平房仓储粮生态多场耦合系统水分迁移传递机理研究综述

粮食是世界各国人民赖以生存、繁衍的重要资源。我国是农业大国、人口大国、粮食生产大国，粮食储备量大，存储周期长，由于粮食产后监管技术研究和应用的滞后，造成粮食在流通、仓储领域的损失难以避免。据国家统计局统计显示，2019年我国粮食总产量为 66 384万t。根据文献调查，以粮食在产后储藏过程中损耗5%左右测算，2019年的粮食损失可达 663.84亿斤，损耗巨大。在粮食储藏过程中，生虫、发霉、结露等现象占粮食损失的重要一部分，而储粮仓内温湿度升高所导致的危险粮情是虫害、霉变现象发生的主要原因[1]。

粮食在粮食储藏过程中由于呼吸放热产水、仓外辐射传热等原因，会导致仓内粮食的温度升高、湿度增大，影响粮食储存安全。当前粮食仓储系统普遍采用对粮库自然通风或机械通风方式实现粮堆散热、降低粮食温度，粮堆热量以对流换热的方式传递到含湿谷物颗粒中去，使谷堆内部的湿气以蒸汽的形式通过对流传质扩散至干燥介质，放热后的干燥介质再将蒸汽带走，从而达到除去物料内部湿分，实现粮堆内部温湿度的传递、水分的迁移，保障系统储粮安全。

随着国内各种粮库仓储量不断增大，粮库仓容大、装粮高，粮食湿热迁移难度大，容易出现发热和结露现象，由于环境和成本的限制，测量粮堆内部温湿度的传感器无法分布在粮仓的各个位置，也就无法做到对整个粮仓的实时监控。储藏过程不能及时对储粮系统采取措施，从而导致粮堆发生霉变，造成储备粮的重大损失。粮堆表面及内部各层的温度、湿度、微气流、粮食平衡水分和压力等参数之间具有较强耦合关联性，粮堆内部温湿度传递和水分迁移属于复杂性难题，当前国内外研究者对粮堆传热传质、水分迁移方面的研究，多局限单一因素条件下的研究。研究者很少基于粮食生态系统条件，考虑储粮因素多样性，结合粮堆本身的特殊性质，系统开展储粮系统热湿耦合、水分迁移机理的探究。

平房仓作为目前储粮的主要仓型，由于其储粮仓容大、储存周期长、水分迁移规律更复杂，受太阳辐射带来的仓内温差较大，问题更严重。以平房仓的储粮系统为研究对象，结合粮食自身生命特性，研究散粮粮堆压力场、温度场、气流场与粮食颗粒间的多场耦合作用，探究粮堆内部热量-水分-温度间的作用与迁移规律，实现对粮堆中气体流动及湿热传递的控制，确保对粮仓内粮情的准确跟踪、分析和预测，达到控制粮食储藏环境，抑制储粮害虫生长，减少储粮过程中粮食损失，保证粮食的品质安全的目的，最终突破当前粮食仓储系统理论瓶颈，丰富我国多场耦合理论和储粮生态系统理论，对实现储粮过程粮食品质一致性、安全、绿色储粮具有重要意义。因此本文在综述国内外研究基础上，提出基于多孔介质理论，考虑尺寸效应对于微/纳米多孔结构中导热及流动的影响，从介观和微观尺度下研究它的传热传质内在机理和规律，建立宏、微观尺度下粮堆多孔介质场下的传热传质数学模型，实现对平房仓储粮生态多场耦合系统水分迁移传递机理的探讨。

粮堆属于多孔介质是由粮食颗粒与空气组成的多相物质共存的一种组合体，粮食颗粒与颗粒间有孔隙存在，孔隙由气体占据，构成空隙的某些空洞在空间上相互连接。

近年来，国内外研究者针对多孔介质中流体流动和传热传质问题做了大量的基础理论研究和实验工作，该领域研究的热点包括石油和煤层气的开采、地下水的开采和污染物迁移等问题，针对粮堆多孔介质内部传热传质规律进行的研究相对较少，但被研究者广泛重视。由于多孔介质传热传质过程是一个非常复杂的过程，受到许多因素影响，并且与其本身的内部结构密切相关，因此多孔介质粮食储藏过程传热传质研究仍存在一定限制。

借鉴多孔介质在其它领域中应用的理论成果和研究来解决粮堆多孔介质传热传质问题的方法被研究者重视。粮食仓储过程实质是粮食多孔介质传热传质和粮食微干燥系统水分、湿分和能量的迁移过程。由于粮食不仅自身具有生命过程，另外多孔介质内部孔隙尺度细微、具有复杂的容水结构，而水分迁移传递过程，物理机制种类繁多及传输过程无法直接观察等诸多原因，目前还没有模型可以相对准确地模拟多孔干燥过程水分的迁移过程。当前多孔介质内部热量和湿分传递模型有：蒸发-凝结理论模型、体积平均理论模型、液态扩散模型和基于非平衡热力学理论模型等，这些模型对多孔介质内部的物质传递理论阐释仍存在一定的局限，粮堆作为特殊的多孔介质结构，其微干燥系统中水分和能量的迁移过程机理具有复杂性。需运用宏观体积法与局部热平衡原理，从生物性多孔介质自然对流传热传质的角度，研究分析自然储藏过程中粮堆内部孔隙空气流场、温度场、水分场的耦合作用机理，同时分析机械通风和自然仓储过程中粮堆内部温度和水分迁移的多孔介质内部传热传质规律。

多孔介质中热湿耦合传递理论最早源于土壤热质耦合传递的研究，含湿量的迁移不仅包括液态扩散，同时也包括液体的毛细流动和蒸汽的扩散渗透理论，并以浓度梯度和温度梯度为两个驱动力进行耦合，以饱和度和温度为双变量建立双场模型。随着多孔介质理论的不断发展，多孔介质理论已渗透到了各行业，其中学者针对多孔介质内部传热传质规律的研究多集中在多孔介质的干燥过程，研究者提出的湿分传递和水分迁移理论主要有液态扩散理论、蒸发—凝结理论、Luikov A.V.理论、毛细流动理论以及体积平均理论、纳米粒子的流动与沉积等[2,3,4]为进一步在微观尺度上深入理解多孔介质表面的流体流动特性传递机理奠定了基础。

多年来，经众多学者的实验研究和理论分析，对多孔介质内部热质迁移的机理研究得出目前主要存在以下几种热、湿质迁移机制，分别是：湿分在浓度梯度作用下的扩散迁移、湿分在压力梯度作用下的扩散迁移、由毛细管力引起的液体在毛细管内的流动迁移、由于介质内部温度梯度而引起的水分热扩散迁移、水分在毛细通道中蒸发与冷凝所引起的水分迁移等[5,6]。

利用多孔介质理论研究粮堆热湿分迁移、传热传质规律方面的研究较早由Peter等[7,8,9]据流体力学理论研究了粮堆中水分扩散、多孔介质非达西流体的流动因子和多孔介质中自然对流现象，建立了相关模型并进行了优化求解，为掌握粮堆传热传质问题提供了解决路径。Thorpe等[10]建立偏微分方程组对含湿多孔介质热量传输进行了描述与预测。Rocha等[11]研究了非饱和多孔介质在温度差作用下，由初始均匀湿度达到新平衡的动态过程。Xu等[12]根据仿真方法得到的粮堆内气体组分及含量变化规律，并将其用于预测粮堆储藏状态，指导粮食仓储。Gbenga等[13]依据CFD原理质量对仓储气流场分析，深入研究粮堆传热传湿问题。有研究者基于守恒定律和传质机理建立了数学模型，依据数学模型对筒仓内玉米粮堆内水分变化规律进行了研究，为深入研究粮堆传热传质问题奠定了基础。

国内研究者在多孔介质理论研究方面，以及利用多孔介质理论针对谷物干燥和粮食储藏过程方面的研究虽然起步相对较晚，但经过广大研究者的不懈努力和长期坚持，取得了丰硕成果并将成果用于指导工程实践。如王远成、Zhang等[14,15]从多孔介质，多尺度下分析自然储藏过程中外界气象参数变化时粮堆内部的热湿变化以及稻谷颗粒内部热湿传递与周围空气的温湿度关系和水分迁移影响因素，并取得了系列成果。郑先哲等[16]较早从粮食颗粒内部传热传质耦合规律的研究进行粮食（稻谷、玉米）干燥工艺及装备的开发。胡众欢等[17]构建了热风干燥过程中物料外部与内部的流场、温度场、质量场的控制方程及模型，描述了热风干燥过程中整个干燥室内的湿热传递规律，针对油菜籽热风干燥过程进行了模拟。卢涛等[18] 根据生物多孔介质中温度、水分及应力之间复杂的耦合关系,基于菲克扩散定律、傅立叶导热定律和热弹性力学理论,建立了对流干燥条件下,含湿多孔介质内部传热传质过程热-湿-力双向耦合的数学模型。汤一村等[19]基于Whitaker体积平均理论建立了多孔介质热风干燥的理论模型，结合隐式有限差分法对其进行了离散求解，在处理方程的非线性效应时采用了预估-校正算法。

上述理论所建立的多依据多孔介质干燥模型，多以连续体假设为基础，认为在任意时刻质点占据了空间内的所有点，而表示物体运动特性和物体性质的物理量是空间和时间的连续函数。由于多孔介质内部的结构参数对干燥过程和干燥品质的影响很大，使得模型的模拟计算和分析研究不甚理想。因此，迫切需要找到一种合适的几何描述方法来定量表征多孔介质内部结构的复杂特性，揭示对其内部渗流规律和湿分迁移机理的影响，从而可能使多孔介质传递过程的研究取得突破性进展。作为微干燥系统的粮食仓储过程的模型，由于粮食储藏过程自身的呼吸作用，在建立粮仓内部多孔介质内部传热传质规律模型时，需要突破当前多孔介质理论的局限，多孔介质作为宏观尺度上的虚拟连续体，按照多尺度理论从介观和微观尺度去认识和研究它的传热传质内在机理和规律。另外粮堆热湿耦合水分、能量迁移规律研究涉及湍流、湿空气传热、多孔介质传热、多孔介质传质和环境大气等多个物理场。

本文提出基于介观和微观尺度去建立粮堆的多孔介质传热传质模型，同时结合影响粮堆传质传热模型影响因素的耦合关系以及结合尺寸效应的影响，搭建一个多因素耦合作用的多尺度下的粮堆内粮粒间的传热传质理论分析与实验研究相结合的研究系统，从介观和微观尺度下揭示粮食储藏过程粮堆内的传热传质内在机理和能量迁移规律。

粮堆内部空气占比约为30%~50%，空气中的含水量通常用相对湿度表示，空气中的相对湿度在研究时用湿分表达，空隙间空气的相对湿度与储粮所含的水分含量为紧密相连的。温度相同时，在一段时间后，若气体为不流动的，此时粮食物料内的水分含量与空气中的相对湿度达到平衡，粮食中的水分向空气中蒸发的速率与粮食从空气中吸收湿分的速率平衡。这时的相对湿度我们称为平衡相对湿度，而此时的水分也称为平衡水分，不在这个平衡状态的粮堆通常处于解吸湿状态，或者吸湿状态。由于本次研究对象平房仓面积较大，有向阳面有背阴面，太阳辐射对仓内热量带来较大影响，由于外界气温昼夜以及季节变化，粮食不断与外界通过仓壁进行热量交换，而粮食比热容较大，粮堆内部空隙间的空气与粮堆外部空气都易形成温度梯度。在温度梯度的影响下，会产生与温度梯度同方向的水蒸气压力梯度，而粮食存在吸湿和解吸湿特性，最终会导致水蒸气在粮堆内移动，也就是水分迁移。

为研究储粮生态多场耦合系统水分迁移传递机理，首先需要理清储粮生态多场耦合系统关系，然后根据此耦合关系，建立宏、微观尺度下粮堆多孔介质多场下的传热传质数学模型，并对模型计算分析和研究，进而理清储粮生态多场耦合系统水分迁移传递机理。粮堆内部的热湿耦合传递和水分迁移作为非线性问题，是本项目将要重点考虑的关键问题。粮堆内温度水分的研究近些年逐步被研究者关注，并采用实验、理论分析等多种方法开展研究，取得了一定成果。

其中如Thorpe[20]是国外较早开展粮堆水分、质量传输机理方面研究的学者，先后构建了相关数学模型，并运用仿真分析方法得到了储藏过程粮食温度、水分等物理场的分布及变化规律。Ruska等[21]采用二维柱坐标导热微分方程获得了笛卡尔坐标系下，筒仓内温度场分布和其随环境温度变化的规律，作为早期开展粮堆内部的热湿耦合传递和水分迁移方面的研究者。Abe等[22]提出温度、湿度是影响储粮状态的两个重要因素，实验得到了筒仓内稻谷在一个储藏周期中温度场的变化，尽管没有考虑稻谷温湿度的耦合作用，但为预测储藏周期内稻谷的温、湿度场的变化提供了支撑，为后续研究提供了帮助。Gastón等[23]采用谷物水分等温吸附方程和热质局部平衡原理，分别以仓储小麦和稻谷作为研究对象，构建了粮食仓储过程的热湿传递耦合模型。随着计算机技术和现代科学技术的发展，研究者开始尝试新的手段和方法对粮堆温度梯度模拟，水分迁移规律进行探讨，甚至采用核磁共振技术分析观察小麦颗粒自身变化特性。其中Ghosh等[24]将核磁共振用于观察小麦颗粒干燥过程中不同部位水分分布和迁移的变化情况。Decarvalho等[25]考虑仓储过程粮堆自身发热作用，并引入粮堆内自热和周期变化的环境数据构建了不同仓储状态下粮仓内温湿度的变化模型。Carrera等[26]基于数值计算方法获得了圆筒仓内高粱的温度场随着环境温湿度的变化规律。随后Wang等[27]在强制对流作用下热量传输和垂直方向水分传递规律，强制通风降温时粮堆内温湿度与通风系统的风速、气流温湿度之间的规律方面也取得了一定成果，采用仿真和实验的方法来预测粮堆温湿度变化和水分迁移实现对粮仓的有效控制。Andrea等[28]研究了谷物干燥温度和原始水分与水分迁移之间的关系, 并阐述了水分扩散和吸收之间能量变化, 提出了影响水分迁移的因素为原始水分含量、平衡水分含量和谷物的等效半径。

国内研究者也陆续根据粮堆多孔介质特性和环境因素的影响，先后依据传热学理论再运用有限元方法模拟了非稳态下水稻温度场的分布；基于实仓温度测试数据的拟合分析，实现仓储内不同粮层处温湿度变化的预测；基于计算流体动力学理论，对房式仓“F”型网络冷却通风时粮堆内温度、水分的变化进行数值仿真，以获取粮堆湿热迁移规律；由于粮食装仓后存在自身压力等情况的影响，研究者在分析粮仓内粮食温湿度及水分迁移规律时，需要考虑多场耦合的作用。如任广跃等[29]以中试钢板浅圆仓为目标仓，以小麦为研究对象模拟了机械通风过程中粮堆内压力场分布，得出了风量、通风方式和压力之间规律。吴子丹等着重研究了粮食水分、平衡湿度之间的关系、建立了 WU模型，再据不同粮种拟合出WU模型中的相关参数，指导机械通风实践。陈桂香等[30]确立了机械通风强制对流状态下粮堆内湿热耦合传递模型，模拟了粮食解吸和吸附状态时热量交换和水分迁移的变化过程，得出了该过程中粮堆热湿耦合规律。亓伟等[31]认为粮食具有生命活动，需考虑其自呼吸作用，并借助多物理场数值模拟软件针对不通风状态下粮食在自然对流和温度梯度等耦合影响和不同季节的温度分布和水分转移。段珊珊等[32]针对气象因素对储粮环境的影响,建立了仓储粮堆温度参数和气象因素的数学关系,证明了基于气象数据进行粮堆温度预测的可行性。提出了基于气象8因素的储藏粮堆表层(粮面以下50 cm处)平均温度预测模型，利用气象的气温、气压、相对湿度、地面温度、日照时间、降水量、蒸发量、风速多个因素展开构建对储藏粮堆表层平均温度估计。李冬坤等[33]研究了不同储藏条件下粳稻谷质量指标、气味以及低场核磁采集粳稻谷水分数据的变化。李阳等[34]曾对粮食干燥机理，粮食颗粒强度等物理性能与粮食水分间的关系进行过深入研究。解决了粮食低温储藏装备面临的相关技术难题，实现了粮食储藏装备的产业升级换代，减少了传统粮食储存过程需要化学药品熏蒸所造成的环境污染、粮食污染及化学药品残留超标的问题。

此外，当前国内学者对粮食储藏过程中热湿传递现象可概括成：与粮堆热湿传递过程密切相关的小麦、五米等谷物的热物性的测试、以及影响因素的分析，获得了小麦、玉米等粮堆的导热系数和比热。基于局部的热质衡原理和吸湿解吸湿相变理论，提出了描述深展粮堆内部热湿耦合传递规律的数学模型。利用计算流体动力学技术对仓储温度变化的规律进行数值模拟。借助数值模拟和实验验证相结合的方法，以小麦为研究对象，研究分析粮仓内部的温湿度通风系统的送风量和气流的温湿度关系。

上文综述了当前研究多考虑单一因素温度、湿度与通风气流、风量的关系，很难理清储粮生态多场耦合系统关系，另外由于粮食自身具有呼吸功能的生命特性，而当前多孔介质理论多从单一尺度下建立研究理论模型的。尚不能从介观和微观尺度下研究多孔介质仓储粮堆的传热传质内在机理和规律，建立基于粮食生态作用的宏、微观尺度下粮堆多孔介质多场传热传质数学模型。结合储粮生态多场耦合系统的各因素相干性问题，从理论角度深层次阐释储粮生态多场耦合系统水分迁移传递机理，为生态储粮提供理论支撑。

已有的储粮仓储系统模型对于自然存储时粮堆的热湿传递有大量人开展研究，但是在研究时没有针对粮食的呼吸作用开展研究，而粮食颗粒作为有生命体征的多孔介质，粮堆作为完整的生态系统，其内部环境复杂，参数众多，且各参数之间相互影响确定较为困难，目前主要靠经验公式。对于粮堆的水分迁移的机理研究较为薄弱，目前现有的热湿模型的精确度难以保证。目前针对储粮过程的机械通风作业，缺少粮仓内部温湿度以及水分迁移的机理研究，导致出现能耗大、过度通风、无效通风，通风后粮食水分过度损耗带来严重经济问题与粮食安全问题。因此，针对储量系统水分迁移机理研究的未来发展趋势应该从以下四个方面进行研究：

建立反映实际情况的储粮系统多场耦合数学模型。首先将粮堆假设为虚拟连续多孔介质体，由众多谷物颗粒以及充满空气和水蒸汽的混合气体组成，颗粒大小分布均匀，孔隙分布均匀。粮堆在自然通风仓储过程和机械通风过程作为一个微观干燥过程，采用局部非平衡方法建立数学模型，认为颗粒温度和气体温度未达到平衡，颗粒的水分浓度和气体的水分浓度也未达到平衡，采用达西定律描述气体在粮堆多孔介质中的流动状态，并考虑各参数和变量之间的耦合影响，最终建立粮堆温度和含水率、空气温度和湿度、空气流速和压强的三维粮堆通风干燥数学模型。

构建非稳态非线性的偏微分方程组数学模型，从数学关系的角度，揭示储粮系统多场条件下的储粮影响因素耦合相干性问题。结合多孔介质传热传质理论和热湿耦合作用，建立粮食自然通风和机械通风过程中热湿耦合传递数学模型，针对玉米、小麦、稻谷等粮食颗粒，分析其热力学特性，研究不同粮食在含水率不同时，吸湿以及解吸湿带来的热量传递，建立不同粮食的热传递回归方程。多孔介质材料的内部的湿热互为因果、相互耦合，水的相变和浓度梯度作用下的迁移都会伴随着热量的转移，同时水分会对导热系数、热容等材料属性产生影响，进而产生温度梯度影响水分的迁移现象。

充分利用仿真分析方法针对散粮实验仓储过程多场耦合传递过程的数值模拟研究，得到不同散粮堆的气流场、水蒸气压力场、温度场以及水分场等随储藏时间的变化规律。因为涉及到多物理场的数值模拟，常用的流体仿真软件FLURNT进行流场仿真已经无法实现复杂的增加物理场，针对多场耦合推荐使用COMSOL多物理场仿真软件，在多孔介质传热的基础上先增加空气流场使二者耦合后，再添加水分场，实现多场耦合，生物质带来的影响不容忽视，应加入呼吸作用化学方程式，综合考率后并根据守恒定律，推理获得仓储粮堆传热传质控制方程，包括连续性方程、动量方程、水分迁移方程和对流传热方程，对上述方程进行数值计算，进行分析求解，为实验奠定基础。

根据建立好的模型以及数值仿真的结果，设计相关测试实验。根据平房仓不同区域可能出现的问题，基于实验测试的方法，分模块搭建粮食仓储实验平台，建立粮食仓储过程自然通风和机械通风状态下，粮仓内温度梯度场、压力梯度场空气温度和湿度场，另外通过扦样方法获得粮仓内粮食颗粒的水分梯度。对于静态仓储的自然对流扩散现象和机械通风的动态水分传递的多场耦合过程进行试验，对建立的数学模型以及数值模拟的结果进行验证。在实际仓内实验和模拟测试实验、多物理场耦合数学模型仿真的基础上，研究散粮粮堆中多场间相互作用关系，建立多尺度粮堆湿热模型全面地描述粮堆内部温度场，实现对更大范围粮情的跟踪、分析和预测。针对未来研究提出了一些规划如图1。

本文提出为确保国家粮食安全，满足工程重大需求，控制粮食储藏环境，抑制储粮害虫生长，减少储粮过程中粮食损失，实现储粮过程粮食品质一致性，解决当前粮食仓储系统基础理论研究瓶颈。本文首先简要概述了当前针对粮食仓储的热湿耦合机理模型、试验和仿真的研究方法。介绍了现有的多孔介质传热传质模型多依据多孔介质干燥模型，而多孔介质内部结构等参数对于实际干燥过程和品质带来的影响很大，导致现有模型无法真正模拟实际粮堆的传热传质过程。提出了基于介观微观尺度，建立粮仓内部多孔介质传热规律模型，搭建一个充分考虑粮堆完整生态的模型。

本文在对平房仓储粮生态多场耦合系统水分迁移传递机理研究的国内外研究现状分析的基础上，提出基于多孔介质理论，考虑尺寸效应对于微/纳米多孔结构中导热及流动的影响，从介观和微观尺度下研究它的传热传质内在机理和规律，建立宏、微观尺度下粮堆多孔介质多场下的传热传质数学模型，实现平房仓储粮生态多场耦合系统水分迁移传递机理探讨，确保国家粮食安全。在整体趋势上，本领域的热湿耦合水分迁移研究将朝着数值模拟更加真实、考虑因素更加全面，试验研究更加贴合实情、设计实验更加仔细，理论更加深入、结果分析更加实际的方向发展。