仓储玉米孔道网络模拟与实验研究

发布时间：2020-09-28 12:16

　　在储藏过程中,环境温度和湿度是影响储藏品质的重要因素。利用传感器可实时反映粮仓局部粮堆粮情,但存在检测设备成本高、无法有效预测粮情和滞后等问题;而数学模型模拟方法能便捷地获取仓内温湿度等参数的变化规律,利于了解粮情变化趋势和提前采取相应的控温控湿操作。基于连续介质假设的模型,将仓内粮食颗粒与孔隙空间假设为连续均匀介质,与粮堆结构不符。孔道网络模型能解释孔隙空间内许多现象,但存在无法有效描述多孔介质骨架信息的问题。本文创新性地从粮食颗粒堆积结构出发,通过EDEM软件模拟一定容器中的玉米颗粒自然堆积过程,通过voro++软件处理堆积体中的颗粒坐标及半径等数据,并设计相应算法编程获取孔、喉、颗粒间的连接关系及各自尺寸等参数,建立了仓储粮堆孔道网络物理模型,减少了模型与真实堆积体间的差异;提出了描述该物理模型的三大结构参数:模型规模数、几何信息和拓扑信息。这三大结构参数能够清楚描述多孔介质的各项参数,为后续的数值模拟计算奠定了理论基础。以已有描述干燥过程的二维多尺度规则孔道网络模型为基础,改进了容器尺度和颗粒尺度上的质量、热量和动量守恒方程,以及两尺度间的热质交换方程,结合初始条件和边界条件,得到了可描述粮堆机械通风降水过程的三维多尺度不规则孔道网络数学模型。本文利用C++程序语言开发了一款基于孔道网络理论的仓储粮堆三维模拟软件,采用DHE数据结构实现非规则凸多面体的构造和拼接,为物理模型结构参数获取及存储提供了新途径,并通过MKL求解库实现数学模型的高效求解,实现了孔隙气相内的分压、蒸汽密度和温度,玉米颗粒的平均含水率和温度、玉米颗粒不同层的含水率等参数的分布以及变化规律的模拟预测。利用自行搭建的实验台进行了机械通风降水实验,测定了孔隙气相温度、孔隙气相相对湿度以及相应孔隙周围颗粒的含水率,获得了上述参数的分布以及变化规律。对构建的规则粮堆进行机械通风降水模拟,结果表明:模拟结果与实验结果基本一致,该仓储玉米多尺度孔道网络模型能够满足定性分析要求。
【学位单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S379
【部分图文】：

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图１－１孔道网络模型示意图逡逑孔道级传输模型，视物料为离散介质，通过孔（节点）和喉道来描述多孔介质孔隙的拓扑结逡逑构，能从物料结构、分布等方面考虑其对干燥过程的影响［４４］（如图１－１所示）。模型以传输过程逡逑中流体在孔道内的流动、扩散、相变机理为基础，描述孔道内多相流体的传输过程ｔ２１］。孔道级传逡逑输模型以孔道网络理论为基础，孔道网络理论和侵入渗流理论一直在石油、水文、干燥、燃料电逡逑池以及土壤科学领域有广泛的应用，主要用于描述土壤、砂岩和谷物等多孔介质内部的多相流动、逡逑传质等问题。在干燥领域中，运用孔道网络理论描述多孔介质中的传输现象，多孔介质中的流体逡逑仅在孔道空间中进行传输，仅在骨架表面与孔道发生质量传递和动量传递；热量传递则在骨架和逡逑孔道空间中同时发生。虽然粮食干燥不同于粮食储藏，但是二者的传输过程都涉及到湿热传递，逡逑因而粮食储藏中也可以运用孔道网络理论分析储藏过程中的问题，并建立对应的孔道网络模型。逡逑孔道级传输模型具体实现方法是：根据研宄的多孔介质具体特点

状态图,颗粒堆积,状态

在重力的作用下，粮食颗粒从粮仓入口处落入粮仓底部并不断堆积，Ｍ软件中模拟颗粒堆积的过程类似，因而本文通过ＥＤＥＭ软件模拟粮仓内部粮取稳定状态下颗粒在仓内的空间坐标和尺寸信息。文中软件版本为ＥＤＥＭ２．３，默认的Ｈｅｒｔｚ－Ｍｉｎｄｌｉｎ无滑动接触模型，为了简化后续孔隙信息提取，假设玉米粒，设置玉米颗粒以及仓壁的物性参数［１（）１］，具体如下表：逡逑表２－１玉米种子物性参数泊松比剪切模量绝干密度逡逑逦０．４逦１．３７ｅ＋０８逦１．１９７逦０．１８２逦０．４３１逦０．０７８２逡逑逦０．２５逦２．７ｅ＋１０逦２．７逦０．６２１逦０．３４２逦０．０５１５逡逑拟容器尺寸，颗粒尺寸之后（具体设置后文有介绍），将模拟瑞利时间步长百输出时间步长为０．０１邋ｓ，网格大小２邋ｍｍ，模拟时间总长为２０邋ｓ。当颗粒堆积达，模拟完毕。在模拟过程中，设置的模拟容器尺寸增加、堆积颗粒数量增加，所需要的时间也随之增加。同时考虑到后续计算耗时，本文在后续模拟堆积、均采用固定数量的颗粒进行研宄分析。逡逑

凸多面体

逦第二章仓储粮堆多尺度孔道件（ＭＡＴＬＡＢ中的ＱＨＵＬＬ软件）可以处理类似问维相关问题，其优势明显。它是通过Ｃ＋＋语言实现模，因而具备较好的灵活性；它能够直接针对每个细数据的截断误差，同时能够处理复杂的边界条件：准似计算曲面表面（图２－２的右图）。同时，ｖ0ｒ0＋＋软体颗粒对应一个凸多面体，而凸多面体的顶点和棱边为本文物理模型的构建提供了思路。逡逑员获取数据以进行后续研宄工作，取图２－２右图的圆柱应的凸多面体进行分析，对应＋／ｅｘａｍｐｌｅｓ／ｃｙｌｉｎｄｅｒ／，如图２－３所示。为便于观察，将中，设置尺寸容器并处理ＥＤＥＭ软件得到的颗粒信邋％ａ邋％ｎ邋％Ｆ邋％ｖ％ｆ邋％ｔ”将得到的凸多面体的信息保存，部分信息加粗显示）：逡逑

【参考文献】