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计算流体力学技术在粮食储藏中的应用

2019-02-25 11:51:00 来源: 食品安全导刊

　　摘要：计算流体力学技术（Computational Fluid Dynamics,CFD）经过几十年的发展，目前已经广泛应用在各种产业的发展中。本文从计算流体力学的应用原理、粮食存储中的问题、计算流体力学的计算模型出发，阐述了计算流体力学技术在粮食储存中的应用。
 
　　关键词：计算流体力学技术；粮食储藏；实际应用
　　计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）是一门通过计算机进行模拟进行运算流体力学中各种复杂问题的一门学科，是流体力学的分支科目。粮食储藏管理不仅需要技术和设备的辅助，面对粮食储藏中的虫害、粮食存储中湿热过大导致粮食变质等问题，为了保证粮食储藏的品质、减少损失，准确地随时掌握粮食储藏的情况，将计算流体力学技术运用到粮食储藏管理中，能够有效地提高粮食储藏中的管理质量。
 
　　计算流体力学的理论原理
 
　　计算流体力学的定义是通过计算机数值计算和图像显示，对于包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。也就是说计算流体力学是对流动现象的分析，这些包括了很多的流动参数，如速度、温度等。流动现象的发生需要遵守一定的规律，这也就是可以根据能量、动量守恒方程进行计算，从而获得数值模型。在CFD上常用的流动控制方程多数采用的是纳维—斯托克斯方程或者欧拉方程。通过计算机进行流动空城方程计算，而获得实际中的接近的参考数值，从而也是数值模型建立的意义。
 
　　粮食储存的问题
 
　　粮食是人类生存的重要物资，而每年的粮食生产后需要进行一定量的储存，以用于不备之需。因此，粮食储藏是生产中的关键内容。而粮食储藏往往涉及到粮食储藏管理，虽然目前的粮仓管理上已经采取了比较先进的设备，提高通风、定期进行电子温度系统管控，从而有效地改变谷仓内的温度。但是，粮仓的储藏温度不均匀，以及在有效防止粮食变质上，科技技术还是不能够做到彻底有效的监控。在粮食储藏中粮食除了需要进行定期的通风和散热外，还要考虑到害虫、农药残留等问题对谷物储藏的影响。由于粮食在短时间储存时通过简单数据监测还能够掌握粮食的情况，但是时间稍长的情况下，不能全面检查并采取有效措施。因此，需要更加高级的科技监测和管理系统，来提高粮食储藏的管理水平。而计算流体力学在粮食储藏中的应用主要是为了解决粮食储藏中的局部热力和湿度不均衡问题，提高粮食储藏的管理水平。
 
　　计算流体力学技术的流程和常用软件
 
　　CFD的技术发展经过了几代人的努力，从二维势流经过准三元方法、三维势流发展到现在的三维欧拉法。在CFD的离散方法上，根据假设模型的特点，可以分为有限差分法、有限体积法和有限元法三种离散方法。在CFD的处理中，需要根据问题进行前处理。这里的处理包括建立数学模型和三维构造，然后进行各部件的网格划分和衔接。通过对要求解的问题进行前处理后，在制定求解策略并给定边界条件，从而进行迭代求解获得计算结果。通过对计算结果的分析，再进行后续的处理。
 
　　在CFD技术中，目前常用的几款软件，根据其CFD操作技术的不同时期，需求不同。在数学建模和三维造型中，常用到的是UG、I-DEAS等软件，而在网格划分中常用软件是ICEM-CFD、Grid-Gen、TurboGrid等，最后后处理的软件是FieldView、TecPlot等软件。软件是进行CFD操作的核心内容，目前市场上运用最多的还是Fluent、CFX和Start-CD。这些软件的功能广泛强大，各有特点。软件的好坏和运算的使用，是CFD操作过程中的关键。
 
　　计算流体力学技术在粮食储藏中的应用研究
 
　　根据文献查阅，发现CFD在粮食储藏中的应用时间短，目前CFD应用研究不多。国外学者有基于热质平衡理论的数学模型，利用CFD预测了小麦通风储藏中温度和水分的分布规律，此方法是基于有限差分方法进行的。模型的建立是以圆筒仓为研究对象，需要将粮仓直径、可达的装粮高度进行数字记录。粮堆以小麦为参考依据，进行测量，测量的数据包括初始温度、千基水分、检测进风口的空气相对湿度、比热容等。利用筒形为对称空间，选择二维计算模型进行计算，获得冷却通风时的模型。考虑实际粮仓的维护结构容易受到太阳能辐射和空气的影响，因此采用综合温度考虑。并计算获得综合温度下，粮仓在不同的时间下的湿度分布情况和小麦内水分的变化。对于粮仓内部由于自然对流和温度的梯度变化，会导致非通风下水分的改变，进行规律分析。国内学者，张中杰等通过CFD模拟在不通风的情况下粮仓的温度变化情况，从而为仓储通风系统的进一步改进和优化设计提供了参考依据。其次，除了粮食储存中的问题解决外，CFD也应用在粮食储藏的生态系统数值模拟中，能够有效地避免生态系统中比如害虫、农药等对粮食储存的影响。CFD的应用在粮食储藏生态系统数值模型建立上做过了相应的研究，通过对粮仓中的害虫在粮仓中的产热活动从而进行数学模型构建，提供了实际应用的参考。
 
　　粮食储藏中遇到的很多问题，往往是难以通过简单的计算进行预测和解决的。因此，CFD在粮食储存中的模拟作用，能够提前判断粮仓中的问题，并积极地采取应对措施，从而改善传统的粮食储存问题，提高粮食储存的效益。未来随着CFD的研究不断地深入，越来越多的软件推广和普及，能够改变传统工作中的许多实际问题，为高效的工作效率和科学的处理方法提供基础设备。
 
　　参考文献：
 
　　[1]张忠杰,李琼,杨德勇.准静态仓储粮堆温度场的CFD模拟[J].中国粮油学报，2010(04)：46-50.
 
　　[2]姚征,陈康民.CFD通用软件综述[J].上海理工大学学报，2002(02)：137-144.
 
　　[3]E.A.Smith.Pressure and velocity of air during drying and storage of cereal grains[J].Transport in Porous Media，1996(2).
 
　　穆垚河南化工技师学院
 
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