浅圆仓通风过程中粮堆内部多长耦合传递过程的模拟研究

摘要

据估计，世界粮食产量在收获后大约损失10％~30％[1]，不同的国家不同的年份比例也会有所不同。产生这一巨大亏损的原因是非常复杂的，粮食在收获、干燥、运输、存储、加工和销售等过程中都会产生损失。其中，粮食数量和质量上的主要损失发生在存储过程中，而在储藏过程中温度和水分含量影响最大。经过实验分析，粮温小于15℃，水分含量在12%~12.5%范围时最有利于保持粮食颗粒的活性，也可以减少微生物的滋生，减缓害虫生长，从而减少粮食储藏损耗。所以，我国作为全球最大的粮食产业国之一，维护粮食的安全也就尤为重要。 论文基于多孔介质热湿耦合传递理论，通过坐标转换，得到了柱坐标系下锥形底筒仓和浅圆仓的粮堆内部动量方程、能量方程和水分守恒方程，并得出边界条件的控制方程。并利用网格划分技术产生数值计算的节点，使用了有限差分法解决方案，以及时间导数的向前差分技术，离散偏微分形式的方程，得到差分方程。通过使用空间导数的中心差分近似来分离计算域中的控制微分方程和边界条件。利用交替方向隐式方法、Thmoas算法和显式方法来求解热量和质量守恒方程。 其次，论文研究了通风过程中粮堆内部温度、湿度以及水分等物理场变化规律，还考虑了影响粮食内部生物场的物理和生物因素，包括：热容量、热传导、吸收率、扩散率、发芽率、呼吸率和虫害演替。探究了筒仓和浅圆仓内的粮堆内部热质传递过程和生物特性变化，同时考虑了太阳辐射和周围大气环境对筒仓内部粮堆的影响。基于Fortran程序，将求解过程编程，利用计算机求解。将运算结果利用Origin软件进行后处理，得到各场的分布云图。 在鲁中粮库搭建试验台，利用粮堆内部的温湿度传感器采集通风期间粮堆内部的测点处的温度，水分数据通过筒式水分快速测定仪测定，并与模拟结果进行了比较。数值模拟与实测的温度误差最大为2.0℃，水分的模拟数据和实测数据误差最大为0.5%，误差都相对较小，验证了文章中的数学模型和这套程序的准确性和实用性。 最后对十字型通风道、环型通风道、组合式（十字型加环型）通风道进行了数值模拟分析研究，比较了三种通风系统的通风效果。研究发现：组合式的通风道系统比其他系统的气流更加均匀，有利于粮堆内部降温保水，减少干物质损耗，减缓昆虫种群的生长率，所以这种系统更有利于粮食的存储。最后对鲁中粮库的圆筒仓通风期间粮堆内部温度和水分变化规律进行了模拟预测，得到了粮堆内部压力、温度、水分、干物质损耗、种子活性等的等高线图。 通过运用计算机编程来预测实际粮仓通风过程中的温度、水分含量、湿度等变化规律以及生物特性的变化，是一种科学高效的研究方法。本研究结果对于合理设计通风方案，降低粮食储藏过程中的损耗，节约储粮成本，提高经济效益，具有指导意义。同时，研究的结果也有利于粮仓设计的改进。

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