡季：2020年11月4日—23日（氣溫為10～17 ℃）；冬季：2020年11月24日—2021年1月12日（氣溫為[-1～10] ℃）。

A、B倉(cāng)各列溫度均值如圖4所示，沿橫向?qū)Ρ确治觯瑑蓚}(cāng)倉(cāng)內(nèi)糧堆溫度受環(huán)境溫度影響變化趨勢(shì)相同，由于不銹鋼導(dǎo)熱性能優(yōu)于聚丙烯，B倉(cāng)較A倉(cāng)糧溫下降略快。在距中間隔熱板相同距離處，A、B倉(cāng)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)之間溫度差為0.10 ℃（隔熱板處）、0.45 ℃（0.50 m）、0.55 ℃（0.75 m）和0.66 ℃（倉(cāng)壁處）。說(shuō)明越貼近倉(cāng)壁處，不銹鋼板一側(cè)溫度越低于聚丙烯板一側(cè)。表明在近倉(cāng)壁0.3 m范圍內(nèi)屬于受外界影響的敏感區(qū)域，內(nèi)襯材料不同，對(duì)近倉(cāng)壁處糧溫的影響較為明顯。沿縱向?qū)Ρ确治?，A、B倉(cāng)各層溫度均值如圖5所示，兩倉(cāng)室在同一深度下的溫度變化相近，如第4層，且空氣層在糧堆表面處的影響在兩倉(cāng)室中均比糧堆芯部更明顯。與倉(cāng)底相同距離處兩倉(cāng)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)溫差為0.30 ℃（接近倉(cāng)底）、0.31 ℃（0.450 m）、0.48 ℃（0.675 m）和0.67 ℃（糧面）。季節(jié)變化時(shí)，同一深度下兩倉(cāng)對(duì)應(yīng)點(diǎn)溫差較大，表明外界熱環(huán)境急劇轉(zhuǎn)換更易促成上方糧食結(jié)露的溫度條件。

在秋冬過(guò)渡季開(kāi)始時(shí)（11月4日），A、B兩倉(cāng)室的平均溫度分別為21.49和20.83 ℃，倉(cāng)內(nèi)溫度隨深度呈逐層降低趨勢(shì)，秋冬過(guò)渡季環(huán)境氣溫由17 ℃下降至10 ℃。冬季開(kāi)始時(shí)（11月24日），A、B兩倉(cāng)室上部靠近地表處較實(shí)驗(yàn)之初分別降低3.52和3.80 ℃，兩倉(cāng)室底部降溫分別為1.29和1.30 ℃，距地表更近是倉(cāng)室上部降溫較大的原因。兩倉(cāng)對(duì)比來(lái)看，不銹鋼板B倉(cāng)溫度整體略低于A倉(cāng)溫度，在1月12日實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，與冬天地上倉(cāng)儲(chǔ)糧的情況相類(lèi)似，呈“冷皮熱芯”的分布規(guī)律［6］。

取A倉(cāng)底部測(cè)點(diǎn)4所在位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，A、B整倉(cāng)長(zhǎng)度方向?yàn)閇x]軸正方向，單倉(cāng)厚度方向?yàn)閇y]方向，糧堆深度方向?yàn)閇z]軸負(fù)方向，建立坐標(biāo)系。取[xoz]二維平面繪制倉(cāng)內(nèi)溫、濕度變化云圖。如圖6所示，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，兩倉(cāng)溫度基本與外界持平，整倉(cāng)最大溫差約2.30 ℃；實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，倉(cāng)內(nèi)糧堆上方受空氣層影響，兩側(cè)受土壤影響，等溫線分布接近圓弧型，并且A、B兩倉(cāng)室的溫度場(chǎng)關(guān)于中間隔板呈近似對(duì)稱的橢圓形，最大溫差約6.50 ℃，開(kāi)始與結(jié)束時(shí)倉(cāng)內(nèi)溫度梯度方向相反。儲(chǔ)藏實(shí)驗(yàn)期間，外界氣溫不斷降低，土壤越靠近地表，越接近外界氣溫，倉(cāng)內(nèi)上層受其影響，溫度隨之降低，進(jìn)而影響到下方糧堆。由于土壤導(dǎo)熱系數(shù)高于糧堆及隔熱頂板，其溫度下降得更快，使整個(gè)倉(cāng)室逐漸呈現(xiàn)從下到上、從內(nèi)到外的溫差。

2.2 不同內(nèi)襯材料對(duì)相對(duì)濕度的影響

A、B倉(cāng)室小麥濕度場(chǎng)云圖如圖7所示。倉(cāng)內(nèi)小麥糧堆相對(duì)濕度在38%～50%的范圍變化，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，A、B倉(cāng)室糧堆平均相對(duì)濕度分別為45.5%和45.2%，基本相同。隨著實(shí)

驗(yàn)的進(jìn)行，糧堆芯部相度濕度降低，至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，兩倉(cāng)均呈現(xiàn)中部相對(duì)濕度較低的狀態(tài)。這是由于初始裝糧時(shí)糧粒外皮含水量較少，與糧粒間隙空氣相比較干燥，儲(chǔ)藏過(guò)程中在二者相對(duì)濕度的差異下外皮不斷吸濕造成的。A倉(cāng)相對(duì)濕度沿深度方向逐層降低，B倉(cāng)下部不銹鋼板及糧面處相對(duì)濕度最高，較不銹鋼板材，采用聚丙烯板可明顯降低壁面處的結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)。

沿橫向?qū)Ρ确治觯珹、B倉(cāng)各列相對(duì)濕度均值如圖8所示。在壁面處B倉(cāng)糧堆（B1列）相對(duì)濕度高于A倉(cāng)（A1列）約1.17%，兩倉(cāng)室在距倉(cāng)壁0.25 m處相對(duì)濕度基本相同；在距倉(cāng)壁0.5 m的倉(cāng)室中心處A倉(cāng)高于B倉(cāng)約1.30%；而兩倉(cāng)室之間的隔板處A倉(cāng)則高于B倉(cāng)約0.47%?？v向?qū)Ρ?，A、B倉(cāng)各層相對(duì)濕度均值如圖9所示。相同深度下糧堆表面B倉(cāng)的相對(duì)濕度平均高于A倉(cāng)2.96%，距糧堆表面以下0.225、0.450 m和倉(cāng)底處A倉(cāng)平均高于B倉(cāng)1.70%、1.00%和0.86%。由此可知，倉(cāng)內(nèi)橫向相對(duì)濕度的變化更顯著，不同內(nèi)襯材料對(duì)倉(cāng)內(nèi)相對(duì)濕度的影響在空氣層和壁面上尤為明顯。在溫度低相對(duì)濕度大的區(qū)域，如B倉(cāng)空氣層、不銹鋼板、糧堆表面處更易發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象?？紤]到實(shí)驗(yàn)中倉(cāng)儲(chǔ)溫度較低，小麥呼吸作用較弱，糧粒間隙空氣含濕量的增加可忽略［7］。

2.3 結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)焓濕圖，由地下倉(cāng)實(shí)驗(yàn)中溫、濕度傳感器測(cè)量得到的干球溫度和相對(duì)濕度可確定倉(cāng)內(nèi)環(huán)境對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度。由上文可知，倉(cāng)室防水材料為不銹鋼時(shí)，在儲(chǔ)藏過(guò)程中溫度低而相對(duì)濕度大，因降溫較內(nèi)襯聚丙烯材料的倉(cāng)室更易結(jié)露，可通過(guò)B倉(cāng)狀況判斷結(jié)露與否，并據(jù)此選擇有代表性的位置進(jìn)行研究。對(duì)倉(cāng)內(nèi)空氣層34號(hào)點(diǎn)、近不銹鋼板處17號(hào)點(diǎn)，繪制實(shí)測(cè)溫度曲線和對(duì)應(yīng)露點(diǎn)指示線，如圖10所示。實(shí)驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)選取點(diǎn)溫度均高于露點(diǎn)溫度，17號(hào)點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度與其對(duì)應(yīng)露點(diǎn)溫度之間相差均大于等于10 ℃，34號(hào)點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度與其對(duì)應(yīng)露點(diǎn)溫度之間相差大于等于5 ℃，表明糧堆內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，其原因在于：

1）實(shí)驗(yàn)倉(cāng)體處于地下，較為穩(wěn)定的土壤溫度有效隔絕了外界氣溫對(duì)倉(cāng)內(nèi)糧堆的影響。

2）入倉(cāng)時(shí)糧食溫度低、相對(duì)濕度小。

由于以上兩點(diǎn)原因，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中糧食呼吸作用弱，儲(chǔ)藏中未發(fā)生析濕。

3 數(shù)值模擬

近年來(lái)，有關(guān)學(xué)者利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD），通過(guò)構(gòu)建數(shù)值模型對(duì)淺層地?zé)崮芾煤图Z堆中的熱質(zhì)傳遞現(xiàn)象進(jìn)行研究。曾召田等［8］通過(guò)數(shù)值模擬研究得到桂林紅黏土地區(qū)不受外界氣溫影響的合理埋深。Carrera-Rodríguez等［9］基于多相介質(zhì)的守恒方程，研究筒倉(cāng)儲(chǔ)藏中的瞬態(tài)熱質(zhì)交換現(xiàn)象。文獻(xiàn)［10］研究小麥長(zhǎng)期儲(chǔ)存中溫度分布的層化現(xiàn)象，獲得了糧堆孔隙微循環(huán)的規(guī)律，認(rèn)為該流動(dòng)可引起糧堆內(nèi)部水分遷移，據(jù)此可判斷糧堆熱、濕狀況。文獻(xiàn)［11-13］采用UDF文件在Fluent軟件中設(shè)置不同的糧食初始狀態(tài)，研究靜態(tài)儲(chǔ)糧和機(jī)械通風(fēng)過(guò)程中糧堆因水份遷移產(chǎn)生的傳熱，得到糧堆溫、濕度的分布和變化規(guī)律。在實(shí)倉(cāng)儲(chǔ)糧環(huán)境下，針對(duì)糧食活性產(chǎn)生的自呼吸，王雪等［14］對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)條件下內(nèi)熱源對(duì)糧堆溫度變化的影響建立CFD模型，進(jìn)行了研究。Agrafioti等［15］采用模擬方法對(duì)熏蒸儲(chǔ)糧過(guò)程的殘留藥劑的分布規(guī)律進(jìn)行研究。Ghafori［16］采用CFD方法研究包含進(jìn)風(fēng)速度等參數(shù)的糧食冷卻干燥管道的設(shè)計(jì)影響因素。Giner［17］得到了糧食干燥模擬中可變邊界條件對(duì)薄層方程求解的影響。Silva 等［18］基于CFD研究大米儲(chǔ)藏中臭氧流動(dòng)對(duì)蟲(chóng)害抑制的影響。尹君［19］建立一種多場(chǎng)耦合模型，用于預(yù)測(cè)小麥糧堆的結(jié)露。王小萌等［20］通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建溫、濕度場(chǎng)云圖，研究?jī)?chǔ)糧中發(fā)生的霉變。劉立意等［21］采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)-離散元法（computational fluid dynamics-discrete element method，CFD-DEM）對(duì)不同風(fēng)速和糧堆深度的通風(fēng)阻力進(jìn)行了耦合模擬。本文基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立數(shù)值模型，探究更多常用防水材料作為地下倉(cāng)內(nèi)襯對(duì)近壁面溫度環(huán)境的影響。

3.1 物理模型及求解器設(shè)置

模擬采用與地下實(shí)驗(yàn)糧倉(cāng)相同的坐標(biāo)系，建立全尺寸幾何模型，研究區(qū)域包括糧面以上的空氣層和小麥糧堆。取與實(shí)驗(yàn)糧倉(cāng)相同的整倉(cāng)長(zhǎng)度和糧堆深度方向構(gòu)成的xoz二維平面進(jìn)行溫、濕度參數(shù)分析。

模擬區(qū)域包含的空氣層和糧堆具有不同物理屬性，空氣層為純流體區(qū)域，糧堆為多孔介質(zhì)區(qū)域?？紫抖取⒑实榷嗫捉橘|(zhì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響其傳熱性能，研究所用的主要熱物性參數(shù)如表1所示。

3.2 網(wǎng)格劃分與數(shù)值求解

基于ANSYS ICEM進(jìn)行數(shù)學(xué)模型創(chuàng)建和網(wǎng)格劃分，并對(duì)倉(cāng)壁與糧堆界面處進(jìn)行局部加密。模型幾何邊界清晰，無(wú)不規(guī)則區(qū)域，采用四邊形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分，網(wǎng)格數(shù)量為14536，質(zhì)量良好。

在商用CFD軟件Fluent中檢查網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行求解。實(shí)測(cè)糧堆孔隙率[φ=43%]，考慮重力影響和糧食狀態(tài)實(shí)時(shí)變化，基于k-ε湍流模型用壓力分離式求解器進(jìn)行求解。多孔介質(zhì)區(qū)水平方向的黏性阻力和慣性阻力分別為1.833×108 m-2和1.837×104 m-1，垂直方向的黏性阻力為2.037×108 m-2，慣性阻力為2.677×104 m-1［11］。

1）初始條件：[t=0]時(shí)，實(shí)驗(yàn)糧倉(cāng)內(nèi)小麥溫度為25 ℃，根據(jù)實(shí)測(cè)倉(cāng)壁外側(cè)溫度設(shè)置周?chē)寥罍囟瘸跏贾禐?4 ℃。

2）邊界條件：均設(shè)為壁面邊界。與外界空氣相接的地表為計(jì)算區(qū)域上邊界，距實(shí)驗(yàn)糧倉(cāng)底部以下2 m處為下邊界，沿倉(cāng)體長(zhǎng)度方向的倉(cāng)壁外側(cè)各2 m處分別為左、右邊界。倉(cāng)壁設(shè)置為固體壁面邊界條件，其中，下邊界，左、右邊界為絕熱邊界；上邊界為第一類(lèi)邊界，由環(huán)境溫度進(jìn)行擬合得到的關(guān)于時(shí)間的單值函數(shù)作為邊界溫度輸入：

[T=-0.204t∕86400+22.949] （1）

模擬時(shí)長(zhǎng)與實(shí)驗(yàn)一致，共2664 h，時(shí)間步長(zhǎng)為1 h。

3.3 模擬結(jié)果分析

3.3.1 模擬誤差分析

選取糧堆平均溫度將模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，模擬值均高于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，A、B兩倉(cāng)室平均相對(duì)誤差分別為6.16%、6.31%，如圖11所示。原因主要在于作為上邊界溫度值輸入的環(huán)境溫度擬合函數(shù)值略高于實(shí)際環(huán)境溫度；而倉(cāng)體壁面外側(cè)溫度則略低于實(shí)際值。地下土壤對(duì)倉(cāng)內(nèi)糧堆的影響小于外界大氣環(huán)境，綜合考慮兩種情況，誤差在可接受范圍內(nèi)。

3.3.2 模擬結(jié)果分析

模擬結(jié)果如圖12所示，呈現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)過(guò)程倉(cāng)內(nèi)糧堆相同的溫度變化規(guī)律。隨著時(shí)間推進(jìn)，外界氣溫降低，使上層土壤和倉(cāng)內(nèi)糧堆溫度下降，由于上層糧堆和倉(cāng)壁更接近外界環(huán)境，該處溫度最先降低。而靠近隔熱板和倉(cāng)底的區(qū)域?yàn)閭}(cāng)內(nèi)溫度最高處，模擬區(qū)域中糧倉(cāng)整體呈“冷皮熱芯”變化趨勢(shì)，與實(shí)際工程中地上糧食倉(cāng)房冬季情況相似。在儲(chǔ)藏過(guò)程中，糧倉(cāng)在深度方向的溫度層化現(xiàn)象逐漸明顯。模擬結(jié)束時(shí)，兩種不同防水內(nèi)襯材料中，采用不銹鋼板降溫更大，而聚丙烯板降溫較慢。

3.3.3 常見(jiàn)防水材料內(nèi)襯模擬

采用驗(yàn)證后的模型對(duì)不同內(nèi)襯防水材料的儲(chǔ)糧效果進(jìn)行數(shù)值模擬研究，設(shè)定條件為：倉(cāng)體頂部距地表2 m，糧溫初始值為28 ℃，倉(cāng)體埋深范圍的土壤溫度為17 ℃。不同內(nèi)襯材料厚度均為10 mm，模擬所用內(nèi)襯材料包括聚乙烯、不銹鋼、玻璃鋼、聚丙烯、瀝青涂層和無(wú)內(nèi)襯僅混凝土倉(cāng)壁的空白對(duì)照組。模擬得到40 d儲(chǔ)藏時(shí)間中不同內(nèi)襯材料倉(cāng)壁處的糧溫變化曲線，如圖13所示。

內(nèi)襯防水材料增加了倉(cāng)壁熱阻，材料導(dǎo)熱系數(shù)越大，倉(cāng)內(nèi)糧食溫度隨環(huán)境下降越快，滯后越少。從降溫效果來(lái)說(shuō)，不銹鋼gt;瀝青gt;聚乙烯gt;玻璃鋼gt;聚丙烯。倉(cāng)外自然地溫始終低于倉(cāng)內(nèi)糧堆溫度，儲(chǔ)藏40 d時(shí)，無(wú)內(nèi)襯材料的空白對(duì)照組壁面處的糧溫較初始值降低約4.5 ℃；而不銹鋼導(dǎo)熱性能好，對(duì)應(yīng)糧溫與無(wú)內(nèi)襯材料的情況較為接近；內(nèi)襯為聚丙烯、聚乙烯、玻璃鋼及瀝青涂層時(shí)，導(dǎo)熱性相差不大，溫度變化較為接近。考慮到結(jié)露問(wèn)題，內(nèi)襯聚丙烯板溫度變化更平穩(wěn)，倉(cāng)壁處不易發(fā)生結(jié)露。由以上分析可知，選用聚丙烯作為地下糧倉(cāng)內(nèi)襯防水內(nèi)襯材料更合適。

4 結(jié) 論

1）地下糧倉(cāng)上層糧溫受外界氣溫影響較大，在倉(cāng)體距地表較近（lt;3 m）時(shí)，糧堆溫度分布呈現(xiàn)與地上糧倉(cāng)冬季儲(chǔ)藏相同的“冷皮熱芯”特點(diǎn)。糧上層堆和不銹鋼板處最大溫差分別為1.63和0.47 ℃，適當(dāng)增加倉(cāng)體與地表的距離可以更充分地利用自然地溫。

2）內(nèi)襯材料的選擇會(huì)影響寒冷季節(jié)儲(chǔ)藏過(guò)程中地下糧倉(cāng)內(nèi)的溫、濕度，實(shí)驗(yàn)中主要集中在倉(cāng)內(nèi)近壁處。因此選用隔熱性能好的倉(cāng)壁材料有利于避免倉(cāng)內(nèi)溫度變化過(guò)快，在開(kāi)倉(cāng)時(shí)因倉(cāng)內(nèi)溫、濕度突變?cè)斐蓚}(cāng)頂和倉(cāng)壁產(chǎn)生結(jié)露。

3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)襯為不銹鋼材料時(shí)，倉(cāng)內(nèi)溫度低于內(nèi)襯聚丙烯材料，兩種內(nèi)襯材料對(duì)應(yīng)的糧堆平均溫度相差0.5 ℃，倉(cāng)內(nèi)空氣最大溫差為1.5 ℃，相對(duì)濕度之差最大為7.1%。因此，在原糧入倉(cāng)溫度較低，不必考慮結(jié)露問(wèn)題時(shí)，使用不銹鋼板作為地下倉(cāng)內(nèi)襯防水材料能更充分地利用地溫條件。

4）儲(chǔ)藏實(shí)驗(yàn)中，糧堆芯部相對(duì)濕度逐漸減小，倉(cāng)內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度均高于相應(yīng)露點(diǎn)，即實(shí)驗(yàn)采用的寒冷季儲(chǔ)藏工況不會(huì)造成倉(cāng)內(nèi)結(jié)露。地下糧倉(cāng)實(shí)際設(shè)計(jì)中，除文中采用的原糧入倉(cāng)溫度等參數(shù)外，應(yīng)綜合考慮不同原糧品種、入倉(cāng)季節(jié)和倉(cāng)體深度等影響。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ 秦祥熙， 林清龍， 李少華. 杭州市淺層地溫資源溫度場(chǎng)特征［J］. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2017， 38（3）： 833-837.

QIN X X， LIN Q L， LI S H. Characteristics of geotemperature field for shallow geothermal energy assessment amp; utilization in Hangzhou［J］. Acta energiae solaris sinica， 2017， 38（3）： 833-837.

［2］ 陳雁， 孫德勝. 變溫帶地下倉(cāng)埋深對(duì)長(zhǎng)期儲(chǔ)糧過(guò)程糧堆溫度影響的模擬研究［J］. 中國(guó)糧油學(xué)報(bào)， 2015， 30（5）： 78-83.

CHEN Y， SUN D S. Simulation study on effects of buried depth on grain bulk temperature during long term storage in upper crust［J］. Journal of the Chinese Cereals and Oils Association， 2015， 30（5）： 78-83.

［3］ 尹君， 吳子丹， 張忠杰， 等. 基于多場(chǎng)耦合理論淺析淺圓倉(cāng)局部結(jié)露機(jī)理［J］. 中國(guó)糧油學(xué)報(bào)， 2015， 30（5）： 90-95.

YIN J， WU Z D， ZHANG Z J， et al. Analysis of the formation mechanism of partial condensation for the stored grain in steel squat silo based on multi-fields coupling theory［J］." Journal" of" the" Chinese" Cereals" and" Oils Association， 2015， 30（5）： 90-95.

［4］ 悅燕飛， 王若蘭， 渠琛玲. 小麥儲(chǔ)藏過(guò)程中發(fā)熱霉變研究進(jìn)展［J］. 糧食與油脂， 2018， 31（7）： 18-20.

YUE Y F， WANG R L， QU C L. Research progress on fever and mildew of wheat during storage［J］. Cereals amp; oils， 2018， 31（7）： 18-20.

［5］ 王小萌， 吳文福， 尹君， 等. 玉米糧堆霉變發(fā)熱過(guò)程中的溫濕度場(chǎng)變化規(guī)律研究［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2019， 35（3）： 268-273.

WANG X M， WU W F， YIN J， et al. Research on temperature and humidity field change during corn bulk microbiological heating［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2019， 35（3）： 268-273.

［6］ 尹君， 吳子丹， 吳曉明， 等. 基于溫濕度場(chǎng)耦合的糧堆離散測(cè)點(diǎn)溫度場(chǎng)重現(xiàn)分析［J］. 中國(guó)糧油學(xué)報(bào)， 2014， 29（12）： 95-101.

YIN J， WU Z D， WU X M， et al. Analysis of temperature field recurrence in discrete points of grain heap based on coupling of temperature and humidity fields［J］. Journal of the Chinese Cereals and Oils Association， 2014， 29（12）： 95-101.

［7］ 王若蘭， 嚴(yán)佳， 李燕羽， 等. 不同條件下小麥呼吸速率變化的研究［J］. 河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2009， 30（4）： 12-16.

WANG R L， YAN J， LI Y Y， et al. Research on the respiratory rate change of wheat under different conditions［J］. Journal of Henan University of Technology（natural science edition）， 2009， 30（4）： 12-16.

［8］ 曾召田， 趙艷林， 呂海波， 等. 氣象波動(dòng)對(duì)水平埋管換熱器傳熱影響的數(shù)值模擬［J］. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2018， 39（5）： 1179-1186.

ZENG Z T， ZHAO Y L， LYU H B， et al. Numerical simulation for effects of meteorological fluctuations on horizontal heat exchanger［J］. Acta energiae solaris sinica， 2018， 39（5）： 1179-1186.

［9］ CARRERA-RODRíGUEZ M， MARTíNEZ-GONZáLEZ G M，" NAVARRETE-BOLA?OS" J" L，" et" al." Transient numerical study of the effect of ambient temperature on 2-D cereal grain storage in cylindrical silos［J］. Journal of stored products research， 2011， 47（2）： 106-122.

［10］ JIAN F J， JAYAS D S， WHITE N D G. Temperature fluctuations and moisture migration in wheat stored for 15 months in a metal silo in Canada［J］. Journal of stored products research， 2009， 45（2）： 82-90.

［11］ 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.

［12］ AGANETTI R， LAMORLETTE A， THORPE G R. The relationship between external and internal flow in a porous body" "using" "the" "penalisation" "method［J］." International journal of heat and fluid flow， 2017， 66： 185-196.

［13］ AGANETTI R， LAMORLETTE A， GUILBERT E， et al. Advection and the self-heating of organic porous media［J］. International journal of heat and mass transfer， 2016， 93： 1150-1158.

［14］ 王雪， 張?jiān)?廉飛宇， 等. 準(zhǔn)靜態(tài)糧堆熱傳遞模型的CFD模擬研究［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械， 2012（24）： 111-114.

WANG X， ZHANG Y， LIAN F Y，et al. CFD simulation research on heat transfer model of quasi-static grain pile［J］. Farm machinery， 2012（24）： 111-114.

［15］ AGRAFIOTI P， KALOUDIS E， BANTAS S， et al. Modeling the distribution of phosphine and insect mortality in cylindrical grain silos with computational fluid dynamics： validation with field trials［J］. Computers and electronics in agriculture， 2020， 173： 105383.

［16］ GHAFORI H. Computational fluid dynamics（CFD） analysis of pipeline in the food pellets cooling system［J］. Journal of stored products research， 2020， 87： 101581.

［17］ GINER S A. Estimation of the influence of variable boundary conditions when using thin layer equations for grain dryer simulation［J］. Biosystems engineering， 2019， 186： 228-233.

［18］ SILVA M V A， FARONI L R A， MARTINS M A， et al. CFD simulation of ozone gas flow for controlling Sitophilus zeamais" in" rice" grains［J］." Journal" of" stored" products research， 2020， 88： 101675.

［19］ 尹君. 小麥糧堆多場(chǎng)耦合模型及結(jié)露預(yù)測(cè)研究［D］. 長(zhǎng)春： 吉林大學(xué)， 2015.

YIN J. Research on multi-field coupling model of wheat grain and condensation prediction［D］. Changchun： Jilin University， 2015.

［20］ 王小萌， 吳文福， 尹君， 等. 基于溫濕度場(chǎng)云圖的小麥糧堆霉變與溫濕度耦合分析［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2018， 34（10）： 260-266.

WANG X M， WU W F， YIN J， et al. Analysis of wheat bulk mould and temperature-humidity coupling based on temperature" " "and" " "humidity" " "field" " "cloud" " "map［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2018， 34（10）： 260-266.

［21］ 劉立意， 郝世楊， 張萌， 等. 基于CFD-DEM的稻谷通風(fēng)阻力數(shù)值模擬與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2015， 46（8）： 27-32， 158.

LIU L Y， HAO S Y， ZHANG M， et al. Numerical simulation and experiment on paddy ventilation resistance based" on" CFD-DEM［J］." Transactions" of" the" Chinese Society for Agricultural Machinery， 2015， 46（8）： 27-32， 158.

EXPERIMENTAL AND SIMULATION RESEARCH OF DIFFERENT

LINING MATERIALS FOR UNDERGROUND GRANARY

Chen Yan，Qiu Guanpeng，Zhang Ruiyuan，Zhang Wenzhen，Cui Weihua，Bi Wenfeng

（College of Civil Engineering and Architecture， Henan University of Technology， Zhengzhou 450001， China）

Abstract：An underground granary experiment system was set up to carry out a series of comparison tests on different lining waterproof materials. The experiments were conducted under three continuous seasonal conditions. Under the quasi-static non-manual working conditions， the effects of different lining waterproof materials on the condensation were researched for inner wall in the granary. The experimental results show that the ground air temperature has an obvious influence on the underground granary， especially when the burial depth is small. The temperature distribution of the grain bulk shows a phenomenon of \"cold skin and hot core\"， which is common in building granaries during winter. Furthermore， it is observed that the temperature in the steel part is lower than that of the polypropylene part with a maximum difference of 1.5 ℃， and the maximum relative humidity difference is 7.1%. Also， the average temperature in the grain bulks drops by 0.5 ℃. Therefore， if condensation is considered， plastic has a priority over steel as underground waterproof material. Moreover， CFD simulation was conducted after being verified by the experimental data， which indicated that a sequence of steel， asphalt， polyethylene， FRP and polypropylene should be taken for cooling purpose. However， polypropylene lined granary has a slower temperature change compared with other waterproof materials， and thus less opportunity to condensation.

Keywords：grain storage； geothermal energy； condensation； simulation experiment； lining materials