1、第 9卷第 4期2010年8月广州大学学报 (自然科学版 )J o u r n a l o f G u a n g z h o uU n i v e r s i t y ( N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n )V o l . 9N o . 4A u g . 2010收稿日期:2009-11 - 11; 修回日期:2010-03-26作者简介: 黄志甲( 1963 -),男, 教授, 工学博士.E - m a i l : h u a n g z h i j i a 99h o t m a i l . c o m文章编号: 1671-4229( 20
2、10) 04- 0091-05粮仓补冷空调风管布置方案的 C F D 模拟黄志甲, 刘东方, 张国志(安徽工业大学 建筑工程学院, 安徽 马鞍山243002)摘要:基于低温储粮节能技术研究, 文章初步设计了粮仓补冷空调风管布置的 3种方案. 以计算流体力学C F D模拟软件为工具, 对其通风效果进行模拟研究, 并对结果进行分析比较, 得出最佳风管布置方案.关键词:粮仓; 低温储粮;空调风管;C F D模拟中图分类号:T U201文献标志码:A低温储粮指使粮堆平均温度长期保持在 15 (低温 )或 20 (准低温 )以下 . 低温储粮主要涉及的关键技术包括冷量的获取 、冷量的传输以及冷量的保持
3、. 目前, 新能源 (太阳能、地能等 )的利用为冷量的获取提供了新的途径 ; 大空间风口的布置方案及冷气流分布的均匀性设计是冷量传输亟待解决的问题 . 许多学者对粮仓机械通风常用的地上笼和地下槽通风方式的管道布置进行了大量研究 1-4. 近年来, 上海交通大学用实验的方法对几种粮仓补冷空调风管布置方案进行了研究,初步得出各种方案优缺点及适用场合. 粮仓机械通风创新的关键是通风管道的类型、布局、排列和间距等, 直接关系到降温的效果 . 设计合理的补冷空调通风管道, 可以加速降温, 减少死角, 缩短空调机组通风时间, 节约电耗, 降低费用. 本文拟采用 C F D 软件, 对初步定性设计的 3种补
4、冷空调风管布置方案进行模拟研究, 得出最佳方案, 用以指导补冷空调风管布置在实际低温储粮节能工程中的应用 .1 粮仓补冷空调风管布置方案1. 1 实验粮仓简介合肥某机械化粮库是国家中央储备粮库之一, 1998年开始建库, 2001年完工. 共有 18个仓,分拱板仓和平房仓两种, 实验仓为拱板仓, 且为散装仓, 其南北长 64 m , 东西宽 21 m , 高 8 m , 拱顶高2. 5 m , 堆粮高度为 5 m . 南北及东西方向分别对称, 其共有 4个二维导向密闭门 2. 4 m 3. 6 m , 南北 16个木制窗户 1. 2 m0. 9 m , 东西方向 4个0. 6 m 1. 2 m
5、 窗户 (其纵剖面图见图 1) . 定义堆粮线和天花板之间空腔为补冷空间 . 本文拟在补冷空间补充冷量, 将上层粮温控制在 15 20 以下, 进而实现低温储粮. 根据相关文献和实际工程经验 4- 6, 在补冷空间内设计了 3种空调风管布置方案.图 1粮仓纵剖面图F i g . 1L o n g i t u d i n a l s e c t i o nd i a g r a mo f t h eb a r n1. 2补冷空调风管布置方案在送风量确定的情况下, 设计的 3种通风管道方式, 都采用下送上回, 每种方式的送回风管道安装高度相同 . 粮仓总设计冷负荷为 141 k W , 仓内要求维
6、持空气温度在 ( 20 1) , 湿度在 ( 50 5) % , 大气压为当地大气压, 设计送风温差为 8 .广州大学学报 (自然科学版 )第 9卷 按消除余热, 计算得到送风量为 48 586 m3 h-1. 方案一 横向送风方式该送风方式模型简化如下 : 沿粮仓长度方向设置两支送风管道, 送风管道中心线距天花板 1. 5m , 回风管道设置在南北墙上, 回风管道中心线距天花板 0. 5 m . 在送风管道两侧均开口送风, 风口大小为 0. 15 m 0. 15 m , 共有 128个风口 ; 回风口大小为 0. 15 m 0. 15 m , 共有 13个 . 方案二 纵向对称送风方式该送风
7、方式是沿粮仓宽度方向设置 8支送风管道, 送风管道中心线距天花板 1. 5 m . 在南、北墙两侧设回风口 . 在送风管道两侧均开口送风, 风口大小为 0. 15 m 0. 15 m , 共有 80个风口 ; 回风口大小为 0. 6 m 0. 6 m , 共有 10个 . 相邻两支送风管道风口布置对称 . 方案三 纵向非对称送风方式该送风方式也是沿粮仓宽度方向设置 8支送风管道, 送风管道中心线距天花板 1. 5 m . 在南、北墙两侧设回风口. 在送风管道两侧均开口送风,风口大小为 0. 15 m 0. 15 m , 共有 88个风口; 回风口大小也为 0. 8 m 0. 8 m , 共有
8、4个 . 本方案与纵向对称通风方式的最主要区别就是每两支送风管道风口布置非对称.2 粮仓补冷空调风管布置方案 C F D模拟2. 1模型的简化为适当简化计算, 对补冷空调风管模型适当简化 :( 1) 只考虑粮仓隔板与堆粮线之间的空间模型, 其几何尺寸为: 长 64 m , 宽 21 m , 高 3 m ;( 2) 通风管道统一简化为方形管道, 实际可按通风面积换算为圆形管道;( 3) 实际过程送风管道和回风管道均采用开孔送风, 在模拟过程中将送风口与回风口均简化为方形, 面积与送回风管道开孔面积分别相等.2. 2模型中网格划分与边界条件处理网格划分 : 采用非结构化网格, 3个模型基本都采用
9、0. 2 m 的间距来划分网格 .边界条件处理: 送风口都采用速度入口; 回风口采用压力出口, 出口的压力值取为 0.3 模拟结果分析3. 1各方案速度云图比较图 2中 X , Y , Z 方向分别代表模型的长, 宽, 高.图 2方案一速度云图F i g . 2V e l o c i t yc l o u do f P r o g r a m1 从图 2 Z= 2 m 截面速度云图知, 方案一送风风口附近的风速最大, 由于只有两个横向主风管道, 冷风几乎不能到达东西墙, 其风管间距也较大, 造成中间的气流也较差 . 从图 2 X= 10 m 截面明显看到是下送上回通风方式 . 从图 3知, 采
10、用方案二时, 南北墙周围的气流明显比较差, 东西墙周围气流较方案一明显改善 . 但由于风口对称分布,气流发生了交叉. 从图 4 X= 10 m截面可以看到每支风管道上设有 5个送风口 .方案三是在方案二基础上提出的, 由于方案二南北墙气流不容易到达, 方案三就在南北墙上设置了回风口, 从图 4( a )看到靠近南北墙的气流92第 4期黄志甲等: 粮仓补冷空调风管布置方案的 C F D 模拟方向明显有改变 . 为了改善气流交叉, 方案三在风口设置上采用了非对称分布 . 从图 4看到方案三X= 10 m截面风口附近有另外一支风管非对称的5个风口吹出的气流.图 3方案二速度云图F i g . 3V
11、e l o c i t yc l o u do f P r o g r a m2图 4方案三速度云图F i g . 4V e l o c i t yc l o u do f P r o g r a m3 综上可以得出, 方案二、三的气流能够分布的范围要比方案一更全面, 因此方案二、三的气流组织要优于方案一 .3. 2 理论计算分析各方案气流组织本文引入气流组织的评价原则 速度不均匀系数 Kv, 以评价补冷空间通风效果的好坏 . 此系数可以表达各截面的速度分布状况 .Kv=1nnj =1ui- u u20. 5( 1)式 ( 1)中, ui表示第 i 个点的速度 ( m s-1) ; u 表示
12、n 个测点的平均值 ( m s-1) .Kv的值越小, 气流分布越优良. 测速点的选取 : 采用等距离在各截面上布置测速点, 由于本模型的对称性, 为了减少工作量, 在粮库长度方向上由原来的 64 m选取到40 m . 从等值线取点, 具体布置如图 5所示 ( 为测速研究点 ) .图 5Z 截面测速点位置图F i g . 5T h ep o s i t i o no f v e l o c i t y me a s u r e m e n t p o i n t s o f Zc r o s s -s e c t i o n为了得到这 16个研究测点的风速, 用 M I N I T -A B
13、软件处理 F L U E N T 结果, 得到速度等值线图及各点的风速大小. 图 6、7依次为方案一、方案二 、方案三在 Z= 1 m 截面和 Z= 2 m截面的速度三维等值线图, 图中 X 为补冷空间长度方向, Y 为宽度方向, 速度大小采用 m s-1.93广州大学学报 (自然科学版 )第 9卷 图 6各方案 Z=1m截面等值线图F i g . 6T h ec o n t o u r m a p so f Z=1mc r o s s - s e c t i o no f e a c hp r o g r a m图 7各方案 Z=2 m截面等值线图F i g . 7T h ec o n t
14、o u r m a p so f Z=2mc r o s s - s e c t i o no f e a c hp r o g r a m 图 6、7可以直观看到最后一种方案比前两种方案在同样风量的情况下, 速度较大, 等值线图也较密些, 因而方案三比前两种方案更优 . 再利用M I N I T A B 软件从处理后的等值线图中读出各点的风速大小, 用图 8表示.图 8Z=1m , Z=2m截面测速点速度分布图F i g . 8T h ed i s t r i b u t i o n so f v e l o c i t yo f Z=1 m , Z=2 mc r o s s - s e c
15、 t i o n sv e l o c i t yme a s u r e m e n t p o i n t s有了这 16个研究点的风速大小, 利用公式( 1)计算得到 :Z= 1 m 截面: 方案一: Kv= 0. 836 4 , 方案二 :Kv= 0. 762 8 , 方案三: Kv= 0. 760 4;Z= 2 m 截面: 方案一: Kv= 0. 734 8 , 方案二 :Kv= 0. 684 1 , 方案三: Kv= 0. 652 8.从以上数据得出,不管是 Z= 1 m 截面还是 Z=2 m 截面都是方案三的速度不均匀系数 Kv最小,因此, 方案三的风管布置优于前两种方案的风管布
16、置. 方案一横向送风只有两个管道送风, 造成通风死角, 另外在总风量一定的情况下, 送风口过密, 会造成通风口风速过小, 也是导致速度不均匀系数大的一个原因 ; 方案二纵向对称送风会造成气流交叉, 局部也会出现通风吹不到的情况; 方案三与方案二的区别就在于送风口是非对称的, 回风口有了改善, 出风口气流有了较大范围的分布,因此其速度不均匀系数最小, 气流组织更优良.4 结 论综上所述, 通过各种方案各截面的速度云图 、速度等值线图及速度不均匀系数的分析比较可以得出, 粮仓补冷空调风管纵向非对称分布是本文设计的最优布置方案 . 本文模拟优化方案可以为实际工程的应用提供理论依据 .94第 4期黄志
17、甲等: 粮仓补冷空调风管布置方案的 C F D 模拟R e f e r e n c e s : 1 Z HUS e n - y a n g . R e s e a r c ho nt h eo p t i m i z e dd e s i g nf o rm e c h a n i c a l v e n t i l a t i o ns y s t e mo f b a r n D .S h a n g h a i :S h a n g h a i J i a oT o n gU n i v e r s i t y , 2007. (i nC h i n e s e ) 2 F UJ i a
18、 n - b o . E x p e r i me n t a l s t u d yo nl o w - t e m p e r a t u r eg r a i ns t o r a g ew i t hs o l a r c o o l i n g D .S h a n g h a i :S h a n g h a i J i a oT o n gU n i -v e r s i t y , 2007. (i nC h i n e s e ) 3 F O H RJ P , MO U S S AHB .H e a t a n dm a s s t r a n s f e r i nac y
19、 l i n d r i c a l g r a i ns i l os u b mi t t e dt o ae r i o d i c a l w a l l h e a t f l u x J .I n -t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f He a t Ma s sT r a n s f e r , 1994(12): 1699-1712. 4 Y A N GG u o - f e n g , Y A N GJ i n , Y U A NJ i a n , e t a l . A p p l i c a t i o no f v e n t
20、i l a t i o nw i t hd i f f e r e n t d u c t sa n dv e n t i l a t o r si nl a r g eg r a i nw a r e h o u s e J .J o u r n a l o f Z h e n g z h o uI n s t i t u t eo f T e c h n o l o g y , 2001 , 22( 4): 50-53. (i nC h i n e s e ) 5 X UG e .D e s i g no f v e n t i l a t i o ns y s t e mf o rl a
21、 r g eg r a i nw a r e h o u s e J . G r a i nS t o r a g e , 2000, 29(1): 48- 51. (i nC h i n e s e ) 6 Z HO UD a i - x i a n g .N u m e r i c a l s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no f a i rd i s t r i b u t i o ni nl a r g es p a c e D .Y a n g z h o u :Y a n g z h o uU n i -v e r s i
22、 t y , 2008. (i nC h i n e s e )参考文献: 1 朱森阳. 粮仓机械通风系统优化设计研究 D . 上海: 上海交通大学, 2007. 2 付剑波.太阳能制冷低温稻谷储藏实验研究 D . 上海: 上海交通大学, 2007. 4 杨国峰, 杨进, 袁建, 等. 不同风道和风机在高大房式仓机械通风中的应用 J . 郑州工程学院学报, 2001 , 22( 4) :50-53. 5 徐革.大型房式仓储粮通风系统的设计 J . 粮食储藏, 2000, 29( 1): 48-51. 6 周代祥.大空间气流组织数值模拟与优化 D . 扬州:扬州大学, 2008.T h e o
23、p t i m i z a t i o no f t h e v e n t i d u c t l a y o u t o f a i r c o n d i t i o n i n go fb a r nu s i n gC F Ds i mu l a t i o nH U A N GZ h i - j ia , L I UD o n g - f a n g , Z H A N GG u o - z h i( S c h o o l o f B u i l d i n gE n g i n e e r i n g , A n h u i U n i v e r s i t yo f T e
24、 c h n o l o g y , M a a n s h a n243002 , C h i n a )A b s t r a c t : B a s e do nt h e e n e r g y e f f ic i e n c y o f l o w - te m p e r a t u r e g r a i n s t o r a g e , t h e p a p e r f i r s t l y d e s ig n s th r e e d if f e r -e n t w a y s o f l a y i n g t h e v e n ti d u c t fo
25、r t h e m e c h a n i c a l v e n ti l a ti o no f t h e b a r n . U s i n g s i t u a ti o n a l s o ft w a r eC F Da s at o o l,t h e s t u d ys i m u l a t e s e f fe c t o f v e n ti l a ti o no f k in d s o f v e n t i d u c t,a n a l y s e s i t s r e s u lt s a n do b t a i n s t h eo p t i m a lc o n c l u s i o n .K e yw o r d s : t h eb a r n ;l o w - t e m p e r a t u r eg r a i ns to r a g e ;a ir - c o n d i t i o nd u c t ;C F Ds i m u l a t io n【 责任编辑 : 周 全 】95
