农户用钢网式储粮仓温度场数值模拟与试验研究

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现阶段国家政策鼓励农村土地流转,实现大面积种植,机械化作业。各种大型的种植收获机械应运而生,但收获以后粮食的储藏问题一直困扰着农户,没有足够的场地用于晾晒以及后续的粮食储存。一种能够解决农户干燥储粮的工具是农民一直渴求的。本文研究的粮仓就是专门适用于农户储粮与干燥的,仓壁采用透气性良好的钢网,便于仓内粮食与外界大气进行热质交换。仓内温度的稳定是保障粮食安全的重要因素,为了保障仓内粮食的安全,科学研究不同储粮条件下仓内温度变化情况是不可或缺的。论文依照农户用储粮仓的特点,将小麦作为试验对象,试验分为自然通风阶段和机械通风阶段。仅考虑两个阶段仓内温度的变化情况,分别对自然通风阶段和机械通风阶段进行计算域边界条件的设置,把粮堆看作物理效应等同于粮食的多孔介质模型处理,并通过实验和参考文献数据得到小麦的物料参数,其中包括小麦的比热容、导热系数、当量直径以及孔隙率等参数。使用了计算流体力学的方法,依照质量守恒定律、动量守恒定律以及能量守恒定律三大定律来定义流体流动以及热量交换方程,根据试验所用粮仓实际的储粮条件建立了数学模型,使用ANSYS软件中的Fluent模块模拟仿真粮仓内部温度场的变化,将模拟结果与实际测量的数据进行对比分析。由数据结果可以看出自然通风阶段仓内温度整体变化不显著,仓外壁受外界环境的影响最为显著,其次是顶部接近上端空气层的粮层和内部风筒壁,内部粮堆由于距离外界空气较远,受外界温度影响小,仅受到颗粒孔隙间的微气流影响,热量交换少,温度变化慢,滞后于仓壁和顶层的粮堆;机械通风阶段粮仓温度分布有明显的分层现象,温度的变化由风道内壁向仓外壁逐渐减小,距离仓底0.2m以内的粮层温度变化快于中上部粮堆,中上部粮堆变化基本一致。通过实仓装粮试验,合理选定温度传感器布置位置,将整个粮堆高度上分为3层,从下至上距离仓底距离分别为H1=0.2m、H2=1m、H3=1.8m,左右也分为3侧,分别距离中心轴R1=0.85m、R2=1.2m、R3=1.55m,实测各阶段不同位置不同时长的温度值,采用最小二乘法将机械通风阶段温度随时间、高度和半径的变化关系拟合成三元二次方程,给定时间、高度、半径长度由方程可计算温度值大小。比较模拟与试验测试结果可知,试验温度值整体略大于模拟值,但变化趋势保持一致,在误差允许范围内可认为二者结果是基本吻合的,说明建立的数学模型能够较好的描述仓内温度的分布变化情况。通过对比两个阶段热量变化速率能够发现,H1高度粮层机械通风的换热速率约为自然通风阶段的20倍,而H2高度粮层的换热速率约为自然通风的8倍左右,顶部H3粮层机械通风换热速率仅为自然通风的1.4倍左右。不难看出选择合适的通风时间以及通风时长能够很好的起到控制仓温的作用,同时也可以发现不同高度粮层通风量存在较大差异。
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