关键词：计算流体力学 粮堆 储藏
安全储藏粮食问题关系着国家经济的发展和社会的稳定。我国的粮食储存体系庞大，仓储过程中由于粮堆的生态变化，造成了粮堆霉变、发热、品质劣化和虫害等问题[1]。同时，储粮生态的变化会引起其他一系列的粮堆生理变化，进而影响整个仓储粮堆的安全和稳定。粮食储藏是一个涉及粮堆内部流体运动、粮堆温度、含水量、仓储外部环境变化的复杂过程，众多因素共同形成了独特的储粮生态环境。经研究发现，储藏粮食的温度和水分为制约粮食的安全储藏两个重要因素[2,3]。为了有效保障仓内储粮质量，防止各种粮食损害的发生，需了解仓内储粮的实时状态，并据此制定有效的调节措施，将损害消除在萌芽状态。而了解和掌握仓储粮堆温度变化趋势和发热规律是制定各种调控措施的重要依据，也是判断储粮是否处于安全状态的重要手段。粮堆内部热量传递情况与粮食的热物理特性、存储状态、含湿量等密切相关的，按不同的传热机理可归纳为热传导、热对流换热和热辐射三种基本方式[4]。而研究粮堆内部的热量传递问题需要了解流体力学、热力学、多孔介质传热传质学等多种学科以及交叉学科。
1. CFD 数值模拟的理论基础
目前，国内粮库的仓型多数以高大平房仓为主，粮堆内部温度场研究所涉及的物理过程的本质是粮食作为多孔介质与周围流体的动量、质量和能量进行传输的过程[5]。由于仓储粮堆温度场的分布比较复杂多变，工程中很难对粮堆内部大量的参数进行有效的设置和测量，而且由于影响粮仓温、湿度变化的因素较多，真实的模拟预测是非常困难的。经过国内外多年的研究，发现计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称 CFD） 方法能够突破这些实验技术的限制，可以通过计算机进行数值模拟预测，达到减少试验工作量的目的，降低安全储粮费用，形象逼真的再现流动、热量传递过程的情境，而且还有助于对仓型工程设计进行改进，是一种经济且有效的研究手段。
计算流体动力学是流体力学的一个分支，是通过计算机数值计算和计算结果的可视化显示描述流体的运动、传热和传质的现象及过程，并对相关物理现象做系统的过程模拟分析。FLUENT软件是1983年由美国FLUENT公司推出的CFD软件，此软件功能齐全，可计算涉及流体流动、热量传递以及化学反应等工程技术问题,可模拟多种参考系下的流场、定常和非定常流动分析、传热和热耦合分析、可压或不可压计算、流动状态为层流或湍流流动过程、多相流分析、固体与流体耦合传热分析、化学组分输运分析、多孔介质流体流动分析等。简而言之，FLUENT软件适合于各种各样复杂情况下的流体流动模拟计算。
2. CFD在粮食储藏研究中的应用
基于仓储粮堆温度场的CFD模拟，其研究方向和领域都比较新颖，所涉及的仓储粮堆CFD模拟技术，不管在国外还是国内都属于研究的起步阶段，理论资料和应用资料还不完善，但随着研究的不断深入，加上现有的应用条件和基础不断发展，仓储粮堆CFD模拟技术的应用价值和发展潜力将会进一步显现出来，为监测和控制仓储粮堆的储粮环境状态（温度场，流场）的变化提供帮助。
2.1国外粮堆温度CFD 模型的研究现状
Abe. T、Basunia M A.[6]利用CFD理论的有限差分法分析了圆筒粮仓内部谷物在储存的过程中二维温度和水分变化的规律，研究中没有用到热边界条件，也没有考虑粮仓上层空气与粮堆表面之间的自然对流换热作用对整个粮仓的影响。
西班牙的A. Iguaz[7]采用CFD 数值模拟方法分析了仓储粮温和水分随外界的气温变化而变化的情况。建立了通风条件下的储藏大米的热传递模型，根据流动过程中动量、能量和质量平衡，建立了动态数学模型，但文章忽略了粮食与粮食接触传递的热量，同时也没有对粮堆整体传热进行分析。
D .Garg、D.E.Maier[8]基于CFD数值模拟软件FLUENT模拟了大型圆筒仓中颗粒在非均匀情况下通风过程中内部温度的分布规律，使用GAMBIT进行二维网格划分并将网格文件导入到FLUENT中，得出了在恒定的流动速率情况下不均匀气流流动的速度分布图和压力分布图。
M.K. Chourasia等[9]研究了在自然对流情况下的气流、热量和质量传递情况的三维模型，不同于以往的关于这方面的研究，文章中将农产品包装放置于坚硬的表面之上，使得底部处于绝热的条件下。但是，这种模型是在CFD模拟的有限体积方法的理论基础之上建立的稳态模型，但没有给出动态仿真图。
Jozef Lkazuk等[10]采用数值模拟的方法研究了几种粮食颗粒在不同的堆积方式下的通风阻力情况。
3.2国内粮堆温度CFD 模型的研究现状
2008年李琼等[11]结合粮食储藏特点和CFD方法应用基础，描述了CFD方法应用于机械通风过程中仓储粮堆温度场研究的建模方法与步骤，验证了该方法的适用性和可靠性，并指出由于该方法对研究对象进行假设和简化不能完全反映模拟对象的实际情况，造成模拟结果与实验结果问的偏差。由于粮食储藏系统的复杂性，CFD方法在应用过程中依然存在许多问题。
2009年王远成等[12]应用多孔介质传热传质的理论，建立了通风储粮过程中控制粮堆内部热量和水分传递的数学模型。借助数值模拟的方法对就仓通风时粮堆内部热湿耦合传递过程进行了预测，得出了就仓通风时粮堆内部热量和水分迁移的基本规律。
2010年张忠杰等[13]应用CFD方法模拟研究了仓储粮堆在不通风情况下温度场的变化情况，根据粮仓结构和仓外环境条件，通过确定模拟区域、网格划分、模型选择，确定了合理的CFD模拟方案，得到并分析了两种不同尺度粮仓内仓储粮堆温度随季节变化过程的模拟结果。通过对准静态仓储粮堆内部温度随环境温度变化过程的分析，为仓储通风系统的优化设计提供了有价值的参考依据。
2011年彭威等[14]应用CFD方法对仓储粮堆温度场进行模拟研究，分别对仓储粮堆静态储藏和机械通风两种模式下的模拟方法、具体参数、模拟步骤进行了描述。分析了机械通风技术和CFD模拟技术在粮食安全储藏中应用前景和发展方向。研究结果对实时监测和控制储粮环境状态(温度场、流场)的变化具有理论指导意义和实际应用价值。
2012年白忠权等[15]基于Fluent软件，利用Ergun方程模拟大型粮仓中的非均匀气流分布。通过对粮堆孔隙率与浓度特性的描述以及数学模型的建立，研究了尖顶粮堆穿孔板通风和平顶粮堆环形通风两种工况的流动过程，得出其速度和压降的变化情况。结果表明，穿孔板通风尖顶粮堆增加了粮仓中心垂直方向的阻力，而环形通风平顶粮堆的气流沿仓壁向上流动，以致粮仓内空气的非均匀流动。
3. 展望
由于粮食储藏过程中受到诸多生物因子和非生物因子的综合影响，仓储粮堆内部温度变化情况复杂，很难对粮堆内部参数进行有效地测量和计算，故针对粮食储藏过程的温度状态及发展趋势的预测就显得比较困难。数值模拟是国外近年发展起来的一种研究流动、传热传质等现象的新方法，它可以形象地再现流动、热湿传递过程的情景，因而正逐渐被人们所认识和接受。CFD方法与传统理论分析方法、试验测量方法组成了研究流体流动问题的完整体系，克服了传统理论分析法在对象简化和计算求解方面的不足，突破了试验过程人力物力消耗以及试验周期长等诸多限制，而且有助于改进工程设计，减少实验量，具有成本低且能很好模拟复杂工程问题的优点。但由于粮食储藏系统的复杂性，粮堆材料属性的多样性，粮仓的空间几何结构以及通气系统设计的影响，大多数的粮食储藏结构具有非均匀的气流分布。这就导致CFD方法在应用过程存在着一些问题：第一，对研究对象进行假设和简化不能完全反映模拟对象的实际情况，造成模拟结果与实验结果间的偏差；第二，模型依然依赖于实验研究，物料相关参数的准确性(如孔隙率、谷物初始温度及其分布均匀性等)间接影响模型拟合精度。综上所述，大型粮仓中气流分布的非均匀性普遍存在，数值模拟的方法简便易行，其研究对我国粮食储藏技有现实指导意义。
文 献
1.杨晨晓,张来林,何立军等.粮食的发热与处理[J].粮油储藏,2009,6:39-40.
2.罗斌,邓晓兵,陈红霞.储粮发热的系统研究[J].仓储技术,2005,6:23-26.
3.杨晨晓,张来林,何立军等.粮食的发热与处理[J].粮油储藏,2009,6:39-40.
4.王林武.热传递的方式及影响因素[J].电力工程.2011（4）：196.
5.胡志超，胡良龙，高刚华等.我国粮食仓储技术的概况与发展[J].农机化研究,2007,4:35-39.
6.Abe. T，Basunia M A. Simulation of temperature and moisture changes during storage of rough rice in cylindrical bins owning to weather variability [J].Journal of Agricultural Engineering Research ,1996,65:223-233.
7. A.Iguaz, C.Arroqul, A.Esonz. Modeling and Simulation of Heat Transfer in Stored Rough Rice with Aeration [J]. Biosystems Engineering ,2004,89(1):69–77.
8.Garg D、D.E.Maier. Modeling non-uniform airflow distribution in large grain silos using Fluent [C].International Working Conference for Stored Product Protection，2006:754-762.
9.M.K. Chourasia、T.K.Goswami. Three dimensional modeling on airflow, heat and mass transfer in partially impermeable enclosure containing agriculture produce during nature convection cooling[J].Energy Conversion and Management.2007(48):2136-2149.
10.Jozef Lkazuk、Marek Molenda、Jozef Horabik. Variability of pressure drops in grain generated by kernel shape and bedding method [J].Journal of stored Produces Research,2009，45:112-118.
11.李琼,汪喜波,杨德勇.CFD方法在仓储粮堆温度场研究中的应用探索[J].粮食储藏,2008,37(3):21-24.
12.王远成,段海峰,张来林.就仓通风时粮堆内部热湿耦合传递过程的数值预测[J].河南工业大学学报(自然科学版),2009,6(12):75-80.
13.张忠杰,李 琼,杨德勇等.准静态仓储粮堆温度场的CFD模拟[J].中国粮油学报,2010,25(4)：46-51.
14.彭威，张忠杰，任广跃等.仓储粮堆温度场CFD模拟应用研究[J].粮油食品科技，2011,19(6):5-8
15.白忠权,李大勇,郭振宇等.大型粮仓中非均匀气流分布的数值模拟[J].节能，2012,355(4):21-24.
