仓储粮堆三维孔道网络热质传递模型的构建

粮堆内的湿热状态是影响粮食储藏安全的关键因素，而粮堆孔隙结构参数、粮粒尺寸参数、热特性参数等影响粮堆内的湿热分布状态。本项目利用断面分析技术获取仓储粮堆不同粮层断面上的孔隙结构参数，结合粮食颗粒形态结构参数和尺寸分布函数，构建粮堆孔隙的三维孔道网络物理模型和数学模型；研究仓储粮堆三维孔隙结构参数对湿热传递的影响规律，利用孔道网络方法构建基于粮仓尺度和粮粒尺度的双尺度仓储粮堆湿热传递模型，提高热质传递模型的模拟精度，以便准确模拟预测不同仓储条件下仓储粮堆的热量、质量、动量传递过程及分布状态；利用小型粮仓进行储藏实验和机械通风实验，通过粮情测控系统实时检测相关参数并进行模型检验，最终建立基于三维孔道网络的双尺度仓储粮堆湿热传递模型，为实现粮食仓储数字化管理、仓储结构设计和粮情测控系统的优化奠定基础。

1)测定了小麦、玉米、水稻、大豆四种粮食的尺寸参数及其分布规律，根据粮层深度与粮仓压力间关系，利用材料试验机在模拟压力下获得了不同粮堆深度下的粮堆铸体，利用厚度为0.5mm的粮堆切片重构了粮堆铸体结构，在0.5mm图像分辨率下，采用最大球法提取了粮堆铸体的孔、喉数量、直径分布、配位数等孔隙结构参数，提取得到的孔隙结构参数及其分布与利用图像法所得参数相吻合，证明0.5mm分辨率适用于粮堆孔隙结构的参数提取分析。该参数提取方法可适用于粮堆、果蔬等不同孔隙物料。2）利用提取参数信息和随机孔道网络模型生成算法，生成了不受原始物料尺寸限制的三维孔道网络模型，随机生成的孔道网络模型的喉道信息会有所丢失，但随着三维孔道网络模型模拟生成空间的增大，模型参数与原始参数间的偏差越来越小，当尺寸达到米级时，可认为二者间已无偏差。3）本研究采用了三种方法来研究粮堆内的湿热传递过程，一种方法是基于孔道网络构建的双尺度粮堆静态储藏、机械通风/就仓干燥热质传递数学模型；另一种是基于虚拟连续假设，运用局部平衡法和非平衡法分别建立的粮堆的静态储藏和机械通风湿热传递模型，其中静态储藏模型引入了体积力项，可以模拟仓内气体在非受迫条件下的自然对流现象；第三种是利用试验实测值，采用插值法，结合湿热传递耦合模型来重现粮堆内的温湿度分布。4）实验测定了粮食的导热系数，通过小型粮仓静态仓储试验、机械通风/就仓干燥试验，测定了粮堆内温湿度场、流场的分布及其变化规律，研究了保温隔热材料对粮仓粮堆温度场的影响，以及不同通风道结构对粮堆内部温湿度场、流场的影响，为模拟研究结果的验证奠定了基础。5）模拟研究了不同仓储条和工况条件下粮堆内的温湿度场、流场的分布及变化规律，模拟结果反映了静态仓储条件下粮堆内微流场的存在及循环规律，及粮堆内易出现危险状况的区域，验证了模型的适用性；基于粮堆离散测点温度实现了粮堆温度场的重现，该方法简单实用，可服务于粮库等储粮基层单位。