第30卷第1期2021年2月
淮阴工学院学报
Joarcat of Huaiyin Inshtutz of Techoology
Vvt.33Nv.1
王振清，张祥祥，陈曦
(河南工业大学土木工程学院，郑州450001)
摘要：为了研究地上仓和地下仓储粮期间粮堆温度场和微气流场的变化，基于多物理场数值模拟软件COMSOL，通过修改内置材料方程、质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒控制方程，对非人工干预条件下模型仓进行为期1年的模拟研究。改变边界条件模拟地上仓和地下仓两种不同储粮方式下仓内温度场和微气流场的变化。结果表明：地上仓受外界环境温度影响较大，温度最大波动幅度为1.5^；地下仓由于外界温度边界较稳定，粮堆温度变化较小，在装粮一年后粮堆温度降低2.2^；非人工干预条件下由温差产生的微气流速度非常缓慢，数量级均在1一-H^m•s-。 关键词：温度场；微气流；地上仓；地下仓
中图分类号：TS21文献标志码：A文章编号：109-7961(2021101-0060-05井冈山红历史
Study on Temperatura Field of Grain Heep undea Non-manuad Inteavedtion
WANG Zhen一qing,ZHANG Xiang一xiang,CHEN Xi
(School of Civil Enginee/ng,Henan University of Technology,Zhngzhoa450025,China) Abstract:Nn orCev to stuUy tie changes of tie temperature fielU ani micro一flow fielU of tie grain pite aunng tie storage of grain in tie adova一gnand waredoaso and tie nndnanund waredoaso ,tie model waredoaso simulation with non一human intenention fov one yeas was based on tie multi一physics nnme/cat simulation software COMSOL,by modifying tie buift-in mate/af exuation,mass coasenaboa exuation,enerfy coasenaboa equomn and momentum coasenation control equomn.By changing tie boandan condinoas,tie changes of tie temperature fielU and tie micro一aiv flow fielU in tie sito undec tie two diVerent grain storage methods adove gmand and underanand are simulated-The results show that tie adove-gnand bundef is greatfy aOected by tie extemaf exvinument temperature,and tie maximum temperature fluctuatioa range is1.5°C;tie undn-ynand buneev has a smalt change in tie temperature of tie grain pite aue to tie stadfe extemaf temperature boandan,and tie grain pite temper
ature annoes by2.2°C aOev one yeas of loading;The micro一aiv flow rate caused by temperature diVerenco undev non一mannat intenention is ve—slow,o U tie orCev of magnituae is between W_5~W-4m•s_1•
Key words：temperature fielU;micro aiv flow;adove-gnand waredoaso;underanand waredoaso
我国储备粮库多采用的平房仓、浅圆仓、立筒仓等仓型均为地上仓，地上仓外界温度为大气温度，气温随季节更替而变化。而地下仓依托其天然低温环境能抑制粮内酶活性、减弱粮粒呼吸作用和免去药物熏蒸，实现绿储粮也越来越得到重视5「2。温度作为安全储粮的主要物理因素之一，研究价值巨大。仓内温差亦会产生微气流，在粮堆内部形成自然对流，从而导致仓内水分分布不均5]o因此，为了保证安全绿储粮，研究并改善粮仓内温度场具有重要意义。
数值模拟经济有效，在对于探索粮堆温度场传递规律中被广泛应用⑷。国内外学者对不同仓型内粮堆温度场和微气流场进行了大量的研究。梁醒培等⑸采用有限元法对小麦粮堆进行了一年
收稿日期：2020-08-12
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51708180)
作者简介：王振清(1252-)，男，河南郑州人，教授，硕士，主要从事粮食仓储结构方向研究。通讯作
者：陈曦(1287-)，女，河南郑州人，副教授，博士，主要从事室内颗粒物沉积研究。
第1期王振清，张祥祥，陈曦：非人工干预条件下粮堆温度场的研究61
的温度模拟，并用实仓验证了模拟的准确性;J m 等7在笛卡尔坐标系下构建了圆筒仓粮堆温度场模型;Thorpe71通过对多孔介质中的热量传递进行研究，运用计算流体力学(CFD)模拟软件构件了粮堆的热湿传递模拟；尉尧方等基于多孔介质传热传质理论，采用近似分析原理和数值模拟方法,6对诸粮期间粮堆内的自然对流过程和温度场传递规律进行了探究，得出自然对流使得粮堆温度更加均匀；刘文磊等基于数值模拟软件COM-SOL，探究了储粮压力对粮堆温度场的影响，并得出储粮压力影响下的粮堆内温度场变化规律，并用试验验证了其可靠性；葛蒙蒙等7利用数值模拟软件COMSOL，对高大平方仓静态储藏温度场变化进行了研究，得出仓内粮堆温度变化受外界温度影响较大，表现出季节性变化，并用试验验证了模拟的准确性；王振清等［10-10］对地下仓储粮期间温度场变化进行了数值模拟分析，得出随着储粮时间的增加，仓内粮堆温度逐渐趋于当地地下恒温温度。粮温温度的分布在纵向存在明显分层现象且外界温度对粮堆上层的影响要高于下部，并用试拟的性°
内外学对度场的研究于
上仓，对地下仓温度场的研究有所涉及，但仍相对较少。采用地上与地下仓对比的方法，对粮堆温度场进行了为期1年的数值模拟，分析了粮堆温度和微气流的动态变化规律，进而为制定相关措施提供
依据°
1粮仓模型的建立与条件设置
粮堆是一种多孔介质，其储藏期间，涉及温度的传递和微气流流动等。为简化计算，假定粮堆为多孔介质域，且均匀连续分布，忽略粮堆自呼吸影响及粮粒间辐射作用。
1.5非人工干预条件下数学模型的建立
假定空气为不可压缩流体，连续性方程为：du/d x+d o/d y=2(1)自然对流中,Ra=Pr*Gr=e//•⑴陆)/卩9(2)
其中:Gr为格拉晓夫数;Pr为普朗特数;；为重力加速度,m•p-2；为流体体积膨胀系数,1/K;T 为热力学温度,K；L为特征长度,m;；为运动粘度, m2/s;a为热扩散系数,m2/s；△T为流体上下面温
值°
假定自然对流速度场足够小(Ra<1)，达西定律能够适用，则X、Y方向速度分别是：
/=K/fjb V P(3)
0=-K/»(V P-p a g)(4)
则质量守恒的方程可写为：⑴⑴pj)/dt+ V(p a/)=2(7)式中，为动力粘度系数,N•s/m0；K为渗透率,m2；为孔隙率4。为空气密度e g/m9;/^'=1, 2)为尊方向空气的流动速度,m•s-;/=/,/= o°,(2=14)为系统坐标，在笛卡尔坐标系中41 =心丿2=744即为笛卡尔坐标系中x轴，丿轴°假定浮升力满足线性变化，采用Bous/nesq近似［15］，则动量方程为：
P a(d/)/d，=-(缺/)/K-OP/d+8t］p a g(T -T)(6)能量守恒方程：
pgCg dT/d，+V•(-传V T)=Q-/•V T+t：S+T/p a((.dp a)/dT)P(dP/d0+/•V P)
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(7)
忽略压力功、粘性发热和由于粮食颗粒自呼吸产生的热量，则能量守恒方程简化为：
p g C g dP/P+V•(-A g V T)+p a C%•V T=2
(8)
式中4g为粮食密度,6g/m9;C g为粮食比热容,J/(kg•K)；为粮食导热系数,W/(m•K)°1.4物理模型的建立与域点探针布置
1.2.1物理模型仓视图
仓高7m，外直径3.5m，中心筒直径2.5叫其中装粮线高4m，装粮线上至仓顶盖区域为空气域，仓顶盖为绝热材料，地下均温为17°C°在仓内布置探针用于记录温度变化，域点探针从下至上共布置5层，每层4个，共布置22个°域点探针对称布置在仓中心面，水平间距为572mm，垂直间距为1202mm，空气域内域点探针与装粮线间距为572mm°仓俯视、剖面图和域点探针布置图见图1和2°
62淮阴工学院学报2021
图1模型仓俯视示意图
1.2.2COMSOL边界条件及参数设置
对仓进行为期1年的模拟，模拟装粮时间
为4月份。度为金立兵等［14］实测数据，测
试为河南郑州。
值模拟初始条件：初始为22七，地上仓
初始度采用差值的形式，用实测的每
月温度的值为边度条件；地下仓外部环
度17°C，仓内空气域温度为初始
度22O C；数值模拟边界条件如表1:
表1数值模拟边界条件
仓型边度
地上模型仓上边界绝热，左右下边界均为始环境温度实测均值
上边2边界均为地下（17C）
仓
省内2日游去哪里比较好2结果分析
利用建立的粮仓COMSOL二维物理模型，在非预条件下，对地上仓和仓两种）仓形式内温度场和微气
流场进行数值模拟。模拟为期1年，数值模拟主要研究了非预条件仓内的温度传递过程，通过数值模拟给
的微气流场（速度场）、温度场，以及多孔介质域温度变化过程。
2.1速度场对比分析
对比分析两种式速度场（图3~图6）可知，其分布趋。隙间的速度场主于导致的密度形成，靠近高
泾县旅游攻略面粮堆的中部处微气流。中间部位由于 筒的存在使得靠近处微气流略微增大，中心仓在一条微气流低速带。在地上仓，外部度高使微气流域面略微高；地下仓中随着冷量渗入2产生的微气流逐渐减小。在1月份和7月份，地上式的边界温度大于式边度度的（3°C），故地上仓速度场分布值大于式，但由于大（16°C以内），所以速度场数量在12-5~12一怙•s"，且现“）（”状态，地上仓1月份微气流最大值为（9.52xW.m•s_1）＞地下仓1月份微气流最大值（1.67x12-^•s"），月趋势，微气流的大小导致温湿度在地上仓内扩散速度大于内扩散速度。
时间=3Ms表面：达西速度大小（m/s）
图3地上仓1月份速度场时间=3Ms表面：达西速度大小（m/s）图4地下仓1
月份速度场
第1期王振清，张祥祥，陈曦：非人工干预条件下粮堆温度场的研究23
▲ 6.18x10“
X10'4
时间=9 Ms 表面：达西速度大小（m/s ）
时间=9 Ms 表面：达西速度大小（m/s ）
▼ 4.09x0
▲ 9.43X10"5
xE
图5地上仓7月份速度场图2.2温度场对比分析
对比分析两种
式温度场 （图7 ~图
1）可知1
度场关于
现对称分布。
着
的推移，在地上仓的 ，2 量
扩散，使 高 域逐渐减
小，低 域逐渐增加；高 域由于热浮升力的
作用，表现 域上浮的现象。 3个月，多孔介质域最大值为1 8 . 2 °C ，比初始温度降低 5.4七。随着天气变暖，夕卜 度升高，粮堆的温度出现滞后现象，且冷量
在
内部，表现 •
图2地下仓7月份速度场
量 的现象；由于 仓边 度较稳定，在地仓的 ， 量 扩散， 使 低域 增大， 高 域 减 。 月 ，的最大值为15.2C ，比初始 降低1.6C 。
北京海淀区是几环
于温度差产生微气流，微气流又影响温度的分
布， 使 高 域上 ， 低 域 降。，由地上、地下仓对比可 ，当外部高温
仓内形成“
”；当外部低 仓内
形成“ ”，两种现象的出现对
来隐患。
1619
1418.5
10
17
▼ 0.96
图8地下仓1月温度场
时间=3 Ms 表面：温度（degC ）图7地上仓1月温度场时间=3 Ms 顽：SE (degC)
26
18
1816
□
图9地上仓7月温度场图1地下仓7月温度场
时间=9 Ms 嗣：S® (degC)时间=9 Ms 表面：温度（degC ）
2.3各层粮温对比分析
根据在COMSOL 中定义的域点探针和域探 针，对 、空气层（第五层）和 度值的变化进行分析。 2可知，在地上仓中，外部 度的变化使得仓内 度发 趋的变 ， 外部 对 度的影响 着
高的增加逐渐减小。装粮5个月后，粮堆上下层温 大，达3.5C 。空气 外 度影响最
大，在初始 大 现骤降的现象；由图1可，在 仓中，由于外 度较稳定，仓内
度随着 的增加逐渐降低，距离仓
底越近处 度受外界温度影响最大。装
64淮阴工学院学报2021
后，第度均值降低2C，第三层温度变为缓慢，装后，均温降低05C。由6可知，地上仓度度影响较大，其度均值波动较大2仓仓内；温度均值平稳变化。在外部度变，地上仓仓内度均值表现外的变趋势2“滞后”现象2于作为一种热导体2，使度在粮堆内的传递需过程。
2.0结论与建议
基于数值模拟软件COMSOL对郑州
上粮仓和仓进行了装期为1年的数值模拟，通过实测的度为边界条件，模拟了仓内温度场和微气流场变化，主以下结论建议：
(1)非预条件下，微气流数值较小，其均值数量在□"〜□"皿*s-2现“)(”状态，靠近位置速度最大；
(2)地上仓度变影响仓内粮
度变化，且波动较大，在装粮后约5个月后与初始度大，为12.5C。仓由于外度较稳定，仓内粮堆温度变稳，7月末仓内高温度为15.2O C，降低1.6C，能低的度，这对于
定的度明显；
(3)外部对地上仓和仓仓内：温度的影响，都会随着层高的增加而降低。仓内粮度的变化在随着外部度变化的'，表现出“滞后”的现象。在地上仓中，装粮5个月后，粮堆上度大值3.2°C；地下仓，装后温度降低2.6C，且中
外部度变的影响小。
(4)实过程，可通过改变装来改变装度，从而改善仓内温度场，使仓内温度更于。
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(责任编辑：张月
)
