10,000 吨玉米筒仓中垂直分层二氧化碳大气在下行再循环下的瞬态重新分布：基于现场信息的数值算例研究

《Journal of Stored Products Research》：Transient redistribution of a vertically stratified CO 2 atmosphere under downward recirculation in a 10,000-t maize silo: a field-informed numerical case study

　　

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  现场测量结果支持了全尺寸筒仓中CO₂再分配的CFD分析。
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  CFD捕捉到了CO₂的瞬态富集及消耗-恢复响应。
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  阈值恢复先于浓度均匀性稳定。

引言

产后粮食损失仍然是粮食安全的重要问题，特别是在储存基础设施和害虫管理能力有限的地区（World Food Programme, 2020）。储粮害虫是储存期间定量和定性劣化的主要生物原因之一，会导致直接的质量损失，降低营养价值和商品品质，并增加粮食对二次微生物劣化的敏感性（FAO, 1994; Stathas et al., 2023）。磷化氢熏蒸因其低成本和高渗透能力而被广泛使用，但主要储粮害虫物种的抗性不断增强，加之毒理学、环境和操作安全方面的担忧，使得对替代消毒杀虫技术的需求日益迫切（Alzahrani and Ebert, 2023; Machuca-Mesa et al., 2023）。

气调技术为传统化学熏蒸提供了无残留的替代方案，在绿色储粮害虫管理方面具有相当可观的潜力（Lin et al., 2025）。这些处理通过减少氧气可用性、增加二氧化碳浓度或结合两种效应来抑制害虫的存活和发育（Cao et al., 2019）。CO₂气调（CO₂-MA）对大型粮仓特别具有吸引力，因为高浓度CO₂会产生高碳酸血症应激，影响害虫的呼吸、代谢和酸碱调节（Navarro, 2012; Cui et al., 2019）。实际应用研究也表明，基于CO₂的处理在储粮害虫防治方面具有潜力，且其效果不像氮气系统那样高度依赖于实现近无氧环境（Kumar et al., 2022）。

然而，将CO₂-MA处理从实验室舱室应用到全尺寸混凝土筒仓是困难的，因为处理效果取决于气体的空间分布和暴露时间，而不仅仅是供应的CO₂名义量。密度差异、泄漏、粮食吸附以及空间不均匀的气流阻力可能导致下区域维持高CO₂浓度，而上部粮体和顶部气相空间则相对贫乏。10,000吨混凝土玉米筒仓的全尺寸测量证实了明显的垂直浓度梯度，并显示气体循环可减少分层现象（Lin et al., 2026）。在向下仓循环中，气体从地板下通风管道中抽取，通过外部风机和管道输送，然后返回到顶部气相空间。由此产生的向下气流通过粮体重新分配现有的气体存量。然而，离散现场采样的较长间隔限制了深层粮体中短期浓度响应的时间分辨率，使其难以捕捉再循环启动后局部浓度变化时序和幅度等特定瞬态特征。

计算流体力学（CFD）提供了一种有效手段，可解析难以测量区域的气体流动、物种输运和传热过程。此前的储粮模型研究了粮面构型、空间孔隙率和各向异性阻力对筒仓和粮仓内气流分布的影响（Lawrence and Maier, 2011; Olatunde et al., 2016; Panigrahi et al., 2020a）。相关数值研究探讨了农业颗粒材料中的气流和输运，并支持了储存筒仓中受控气氛过程的分析（Bustos-Vanegas et al., 2022; Angsrisuraporn et al., 2024）。数学模型还描述了粮体中的扩散和动量耦合气体输运（Xu et al., 2002; Shunmugam et al., 2005）。这些研究为多孔介质模拟建立了重要基础，但未能量化全尺寸玉米筒仓中闭环向下再循环期间现场测量的强分层CO₂气氛的短期再分配。因此，需要关于物种输运、浓度相关气体密度、热处理、闭环边界、网格敏感性和瞬态过程指标的可靠信息。

本研究采用三维瞬态CFD模拟，研究10,000吨混凝土玉米筒仓中向下仓循环期间CO₂的再分配，初始场基于再循环启动前测量得到的数据构建。此前的全尺寸测量表明，仓循环显著减少了CO₂的垂直分层，但长达约4小时的运行时间不足以实现完全均匀化，且未显示均匀化效果有明显饱和趋势（Lin et al., 2026）。因此，模拟延长至5小时，以考察持续再循环下CO₂再分配的持续短期演变。研究目标为：(i) 建立瞬态CO₂输运的网格敏感性；(ii) 将模型预测与高频现场测量进行对比评估；(iii) 量化代表性位置的CO₂再分配时序和幅度；(iv) 表征相对于35%名义工艺阈值的临时浓度不足。

章节摘要

全尺寸筒仓与向下仓循环系统

现场初始条件取自一个设计储粮量为10,000吨的混凝土筒仓。该筒仓内径为25米，装有9,884吨玉米，粮深25.4米。相关的全尺寸CO₂-MA处理（包括充气系统和循环装置）此前已详细描述（Lin et al., 2026）。简言之，99.99%纯度的液态CO₂通过移动式汽化装置转化为气体，并引入地板下通风管道。气体

网格敏感性

相对于细网格，完整浓度历史的归一化RMSE分别为：粗网格0.26%，中等网格0.20%。在5小时时，相对于细网格的最大CO₂浓度差异分别为：粗网格0.071个百分点，中等网格0.030个百分点。相应的最大温度差异为0.0042和0.0290°C。虽然温度差异并未随网格加密单调减小，但两者均保持在

现场评估与预测范围

与三个独立现场传感器的对比为3.5小时再循环事件期间瞬态CO₂预测提供了直接评估。模型捕捉到了现场观察到的主要位置相关响应模式：筒仓顶部CO₂持续富集，以及靠近粮面位置的初始下降后恢复。这些一致的趋势表明模型再现了向下再循环期间的主要再分配路径。

结论

采用三维瞬态CFD模型对全尺寸混凝土玉米筒仓中现场测量的分层CO₂气氛的向下再分配进行了表征。来自三个独立传感器的现场测量结果表明，模型捕捉到了再循环期间的主要瞬态响应模式，包括筒仓顶部的CO₂富集和靠近粮面位置的临时浓度下降后恢复。这些结果支持了该模型用于分析

CRediT作者贡献声明

林杰：撰写——原稿，调查，正式分析，数据整理，概念化。罗源源：撰写——审阅与编辑，监督，正式分析。严小平：撰写——审阅与编辑，项目管理，资金获取。陈金英：项目管理，资金获取。周晴：调查，正式分析。潘文熙：调查，正式分析。张小宇：正式分析。吴一宁：软件。文浩宇：调查。周宇豪：

利益冲突声明

作者声明他们不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究受山东省重点研发计划（2026CXGC010701）和国家重点研发计划（2023YFD1701204）资助。

Jie Lin|Yuanyi Luo|Xiaoping Yan|Jinying Chen|Qing Zhou|Weixi Pan|Xiaoyu Zhang|Yining Wu|Haoyu Wen|Yuhao Zhou|Kun Hu|Hongwei Xiao