中心装载形成的非均匀孔隙率玉米粮堆通风过程中的热湿传递

《Case Studies in Thermal Engineering》：Heat and moisture transfer during aeration of maize grain piles with heterogeneous porosity formed by central loading

　　

筒仓装载过程中形成的孔隙率非均匀性在连续介质模型中常被忽略，尽管其显著影响气流以及热湿耦合传递。本研究通过装载试验、分层取样、96 h通风实验和计算流体力学（CFD）模拟，在直径1.5 m、高3.0 m的小型筒仓中考察了该效应。在不同下落高度下测量了破碎籽粒、杂质、其他谷物和孔隙率的径向分布。利用这些测量结果并结合垂直压力修正构建了孔隙率场。将温度预测结果与实测数据进行了评估，并与恒定孔隙率模型进行了比较。破碎籽粒和细小物料主要积聚在中心区域，而粗杂质则同时出现在中心与仓壁附近。修正后的孔隙率范围为底部中心的0.411至上部近壁区的0.462。在非均匀孔隙率条件下，气流向仓壁偏移，壁面附近速度约比中心高40%，底部压降比恒定孔隙率情形高12.69%。恒定孔隙率模型对早期冷却的高估幅度最高达4.27 °C，而非均匀模型再现了中心冷却较慢、近壁冷却较快的现象。由于缺乏空间分辨的籽粒水分实测数据，水分场仅作定性解读，结果显示上部中心区域水分降低较慢。纳入实测孔隙率分布改善了气流和温度预测，并为空间水分迁移提供了理论指示。所拟合的波阵面关系式仅适用于所测试的筒仓几何尺寸、通风速率和边界条件。

论文解读：中心装载形成的非均匀孔隙率对玉米粮堆通风热湿传递的影响

**一、研究背景与意义**

玉米在储藏过程中，环境温度波动、籽粒呼吸及微生物活动会导致局部温度与水分升高，从而引发霉变、虫害和品质劣变。机械通风通过强制空气流过粮堆来移除热量和水分，其效果取决于气流分布的均匀性。若气流分布不均，部分区域可能过度干燥，而弱通风区域则易形成局部热点。实际粮堆的孔隙结构在装载过程中即已形成，并非均匀一致。机械收获的玉米含有破碎籽粒、细杂质、粗杂质和其他谷物，这些组分在中心装载过程中因轨迹分离、筛分、渗滤和撞击等机制发生空间再分布，导致细碎物料在中心区域富集，同时粮堆自重压实进一步降低下层孔隙率。然而，多数连续介质模型为简化计算，常假设粮堆具有单一恒定孔隙率，这会造成气流速度与压降预测的显著误差。因此，量化装载过程中形成的孔隙率非均匀性，并明确其对通风降温及水分迁移的影响，对于合理设计通风系统和保障储粮安全具有重要意义。

**二、研究内容与主要结论**

研究人员在直径1.5 m、高3.0 m的小型平底钢制筒仓中开展了中心装载试验，分层取样测量了不同下落高度下破碎粒、粗/细杂质、其他谷物及孔隙率的径向分布；随后进行了96 h连续通风实验，并基于实测组分分布与垂直压力修正构建了非均匀孔隙率场，将其嵌入计算流体力学（CFD）模型，对比了恒定孔隙率与非均匀孔隙率模型在气流、压降、温度和水分迁移方面的差异。结果表明：细杂质和破碎籽粒主要积聚在中心区域，粗杂质在中心和壁面附近均富集；经垂直压力修正后，孔隙率从底部中心的0.411变化至上部近壁的0.462。非均匀孔隙率场导致气流偏向壁面，近壁风速比中心高约40%，底部压降比恒定孔隙率情形高12.69%。恒定孔隙率模型在通风早期对冷却速率的预测偏高，最大温差达4.27 °C，而非均匀模型则更准确地再现了中心冷却较慢、壁面冷却较快的实测规律。由于缺乏空间分辨的籽粒水分实测数据，水分场仅作定性分析，结果提示上部中心区域水分下降较慢。将实测孔隙率分布纳入模型后，气流和温度预测精度显著提升，并可为空间水分迁移提供理论参考。研究论文发表于《Case Studies in Thermal Engineering》。

**三、关键技术方法**

研究采用的主要方法包括：在直径1.5 m、高3.0 m小型筒仓中开展中心装载试验，使用分层取样管获取不同下落高度、不同径向位置的样品（样品来源为2022年收获于中国河南郑州的郑单958杂交玉米，储存于平房仓）；通过筛分和人工分选测定破碎粒、粗杂质、细杂质和其他谷物含量，并计算局部孔隙率；采用非线性回归建立破碎粒分布模型和孔隙率-破碎粒含量关系，结合垂直压力模型修正孔隙率场；利用Ansys Fluent构建CFD多孔介质模型，采用Ergun方程计算局部阻力系数，通过用户自定义函数（UDF）实现孔隙率空间变化，模拟气流、温度和水分的瞬态传递过程；通过网格无关性验证和96 h通风实验数据对模型温度预测进行验证。

**四、研究结果**

**3.1 中心装载过程中的组分分离**
通过分层取样和组分质量分析，研究人员发现细杂质和破碎籽粒的归一化含量在中心轴线附近最高，并随径向距离快速下降；粗杂质呈U形分布，在中心和壁面均较高；其他谷物（主要为小麦和大豆）也表现出中心富集，且随下落高度增加而更明显。破碎粒含量随下落高度增加而上升，表明装载过程中的撞击破碎与分离同时发生。

**3.2 非均匀孔隙率场的构建**
基于实测孔隙率，研究人员建立了破碎粒含量与孔隙率的指数关系模型（R2=0.786），并结合垂直压力修正公式，得到包含破碎、分离和压实综合效应的孔隙率场方程。该场显示孔隙率最小为底部中心的0.411，最大为上部近壁的0.462，呈中心低、壁面高、下部低、上部高的分布特征。

**3.3 通风过程中的温度与相对湿度变化**
96 h通风实验表明，粮堆温度自下而上逐渐降低，底层响应最快，上层响应最慢，且上层初始阶段出现短暂升温。径向对比显示，中心温度下降速率明显低于0.3 m和0.6 m径向位置，中下层尤其显著。相对湿度在底层迅速趋近进风空气，上层则长时间维持较高值。

**3.4 不同孔隙率条件下的气流与压力分布**
CFD模拟显示，恒定孔隙率模型下径向风速差异很小，平均约0.018 m/s；而非均匀模型则在粮堆内形成清晰的速度梯度，近壁风速约0.021 m/s，中心约0.015 m/s，壁面比中心高约40%。非均匀模型计算的底部压降比恒定模型高12.69%，说明仅用平均孔隙率会低估粮堆整体阻力。

**3.5 温度预测与模型评价**
恒定孔隙率模型在通风最初30 h内高估了冷却速度，在代表性监测点的最大偏差达4.27 °C；非均匀模型则更准确地预测了中心慢、壁面快的径向冷却差异，且与实测温度曲线吻合更好。上层（z=2.9 m）因初始短暂升温难以完全再现，造成一定偏差。

**3.6 不同孔隙率条件下的水分迁移**
由于缺少籽粒水分空间分布实测数据，水分场仅作定性比较。非均匀模型预测壁面附近水分降低更快，上部中心区域水分下降最慢，干燥前沿呈弯曲形态；而恒定模型预测干燥前沿近似水平。经过96 h通风，两种模型均显示平均水分从16.98%（干基）降至约14.12%，但非均匀模型在上部中心保留更高水分（约14.42%）。

**3.7 温度与水分前沿曲线**
研究人员从模拟结果中提取了15 °C温度和14.12%干基水分特征等值面的位置，并拟合出温度前沿高度H_T和水分前沿高度H_M随径向距离和时间变化的经验方程。温度前沿模型R2=0.99572，水分前沿模型R2=0.99616，两者均能较好描述模拟数据，但适用范围仅限于所测试的筒仓尺寸、通风速率和边界条件。

**五、讨论与结论**

**讨论总结**：中心装载过程中，细杂质和破碎粒的集中是形成低孔隙率核心的主要原因，而垂直压力进一步压缩下层孔隙，两者共同导致气流阻力在中心下部最大。非均匀孔隙率使气流偏向壁面，造成中心通风不足，这解释了实验观测到的中心冷却延迟。恒定孔隙率模型因平均化处理低估了中心区域阻力，从而高估了早期降温速率。水分迁移与温度响应不同步，水分前沿显著滞后于温度前沿，上部中心区域因远离进风口且气流弱而成为干燥最慢区域。经验拟合的前沿方程仅对当前筒仓有效，在商用大型筒仓中需重新校准。

**结论翻译**：
(1) 中心装载产生了明显的组分分离。细杂质和破碎籽粒主要在中心区域积聚，粗杂质则同时富集于中心和壁面附近。其他谷物的分布随径向位置和下落高度而变化。积聚的细物料和破碎籽粒降低了中心孔隙率，而自重压实进一步降低了下部孔隙率。经垂直压力修正后，孔隙率从底部中心的约0.411变化至上部近壁的约0.462。
(2) 尽管非均匀场与恒定情形具有相同的平均孔隙率0.439，但两者产生了不同的气流阻力和分布。壁面附近速度比中心高约40%，底部压降比恒定孔隙率情形高12.69%。因此，单一平均值不能代表分离和压实堆体的局部阻力。
(3) 非均匀孔隙率模型更准确地再现了实测的径向冷却模式，而恒定孔隙率模型对早期冷却的高估最高达4.27 °C。水分模拟表明上部中心区域水分降低较慢、干燥延迟，温度前沿和水分前沿分别约在63 h和95 h到达上层。由于缺乏空间分辨的籽粒水分实测数据，水分预测仍属理论结果，有待实验验证。所拟合的前沿关系是对测试的1.5 m直径、3.0 m高筒仓在30 m³/(h·t)通风速率下的经验描述，其更广泛的应用于工业仓储仍需进一步修正和验证。