（工程热物理专业论文）冷却干燥通风过程中粮堆内热湿耦合传递规律的研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 我国是世界上人口数量最多的国家，同时也是一个农业大国，粮食的数量、质量与 安全直接关系到国民经济的发展和社会稳定的大局。统计资料显示，我国每年粮食总产 量都高达5 亿多吨，但是，只有8 0 的粮食能够被充分利用，另夕b 2 0 的粮食由于储存不 当而在储存过程中损失。研究发现，造成粮食在储存过程中损失的主要因素就是温度和 水分。因此，对粮仓内粮堆进行冷却干燥通风，适当地控制粮堆的温度和水分，可以实 现粮食的安全储藏。 本文在前人研究机械通风储粮理论和技术的基础上，基于多孔介质传热传质理论和 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 的理论基础，采用c f d 数值 模拟和实验验证相结合的方法，以某国家粮食储备库的圆筒仓和高大平房仓粮食冷却干 燥通风为实例，对冷却干燥通风过程中粮仓内粮堆温度和水分的变化规律进行数值模拟 研究，其主要研究内容如下： 首先，分析了前人在机械通风储粮方面所做的研究成果以及国内外在该领域 的研究进展情况；介绍了机械通风储粮理论、多孔介质传热传质理论和c f d 数值 模拟理论基础。 其次，基于多孔介质传热传质的理论，依据局部热质平衡的原理，采用单元平均的 方法，建立了一种冷却干燥通风过程中粮堆内热湿耦合传递的数学模型。 最后，以某国家粮食储备库的圆筒仓和高大平房仓粮食冷却干燥通风为实例，建 立二维物理模型和三维物理模型，借助数值模拟的方法，对冷却干燥通风过程中粮仓 内粮堆温度和水分的变化进行了模拟研究，得到了冷却干燥通风过程中粮堆内部热量 传递和水分迁移的基本规律。研究结果表明：通过与理论分析结果和实验结果比较验 证，模拟结果和实际机械通风过程中粮仓内粮堆温度和水分变化规律相吻合，证明本 本文为济南市科技发展计划项目( n o 2 0 0 9 0 6 0 4 4 ) 的部分研究内容。 山东建筑大学硕士学位论文 文提出的数学模型是准确的；冷却干燥通风具有良好的降温和降水效果；在冷却干燥 通风过程中，降温和降水是同时存在的，而且冷却前沿的移动速度大大快于干燥前沿， 在通风过程中往往表现为干燥过程尚在进行，冷却过程却已经结束；冷却干燥通风过 程中，粮堆温度和水分分布具有分层的现象；随着计算流体动力学( c f d ) 的发展， 计算机流动模拟技术被引进到机械通风这个传统领域，从而为分析现有机械通风设计 的有效性和今后的通风系统的优化工作提供了可靠直观且全面的研究工具。 关键词：数值模拟，多孔介质，热湿耦合传递，冷却干燥通风，粮仓 山东建筑大学硕士学位论文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f h e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e ri ns t o r e dg r a i n sd u r i n g t h ec o o l i n ga n dd r y i n gv e n t i l a t i o n d u a nh a i f e n g ( s c h o o lo ft h e r m a le n e r g ye n g i n e e r i n g ) a b s t r a c t c h i n ai st h em o s tp o p u l o u sc o u n t r yi nt h ew o r l dw h i l ei ti sa l s oal a r g ea g r i c u l t u r a l c o u n t r y t h ef o o dq u a n t i t y , q u a l i t ya n ds a f e t ya r ed i r e c f l yr e l a t e dt ot h ed e v e l o p m e n to ft h e n a t i o n a le c o n o m i c sa n ds o c i a ls t a b i l i t y s t a t i s t i c ss h o wt h a tg r a i no u t p u ti nc h i n ai su pt o m o r et h a n5 0 0m i l l i o nt o n sa n n u a l l y , b u to n l y8 0 o ft h eg r a i n sc a nb eu s e da sf o o dm a t e r i a l 2 0 o ft h eg r a i n sw e r el o s ti nt h es t o r a g ep r o c e s sd u et ot h ei m p r o p e rs t o r a g e t h ep r e v i o u s s t u d yf i n d st h a tt h em a j o rf a c t o r sr e s u l t i n gi nt h el o s so fg r a i n si n t h es t o r a g ea r et e m p e r a t u r e a n dm o i s t u r ec o n t e n t t h e r e f o r e ，k e e p i n gt h eg r a i nt e m p e r a t u r ea n dm o i s t u r ec o n t e n ta t a p p r o p r i a t e l yl e v e ld u r i n gt h e c o o l i n ga n dd r y i n gv e n t i l a t i o nc a na c h i e v et h eg r a i ns e c u r i t y b a s e do nt h et h e o r yo fh e a ta n dm a s st r a n s f e ri np o r o u sm e d i a , t h i sp a p e rm a i n l y s t u d i e dt h eh e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e ri ns t o r e dg r a i n sd u r i n gt h ec o o l i n ga n dd r y i n g v e n t i l a t i o nb yc f ds i m u l a t i o nm e t h o da n de x p e r i m e n t a lm e t h o d i tw a so nt h eb a s i so f m e c h a n i c a lv e n t i l a t i o nf o rg r a i ns t o r a g ea n dt h et h e o r e t i c a lb a s i so fc f d - b a s e dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n t h ee s t a b l i s h m e n to fp h y s i c a lm o d e l sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e l so fh e a ta n d m o i s t u r et r a n s f e ri ns t o r e dg r a i n sd u r i n gt h ec o o l i n ga n dd r y i n gv e n t i l a t i o nw e r eb a s e do na s i l oa n dal a r g ew a r e h o u s e f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ep r e v i o u sw o r ka b o u tm e c h a n i c a lv e n t i l a t i o ni n g r a i n ss t o r a g ea n dt h er e s e a r c hp r o g r e s si nt h i sf i e l da th o m ea n da b r o a d t h e nt h i sp a p e r i n t r o d u c e dt h et h e o r yo fm e c h a n i c a lv e n t i l a t i o ni ng r a i n ss t o r a g e ，h e a ta n dm a s st r a n s f e ri n 1 1 1 山东建筑大学硕士学位论文 p o r o u sm e d i aa n dc f d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n s e c o n d l y , t h i sp a p e rp r o p o s e dam a t h e m a t i c a lm o d e lo fh e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e r c o u p l e d i ns t o r e dg r a i n sd u r i n gt h ec o o l i n ga n dd r y i n gv e n t i l a t i o nb a s e do nt h et h e o r yo fh e a t a n dm a s st r a n s f e ri np o r o u sm e d i a f i n a l l y , t w o - d i m e n s i o n a lp h y s i c a lm o d e la n dt h r e e - d i m e n s i o n a lp h y s i c a lm o d e l sw e r e e s t a b l i s h e dw i t has i l oa n dal a r g ew a r e h o u s e t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h ec h a n g e so fg r a i n s t e m p e r a t u r ea n dm o i s t u r ec o n t e n td u r i n gt h ec o o l i n ga n dd r y i n gv e n t i l a t i o nb yc f d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o da n do b t a i n e dt h eb a s i cl a w so fh e a tt r a n s f e ra n dm o i s t u r e m i g r a t i o ni ns t o r e dg r a i n sd u r i n gt h ec o o l i n ga n dd r y i n gv e n t i l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a t ： t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa g r e e sw i n lt h ed a t ao ft h et e m p e r a t u r ea n dm o i s t u r ec o n t e n ti ns t o r e d g r a i n sd u r i n g t h ea c t u a lm e c h a n i c a lv e n t i l a t i o nw i mt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f ya n dt h er e s u l t sv 甜母t h em a t h e m a t i c a lm o d e lp r o p o s e di nt h i s p a p e rw a sa c c u r a t e c o o l i n ga n dd r y i n gv e n t i l a t i o nh a v eag o o de f f e c to nc o o l i n ga n d p r e c i p i t a t i o n c o o l i n ga n dp r e c i p i t a t i o ne x i s ts i m u l t a n e o u s l yi nt h ec o o l i n ga n dd r y i n g v e n t i l a t i o np r o c e s sa n dt h es p e e do fc o o l i n gf r o n tw a sm u c hf a s t e rt h a nt h ed r y i n gf r o n t i t w i l t so f t e nm a n i f e s t e di nt h ev e n t i l a t i o np r o c e s st h a tt h ec o o l i n gh a sb e e nc o m p l e t e dw h i l et h e d r y i n gp r o c e s sw a ss t i l lo n g o i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g yw i l l si n t r o d u c e dt ot h i s t r a d i t i o n a la r e aw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s i tp r o v i d e dar e l i a b l e a n dc o m p r e h e n s i v e 啊s u a lr e s e a r c ht o o l sf o rt h em e c h a n i c a lv e n t i l a t i o nd e s i g na n dt h e v e n t i l a t i o ns y s t e mi nf u t u r e k e yw o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，p o r o u sm e d i a ，h e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e r , c o o l i n g a n dd r y i n gv e n t i l a t i o n ，s t o o dg r a i n s l v 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果除文中已经注明引用的内容外，论文中不舍其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任 学位论文作者签名：日期 2 12 1 ：! 17 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导师 签名： 日期毁 山东建筑大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 我国是世界上人口最多的国家，人口总数约占世界总人口的2 2 ，吃饭问题始终是 我国的头等大事。因此，粮食问题具有极其重要的地位。同时，我国也是农业大国，粮 食是整个国民经济的基础，是关系到国计民生的特殊战略物资。粮食的数量、质量与安 全直接关系到国民经济的发展和社会稳定的大局。因此，粮食问题始终是党中央、国务 院密切关注的重点问题【。 统计资料显示，虽然每年我国粮食总产量都高达5 亿多吨，但只有8 0 的粮食能够被 合理的利用。其余2 0 的粮食在储藏过程中损失了。在粮食储藏这个环节中，由于粮食 本身是活的有机体，其内部不断进行着有生命的、生物化学的复杂变化，这种生命的、 生理的化学现象会消耗粮粒中的营养物质，同时，处于粮堆生态系统中的虫、霉、鼠、 雀也会对其产生危害而造成粮食在储藏中损失。据联合国粮农组织的调查显示，世界平 均每年的储粮损耗占产量总数的1 0 ，有些国家甚至高达3 0 。因此，减少粮食在储 藏过程中的损耗是粮食储藏的首要任务，也是确保国家粮食安全的重要举措。 如图1 1 所示，粮食的储藏环境主要是由粮仓外部的大气环境决定的。随着粮仓外 部的大气环境的变化，粮仓内部的温度和湿度会发生相应的变化，粮仓中的生态环境 也随之变化。由于外部环境中的温度变化和粮堆的热惰性，一方面使得粮堆内部产生 温度梯度，形成粮仓内部的自然对流，发生热量的传递；同时，由于热湿传递的耦合 效应，还会导致粮堆水分的迁移，从而形成粮堆局部高温高湿区域，不仅为害虫和霉 菌生长繁殖提供了有利条件，而且加剧了粮食的呼吸作用，导致粮食品质的劣变。另 一方面，由于粮堆内部的热湿迁移，可能会在粮堆局部形成低温高湿区域，一旦达到 露点温度，就会在粮仓内部出现结露现象，使得粮堆局部水分迅速增加，造成储粮发 热霉变以至发芽的严重后果。近年来不断发生的储粮霉变事故，引起了国家和各级政 府的高度重视，粮食的安全储存也成为人们亟待解决的重大课题。 1 山东建筑大学硕士学位论文 图1 1 粮食储藏环境 经过多年的研究，国内外专家一致认为，解决这一问题最合适的方法就是适时对粮 仓进行机械通风，降低储粮的温度和水分，确保储粮条件。温度和水分是粮食的重要质 量指标，粮食温度低于1 5 ( 2 时，可以有效地阻止昆虫和真菌的繁殖，而高温可使它们迅 速繁殖，导致粮食储存期间恶化；粮食水分过高，会促使粮食的生命活动旺盛，容易引 起粮食发热、霉变、生虫和其它生化变化，导致坏粮。 因此，适当地控制粮堆的温度和水分，可以有效抑制粮堆中虫害、霉菌的生长和繁 育，降低储粮品质的劣变速度从而达到安全储粮的目的。储粮通风的目的就是借助于机 械通风系统强制地把粮堆外部具有一定的温度和湿度的空气送入粮堆内部，使粮堆内部 的湿热空气与粮堆外部的冷空气进行热质交换，从而改变粮堆内部的温度和湿度，降低 ( 调整) 粮食中的温度和水分，以保障粮食的安全储存。 1 2 储粮机械通风的国内外研究概况 1 2 1 国外储粮机械通风的研究概况 国外最早在上个世纪5 0 年代就提出了预测谷物干燥过程中热质传递的数学模型， 1 9 5 4 年，美国学者w v h u k i l l 2 1 提出的谷物深层床干燥数学模型，后来被归为对数模 型的种。他利用干燥方程和一系列的无因次曲线计算干燥中在一定的干燥时间后， 2 山东建筑大学硕士学位论文 谷物床内任意深度处的谷物水分。他的计算方法简单，速度快，虽然不够准确，但不 失为一种有效的方法。 1 9 6 5 年，英国的d s b o y c d 3 1 建立了一个深层床谷物干燥模型，并首次对谷物干燥 过程进行了计算机模拟。他所用的模型是半经验型的，计算结果和实验数据不完全符 厶 口o 1 9 7 1 年，b a r r e , b a u g h m a na n dh a m d y l 4 】等人把对数模型应用到低温深层床粮食干 燥。他们把建立的对数模型和一个实验进行了比较，但没有描述干燥的过程。 1 9 7 1 年，s u t h e r l a n d 【5 】等人和1 9 7 2 年t h o m p s o n 6 j 对各种类型的谷物干燥机进行 了大量的研究，假设在一定的时间段内，谷物水分与一定温度和一定湿度的热空气处 于平衡状态；还假设谷物温度与热空气的湿度相等，提出了模拟干燥过程的平衡模型。 这是一个经验模型，可用于模拟低温干燥过程，经改进后也可用于模拟高温干燥过程。 1 9 7 1 年，b l o o m e 和s h o v j 刀在他们的模型中除了主要的热量平衡假设外，还假设 粮食吸附和解吸水分之间不存在滞后现象，建立了一个玉米常温下通风干燥模型。该 模型不但可以计算谷物干燥速率，而且还能预测玉米的质量变化情况。 1 9 7 3 年，s h a r m a 和m u i r 8 】用b l o o m e 和s h o v e 7 的平衡模型来模拟小麦和油菜籽通 风时的传热传质过程。虽然进行的实验比模拟预测的干燥区更大一些，但是该模型对 两种作物的干燥前沿还是给出了一个很好的预测。然而，他们的模拟没有预测到干燥 区上面的湿区，而这种现象实际上是存在的。 1 9 7 6 年和1 9 7 9 年，i n g r a m 【9 - 1 0 1 在s u t h e r l a n d 5 1 的研究基础上进行了进一步研究，解 决了平衡模型中的热量和质量平衡方程，使这一问题能够用图表显示。 19 7 9 年，s a b b a h ，k e e n e ra n dm e y e r t l1 】等人发展了b a r r e ，b a u g h m a na n dh a m d y t 4 1 的 对数模型，让入口条件随时间变化，但研究人员发现该模型不能充分预测温度和水分 的分布，特别是湿度传递过程。 1 9 8 1 年，b a s m a d j i a n 1 2 】运用平衡理论也提出了图形化模型，并进行了研究。 山东建筑大学硕士学位论文 1 9 8 3 年，m e t z g e r 和m u i r 1 3 1 提出了针对通风储存小麦的一个干燥模型。该模型模 拟了强迫对流换热和在垂直方向水分的传递。 1 9 8 8 年，w i l s o n 1 4 】模拟了通风过程中粮堆内部热量和水分边界层，但该模型没有 得到验证。 1 9 9 3 年和1 9 9 4 年，c h a n g t 5 - 1 6 等人提出了一个准确严密的模型来预测小麦通风储 藏过程中温度和水分含量。所采用的模型方法是基于有限差分方法，模型中包括代表 强迫对流传热传质的源项。 1 9 9 7 年，s i r 崩o 【1 刀等人提出敏感性分析的数学模型，来模拟储藏在巴西的小麦的 通风过程，发现预测结果和观测数据相吻合。 1 9 9 7 年，一d a w e ns u n 和j l w o o d s 1 8 】提出了一个针对谷物冷却的仿真模型，并得 到实验数据的验证。该模型被用在特殊季节时英国东南部的一个地方的谷物冷却过程。 1 9 9 7 年，t h o r p d l 明基于热量和质量守衡规律，提出了一个针对农场粮仓建模的数 学模型，考虑了热空气温度和谷物温度的差别。 2 0 0 1 年，c a n c h u nj i a 【柳等人，a n d r a d e 【2 l 】，2 0 0 2 年d e v i l l a 2 2 1 都模拟了粮仓内储藏小 麦的温度变化，但是，都没有模拟小麦水分的变化。 2 0 0 4 年，i g u a z 2 3 1 等人提出了一个针对周期通风的储藏大米的干燥模型，并进行了 数值模拟。 2 0 0 6 年，d a n i e l ad ec a r v a l h ol o p e s 2 4 】等人提出所采用的方法制定一个软件程序， 被称为a e r o ，来模拟在一维模型基础上使用变环境数据的粮食通风过程，这样发热 点的影响就被考虑。 1 2 2 国内储粮机械通风的研究概况 国内开展谷物干燥过程中热质交换的研究起步较晚。上个世纪8 0 年代中期，北京 农业工程大学【2 5 1 、东北农学院1 2 6 等单位分别在谷物的薄层干燥模型的建立，谷物热特 性的研究等方面作了研究，这些研究主要针对粮食烘干机内的粮食干燥而进行的，它 4 山东建筑大学硕士学位论文 对于指导烘干机的干燥操作具有重要的意义 周全申，张来林等2 7 1 ， 蔡庸加等硼，李志民等【2 9 1 ，谢静杰等【3 0 1 采用现场测量的方 法对不同仓型在各种气候条件下粮仓内部粮食温度的变化规律进行了研究。 束旭型3 1 1 ，李林杰等吲采用现场测量的方法对粮食储藏和冷却通风过程中水分变 化的变化规律进行了研究，探讨了粮仓外部环境条件或通风空气参数与储粮水分之间 的关系。 蒋华伟，史磊【3 3 】提出了描述粮堆内局部发热时温度变化数学模型，模拟了由于粮 食发热原因而形成的温度场。 万忠民等【蚓，汪海峰等【3 5 1 ，殷贵华等【3 6 1 对一定储藏条件下粮仓中粮食的品质变化 规律进行了研究，揭示了粮食温度和水分与储粮品质劣变速度之间的关系。 王双林等【3 7 1 ，曹崇文【3 3 】建立了粮食干燥的数学模型，并对干燥通风过程中粮食水 分的变化规律进行了模拟研究。 杨国锋等【3 9 1 ，代建国【删等人利用谷物的传热传质以及干燥速率方程，建立了低温谷 物干燥模型，分析了空气温度以及湿度对谷物干燥过程的影响。 王本龙等采用c f d 软件f l u e n t 对平房仓的机械通风情况进行了数值模拟，得 出了有效的温度场、压力场及流场分布，并且把数值模拟结果和模型试验相对比，吻 合较好。 王远成等【4 2 卅对粮食热物性的测试、计算及影响因素进行了研究，建立了冷却干 燥通风过程中粮堆内部热湿耦合传递的数学模型，并采用计算流体动力学技术( c f d ) 对粮仓内部的温度场随仓外大气温度的改变而变化的规律，粮仓内粮堆的温度和粮食 水分与通风系统的通风量、通风气流的温湿度的关系进行了一定的研究。 1 2 3 三种数学模型的优缺点 在粮食储藏期间，准确预测粮食的温度和水分是十分必要的，这样可以为机械通 风储粮技术提供依据。通过数值模拟，数学模型可以用来预测储粮的温度和水分。许 山东建筑大学硕士学位论文 多数学模型，都被用来模拟通风过程中粮仓内热湿耦合传递的过程。上文中提到的数 学模型，它们大致分为三类，即对数模型，平衡模型和偏微分方程模型。 对数模型：由于简单性和计算的经济性，对数模型非常有用，但是，该模型并不 十分准确，只适用于低温，低气流率干燥模拟和粮层较薄的情况。 平衡模型：由于平衡模型假设在某一时间段内谷物与空气能处于一种平衡状态， 从而简化了计算。该模型多用于多种粮食烘干机内粮食干燥的模拟，不适合粮仓内粮 堆通风干燥的模拟。 偏微分方程模型：该模型是根据控制体的能量和质量守恒定律制定的，十分复杂， 而且需要很多的计算时间。近年来随着计算机技术的进步，得到较快的发展。该模型 用4 个偏微分方程，即水分平衡方程、能量平衡方程、动量传递方程和干燥速率方程 来描述谷物干燥过程中热质转换及干燥速率，通常采用数值解法求解上述方程。 本文所建立的冷却干燥通风过程中粮仓内粮堆热湿耦合传递的数学模型属于偏微 分方程模型，它主要包括连续性方程、水分迁移方程、对流传热方程和动量方程，借 助c f d 数值模拟的方法来研究冷却干燥通风过程中粮仓内粮堆温度和水分的变化过 程。 1 3 研究方法 目前，冷却干燥通风过程中粮堆内温度和水分变化过程的研究方法主要有三种：理 论分析、实验研究和数值模拟。 ( 1 ) 理论分析 理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，是指导 实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往往要求对计算对象进行抽 象和简化，才有可能得出理论解。对于非线性情况，只有少数流动才能给出解析结果。 依据局部热平衡理论，谷物中散失的热量为粮温变化吸收或放出的热量和粮食水 分变化释放或吸收的潜热之和。 6 山东建筑大学硕士学位论文 q = 乙c l ( 0 一乞) + t 。( 一心) 2 9 3 0 0 0 0 ( 1 1 ) 式中：m s 为谷物的质量，k g ；c | 为谷物的比热，k j k g t ；t 一为谷物的初始温度，： f z 嘉。心咖3 。 3 ， = 坚吲q 剖c 产 q 3 。4 。k 一乙j 7 山东建筑大学硕士学位论文 算机性能的大幅度提高，大型数值模拟被引进到众多大型流体工程的设计中。以往对机 械通风的研究主要依赖实验手段，时间周期长，难度高，费用和工作量巨大，但仍然难 以获得准确和全面的试验结果。c f d 技术能够在可控制的条件下，真实地模拟现场的各 种可能条件，获得准确且全局性的数据结果，能够有效指导机械通风技术的改进和优化 本文采用数值模拟的方法，针对建立的二维和三维物理模型和数学模型，借助c f d 模拟软件，进行数值模拟。对模拟结果分析，得到冷却干燥通风过程中粮堆内温度和水 分的变化规律。并通过与理论分析和实验结果进行比较验证，证明建立的冷却干燥通风 过程中粮堆内热湿耦合传递的数学模型的准确性。 1 4 问题的提出 1 9 8 3 年j b e a r 提出多孔介质具有以下几个特点【4 7 】： a ) 部分空间充满多相物质，至少其中一相物质是非固态的，可以是气态或液态。固 相部分称为固相基质。多孔介质内部除了固相基质外的空间称为空隙空间。 b ) 固相基质分布于整个多孔介质，在每个代表性初级单元均应有固相基质。 至少一些空隙空间应该是相联通的。 由以上多孔介质的几个特点可以看出，粮堆是由粮食颗粒随机堆积而形成的静态颗 粒床，因此，粮堆是具有随机孔隙率的吸湿性多孔介质。由于粮粒具有自动吸湿或解吸 湿的性质，粮粒的吸湿和解吸湿过程会影响到粮堆内部的热力学状态，即影响到粮堆内 部的热湿传递过程。因此，粮堆内部的热湿传递是一个非常复杂的过程，它与局地气候 条件、粮堆热物性和粮食生物特性等多种因素有关，而且涉及到吸附理论、随机理论、 气象学、流体力学、热力学以及多孔介质内部的热质传递理论，因此，人们至今尚未完 全掌握粮堆内部的热湿传递规律。 因此，本文基于多孔介质传热传质的理论，依据局部热质平衡的原理，采用单元平 均的方法，建立了冷却干燥通风过程中粮堆内热湿耦合传递的数学模型，借助c f d 数值 模拟技术，对冷却干燥通风过程中粮堆内部温度和水分的变化进行模拟分析，并且与理 山东建筑大学硕士学位论文 论分析和实验观测比较验证，探索研究冷却干燥通风过程中粮堆内部温度和水分的变化 规律，为实际生产中粮仓机械通风储粮提供理论依据。 1 5 主要研究内容 本文以某国家粮食储备库的圆筒仓和高大平房仓为研究对象，建立二维和三维物理 模型，对以下问题做研究和探讨： 1 ) 基于多孔介质的传热传质理论，依据局部热质平衡原理，建立冷却干燥通风过程 中粮堆内热湿耦合传递的数学模型； 2 ) 针对建立的二维物理模型和数学模型，运用f l u e n t 6 3 软件进行恒温恒湿通风 条件下的数值模拟，通过对模拟结果的分析，得出冷却干燥通风过程中粮堆内部热量传 递和水分迁移的基本规律，并通过理论分析加以验证，证明建立的粮堆内热湿耦合传递 的数学模型的准确性。 3 ) 针对建立的三维物理模型和数学模型，运用f l u e n t 6 3 软件进行恒温恒湿通风 条件下的数值模拟，通过对模拟结果的分析，得出冷却干燥通风过程中粮堆内部热量传 递和水分迁移的基本规律，并通过实验结果加以验证，证明建立的粮堆内热湿耦合传递 的数学模型的准确性。 1 6 本文所采用的计算机软件及硬件配置 本文采用的软件有：网格划分软件g a m b i t 6 0 ，计算软件f l u e n t 6 3 ，后处理软 件t e c p l o t l 0 0 6 ，绘图及数据分析软件o r i g i n 7 5 。 计算在w i n d o w s x p 操作系统上进行，c p u 双核2 8 h z ，2 8 h z ，3 0 g b 的内存。 9 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章储粮机械通风及c f d 数值模拟的理论基础 本文采用c f d 数值模拟的方法研究冷却干燥通风过程中粮仓内粮堆温度和水分的 变化规律，涉及到储粮机械通风和数值模拟的一些知识，因此，本章介绍了储粮机械 通风的理论基础和数值模拟的理论基础，为以后章节用c f d 软件模拟冷却干燥通风过 程粮仓内粮堆温度和水分的变化过程奠定理论基础。 2 1 储粮机械通风理论基础 2 1 1 冷却干燥通风的目的 储粮机械通风的目的是借助于机械通风系统强制地把粮堆外部具有一定的温度和 湿度的空气送入粮堆内部，使粮堆内部的湿热空气与粮堆外部的冷空气进行热质交换， 从而改变粮堆内部的温度和湿度，降低( 调整) 粮食中的温度和水分，以保障粮食的 安全储存。 2 1 2 安全储粮的技术指标 通风过程中粮堆内部的热湿迁移是一个非常复杂的过程，它与局地气候条件、粮堆 热物性和粮食生物特性等多种因素有关，而且涉及到气象学、流体力学、热力学、生物 学以及多孔介质内部的热质传递理论，因此，人们至今尚未完全掌握粮堆内部的热湿传 递规律。 经过长期的实践和研究，普遍认为低于1 5 是粮食低温储藏的理想温度，在这样的 温度下，可以有效地限制粮堆中生物体的生命活动，延缓储粮品质的劣变。粮食的水分 也是影响粮食储藏品质变化的重要因素之一，水分越高的粮食在相同的温度下更容易劣 变，因此，粮食部门通常把粮食的安全水分规定在1 2 1 3 以内。 2 1 3 粮堆内部热湿传递的特点 粮堆是由粮食颗粒堆积而成的，因此，粮堆属于典型的多孔介质。机械通风的过 l o 山东建筑大学硕士学位论文 程实质上是粮堆内部的粮粒与粮堆外部的空气气流进行热湿交换的过程，即多孔介质 内部对流传热传质的过程。 l 、粮堆内部对流传热传质过程具有以下几个特点： ( 1 ) 粮堆内部对流传热传质过程是一个典型的非稳态不可逆的过程，其过程既随 着时间变化又具有不可逆转的特性； ( 2 ) 粮堆内部对流传热传质过程有多相多组分参与，故一般要涉及相间与相变传 热传质，影响因素众多、关系复杂； ( 3 ) 粮堆内部对流传热传质过程中传热传质相互耦合，既有d u f o r e 效应，又有s o r e t 效应： ( 4 ) 粮堆内部对流传热传质过程与物料的物理性质、含湿组分和状态关系密切， 所以，粮堆内部对流传热传质过程涉及到不可逆热力学、流体力学、传热传质学等学 科及其交叉学科。 2 、多孔介质内部热湿耦合传递的处理方法 多孔介质是由固体骨架和流体组成的一类复合介质，其传热传质过程在自然界和 人类生产生活中广泛存在。虽然多孔介质中基于孔尺度的流体流动和传热传质是非常 不规则的，但包含足够多孔的空间的平均物理量却以一定的规律随空间和时间变化。在 对宏观流动和传热传质的研究中，物理量被定义为表征单元体积 ( r e v r e p r e s e n t a t i v ee l e m e n t a r yv o l u m e ) ) 艮度中物理量的平均值。r e v 的选取一是 应使其尺度远大于孔的尺度，以保证平均结果与r e v 的大小无关；二是应远小于宏观 流动区域的尺度，以保证能够反映出宏观流动的变化规律。宏观方法是通过研究基于 r e v 的平均物理量的变化规律来研究多孔介质中的流动和传热传质。 早期用于描述多孔介质宏观流动和传热传质的传统控制方程是从实验结果中整理 得到的经验方程。近年来，许多学者从经典的流体力学方程和传热传质的控制方程出 发，利用r e v 的概念进行空间平均，并结合适当的封闭方程，得到多孔介质中宏观流 山东建筑大学硕士学位论文 动和传热传质满足的控制方程。 基于多孔介质流动方程和热质传递的控制方程的数值模拟一般都是对所研究的流 动和传热传质现象进行恰当的物理分析，选择合适的动量方程，并利用连续方程，再 加上合适的能量方程和标量输运方程，基于数值模拟方法求解偏微分方程组，从而得 到相应的结果。 对于不考虑传热传质的多孔介质内部流动问题，一般不考虑能量方程和组分输运 或标量输运方程，用描述热力学过程( 如等温过程、绝热过程或多变过程) 的方程来替 代。但对于考虑传热传质的流体流动问题，则需要加入能量方程和组分输运或标量输 运方程。一般采用的能量方程和组分输运或标量输运方程形式与普通流体力学中的能 量方程类似，但须引入有效热传导系数和有效质量扩散系数来表示多孔介质区域中的 热传导和质扩散特性。 2 1 4 储粮机械通风的物性参数 2 1 4 1 空气的物性参数 ( 1 ) 空气的密度 常温常压下，9 = 1 2 2 5 k g m 3 ，实际上空气的密度是随着温度和压力的变化而变化 的，但通常情况下，可以认为空气的密度是一个常数。 ( 2 ) 空气的温度 通常情况下，空气的温度为空气的干球温度，即常说的气温。 温度通常有两种表示方法，一是摄氏温度，另一是绝对温度。二者之间换算关系 如下： t = 2 7 3 + t d ( k )( 2 1 ) 式中：丁一绝对温度，k ；t d 一摄氏温度，。 干球温度乙是温度计在普通空气中所测出的温度，即我们一般天气预报晕常说的 气温。 湿球温度t 。是指同等焓值空气状态下，空气中水蒸汽达到饱和时的空气温度， 山东建筑大学硕士学位论文 在空气焓湿图上是由空气状态点沿等焓线下降至1 0 0 相对湿度线上，对应点的干球温 度。干球温度和湿球温度的关系可以查相关手册。 ( 3 ) 空气相对湿度r h r h ：拿1 0 0 ( 2 2 ) 匕 式中：c 一湿空气中水蒸气的分压力，p a ；匕一相同温度和大气压力下的水蒸气的饱 和分压，p a 。 湿空气的相对湿度通常用干湿球温度计测定，也可以通过专门的测量露点温度的 仪器，测量出湿空气的露点温度，再换算出湿空气的相对湿度。 ( 4 ) 含湿量与焓 i 含湿量d 湿空气的状态在变化过程中，由于水分的蒸发，水汽凝结，其体积和重量会发生 变化，即使湿空气中的水蒸气含量不变，由于温度的变化，其体积也随之变化。在储 粮通风中，为了计算方便，利用湿空气中的干空气在状态变化过程中其质量基本不变 的特点，以包含1 千克干空气的湿空气中所含有的水蒸气质量数来表示湿空气的含湿 量，用符号d 来表示。 在一定的温度和压力下，湿空气中干空气的质量和水蒸气含量的多少，往往直接 表现为它们的分压力的大小。其间的关系满足以下关系式： =去=瓦m面-t-p百,bd 6 2 26 2 2 ( 2 3 ) = _ = l = ( 23 ) 曰一只b r h 只。 式中：c 一水蒸气分压力，p a ；召一大气的压力，p a ；d 一含湿量，g k g ；厶一相同 温度和大气压力下的水蒸气的饱和分压，p a 。 由上式可知，在一定大气压下，空气的含湿量d 与水蒸气的分压力有关，水蒸 气分压力决定着空气的含湿量。在储粮通风过程中，含湿量是一个重要参数。空气的 任何状态变化，都可用含湿量的增减来判断空气是被加湿还是被减湿。 i i 湿空气的焓， 1 3 山东建筑大学硕士学位论文 焓是一个热力学的量，空气的焓为干空气的焓和水蒸气焓的和，即单位质量空气 所含有的总热量，用j 来表示，其单位为k i k g 。工程上，选定o 时干空气的焓和饱 和水蒸气的焓为零，贝i 上在温度t 时干空气的焓l 表示为： l = c r = t ( 2 4 ) 式中：l l 千克干空气的焓，k j k g ；c 芦一干空气的定压比热( 1 0 0 5 k j k g ) 饱 和水蒸气的焓。表示为： 1 。= 2 5 0 0 + c r t ( 2 5 ) 式中：l 一1 千克饱和水蒸气的焓，k j k gc 胛一饱和水蒸气的定压比热( 1 8 4 2 k j k g ) 。又湿空气中的水蒸气的含量为d 1 0 0 0 ( 克千克干空气) ，所以空气的焓为： ，= l + 1 w = 1 0 0 5 t + ( 2 5 0 0 + 1 8 4 2 t ) d 1 0 0 0 ( 2 6 ) 式中随温度而变化的热量称为显热，随含湿量而变化的热量，称为潜热。在储粮通风 中，湿空气的处理过程，都是在定压条件下进行的，所以只要求得湿空气的含量，就 能求得湿空气所吸收或放出的热量。 2 1 4 2 粮堆的物性参数 ( 1 ) 粮堆孔隙度( 孔隙率g ) 粮食聚集在一起，由于粮粒本身形态的不规则性，粮粒与粮粒之间不能完全紧贴 在一起，从而形成空隙。在整个粮堆中，孔隙体积占粮堆总体积的百分率称为粮堆的 孔隙度。一般来说，谷物颗粒粒度较大、粮粒完整，表面毛糙的粮堆孔隙度较大；反 之，粮粒粒度较小、不完整粒较多和表面光滑的粮堆，其孔隙度就相对较小。由于粮 堆的重力作用以及形成粮堆时的自动分级，粮堆的孔隙度往往是不均匀的，通常情况 下，粮堆底层的孔隙度相对较小。 孔隙度的大小影响着粮堆中气体的多少，因而会影响粮粒的呼吸、粮堆中水分的 转移、热的对流传导和机械通风的效果，也影响了储粮的稳定性。常见的粮食的孔隙 1 4 山东建筑大学硕士学位论文 度见表2 1 表2 1 各种粮食的孔隙度 种类稻谷大米小麦玉米黄豆油菜籽 孔隙度( ) 5 0 - - 6 04 3 - - 4 63 5 4 53 5 5 53 8 4 33 6 3 8 ( 2 ) 粮堆比热容 粮堆比热容：小 c , - - - - 1 8 7 1 j k g k ( 空气比热容：c ，= 1 0 1 1 j k g k ) 。实际上粮堆的 比热容是随着温度和水分的变化而变化的，但通常情况下，可以认为粮堆的比热容是 一个常数。 ( 3 ) 粮堆导热系数 由于粮粒本身都是一种胶体多孔物料，粮粒内部蛋白质颗粒和淀粉颗粒之间