基于CFD的细粒物料分布对储粮通风效率影响预测模型研究

本研究针对储粮通风过程中因破碎玉米及外来杂质(BCFM)非均匀分布导致的通风效率低下问题，开发了一种结合Haque细粒分布模型与CFD仿真的创新预测方法。通过系统研究初始BCFM含量、谷物流动速率、填充管直径及进气速度等多参数耦合影响，建立了精度达R2=0.90的预测模型，证实Haque模型结合k-ε湍流模型可有效替代传统Ergun方程，为优化粮仓通风系统提供了重要理论工具和实践指导。

　　

在粮食储藏领域，有效的通风系统是维持粮食品质的关键环节。通过将环境空气强制通入粮堆，通风过程能够调节温度、降低水分含量并防止霉变滋生。然而，实际储粮过程中普遍存在气流分布不均的难题，特别是在采用顶部中心填充方式的粮仓中，破碎颗粒和杂质（Broken Corn and Foreign Material, BCFM）会向中心区域聚集，形成异质性的颗粒结构。这种不均匀分布导致中心区域气流阻力显著增加，迫使气流向仓壁周边区域偏移，进而引发中心区域温湿度升高，最终导致粮食变质和虫害滋生。

传统研究多采用基于孔隙率的Ergun方程来预测粮堆中的压力降，但该方程存在明显局限：需要针对不同谷物类型和储存条件进行大量校准，且其线性孔隙度假设与实际非线性分布存在偏差。更重要的是，现有研究大多关注孔隙尺寸变化而非颗粒粒径分布的影响，而实际粮仓中BCFM的分布特征对气流阻力具有决定性影响。正是为了解决这一核心问题，由Dariush Zare领衔的国际研究团队在《Food and Bioproducts Processing》上发表了创新性研究成果，开发了一种基于计算流体力学（CFD）的预测模型，直接通过BCFM分布而非孔隙率来模拟通风过程中的气流 dynamics。

研究人员通过结合实验测量与数值模拟，建立了包含BCFM分布预测的CFD模型。主要技术方法包括：使用实验气流测量仓（EAMS）获取不同工况下的实测数据；采用无量纲化的BCFM预测模型计算局部杂质含量；将Haque修正模型与Hukill-Ives压力降模型耦合嵌入CFD求解器；运用标准k-ε湍流模型模拟粮堆内气流运动；通过网格独立性验证确保计算精度；使用决定系数（R2）、均方根误差（RMSE）和平均相对偏差（MRDM）等统计指标进行模型验证。

研究结果方面，团队通过系统实验和模拟揭示了多个重要发现：

在气流分布特性方面，研究发现局部气流速度（VAL）沿粮仓半径方向呈非线性增加趋势。中心区域因BCFM聚集导致孔隙率降低、气流阻力增大，而周边区域由于杂质含量较低形成优先气流通道。这种分布特性在去除粮堆顶部凸起形状后仍然存在，证实了BCFM分布而非表面形态是主导因素。

模型验证结果显示，CFD预测与实验数据高度吻合，统计指标R2达到0.90，RMSE为0.0267 m·s^-1，MRDM为9.93%。这表明Haque模型结合标准k-ε湍流模型能够可靠替代传统Ergun方程，且通过直接测量杂质含量比测量孔隙率更能准确反映实际情况。

初始BCFM影响研究表明，当初始杂质含量从5%增加到10%时，仓顶中心区域的局部BCFM从16.7%升至22%。有趣的是，更高的初始杂质含量反而降低了气流不均匀性因子（nufr），从45.6%降至41.7%。这被解释为高杂质含量抑制了分离强度，促进了颗粒的局部均质化，从而减少了中心与周边区域的渗透率差异。

谷物流动速率影响分析表明，增加装仓时的物料流量（从0.0005提高到0.0015 m³·s^-1）可使nufr从39.8%降至29.9%。较高流速使细小颗粒被抛射至离中心更远区域，减少了中心区杂质聚集，从而改善了气流分布均匀性。

填充管直径实验显示，增大管径（从84mm到120mm）使nufr从40.3%降至33.5%。较大管径减少了颗粒流动的能量损失，使更多细粒物质能够到达仓壁附近区域，改善了杂质分布的均匀性。

进气速度研究表明，提高进入粮堆的气流速度（从0.172增至0.209 m·s^-1）能够压缩通风死区面积，但需注意过高速度可能导致粮食过度干燥和能源消耗增加。

研究结论与讨论部分强调，本研究开发的CFD模型成功实现了对储粮通风过程中气流分布的高精度预测，验证了基于BCFM分布的方法相比传统孔隙率方法的优势。该方法不仅消除了Ergun方程需要谷物特定常数的限制，还通过无量纲化设计使其具备推广到其他谷物类型和实际规模粮仓的潜力。

这项研究的重要意义在于为粮仓通风系统的设计和优化提供了科学依据，表明通过控制装仓过程中的操作参数（如流动速率、填充管直径）可以有效改善气流分布均匀性，降低局部热点产生风险。未来研究可探索 peaked粮堆配置中的气流行为，并评估该模型在不同粮仓设计和谷物类型中的普适性，进一步推动粮食储藏技术的智能化发展。

研究团队来自塔斯马尼亚大学塔斯马尼亚农业研究所（澳大利亚）和设拉子大学生物系统工程系（伊朗），体现了国际合作在农业工程研究中的重要性。该成果为减少粮食储藏损失、提高粮食品质提供了创新性的解决方案，对保障全球粮食安全具有积极意义。