储粮生态系统多场耦合传递过程数值模拟是研究储粮生态系统热湿传递、虫霉演替规律及储粮状态调控的新方法。《储粮生态系统多场耦合传递过程数值模拟》阐述了储粮生态系统中物理与生物因子耦合机理和仓储粮堆热湿传递的数值模拟方法，介绍了储粮通风工艺的数值仿真优化结果。《储粮生态系统多场耦合传递过程数值模拟》共9章。第1～4章介绍了储粮生态系统的粮食储藏原理、多场耦合传递机理及数学模型、数值模拟原理和方法。第5章和第6章阐述了局地气候条件下仓储粮堆内部空气自然对流、热湿耦合传递以及虫霉发展规律的数值模拟方法和研究成果。第7～9章论述了机械通风时仓储粮堆内部温度、水分变化规律及通风工艺的数值优化结果。

待定

第1章 粮食储藏原理简介
　　1.1 粮食储藏系统及特征
　　粮食储藏系统是由粮堆、空气、维护结构以及调控设备所组成的封闭或半封闭的生态子系统。所以，粮食储藏系统又称为储粮生态系统。其中，粮堆是高能量生命体，储藏期间会有自身呼吸、发芽、后熟等现象，造成粮食陈化、劣变，并易受虫霉侵害，储存保质保鲜难度大。粮仓围护结构的半封闭性，又决定了大气环境因素对粮堆的影响特性和程度，也形成了相对独立的粮堆生态场。
　　我国储粮生态系统的特征是高能量、大体积、不稳定。一方面，从粮仓内部来说，粮堆中的生物(粮粒和虫霉)与非生物(温度、湿度和气体浓度)因子共同影响粮堆生态系统的稳定性，这是影响储粮安全的内部因素。另一方面，大气环境因素通过粮仓围护结构对粮堆内部温度和湿度产生影响，从而影响储粮的安全，这是影响储粮安全的外部因素。因此，粮食储藏系统不仅受到外界因素的影响，还受到内在因素的影响，粮堆内部的稳定状态和非稳定状态逐步交替[1]。
　　我国粮食储备具有仓容大、粮堆高、储期长三个特征。要保证储粮安全，必须解决四个基本问题，即保持储粮品质、防治储粮害虫、控制储粮微生物和降低粮食损耗。同时，要实现绿色、节能、环保储粮。
　　1.2 粮食储藏过程和设施
　　1.2.1 粮食储藏过程
　　粮食储藏过程如图1.1所示。粮食入仓后，大部分时间是密闭存储的，属于非人工干预阶段。由于仓外大气环境的周期改变，粮堆通过粮仓的维护结构与外界进行热量传递，导致粮堆内部温度升高以及水分迁移，进而可能引起害虫生长和暴发，以及霉菌的滋生和演替，使得储粮处于不安全状态。因此，粮食储藏过程中，仓内的温度、湿度和粮食水分是动态变化的，而且伴随着粮食的自呼吸和虫霉的演替。
　　为了保证粮食的安全，首先抑制储粮中的生物活性，一方面有助于保持储粮处于休眠状态，减缓储粮的陈化；另一方面将细菌和昆虫的生长水平降到*低，避免储粮中虫霉的滋生。要抑制储粮中生物活性的水平，一是保持储粮的低温环境，二是保证储粮水分处于安全水平。低温低水分可以降低粮粒、细菌和昆虫等生物体的活动。因此，在低水分和低温度条件下，粮食可以长期储存。
　　图1.1 粮食储藏系统及调控过程
　　储粮的自发热如果控制不好，将导致粮堆处于较高的温度和水分水平，从而引起更高水平的生物活性，然后又进一步增强储粮的生物活性。因此，如果不对水分和温度进行控制，储粮就会加剧自呼吸作用，产生自热，导致储粮质量迅速恶化。
　　当超过安全温度和水分时，需要对储粮进行调控，此阶段为人工干预阶段。储粮调控的手段和方法有自然通风、谷冷通风、气调熏蒸和环流均温等[2]。
　　1.2.2 粮食储藏设施
　　粮食储藏设施主要包括粮仓维护结构、出入仓设备和储粮调控设备。粮仓根据结构形式分为房式仓(包括高大平房仓)和浅圆仓(包括立筒仓)，如图1.2和图1.3所示。储粮调控设备主要有干燥设备、通风设备、气调熏蒸设备等。
　　房式仓结构包括地坪、墙壁、仓顶屋面、门窗和通风口。房式仓的跨度一般为 20m，长度一般为 60m，装粮高度为 5～8m。房式仓有较大的仓容，沿着长度方向中间有隔墙，将整个粮仓分成几个厫间。房式仓的隔热性和密闭性相对于浅圆仓稍差一些，而且粮食出入仓比较麻烦，需要配套粮食进出仓的输送设备。
　　图1.2 房式仓示意图
　　图1.3 浅圆仓示意图
　　浅圆仓(立筒仓)结构包括地坪、墙壁、仓顶屋面、门窗、通风地槽和通风口。浅圆仓具有占地面积小、储量大的优点。浅圆仓的直径一般大于 20m，装粮高度小于直径的1.5倍。装粮高度大于内部直径的 1.5倍时，浅圆仓就称为立筒仓。浅圆仓的隔热性和密闭性优于房式仓，而且浅圆仓附带有进出仓的机械输送设备以及粮食的清理设备，机械化程度高，因此粮食出入仓比较方便。但是，由于浅圆仓粮堆高度较高、通风阻力大、能耗较高，而且通风后温度和水分梯度大，粮堆温度和水分分层现象严重，其管理难度大于房式仓。
　　通风设施是储粮通风工艺中的关键设备，储粮通风工艺技术是借助通风系统强制地把粮堆外部具有一定温度和湿度的空气送入粮堆内部，使粮堆内的湿热空气与粮堆外部的空气进行热质交换，从而改变储粮的温度和水分，以保障粮食的安全储存。
　　根据通风目的可以把储粮通风分为控制温度通风、控制水分通风、调质通风、熏蒸杀虫通风、气调和排毒排异味通风；根据储粮通风工艺中气流流向的不同，又可以把储粮通风分为竖向通风、横向通风、膜下通风和环流通风等通风模式。竖向通风中，又分为上行式通风和下行式通风。
　　储粮通风系统通常由以下几部分组成：粮堆内部风道(水平风道或垂直风道)、粮堆外部风道、通风机(轴流风机或离心风机)、进出风口以及通风窗(可调节开启度的窗户)，有时还有覆盖粮堆顶层的薄膜等，如图1.4所示。
　　图1.4 储粮通风系统的基本组成及设备
　　1.3 粮食储藏原理及安全温度和水分
　　粮食收获以后，大部分甚至全部要储存起来。粮食储存方式有很多，包括：散存、袋装；临时储藏和长期储藏；低温和准低温储藏。储藏的主要目的是防止粮食质量的劣变。而防止储粮劣变的主要手段是通过控制储粮温度、水分，以及防止微生物、昆虫和啮齿动物的侵害。
　　粮食储藏期间的管理目标是将粮食的代谢活动降低到足够低的水平，使粮食质量足够稳定。其*终目的是防止储粮陈化和变质，保证其食用品质，抑制虫霉的发展，防止虫霉大面积暴发，即保质保量保鲜。目前主要有两种方法：①将储粮的水分含量降低到安全水平并保持低温；②改变粮食储藏系统的环境条件，调节储粮内部的气体浓度。
　　图1.5～图1.8是粮食发热、发芽以及害虫生长的温度和水分范围，图1.9是粮食安全储藏的温度和水分条件[3]。水分高的粮食未经冷却就储存起来，会自然发热。图1.5显示了防止这种发热所必需的粮食水分和温度范围。这种称为“潮湿”粮食的自发热，往往是由粮食的呼吸作用引起的，与昆虫和其他害虫引起的发热不同。自发热的粮食处于劣变的危险状态，粮堆中的高温区域会形成自然对流，从而导致水分的重新分布，发热会导致储粮的霉变，并引起发热点继续扩散。霉菌本身耐受高温，这种与湿度有关的霉菌滋生会产生毒素，食用含有毒素的粮食会对人体产生危害，而且霉菌中的孢子可能会引起人体过敏和呼吸道疾病。图1.6给出了导致粮粒发芽的温度和水分范围。由图1.7可知，如果粮食保持在 15℃以下，可以防止害虫的侵害。从图1.7还可以看出，害虫对粮食温度的反应完全不受水分含量的影响。防止螨虫发展所需的温度和水分范围如图1.8所示，控制这种害虫需要较低的温度。当图1.5～图1.8合并时，得到图1.9，图中阴影部分即储粮处于危险状态，其中，纵坐标为温度，横坐标为水分，它是安全储粮的温度和水分范围，在这个范围内粮食免受所有风险的影响。
　　图1.5 粮食发热的温度和水分范围
　　图1.6 粮粒发芽的温度和水分范围
　　图1.7 害虫暴发的温度和水分范围
　　图1.8 螨虫侵害的温度和水分范围
　　图1.9 粮食安全储藏的条件
　　由于粮堆与仓外大气环境通过粮仓维护结构不断产生相互作用，导致粮仓内外不断进行热量和水分的交换，粮堆温度和水分随着时间与空间而变化。在较温暖的地区，水分含量应该“低”，以便安全储存，而在较冷的地区，水分含量可以适当提高。
　　1.4 影响粮食安全储藏的因素
　　储粮劣变是物理(温度、湿度和水分)、化学(氧气和二氧化碳气体)和生物(害虫和霉菌)因子相互作用的结果，如图1.10所示。在储粮生态系统中，*重要的生物体就是粮食本身。储粮的非生物环境因子又称为物理因子，如温度、湿度、水分和二氧化碳及氧气。储粮生态系统中的生物因子包括真菌和细菌等微生物、昆虫和螨虫等节肢动物。储粮的劣变在开始时比较缓慢，也不那么剧烈，但是如果不控制而任其在粮食中肆意生长，则可能导致储粮完全损坏[3]。
　　图1.10 影响储粮安全的物理、化学和生物因子及其耦合关系
　　在粮食储藏过程中，粮仓内部的温度和湿度是储粮中害虫、霉菌等生物因子生存和发展的重要条件，也是粮食发热、霉变的主要影响因素。粮食收获后，一般要被干燥至 12%～13%的水分，在这样的水分范围内储存粮食是安全的。然而，由于气温的季节性变化，粮堆内部发生热量传递和水分迁移，引起粮堆中局部温度和水分的升高，导致霉菌和害虫的生长，使得储藏中的粮食变得不安全。粮食在散装储存时，粮堆是由粮粒随机堆积而形成的静态深层颗粒床，而且粮堆中的粮粒又具有吸湿特性和呼吸作用。因此，粮仓内部粮堆中热湿迁移过程、粮堆的温度和水分变化主要是由粮仓外部的大气环境(外部因素)和粮仓内部储粮的生物特性(内部因素)共同决定的，如图1.11所示[4-6]。
　　1.4.1 外部因素的影响
　　一方面，由于仓外气温的季节性和日变化，粮堆不断地通过粮仓的围护结构与外界环境产生热量交换，使得粮堆的温度发生动态变化；另一方面，由于仓外气温的季节性

目录
前言
第1章 粮食储藏原理简介 1
1.1 粮食储藏系统及特征 1
1.2 粮食储藏过程和设施 1
1.2.1 粮食储藏过程 1
1.2.2 粮食储藏设施 2
1.3 粮食储藏原理及安全温度和水分 4
1.4 影响粮食安全储藏的因素 5
1.4.1 外部因素的影响 6
1.4.2 内部因素的影响 7
参考文献 9
第2章 储粮生态系统多场耦合传递过程及控制方程 10
2.1 储粮生态系统中热湿传递过程 10
2.2 储粮生态系统多尺度多场耦合特征 11
2.2.1 粮粒尺度的热量传递和水分迁移 11
2.2.2 粮堆尺度的热湿传递过程 11
2.2.3 粮堆内部多场耦合特征 13
2.3 储粮生态系统多场协同模型 16
2.4 储粮生态系统多场耦合传递过程的控制方程 16
2.4.1 非通风情况下仓储粮堆内部自然对流和热湿传递模型 17
2.4.2 通风过程中粮堆流动和传热传质模型 19
2.4.3 通风时粮堆内部流动和各向异性阻力模型 20
2.4.4 虫霉发展和分布的预测模型 21
2.4.5 霉菌生长发展的预测模型 22
2.4.6 稻谷黄变模型 23
2.4.7 气调和熏蒸模型 23
参考文献 24
第3章 储粮生态系统数值模拟研究进展及其原理 25
3.1 储粮生态系统研究方法 25
3.2 储粮生态系统数值模拟研究进展 26
3.2.1 储粮通风过程中流场、温度和水分场数值模拟 28
3.2.2 非通风时储粮内部自然对流及温度梯度引起的水分迁移 28
3.2.3 气调、杀虫剂、害虫分布数值模拟 29
3.3 基于计算流体动力学的储粮生态系统数值模拟原理 29
3.3.1 计算流体动力学概述 29
3.3.2 计算流体动力学的特点 29
3.3.3 计算流体动力学的数值模拟原理 30
3.4 基于计算流体动力学的储粮生态系统数值模拟方法 31
3.4.1 储粮生态系统流动和热湿传递的数值计算过程 31
3.4.2 确定初始条件与边界条件 34
3.4.3 划分计算网格 34
3.4.4 建立离散方程 34
3.4.5 离散初始条件和边界条件 35
3.4.6 给定求解控制参数 35
3.4.7 求解离散方程 35
3.4.8 判断解的收敛性 35
3.4.9 显示和输出计算结果 36
3.4.10 数值模拟结果可靠性检验 36
3.5 基于计算流体动力学的数值模拟软件简介 36
3.5.1 前处理器 36
3.5.2 求解器 37
3.5.3 后处理器 37
3.5.4 常用的CFD商用软件 37
参考文献 39
第4章 空气和粮堆的基本性质 42
4.1 空气的物理性质 42
4.2 空气的力学特性 42
4.2.1 空气的物理状态参数 42
4.2.2 空气的热力学特性 46
4.2.3 空气动力学性质 48
4.3 粮堆的物理性质 53
4.3.1 粮堆的力学特性 53
4.3.2 粮堆的热力学特性 54
4.3.3 粮堆的吸湿性和解吸湿特性 57
4.3.4 粮堆的通风阻力 60
参考文献 60
第5章 浅圆仓密闭储粮自然对流及热湿耦合传递的研究 61
5.1 国内外仓储粮堆内自然对流和传热传质问题的研究现状 61
5.2 具有呼吸特性的吸湿性仓储粮堆内自然对流热湿耦合传递机理 62
5.2.1 密闭储存的仓储粮堆内自然对流和热湿传递的影响因素 62
5.2.2 粮堆(粮粒)的吸湿/解吸湿与水分迁移的关系 63
5.2.3 粮粒及虫霉的呼吸作用对粮堆内部热湿传递的影响 63
5.2.4 具有呼吸特性的吸湿性仓储粮堆内自然对流热湿耦合传递过程 65
5.3 粮堆自然对流热湿耦合传递的数学模型 66
5.3.1 仓储粮堆自然对流热湿耦合传递数学模型的建立 66
5.3.2 数学模型的相应处理 69
5.4 近似冬夏季条件下钢板圆筒仓内粮堆热湿耦合传递的数值模拟研究 70
5.4.1 数学模型及其验证 70
5.4.2 数学模型验证 73
5.4.3 数值研究对象和初始条件、边界条件 75
5.4.4 模拟结果与分析 76
5.4.5 研究结论 80
5.5 局地气候条件下密闭钢板圆筒仓内具有呼吸作用的粮堆内部热湿耦合传递的数值模拟研究 81
5.5.1 物理模型和模拟条件 81
5.5.2 模拟工况 81
5.5.3 模拟结果与分析 83
5.5.4 研究结论 92
5.6 钢板圆筒仓内自然对流对粮堆内热湿耦合传递的数值分析 92
5.6.1 物理和数学模型及模拟条件 92
5.6.2 初始和边界条件 95
5.6.3 结果及分析 97
5.6.4 研究结论 99
5.7 影响仓储粮堆内部自然对流和热湿传递过程的数学分析 100
5.7.1 粮堆内部自然对流和热湿传递过程的数学分析及验证 101
5.7.2 结论 108
参考文献 108
第6章 房式仓粮堆热湿耦合传递及虫霉演替的数值预测研究 110
6.1 研究背景及内容 111
6.1.1 研究背景及意义 111
6.1.2 研究内容和方法 113
6.2 粮堆内部热湿耦合传递和虫霉演替数学模型及验证 113
6.2.1 数学模型 113
6.2.2 数学模型的评价和验证研究 116
6.3 房式仓储藏稻谷过程中温度和水分变化的数值模拟和实仓验证研究 128
6.3.1 物理模型和模拟条件 129
6.3.2 模拟结果与实测结果的对比与分析 130
6.3.3 长期储藏粮食时通风降温效果的数值模拟分析 143
6.4 仓储稻谷多场耦合传递过程的模拟研究 146
6.4.1 虫霉演替和稻谷黄变的预测模型 146
6.4.2 虫霉演替和稻谷黄变的模拟结果 147
参考文献 149
第7章 储粮通风模式及其数值模拟方法 151
7.1 储粮通风的目的 151
7.2 储粮通风系统和通风模式 151
7.2.1 储粮通风的功能 151
7.2.2 通风系统组成和通风模式 152
7.2.3 通风笼(槽)布置形式及技术参数 155
7.3 粮堆内部流动及热湿传递原理 160
7.3.1 粮堆内部热湿传递特点 160
7.3.2 多孔介质内部热湿传递的描述方法 161
7.3.3 粮堆内部流动及热湿传递控制方程 161
7.4 粮堆内部流动及热湿传递数值模拟方法 165
7.4.1 流动方程的处理 165
7.4.2 水分迁移方程的处理 166
7.4.3 对流传热方程的处理 166
参考文献 167
第8章 不同通风模式房式仓粮堆温度和水分的数值模拟研究 168
8.1 就仓冷却干燥(竖向)通风过程中温度和水分变化的模拟与分析 168
8.1.1 物理模型的建立与网格划分 168
8.1.2 热湿传递过程的假设和数学模型 169
8.1.3 数值模拟工况及参数 169
8.1.4 模拟结果与分析 169
8.1.5 研究结论 172
8.2 就仓加热干燥(垂直)通风过程中温度和水分变化的模拟与分析 173
8.2.1 实验系统和工况 173
8.2.2 数学模型和数值模拟方法 174
8.2.3 模拟结果与分析 175
8.2.4 研究结论 178
8.3 通风方向对稻谷降水效果影响的数值模拟研究 178
8.3.1 实验装置和实验工况 178
8.3.2 数学模型和数值方法 180
8.3.3 模拟结果与分析 180
8.3.4 研究结论 185
8.4 通风量对储粮通风效果影响的数值预测研究 185
8.4.1 研究对象、边界条件及模拟工况 185
8.4.2 模拟结果与分析 186
8.4.3 研究结论 191
8.5 进风相对湿度对储粮通风效果影响的数值预测研究 192
8.5.1 研究对象、边界条件及模拟工况 192
8.5.2 模拟结果与分析 192
8.5.3 研究结论 196
8.6 储粮横向分布式谷冷通风的数值模拟研究 196
8.6.1 控制方程、物理模型及初始条件和边界条件 197
8.6.2 模拟结果与分析 198
8.6.3 研究结论 201
8.7 房式仓横向降温保水通风的数值模拟研究 202
8.7.1 研究对象、边界条件及模拟工况 202
8.7.2 不同进风相对湿度下的模拟结果及分析 203
8.7.3 研究结论 211
8.8 横向与竖向降温保水通风效果的对比研究 211
8.8.1 研究对象、初始条件及边界条件 212
8.8.2 不同通风模式下的模拟结果与分析 212
8.8.3 研究结论 216
8.9 房式仓双侧吸出式斜流通风数值模拟和实验的比较研究 216
8.9.1 研究对象、边界条件及模拟工况 217
8.9.2 模拟结果与分析 220
8.9.3 研究结论 224
参考文献 224
第9章 浅圆仓径向与竖向通风过程中温度和水分的数值模拟研究 225
9.1 浅圆仓径向通风系统及工作原理 225
9.1.1 浅圆仓径向通风系统 225
9.1.2 浅圆仓径向通风工艺的特点 226
9.2 浅圆仓径向通风工艺参数的数值模拟优化研究 226
9.2.1 浅圆仓径向通风数学模型 226
9.2.2 不同中心集风管形式的径向通风数值模拟分析 226
9.2.3 不同垂直支风道数量的径向通风数值模拟分析 229
9.2.4 不同垂直支风道高度的径向通风数值模拟分析 231
9.2.5 研究结论 237
9.3 浅圆仓不同装粮高度时径向与全孔板竖向通风模拟对比研究 237
9.3.1 数值模拟的物理模型 237
9.3.2 通风过程数学模型及模拟条件 238
9.3.3 模拟结果与分析 238
9.3.4 研究结论 242
9.4 浅圆仓径向和梳状地上笼竖向通风数值模拟对比研究 242
9.4.1 数值模拟对象 242
9.4.2 通风数学模型及数值模拟条件 242
9.4.3 模拟结果与分析 243
9.4.4 研究结论 246
参考文献 247