CFD 仓储粮堆里流场模拟的探究

文献综述1.1 本课题的研究目的与意义我国是农业大国，粮食的总产量高，储备量大，其安全问题关系到国计民生。据《2021 年第六次全国人口普查主要数据公报（第 1 号）》，我国总人口数已超过 13.7 亿，粮食安全问题进一步凸显。同时由于我国粮食储备周期较长、分布范围广，使得保质储藏、降低损耗难度加大。据调查，在一个储藏周期内，仅因储粮损耗减量就高达 1%-2%，以我国粮食储备动态数量 1.5 亿吨来计算，一个周期内储粮损失约为 150-300 万吨，经济损失巨大。作为有生命的活体，粮食进仓储藏时，会发生后熟、发霉、发热以及萌芽、陈化等一系列生理变化，这些变化都会直接影响储粮的稳定和品质，因此如何控制并实现粮食的安全储藏成为世界性难题[1]。粮食仓储过程中影响其安全的主要生态变化是粮堆的霉变、发热及仓内害虫，其中影响生态变化的重要因素是粮堆及仓储环境的温度和湿度[2]，粮食的水分、温度过高将会促进其周围霉菌和昆虫的生长而加速自身变质，同时会加强粮食自身的呼吸作用[3,4]，储粮生态的变化会导致其他一系列的粮堆生理变化，进而影响整个仓储粮堆的安全和稳定，由此可见，粮食储藏是一个涉及粮堆内部流体运动、粮堆温度、含水量、仓储外部环境变化的复杂过程，众多因素共同形成了与众不同的储粮生态环境，储领域转变发展模式提供了科技上的支持[5]。粮食是人类赖以生存繁衍的基本物资，各个国家对粮食仓储技术的研究都给予了极大投入，为了有效保障仓内储粮质量，防止各种粮食损害的发生，需了解仓内储粮的实时现实，并据此制定有效的调节措施，将损害消除在萌芽现实，而了解和掌握仓储粮堆内部流场的分布和变化过程是制定各种调控措施的重要依据，也是判断储粮是否处于安全现实的重要手段。因此，研究仓储粮堆内部流场的分布和变化过程具有重要的理论意义和实际应用价值。1.2 国内外研究状况1.2.1 粮食仓储技术党的十七届五中全会强调，坚持把建设资源节约型、环境友好型社会作为转变经济发展方式的重要着力点，提高发展的全面性、协调性、可持续性。为了顺应粮食事业客观形势的发展需要，粮食仓储技术也要从过去突出减损降耗;、保质安全;，向突出绿色健康;、环保低碳;方向发展，近几年来，我国绿色生态低碳仓储新技术上的进步，为加快推动仓储领域转变发展模式提供了科技上的支持[5]。粮食是人类赖以生存繁衍的基本物资，各个国家对粮食仓储技术的研究都给予了极大投入，随着人们的环保意识和对食品卫生要求的不断提高，绿色仓储技术得到更为广泛的应用，包括低温储粮技术、气调储粮技术、生物防治与综合治理害虫技术以及高新技术支持下的节能减排技术，其中的低温储粮技术是国际上应用最为广泛的绿色仓储技术。目前，世界上有60多个国家和地区采用此技术，如日本在糙米流通中将稻谷脱壳后不易保存的糙米放在不高于15℃的低温库中保存，减少了虫害和杀虫药剂污染，很好的保证了糙米的食用品质。在我国，利用自然低温资源，发展低温储粮技术是我国绿色生态低碳储粮的一大特点，2001年，在中储粮承德直属库建设了利用自然低温储粮的低温示范库，进行了自然低温储粮实仓试验，随着谷物冷却机、智能通风等技术的应用不断完善，吉林、辽宁、湖北、江苏、云南等地的众多粮食仓储企业都建立了不同生态区域的低温、准低温及控温储粮模式。研究及应用表明，在我国北方地区可以利用机械通风技术，辅以仓房保温隔热技术，可实现全年低温储粮。在我国南方部分地区，利用机械通风，结合仓房和粮堆保温隔热技术，辅以均温通风和补充冷源技术，可实现全年准低温储粮。由此可见，对粮食仓储过程的研究，其核心内容就是对于仓储粮堆在内外因素共同作用下粮堆及其内部流体的分布变化的研究，而机械通风技术可以很好的控制和保持仓内粮堆及其内部流体的分布和变化，从而保证了仓储粮堆的稳定性。仓储粮堆机械通风储藏过程，就是将收获的粮食放在配有机械通风系统的粮仓内，使用自然空气或加热、低温空气作为介质，合适条件下，通过机械通风调节仓内粮食的温度或湿度，以保证仓储粮堆的稳定和安全。我国对于储粮机械通风技术的应用研究有很多，从目前的研究与发展情况看，储粮机械通风技术的创新重点主要是研究具有智能化的粮食储藏通风自动控制系统、就仓干燥自动控制系统、保水通风自动控制系统和调质增湿自动控制系统[6]。其中郜智贤等[7]利用不同风机组合，对机械通风前后的降温效果、水损情况及能耗情况进行对比分析，并结合华南地区气候特点，对高大浅圆仓通风性能进行了探索。陈志勇等[8]分别使用轴流风机与离心风机进行机械通风降温试验，对比试验数据比较两种方式下的能耗量。事实表明，合理的机械通风工艺能使仓储粮堆处于均匀的低温现实，从而保持储粮新鲜度，增进了储粮的稳定性和安全性。第 2 章 仓储粮堆 CFD 模拟理论及方法.................. 102.1 模型及相关控制方程.................102.2 边界条件及计算域..................172.3 模型求解..............232.4 本章小结....................24第 3 章 粮食仓储试验........... 263.1 引言................263.2 准稳态仓储试验...................263.3 机械通风仓储试验................373.4 本章小结...............40第 4 章 准稳态仓储 CFD 模拟................... 424.1 几何建模及网格划分.................424.2 边界条件及相关参数.................444.3 CFD 结果与分析 .................48结论本文针对室内小型方仓、室外浅圆仓和大型平房仓进行了粮食仓储试验，建立了准稳态和机械通风条件下仓储粮堆的三维 CFD 理论模型，并分别对准稳态条件下仓储粮堆温度场和机械通风条件下仓储粮堆压力场的分布及变化过程进行了模拟研究，并将模拟结果与试验结果进行对比验证，分析模型存在问题并做相应调整。主要研究结论如下：室内小型方仓试验和模拟结果表明：不同环境温度条件下，粮食的升温速率和升温幅度存在差异，环境温度越高，温升速率和温升幅度越大，环境温度较低时，不同环境温度的影响差异不大；对于室内小型方仓，距粮仓壁面 30cm范围内的粮食温度变化较明显，超出此范围后，粮食温度变化速率和变化幅度明显下降；粮层顶面下一定厚度粮层由于受到顶面空气层对流换热的影响，其粮温度随空气层温度变化较明显。参考文献[1] 胡志超，高刚华等．我国粮食仓储技术的概况与发展[]．农机化研究，2007，4：35-39[2] 邓永学．环境因子对四种储粮害虫影响的研究[D]．重庆：西南农业大学博士学位论文．2001．[3] Mohammad Izadifar. Modeling of the paced bed drying of paddy rice using the local volumeaveraging approach[]. Food research international, 2006, 39(6): 712-720.[4] Yutthanahttp://sblunwen./ccgllw/Tirawanichaul, Somiat Prachayawaraorn,Warunee Varanyanond. Simulation andgrain quality for in-store drying of paddy []. ournal of food engineering, 2004, 64(4): 405-415.[5] 吴子丹，曹阳．绿色生态低碳储粮新技术[M].北京：中国科学技术出版社，2021：392-405．[6] 郭道林，陶诚，王双林等.粮食仓储行业节能减排技术研究现状与发展趋势[C]. 粮油仓储节能减排专题技术会议．济南：国家粮食局，2021：3-10[7] 郜智贤，姚亚东，谢茹等.华南地区高大浅圆仓不同风机组降温能耗对比试验[C].粮油仓储节能减排专题技术会议．济南：国家粮食局，2021：114-117[8] 陈志勇，熊文彬．轴流风机与离心风机通风降温能耗对比[C].粮油仓储节能减排专题技术会议．济南：国家粮食局，2021：361-363[9] 刘伟，范爱武，黄晓明.多孔介质传热传质理论与应用[M]. 北京：科学出版社，2006[10] 曹崇文.谷物干燥的数学模拟[].北京农业机械化学报，1984，6（3）：79-98