21123字硕士毕业论文储粮书库流场的计算流体动力学模拟

文献评论

1.1本课题的研究目的和意义

中国是一个农业大国，粮食总产量高，储量大。它的安全关系到国计民生。根据《2010年第六次全国人口普查主要数据公报(第1期)》，我国总人口已超过13.7亿，粮食安全问题进一步凸显。与此同时，由于我国粮食储存期长，分布范围广，更难保质保量，减少损失。据调查，在一个储存周期中，仅储存谷物的损失就可达到1%-2%。根据我国1.5亿吨粮食储备的动态数量，一个周期内的储粮损失约为150-300万吨，造成巨大的经济损失。作为一个生命体，谷物在储藏过程中会经历一系列生理变化，如后熟、霉变、发热、发芽、衰老等。这些变化将直接影响储粮的稳定性和质量。因此，如何控制和实现粮食的安全储藏已经成为一个世界性的问题[1]

。影响储粮安全的主要生态变化是储粮中的霉变、发热和害虫。影响生态变化的重要因素是[粮食储藏环境的温度和湿度。谷物水分和温度过高会促进谷物周围霉菌和昆虫的生长，加速其变质，同时还会加强谷物本身的呼吸作用[3，4]。粮食储藏生态的变化将导致粮食储藏的一系列其他生理变化。因此，粮食储藏是一个复杂的过程，涉及粮食储藏内部的流体运动、温度、粮食储藏的含水量以及储藏外部环境的变化。许多因素共同形成了独特的储粮生态环境。仓储领域的转型发展模式为[5]提供科技支撑。

谷物是人类生存和繁殖的基本物质。每个国家都在储粮技术的研究上投入了大量资金。为了有效保证仓内储粮的质量，防止各种粮食损坏的发生，有必要了解仓内储粮的实时状态，并制定有效的调整措施，防患于未然。了解和掌握储粮堆垛内部流场的分布和变化过程，是制定各种调节措施的重要依据，也是判断储粮是否处于安全状态的重要手段。因此，研究储粮桩内部流场的分布和变化过程具有重要的理论意义和实际应用价值。

1.2国内外研究现状

1.2.1粮食储存技术

十七届五中全会强调，要把建设资源节约型、环境友好型社会作为转变经济发展方式、提高发展全面性、协调性和可持续性的重要着力点。为了适应粮食产业客观形势的发展需要，储粮技术也应该从过去的“降耗”、“保质量、保安全”转向“绿色健康”、“环保低碳”。近年来，中国绿色生态低碳仓储新技术的进步，为加快[仓储领域发展模式的转变提供了科技支撑。

谷物是人类赖以生存和繁殖的基本物质。每个国家都在储粮技术的研究上投入了大量资金。随着人们环保意识和食品卫生要求的不断提高，绿色储藏技术得到了广泛应用，包括低温储藏技术、气调储藏技术、生物防治和病虫害综合治理技术，以及高新技术支持的节能减排技术。低温储存技术是世界上应用最广泛的绿色储存技术。

目前，世界上已有60多个国家和地区采用了这项技术。例如，在日本，脱壳后不易保存的糙米存放在不高于15℃的低温存储器中，从而减少虫害和农药污染，确保糙米的食用品质。在中国，发展利用天然低温资源的低温储粮技术是中国绿色生态低碳储粮的主要特征。2001年，中国粮库承德直属仓库建成了利用天然低温储粮的低温示范仓库。进行了自然低温储粮试验。随着谷物冷却机和智能通风技术应用的不断完善，吉林、辽宁、湖北、江苏、云南等地的许多储粮企业在不同生态区域建立了低温、准低温和温控储粮模式。研究和应用表明，机械通风技术可应用于我国北方地区，辅以仓库保温技术，实现全年低温储粮。

在我国南方部分地区，通过机械通风与粮仓和粮堆保温隔热技术相结合，辅以恒温通风和补充冷源技术，可以实现全年准低温储粮。可见，储粮过程研究的核心内容是研究储粮堆及其内部流体在内外因素共同作用下的分布和变化，而机械通风技术可以很好地控制和维持储粮堆及其内部流体的分布和变化，从而保证储粮堆的稳定性。在储粮桩机械通风储存过程中，收获的粮食被放置在装有机械通风系统的粮仓中。天然气空天然气或供暖，低温空天然气用作介质。在适当的条件下，通过机械通风来调节粮仓内粮食的温度或湿度，以保证储粮桩的稳定性和安全性。我国对机械通风技术在储粮中的应用进行了大量的研究。从目前的研发情况来看，储粮机械通风技术的创新重点主要是研究储粮通风智能自动控制系统、储粮干燥自动控制系统、节水通风自动控制系统和调理加湿自动控制系统[6]。

高志贤等人[7]利用不同风机组合对机械通风前后的冷却效果、失水和能耗进行了对比分析，并结合华南地区的气候特点探讨了高大浅圆仓的通风性能。陈志勇等人[8]分别使用轴流风机和离心风机进行机械通风和冷却试验，并通过对比试验数据比较两种模式下的能耗。事实表明，合理的机械通风技术可以使储粮桩处于均匀的低温状态，从而保持储粮的新鲜度，提高储粮的稳定性和安全性。

第二章储粮堆垛的计算流体动力学模拟理论与方法..............................10

2.1模型和相关控制方程……10

2.2边界条件和计算域..............................17

2.3模型求解...................23

2.4本章总结...................24

第三章储粮试验……26

3.1导言……26

3.2准稳定储存试验...................26

3.3机械通风储存试验……37

3.4本章总结……40

第四章准稳态贮存的计算流体动力学模拟...................42

4.1几何建模和网格生成……42

4.2边界条件和相关参数……44

4.3计算流体动力学结果和分析……48

结论

本文对室内小方仓、室外浅圆仓和大型单层仓进行了储粮试验。建立了准稳态和机械通风条件下储粮桩的三维计算流体力学理论模型。分别模拟研究了准稳态条件下储粮桩温度场和机械通风条件下储粮桩压力场的分布和变化过程。将仿真结果与试验结果进行对比验证，并对模型中存在的问题进行相应的分析和调整。主要研究结论如下:

室内小方仓试验和仿真结果表明，在不同的环境温度条件下，粮食的温升速率和范围是不同的。环境温度越高，温升速率和范围越大。当环境温度较低时，不同环境温度的影响没有不同。对于室内小型方形粮仓，距粮仓壁面30cm内粮食温度变化明显。超过此范围，晶粒温度变化率和变化范围明显减小。在颗粒层顶面下，由于顶部空空气层对流传热的影响，颗粒温度随空空气层温度变化明显。

参考

[①胡志超、高华刚等。中国储粮技术概述及发展[。农业机械化研究，2007，4: 35-39

邓·薛永。环境因素对四种储粮害虫影响的研究。重庆:西南农业大学博士论文。2001.

[3]穆罕默德·伊萨迪法尔。用局部体积平均法模拟水稻的填充床干燥[[]。食品研究国际，2006，39(6): 712-720。

[4]Yutthana http://sblunwen.com/ccgllw/蒂拉瓦尼查库、Somkiat Prachayawarakorn、Warunee Varanyanond。水稻仓内干燥的模拟与粮食品质[。食品工程杂志，2004，64(4): 405-415。

[5]吴子丹，曹杨。绿色生态低碳储粮新技术[。北京:中国科学技术出版社，2011: 392-405。

[6]郭道林、陶成、王双林等。[储粮行业节能减排技术的研究现状及发展趋势。粮油仓储节能减排专项技术会议。济南:国家粮食局，2010: 3-10

[7]高志贤、姚亚东、谢茹等。华南[大型浅圆仓不同风机组冷却能耗对比试验。粮油仓储节能减排专项技术会议。济南:国家粮食局，2010: 114-117

[8]陈志勇，熊文彬。轴流风扇和离心风扇通风和冷却能耗的比较[C]。粮油仓储节能减排专项技术会议。济南:国家粮食局，2010: 361-363

刘伟，范艾芜，黄晓明。多孔介质中传热传质的理论与应用[。北京:科学出版社，2006

曹崇文。粮食干燥的数学模拟[。北京农业机械化杂志，1984，6 (3): 79-98