小麥機(jī)械通風(fēng)各向異性阻力的數(shù)值模擬研究

1、小麥機(jī)械通風(fēng)各向異性阻力的數(shù)值模擬研究補充作者等中英文信息，作者簡介等內(nèi)容請參照修改意見01認(rèn)真修改首頁左下方標(biāo)注下列信息：基金項目（必須包括項目編號）、收稿日期、作者簡介、通訊作者，詳見修改意見01高帥基金項目: 國家自然基金(51276102)、國家糧食公益專項(201313001,2015449-001-03)收稿日期：2015-06-04作者簡介：高帥,男，1990年出生，碩士研究生，建筑與土木工程。通信作者：王遠(yuǎn)成，男，1963年出生，教授，多孔介質(zhì)熱質(zhì)傳遞。 王遠(yuǎn)成 邱化禹 楊君(山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院, 濟(jì)南 250101)摘 要 機(jī)械通風(fēng)是實現(xiàn)安全儲糧、保證糧食品質(zhì)的主要措施

2、。本文以小麥為研究對象，采用計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）的方法對大型平房倉小麥的橫向通風(fēng)、壓入和吸出式豎向通風(fēng)阻力進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過對不同通風(fēng)方式下糧堆的阻力的分析發(fā)現(xiàn)，糧層阻力與風(fēng)量成正比，風(fēng)量越大，糧層阻力越大；通風(fēng)方式不同，單位糧層阻力也不相同，小麥下行通風(fēng)的單位糧層阻力最大，上行通風(fēng)次之，橫向通風(fēng)最小。通過對小麥糧種各向異性阻力的分析，為以后不同糧種機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的分析奠定基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞 機(jī)械通風(fēng) 各向異性 數(shù)值模擬 阻力變化中圖分類號：S379.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 大型平房倉是我國儲糧的重要設(shè)施, 機(jī)械通風(fēng)是實現(xiàn)安全儲糧、保證糧

3、食品質(zhì)、提高經(jīng)濟(jì)效益的重要舉措1, 因此大型平房倉機(jī)械通風(fēng)效果非常重要。豎向通風(fēng)應(yīng)用廣泛，U型一機(jī)三道通風(fēng)是最為常用的地上籠通風(fēng)形式，即一個分配器分出三個支風(fēng)道，其目的是將風(fēng)機(jī)的風(fēng)量均勻的分配到各支風(fēng)道中，保證糧堆送風(fēng)的均勻性。根據(jù)氣流的組織形式的不同，豎向通風(fēng)又可分為上行式通風(fēng)和下行式通風(fēng)，上行式通風(fēng)是氣流經(jīng)水平風(fēng)道從糧倉下部進(jìn)入穿過糧層并從糧堆的上部流出；下行式通風(fēng)則為氣流經(jīng)糧面從上向下穿過糧層進(jìn)入水平風(fēng)道并從風(fēng)道口流出。橫向式通風(fēng)作為新興的通風(fēng)方式有著風(fēng)道數(shù)少、投資少等優(yōu)勢，橫向通風(fēng)通風(fēng)道垂直地面放置，糧面覆膜，氣流水平穿過糧層。 糧堆是一種典型的多孔介質(zhì)2，由于糧堆堆積過程中自溜分級、

4、糧粒堆積時具有“自穩(wěn)定性”現(xiàn)象3以及深層糧堆重力產(chǎn)生的壓力作用，糧堆內(nèi)部的孔隙率分布是不均勻的。糧堆自上而下孔隙率逐漸減小，由外到里逐漸減小，糧堆內(nèi)部孔隙率是各向異性的4，即水平方向阻力與垂直方向的孔隙率是各不相同的。因此糧堆在不同糧種不同通風(fēng)方向時的阻力分布是非常有探究的必要的。隨著計算流體力學(xué)的發(fā)展, 數(shù)值模擬仿真技術(shù)被應(yīng)用到機(jī)械通風(fēng)領(lǐng)域中去, 從而為分析機(jī)械通風(fēng)設(shè)計的有效性、通風(fēng)效果、工藝優(yōu)化等提供了有力的保證。 本文采取數(shù)值模擬與實驗研究相結(jié)合的方法，選取小麥作為數(shù)值模擬糧種，對大型平房倉橫行通風(fēng)、上行通風(fēng)、下行通風(fēng)三種通風(fēng)方式進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到不同通風(fēng)方向的阻力數(shù)據(jù)并與實驗結(jié)果進(jìn)

5、行比較，找出小麥各向異性阻力變化規(guī)律，并為今后糧食通風(fēng)技術(shù)優(yōu)化提供參考。1 平房倉模型建立與條件設(shè)置1.1平房倉物理模型 a.橫向通風(fēng)平房倉 b.豎向（一機(jī)三道）通風(fēng)平房倉圖1橫向和豎向U型一機(jī)三道平房倉通風(fēng)物理模型 如圖1所示，本文以大型平房倉為研究對象，建立橫向通風(fēng)和豎向通風(fēng)兩種物理模型，圖1a和圖1b糧倉均長60 m、跨度30 m、高10.5 m，裝糧線高度為6 m，糧堆頂部南北兩側(cè)各8個窗戶。圖1a中通風(fēng)籠裝設(shè)在南北側(cè)的墻上，垂直地面放置，每側(cè)各18根通風(fēng)籠，南北地面各有一根主風(fēng)道，南北側(cè)各有4個風(fēng)口；圖1b中通風(fēng)籠為一機(jī)三道布置，通風(fēng)途徑比為1.56，4個通風(fēng)籠均敷設(shè)在地面，共12根

6、風(fēng)道，南側(cè)設(shè)有4個分配器，每個分配器連接1個通風(fēng)口，此物理模型用于小麥上、下行兩種通風(fēng)方式的數(shù)值模擬研究。1.2平房倉網(wǎng)格 本文選取的前處理器是ICEM，對兩個平房倉進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。采用四面體和六面體相結(jié)合的方式，并在通風(fēng)口和通風(fēng)籠處進(jìn)行局部加密，每個平房倉生成的網(wǎng)格數(shù)約290萬。1.3平房倉數(shù)學(xué)模型平房倉的機(jī)械通風(fēng)問題實質(zhì)上是多孔介質(zhì)內(nèi)的流動問題即空氣在糧食縫隙中的流動問題5。橫向通風(fēng)和豎向下行通風(fēng)均為負(fù)壓吸出式通風(fēng)，豎向上行通風(fēng)為正壓壓入式送風(fēng)，三者糧堆內(nèi)部空氣流動的驅(qū)動力均為風(fēng)機(jī)提供的壓力，糧堆內(nèi)部的流動問題采用如下方程：1.3.1質(zhì)量守恒方程（1）方程（1）中為孔隙率， 是空氣密度，是

7、時間，是空氣的表觀速度或達(dá)西速度。1.3.2動量方程（2）方程（2）描述的是通風(fēng)時糧堆內(nèi)部流動及其阻力的動量方程，方程（2）右邊第三項為粘性阻力項，右邊第四項為慣性阻力項6，兩者用于描述糧堆內(nèi)部空氣流動的阻力，為孔隙率，當(dāng)=1時為空氣區(qū)域流動方程，即N-S方程；當(dāng)時為糧堆區(qū)域流動方程，即達(dá)西布林克曼方程。是空氣密度，是糧堆的容重，是谷物顆粒的等效直徑，是糧堆內(nèi)部空氣的表觀速度或達(dá)西速度，矢量的表達(dá)形式可以表征水平和垂直不同方向的速度。是壓力，是時間，是微分算子，是空氣的動力粘度。1.4平房倉模擬條件1.4.1通風(fēng)工況條件小麥的橫向通風(fēng)和豎向上下行通風(fēng)均采用6個通風(fēng)工況，探究其不同工況下阻力的變

8、化情況，詳見下表。表1 U型一機(jī)三道上下行通風(fēng)工況儲糧數(shù)量（t）通風(fēng)工況(m3/(h*t)總通風(fēng)量(m3/h）通風(fēng)表觀風(fēng)速(m/s)8200252050000.03168200201640000.02538200151230000.0190820010820000.012782007.5615000.009582005410000.0063表2 橫向通風(fēng)通風(fēng)工況儲糧數(shù)量（t）通風(fēng)工況(m3/(h*t)總通風(fēng)量(m3/h)通風(fēng)表觀風(fēng)速(m/s)820010820000.063382008656000.050682006492000.038082005410000.031682004328000.

9、025382002164000.01271.4.2基本參數(shù)及邊界條件 本文機(jī)械通風(fēng)選用的糧種是小麥，容重是800 kg/m3，孔隙率為0.4686；流體設(shè)為不可壓縮流體，湍流模型選擇模型，糧堆區(qū)設(shè)為多孔介質(zhì)區(qū)域7-10，入口條件設(shè)為質(zhì)量流量入口,根據(jù)表1和表2的通風(fēng)工況設(shè)置不同的質(zhì)量流量，出口邊界為沿流線方向各流動參數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)取為零，在固體壁面和地面采用無滑移條件。 采用穩(wěn)態(tài)計算法，對控制方程采用有限體積法進(jìn)行離散，離散格式為一階上風(fēng)差分格式，為了防止迭代過程的發(fā)散和數(shù)值不穩(wěn)定，對動量方程采用欠松弛技術(shù)，壓力與速度耦合采用SIMPLE算法。2模擬結(jié)果與分析2.1平房倉壓力場分析 a.橫向通風(fēng)

10、壓力分布 b.上行通風(fēng)壓力分布圖2橫向和U型一機(jī)三道平房倉通風(fēng)壓力分布圖圖2是橫向和U型一機(jī)三道平房倉通風(fēng)壓力分布圖，選取橫向通風(fēng)和豎向上行通風(fēng)兩倉，每倉取幾個截面進(jìn)行壓力的分析。圖2a截取了4個壓力面，4個面上壓力分布一致，通風(fēng)過程中由左至右形成了壓力穩(wěn)定的高壓區(qū)、中壓區(qū)和低壓區(qū)，由此可見橫向通風(fēng)小麥的阻力在水平方向分布均勻，小麥阻力在3000 Pa左右（10 m3/(h*t)）；圖2b中截取了3個壓力面，由于南側(cè)是通風(fēng)入口，下側(cè)設(shè)有通風(fēng)籠，因此圖中左下側(cè)通風(fēng)道阻力大，糧堆阻力較小，小麥上行阻力在400 Pa（25 m3/(h*t)）左右，整體來看豎直方向上糧堆的阻力均勻。小麥在圖2a和圖2

11、b這兩種通風(fēng)方式下，阻力是不同的，橫向通風(fēng)氣流需要穿過30m的糧堆而豎向通風(fēng)只需穿過橫向路徑長度的1/5，橫向通風(fēng)的路徑長于豎向通風(fēng)，所以總的糧堆阻力橫向通風(fēng)的阻力要大于豎向上行通風(fēng)的阻力。下行通風(fēng)時糧堆阻力與上行通風(fēng)時基本一致，這里未予給出。2.2平房倉單位糧層阻力分析 a.橫向通風(fēng)糧倉切片圖 b.小麥通風(fēng)氣流路徑圖 c.小麥不同通風(fēng)方向單位糧層阻力 d.模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比圖圖3小麥單位糧層阻力和通風(fēng)路徑圖 圖3是小麥在不同的通風(fēng)方式下單位糧層阻力和通風(fēng)路徑圖。本文選取6個通風(fēng)工況，對小麥糧種橫向通風(fēng)、豎向上行通風(fēng)、豎向下行通風(fēng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，數(shù)值計算后對物理模型做切片，如圖3a所示

12、，沿長度方向做出切片，對糧堆高度的截面取面積分得出表觀風(fēng)速，前后兩個墻面的位置取靜壓的面積分，從而求出糧堆的阻力，除以糧倉的跨度后得出單位糧阻，豎向通風(fēng)亦是如此，這里不再重復(fù)，最后得出表觀風(fēng)速即空氣流經(jīng)糧堆時的平均氣流速度與單位糧層阻力的關(guān)系。 圖3c中，隨著表觀速度的增大（通風(fēng)量的增大），小麥橫向通風(fēng)、上行和下行的單位糧層阻力逐漸增大，表觀速度和單位糧層阻力正相關(guān)。表觀速度小于0.025 m/s時，小麥上行和下行通風(fēng)的單位糧層阻力一致，表觀速度大于0.025 m/s時，小麥下行通風(fēng)的單位糧層阻力逐漸大于上行時的阻力，隨著表觀速度的增大，單位糧層阻力相差越來越大；小麥橫向通風(fēng)的表觀速度在0-0

13、.0127 m/s之間時，單位糧層阻力與上、下行阻力幾乎相同，表觀速度大于0.0127 m/s，橫向通風(fēng)的單位糧阻將小于豎向通風(fēng)的阻力，大約是豎向阻力的80%。總體來看，小麥的下行單位糧層阻力略大于上行的單位糧層阻力，隨著風(fēng)量的增大，兩者的差距有增大的趨勢，橫向通風(fēng)的單位糧層阻力最小。 圖3b是小麥糧堆堆積圖，小麥為橢球狀顆粒，受其自穩(wěn)定性的影響，小麥堆積形式大多為長軸接近于水平方向，小麥的堆積狀態(tài)如圖b所示。小麥在重力作用和側(cè)壁壓力的作用下深層糧堆自上而下，由外到里孔隙率逐漸減小，糧堆內(nèi)部不同區(qū)域的孔隙率也是不同的。圖b的紅線為橫向通風(fēng)的氣流路徑，黑線為豎向通風(fēng)的氣流路徑，可以看出豎向通風(fēng)的

14、氣流路徑迂回曲折，橫向通風(fēng)相對平直。氣流的彎曲程度顯然會對流動阻力的變化產(chǎn)生影響。迂曲度是表征這一影響的重要參數(shù)，是孔隙彎曲通道的真實長度，是彎曲通道的直線長度，越接近于1，則氣流越容易通過糧堆，阻力也就越小，顯然小麥橫向通風(fēng)的迂曲率更接近于1，單位糧阻要小于路徑曲折的豎向通風(fēng)。小麥下行通風(fēng)的過程中，氣流由窗戶進(jìn)入糧堆表面，然后再由糧堆表面進(jìn)入糧堆,糧堆上方的氣流紊亂，而糧堆內(nèi)速度很小處于層流狀態(tài)，在糧面處氣流由紊流狀態(tài)進(jìn)入層流狀態(tài)，慣性力會出現(xiàn)一定損失（小風(fēng)量的工況下?lián)p失較小，風(fēng)量越大損失越大）；氣流在上行通風(fēng)中不存在這個問題，所以小麥下行通風(fēng)的單位糧阻會略大于上行通風(fēng)的單位糧阻。隨著風(fēng)量的

15、增加，糧堆上方氣流的紊流增強(qiáng)，進(jìn)入糧堆時的慣性阻力損失會逐漸增大。圖3d是模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比圖，本文實驗數(shù)據(jù)來自國家糧食局科學(xué)研究院，國家糧科院對北京某糧庫小麥進(jìn)行了不同通風(fēng)方式的實倉測試，橫向通風(fēng)時，北側(cè)的四個風(fēng)口接入風(fēng)機(jī)，在每個風(fēng)機(jī)接入一個變頻器，通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率來達(dá)到測試要求的風(fēng)量；豎向通風(fēng)時南北兩側(cè)都接入風(fēng)機(jī)和變頻器，南北側(cè)窗戶打開，同樣的調(diào)節(jié)變頻器控制風(fēng)速完成測試，表觀風(fēng)速儀測試糧堆內(nèi)風(fēng)速，通過預(yù)埋在糧堆內(nèi)的探針來測試靜壓。測試不同通風(fēng)工況下糧堆的靜壓并計算單位糧層阻力，通過大量的測試總結(jié)出表觀風(fēng)速與單位糧阻的關(guān)系，得出經(jīng)驗公式。從圖中可以看出模擬小麥的單位糧層阻里與測試數(shù)據(jù)

16、基本吻合，從而驗證了數(shù)值模擬的合理性與準(zhǔn)確性。3結(jié)論 本文通過數(shù)值模擬與實驗相結(jié)合的方式對平房倉機(jī)械通風(fēng)小麥的各向異性阻力進(jìn)行了研究，測定了不同通風(fēng)方式不通通風(fēng)工況下小麥的單位糧層阻力并對其進(jìn)行了分析對比。研究發(fā)現(xiàn)：機(jī)械通風(fēng)小麥的單位糧層阻力與通風(fēng)量正相關(guān)，風(fēng)量越大，單位糧層阻力越大；小麥在不同的通風(fēng)方式下阻力不同，相同的表觀風(fēng)速下水平方向阻力最小，下行的阻力略大于上行時的阻力，隨著風(fēng)量的增大，上下行的阻力差不斷增加。通過對小麥各向異性阻力的分析，為以后玉米、稻谷等不同糧種的各向異性阻力分析奠定了基礎(chǔ)，同時對通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計有一定的參考價值。參考文獻(xiàn)1王遠(yuǎn)成,張忠杰,吳子丹,等.計算流體力學(xué)

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