仓储内生物质多孔介质呼吸过程热湿耦合特性研究

摘要

国家的发展以及人们的生产和生活离不开粮食，粮食安全储藏十分重要。粮仓本身又可以看作小型生态群落，里面包含害虫、霉菌、微生物的生存、繁殖以及仓外外部环境、仓内粮堆的呼吸作用以及粮堆的吸湿解吸湿特性共同决定。当仓外外部环境过高，粮仓水蒸气含量上升，会致使粮食颗粒呼吸作用加快，致使粮堆局部区域温湿度上升，导致害虫、霉菌大量繁殖，损害粮食品质。为保证粮食的安全储藏，可以先控制好空气介质的温度和湿度，然后通过通风的方式对粮堆的温度和水分进行控制。本文研究了通风过程中粮堆传热传质的规律。 文章通过理论分析、数值仿真和试验验证的方式，以生物质多孔介质为探究对象，探究了在冷却干燥通风过程中考虑呼吸过程并具有吸湿解吸湿特性粮堆内部的热湿耦合过程，研究粮食颗粒温度和水分的变化规律，主要研究内容如下: 首先，介绍了仓储谷物颗粒传热传质海外的研究近况，分为传热传质背景和传热传质模型两部分，以及国内的研究现状，分析了国内外的不同的研究方向和手段;并介绍了仓储粮堆通风的一些理论基础知识。 其次，以多孔介质传热传质理论为基础，考虑粮食颗粒的呼吸作用和吸湿特性的条件下，建立起仓储内生物质多孔介质传热传质的数学模型。 再次，以平房仓为研究目标，确立二维物理模型，对其横向通风方式进行模拟，得到了通风12天的粮堆平均温度数据，沈邦灶等人以相同条件做了试验，对模拟数据和试验数据进行了对比，模拟数据和试验数据变化趋势相符，对模型进行了初步验证;将高大平房仓为研究目标，建立三维物理模型，对其“U”型风道竖向通风方式进行仿真，得到了通风140小时的粮堆平均温度和平均湿度数据，周新龙、罗先安等人以相同条件做了试验，模拟数据和试验数据了对比，模拟温度和湿度的变化规律和试验数据基本吻合，模型的准确讲进一步的到了验证。 最后，选取平房仓，其风道为“非”字型，其通风方式为竖向通风，对其进行数值仿真，对不相同条件下通风作业中粮食颗粒传热传质过程进行模拟，得到了不同条件下谷物的温度变化和水分迁移云图，探究了粮堆不相同条件下传热传质的规律。

目录

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摘要

图表目录

1．绪论

1．1研究背景和意义

1．2仓储粮堆传热传质研究现状

1．2．1仓储粮堆传热传质实验研究现状

1．2．2仓储粮堆传热传质模型研究现状

1．2．3仓储粮堆传热传质仿真研究现状

1．4论文研究内容

1．5论文研究方法

2．生物质多孔介质呼吸过程的热湿耦合传递CFD模拟理论基础

2．1粮堆机械通风的理论基础

2．1．1粮堆通风的目的和作用

2．1．2粮堆适宜储藏环境

2．2生物质多孔介质物性参数

2．2．1含水率

2．2．2孔隙率

2．2．3容重

2．2．4导热系数

2．2．5粮层阻力

2．2．6呼吸作用下产生的水分和热量产生量

2．3湿空气物性参数

2．3．1密度

2．3．2温度

2．3．3相对湿度和绝对湿度

2．3．4含湿量

2．3．5焓

2．4仓储粮堆通风方式

2．4．1通风系统

2．4．2送风方式

2．4．3气流方向

2．4．4通风笼布置形式

2．5 CFD模拟的理论基础

2．5．1 ANSYS软件介绍

2．5．2数值计算方法

2．6本章小结

3．生物质多孔介质热湿耦合传递数学模型

3．1控制方程

3．1．1连续性方程

3．1．2动量方程

3．1．3水分迁移方程

3．1．4对流传热方程

3．2多孔介质模型

3．2．1多孔介质模型对动量方程的处理

3．2．2多孔介质对湍流的影响

3．3本章小结

4．平房仓粮堆二维传热传质仿真模型及数值模拟

4．1物理模型

4．2网格划分

4．3模型边界条件和初始条件

4．3．1初始条件

4．3．2入口边界条件

4．3．3出口边界条件

4．3．4壁面条件

4．3．5 FLUENT多孔区域条件的设置

4．4模型验证

4．5数值模拟结果与分析

4．5．1平房仓粮堆温度分布

4．5．2试验仓粮堆湿度分布

4．6本章小结

5．平房仓粮堆三维传热传质仿真模型及数值模拟

5．1物理模型

5．2网格划分

5．3模型边界条件和初始条件

5．3．1初始条件

5．3．2入口边界条件

5．3．3出口边界条件

5．3．4壁面条件

5．3．5 FLUENT多孔区域条件的设置

5．3．6孔隙率的设置

5．4模型验证

5．5数值模拟结果分析

5．5．1平房仓温度分布

5．5．2平房仓粮堆平均温度变化曲线图

5．5．3平房仓湿度分布

5．5．4平房仓粮堆平均湿度变化曲线图

5．6本章小结

6．仓储内生物质多孔介质呼吸过程热湿耦合特性模拟与研究

6．1物理模型

6．2网格划分

6．3模型边界条件和初始条件

6．3．1初始条件

6．3．2出口边界条件

6．3．3入口边界条件

6．3．4壁面条件

6．3．5 FLUENT多孔区域条件的设置

6．3．6呼吸源项设置

6．4数值模拟结果分析

6．4．1温度分析

6．4．2湿度分布

6．5不同通风温度对传热传质的影响

6．5．1温度分析

6．5．2湿度分析

6．6不同通风速度对传热传质的影响

6．6．1温度分析

6．6．2湿度分析

6．7不同孔隙率对传热传质的影响

6．7．1温度分布

6．7．2湿度分布

6．8呼吸作用对传热传质的影响

6．8．1温度分布

6．8．2湿度分布

6．9本章小结

7．结论与展望

7．1研究结论

7．2展望与建议

致谢

参考文献