热湿耦合场模拟在粮情监测中应用的理论研究

摘要 据国家粮食局资料显示，我国每年粮食产后损失超过1亿t，占全国粮食总产量的9%以上，其中粮食储运环节损失约500万t。为有效减少粮食在仓储期间的损失，对仓储粮的粮情监测已经得到了广泛的重视。通过现有粮堆参数和温度监测手段，深入研究粮堆内部物理变化过程，建立粮堆内部热湿耦合模型，进而建立粮堆内部水分含量推测的模型，在不增加国内现有粮情监测系统成本的基础上为实现监测粮堆水分的目的打下基础。

关键词 粮情监测；粮堆传热传质；数值模拟

中图分类号 S379.5 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2015）10-0266-04

Theory Research of Coupled Heat and Moisture Simulation Applied in Grain Field Monitoring

LU Shan LI Jie ZHANG Ming-li

（Hangzhou Zeda Instruments Co.，Ltd.，Hangzhou Zhejiang 310011）

Abstract According to the data of the State Administration of Grain，more than 100 million tons of post-harvest grain had been lost annually，accounting for more than 9% of the nation"s grain production.Grain storage and transportation sectors lost about 5 million tons.Therefore，in order to effectively reduce food losses during storage，monitoring the grain situation had been widely concerned.With the existing method of monitoring grain heap parameters and temperature，we researched the process of physical changes inside the grain bulk deeply.Coupled model of heat and moisture inside the grain bult was built，and then the model of speculating internal moisture of the grain bulk was established.We achieved the purpose of monitoring the grain bulk moisture without increasing the cost of existing domestic grain condition monitoring systems.

Key words granary monitoring；heat and mass transference；numerical simulation citation

中国是一个农业大国，也是世界上最大的产粮国家，粮食年均产量现已稳定在5亿～6亿t，但粮食产后损失仍是一个世界性难题。据联合国粮农组织对20个国家的调查报告显示，世界平均仓储粮损耗高达10%左右，部分亚非拉国家甚至达到30%。我国政府一向十分重视粮食问题[1]，1998年以来，我国使用国债资金在全国分3批建设了约5 000万t仓容的高标准中央储备粮仓[2]，这对改善我国粮食仓储基础设施落后的面貌起到了决定性的作用。然而，大型粮仓的建设也意味着粮堆体积变大、储粮深度深，对于粮堆全面监控就成为一个重要课题。

1 粮情监测研究简介

国内粮仓现行的粮情监测系统中，粮堆温度监测已趋于完善，粮食水分和粮堆湿度的监测仍需完善[3]。但出于成本考虑，我国粮仓粮堆内的湿度监测在短期内不会大面积推广，现有的有线粮情检测系统还将存在很长一段时间，然而粮食水分和粮堆湿度又对粮食仓储过程中的一系列调控机制有着不可或缺的指导意义。因此，利用现有粮情监测系统的参数（粮堆温度、仓内温度、仓内湿度、仓外温度、仓外湿度），通过对粮堆这种吸湿性多孔介质中自然对流条件下的热湿耦合过程的研究，利用计算机数值计算方法，模拟出粮堆内部湿度分布及变化，便体现出了其研究的价值。

粮堆是一种典型的天然多孔介质，它是由固体骨架（粮食颗粒）与流体（空气和可能存在的液态水）组成的多项混合体。粮堆作为一种多孔介质，要研究清楚粮堆内部温度和湿度的变化规律，首先要明确粮堆本身的物理属性，其次要搞清楚粮堆内部各物理量直接的内在联系，并以此为基础建立模型。多孔介质的分类方法很多，不同类型的多孔介质的研究方法不尽相同，因此在研究多孔介质湿热耦合模型前，需根据对传热传质具有直接影响的结构特征分类方法（表1），明确粮堆所属的多孔材料类别。

表1中的含水多孔介质的吸湿性和非吸湿性是以介质中固相骨架是否具有吸水能力来划分的。对照粮堆实际情况可以看出，粮堆属于含水吸湿性多孔介质。其中，所谓的含水首先是指包含在固相骨架内，称为吸着水（bound water），其次是贮存在粮堆缝隙间的自由水（free water）。表1所列多孔介质的各种类型，基本按照其传热传质的复杂程度从左至右由简单到复杂排列，可以看到粮堆这种多孔介质的模型建立复杂度是多孔介质中最高的，因此分析清楚粮堆这种含水吸湿性多孔介质的性质就显得尤为重要。粮堆这种含水吸湿性介质有如下特征：一是介质内液相水分为自由水与吸着水。自由水存在于谷粒间的孔隙当中，且只有在粮堆内部出现凝露现象时才会出现，吸着水则存在于谷粒内部；二是液态的吸着水与环境中的气相水蒸汽的相平衡关系不同于自由水与环境中气相水蒸汽的相平衡关系。正是以上2点基本特征决定了粮堆内部传热传质行为的特点。

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