CN113390463B - 一种储粮模拟多场耦合试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种储粮多场耦合试验平台，包括粮食储藏仓、伺服加压系统、温度调节系统、粮情检测系统、通风调节系统、计算机控制系统。伺服加压系统包括位于粮堆上侧的加载板，伺服加压系统还包括驱动加载板上下移动的加载板驱动机构，加载板上设置有加载板透气孔，加载板透气孔连通加载板的上下两侧。通风调节系统包括竖向通风调节系统和径向通风调节系统，竖向通风调节系统的出风口设于粮堆下侧，竖向通风调节系统的回风口位于粮堆上侧；径向通风调节系统的出风口位于粮堆外侧/内侧，径向通风调节系统的回风口位于粮堆内侧/外侧；本发明提供了一种可以对粮仓内压力场、温度场、湿度场和微生物场之间相互耦合影响进行研究的储粮多场耦合试验平台。

Description

一种储粮模拟多场耦合试验平台

技术领域

本发明涉及一种储粮领域中用于研究粮堆压力、温度、湿度、微气流之间 相互耦合作用的储粮模拟多场耦合试验平台。

背景技术

粮食安全储藏关系到国计民生。我国是产粮大国和人口大国，根据国家统 计局统计，2019年我国粮食产量66384.3万吨，总人口140005万人，人均粮食 占有量仅475公斤。粮食产量虽连年增长，但每年储藏中存在的结露、虫害及 霉变造成的损失达2100万吨，占粮食总产量的4.2％，粮食霉变会引起粮堆发热、 生物化学成分改变和毒素产生，危及粮食安全。

粮堆内部的压力场、温度场、湿度场和微生物场中，温度和水分是影响储 粮安全的重要因素。粮食储藏过程中，由于粮仓结构具有半封闭特性，外界环 境对仓内粮堆产生显著影响，季节更替、太阳辐射等作用，在粮仓壁面、仓顶 产生热交换，引起粮堆内温度场的变化；同时，粮食籽粒具有吸湿和呼吸特性， 储藏过程中，因粮食呼吸、微生物代谢等作用均会引起粮堆内温湿度分布的不 均匀性。粮食籽粒在入仓时表面常带有大量的微生物，而粮堆内温度和水分超 过安全储藏的临界值或粮堆中出现局部热量和水分积聚时，易诱发霉菌滋长， 从而产生大量的水分和热量，危及储粮安全。

现有的对粮堆多场耦合的研究多集中于粮堆两个物理场之间的耦合，主要 分为以下几种：(1)粮堆热湿传递的数值模拟研究，该类研究建立起热量和水 分传递的数学模型，但该研究没有考虑粮堆堆高对粮堆内热湿传递的影响；(2) 粮堆流-力的数值模拟研究，该类研究主要集中于粮堆机械通风过程中的气流阻 力；(3)粮堆结露模拟试验，试验模拟了粮堆温度和水分分布的变化过程，但 多以粮堆单元体为研究对象，不能反映整体仓储粮堆环境，不能反映粮堆温度 场、湿度场与微生物场之间的相互作用。

现有技术中，针对粮堆孔隙率影响粮堆温度场、湿度场和微生物场的研究 鲜有报道，得到的相关研究数据缺乏对真实储粮环境的综合考虑，粮堆孔隙率 是影响粮堆内热量和水分传递的关键参数，真实的储粮环境中，粮仓结构内随 着装粮高度的增加，粮堆不同平面压应力增大，粮堆孔隙率减小。同时因仓壁 摩擦力的存在，粮堆空间应力场复杂，堆高较大时，水平压力随粮层深度分布 的不均匀性愈加明显。粮堆内部复杂的空间应力状态导致同一深度平面上孔隙 率不同，孔隙率的改变影响粮食籽粒间的热传导和孔隙间的对流传热，进而影 响粮堆内部热量和水分的迁移。当粮堆内部分区域粮温和水分超过安全储藏的 临界值，易诱发粮食霉变、发热和虫害，危及储粮安全。因此，明确粮堆内多 物理因子、生物因子对储粮安全的影响机理，保障粮食安全亟待深入系统的研 究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以对压力场、温度场、湿度场和微生物场之 间相互耦合影响进行研究的储粮模拟多场耦合试验平台。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种储粮模拟多场耦合试验平台，包括用于储存粮食的模拟筒仓，模拟筒 仓包括竖向布置的仓体，仓体的顶部设置有仓顶，仓体的底部设置有仓底，试 验平台还包括孔隙率调节系统、通风调节系统和用于对仓顶和仓体进行温度调 节的温度调节系统，

试验平台还包括至少两组用于沿上下方向设置于粮堆内的温湿度传感器， 每组温湿度传感器均包括多个沿仓体径向间隔布置的所述温湿度传感器，试验 平台还包括多个用于沿上下方向间隔设置于粮堆内的CO₂传感器和多个沿上下 方向间隔设置于粮堆内的毕托管，

通风调节系统包括竖向通风调节系统和径向通风调节系统，竖向通风调节 系统的出风口设于粮堆下侧，竖向通风调节系统的回风口位于粮堆上侧；径向 通风调节系统的出风口位于粮堆外侧/内侧，径向通风调节系统的回风口位于粮 堆内侧/外侧；

孔隙率调节系统包括位于粮堆上侧的用于向粮堆上端施加向下作用力的加 载板，孔隙率调节系统还包括驱动加载板上下移动的加载板驱动机构，加载板 上设置有加载板透气孔，加载板透气孔连通加载板的上下两侧。

加载板驱动机构通过加载杆与加载板相连，加载杆竖向布置，加载杆为空 心结构，温湿度传感器、CO₂传感器的引线穿设于加载杆的内孔中。

加载板的下侧设置有加载板应变计安装凹槽，加载板应变计安装凹槽内安 装有加载板应变压力计，加载板应变压力计的下表面与加载板的下板面齐平。

加载杆由至少两节沿上下方向顺次可拆连接的杆段拼接而成。

仓体的侧壁上开设有至少两个沿上下方向间隔布置的采样孔，采样孔处设 置有采样孔盖，试验平台还包括用于沿径向插入对应采样孔中的采样器，采样 器包括长度沿仓体径向延伸的采样管，采样管的内端封堵，采样管的上端开设 有多个沿采样管长度方向间隔布置的采样口，采样管内导向移动装配有用于封 堵所述采样口的采样口挡板，抽拉采样口挡板，可以打开各采样口。

仓体、仓顶均为具有外侧壁和内侧壁的空心结构，外侧壁具有保温层，内 侧壁由导热材料制成，仓体的内侧壁和外侧壁围成仓体环形空间，仓体环形空 间被真空隔板分隔成两个对称布置的半圆形空间，温度调节系统包括向所述仓 顶内通风的仓顶温度调节装置、向其中一个半圆形空间内通风的高温侧温度调 节装置和向另外一个半圆形空间内通风的低温侧温度调节装置。

竖向通风调节系统包括位于仓体底部的布风板，加载杆的内孔下端孔口构 成与布风板配合使用的抽风口。

径向通风调节系统包括位于粮堆中心的竖向布置的第一竖向风管，径向通 风调节系统还包括多个沿仓体侧壁间隔布置的竖向布置的第二竖向风管，各竖 向风管的管壁上开设有多个沿上下方向间隔布置的风口，第二竖向风管用于向 粮堆内吹风，第一竖向风管用于抽风。

仓体侧壁上可拆卸连接有压力计垫板，压力计垫板的内侧板面上开设有凹 槽，凹槽中设置有仓壁应变压力计，仓壁应变压力计的表面与压力计垫板的内 侧板面齐平设置。

加载板驱动机构包括主加载框架以及设置于主加载框架上的伺服油缸，主 加载框架包括设置于仓体外围的竖直承压架以及设置于仓体上侧的钢横梁，伺 服油缸固定于钢横梁的中心位置。

本发明的有益效果为：在真实的粮仓储粮环境中，粮堆高度较大，在粮堆 重力的作用下，不同深度位置的粮堆孔隙率存在较大差异，由于仓壁摩擦力的 存在，即使在同一深度，不同径向位置的粮堆孔隙率也不同，而孔隙率是影响 粮堆气调、传热和传质的关键参数。本发明中，通过加载板对粮堆上端的竖向 加载，以模拟不同堆高的粮堆压力，在压力和仓体侧壁与粮食摩擦力作用下， 仓体内不同空间位置形成与真实储粮环境相近似的孔隙率分布状态；温度调节 系统调节粮堆内的粮食温度，不同高度的温湿度传感器可以测得由于压力不同 引起孔隙率不同从而对温湿度变化的影响，同一高度，不同径向位置的温湿度 传感器，可以测得由于径向位置不同导致孔隙率不同而对温度、湿度变化的影 响，同样道理，通过竖向通风调节系统和径向通风调节系统的配合，还可以研 究孔隙率不同对通风、气调的影响。通过通风系统的调节，能有效避免粮食因 结露霉变损失，降低费用开支，确保数量和质量安全。本发明中，通过加载板 和加载板驱动机构模拟不同粮堆高度的压力场，以形成与真实粮仓环境一致的 孔隙率，通过对应传感器的测量，可以得到不同高度/同一高度不同位置孔隙率 与气调、传热之间的关系，从而为安全储粮提供数据支撑。

进一步的，在本发明中，温度调节系统分为三个独立的温度调节装置，包 括向所述仓顶内通风的仓顶温度调节装置、向其中一个半圆形空间内通风的高 温侧温度调节装置和向另外一个半圆形空间内通风的低温侧温度调节装置，，以 模拟更加真实的粮仓环境。真实的粮仓储粮环境中，粮仓暴露于室外，其顶部 受太阳直射而温度较高，粮仓的向阳面和背阳面的温度差异较大，在本发明中， 通过三个独立的温度调节装置对模拟筒仓的对应部位进行独立调温，使粮仓产 生与真实环境一致的区域温度，以得到更接近真实环境的数据。

进一步的，采样器伸入到粮堆内部，抽拉采样口挡板，打开各采样口，对 同一高度不同径向位置的粮食取样，以获得各种耦合环境相互影响情况下的不 同径向位置的粮食样品，通过粮食样品判断对应位置粮食的含水率和霉变情况。 不同高度的孔，可以获得不同高度的粮食样品。

附图说明

图1是本发明中储粮模拟多场耦合试验平台的实施例1的结构示意图；

图2是图1俯视方向上径向通风调节系统与仓体的配合示意图；

图3是本发明实施例1中采样器的结构示意图；

图4是本发明实施例1中布风板的结构示意图；

图5是本发明实施例1中径向通风调节系统、仓顶温度调节装置与模拟筒仓的 配合示意图；

图6是本发明中储粮模拟多场耦合试验平台的实施例2中的布风板的结构示意图；

图7是本发明中储粮模拟多场耦合试验平台的实施例3中的布风板的结构示意图；

图8是本发明中储粮模拟多场耦合试验平台的实施例4中的布风板的结构示意图；

图9是本发明中储粮模拟多场耦合试验平台的实施例5中的布风板的结构示意图。

具体实施方式

本发明中一种储粮模拟多场耦合试验平台的实施例如图1～5所示：包括模 拟筒仓，模拟筒仓包括竖向布置的仓体1，仓体的顶部设置有仓顶2，仓体与仓 顶通过螺栓连接，仓体与仓顶之间设置有柔性橡胶垫，保证结构的气密性。仓 体的底部设置有仓底。试验平台还包括孔隙率调节系统、通风调节系统、温度 调节系统和储粮环境多场耦合仿真系统。仓顶预留通风孔7，端部接仓顶毕托管， 监测通风过程中的风速。

仓体1为筒形结构，仓顶2为圆锥形结构，仓体和仓顶均为具有外侧壁和 内侧壁的空心结构，即仓顶的外侧壁和内侧壁围成仓顶锥形空间，仓体的外侧 壁50和内侧壁51围成仓体环形空间，外侧壁由保温材料制成，内侧壁由导热 材料制成，在本实施例中，外侧壁为纳米保温层。仓体环形空间被真空隔板40 分隔为对称两个部分，即仓体环形空间被真空隔板分隔成两个对称布置的半圆 形空间52，真空隔板40是指隔板内部为空心结构，隔板的内腔抽真空处理。温 度调节系统包括向仓顶内通风的仓顶温度调节装置、向其中一个半圆形空间内 通风的高温侧温度调节装置和向另外一个半圆形空间内通风的低温侧温度调节装置。其中一个半圆形空间可以称为模拟筒仓高温侧，另外一个半圆形空间可 以称为模拟筒仓低温侧。

仓顶温度调节装置、高温侧温度调节装置和低温侧温度调节装置均为热泵 温度调节装置，具体的，高温侧温度调节装置由高温侧热泵9、高温侧温度调节 器11、高温侧储气箱10组成。模拟筒仓高温侧出气口8、高温侧热泵9、高温 侧储气箱10、高温侧温度调节器11和模拟筒仓高温侧进气口16依次连接，形 成循环回路，通过高温侧温度调节装置控制模拟筒仓筒壁高温侧温度恒定，控 温管道采用纳米保温材料做保温处理。低温侧温度调节装置由低温侧热泵29、 低温侧温度调节器31、低温侧储气箱30组成，模拟筒仓低温侧出气口、低温侧 热泵29、低温侧储气箱30、低温侧温度调节器31和模拟筒仓低温侧进气口依 次连接，形成循环回路，通过低温侧温度调节装置控制模拟筒仓筒壁低温侧温 度恒定；仓顶温度调节装置由仓顶热泵、仓顶温度调节器34、仓顶储气箱组成， 仓顶出气口、仓顶热泵、仓顶储气箱、仓顶温度调节器34和仓顶进气口依次连 接，形成循环回路，通过仓顶温度调节装置控制圆锥形仓顶温度恒定。

孔隙率调节系统包括位于粮堆上侧的用于向粮堆上端施加向下作用力的加 载板20，孔隙率调节系统还包括驱动加载板上下移动的加载板驱动机构，加载 板上设置有加载板透气孔，加载板透气孔连通加载板的上下两侧，加载板透气 孔可以供气体通过，但是粮食不能通过，可以实现粮堆与上部空气层的热交换。 加载板驱动机构包括主加载框架以及设置于主加载框架上的伺服油缸5，主加载 框架包括设置于仓体外围的竖直承压架3以及设置于仓体上侧的钢横梁，伺服 油缸5固定于钢横梁的中心位置。加载板的下侧设置有加载板应变计安装凹槽， 加载板应变计安装凹槽内安装有加载板应变压力计，加载板应变压力计的下表 面与加载板的下板面齐平。

本实施例中，钢横梁53由工字钢制成，竖直承压架3与钢横梁通过螺栓连 接，伺服油缸5通过螺栓固定于钢横梁的中心位置，伺服油缸的活塞杆通过加 载杆6与加载板20相连，伺服油缸接入储粮环境多场耦合仿真系统，由其内置 伺服加载控制程序控制研究所需压力，加载杆6为空心结构，加载杆6由至少 两节沿上下方向顺次可拆连接的杆段拼接而成，最下侧的一节加载杆与加载板 焊接相连，同时加载杆与加载板之间还设有三个斜向拉杆，保证加载平衡。加 载杆为可拼接的3段，根据粮堆装粮高度安装不同数量的加载杆，每两节加载 杆之间通过螺栓连接。锥顶开圆孔，加载杆穿过圆孔与加载板连接，所述加载 杆与圆孔间用胶垫密封并作润滑处理。

所述仓底由仓底板、转换层27、立柱组成，所述仓底板依次与转换层横梁、 立柱焊接，卸料口位于仓底板几何中心。所述压力计垫板大小为1/8筒体周长， 沿筒体高度方向分可拼接的4段，所述压力计垫板通过螺栓固定于筒体仓壁。 所述压力计垫板沿高度方向开压力计大小的凹槽，凹槽深度与压力计厚度相同， 压力计受荷面与压力计表面齐平。所述压力计垫板沿压力计引线方向开凹槽， 侧壁应变压力计的压力计引线岩筒壁向上自圆锥形仓顶引出接入储粮环境多场 耦合仿真系统。

仓体的侧壁上开设有至少两个沿上下方向间隔布置的采样孔21，采样孔处 设置有采样孔盖，试验平台还包括用于沿径向插入对应采样孔中的采样器54， 采样器54包括长度沿仓体径向延伸的采样管42，采样管的内端为斜尖结构，且 采样管的内端封堵，采样管的上端开设有多个沿采样管长度方向间隔布置的采 样口43，采样管内导向移动装配有用于封堵所述采样口的采样口挡板44，抽拉 采样口挡板44，可以打开各采样口43。

具体的，在仓体的侧壁上沿高度方向开有五个采样孔21，采样孔21直径 100mm，沿高度方向第3个采样孔位于筒体高度1/2位置，采样孔通过采样孔盖 封闭，所述采样孔盖与筒壁之间采用螺栓连接，采样孔盖与筒壁之间用胶垫密 封；采样孔盖开引线孔，用胶圈密封，粮堆内不同粮堆深度和不同径向位置均 布置粮堆毕托管24，分别通过引线与微压差传感器12连接。

本实施例中，采样管上有五个采样口，当采样管插入到粮堆内后，自左至 右第三个采样口处于粮堆的中心位置。自上至下第三个采样孔处于模拟筒仓高 度的中心位置。

通风调节系统包括竖向通风调节系统和径向通风调节系统，竖向通风调节 系统的出风口设于粮堆下侧，竖向通风调节系统的回风口位于粮堆内侧；径向 通风调节系统的出风口位于粮堆外侧，径向通风调节系统的回风口位于粮堆内 侧。在本实施例中：

竖向通风调节系统包括离心风机14、轴流风机19、多功能气流控制箱13、 布风板25、气流矫直器26、变频器15、粮堆毕托管24、微压差传感器12、储 粮环境多场耦合仿真系统通风调节模块，布风板25位于仓体底部，布风板上设 置有布风板风道60，布风板板风道上连接于上侧粮堆相通的布风口，布风口构 成竖向通风调节系统的出风口。变频器15控制离心式风机14转速，离心式风 机14提供风源，多功能气流控制箱13包括气体控温和控湿程序，有效控制粮 堆送风温度和湿度。气流矫直器26是由高强度金属材质制作成风扇叶片，来自 进风口的风通过风扇叶片均匀向上通过布风板送入粮堆，气流矫直器中心留有 卸料孔，与筒体卸料口位置对应。所述布风板由高强度金属精密加工而成，布 风板上的布风板风道60方式如图4所示，本实施例中布风板风道为放射型风道。 布风板留有可开闭的卸料孔，与筒体卸料口位置对应。所述筒体底部有金属支 座28，布风板25、气流矫直器26依次放置于金属支座28上。轴流风机19的 风道与加载杆6的内孔相连，因此加载孔的内孔下端孔口构成抽风口，通过加 载杆深入模拟筒仓仓顶，由仓顶吸出粮堆内热量。粮堆不同深度布置粮堆毕托 管24，引线自筒壁取样孔穿出，接入微差压传感器12，测量通风过程中的压降。

径向通风调节系统包括离心风机、轴流风机、多功能气流控制箱、第一竖 向风管35、第二竖向风管36、圆形风道37、气体涡轮流量计、变频器、储粮环 境多场耦合仿真系统通风调节模块。所述第二竖向风管36为半圆型，多个第二 竖向风管36通过螺栓沿周向间隔安装于仓体的内壁上，圆形风道37通过连接 管17与对应第二竖向风管36连通，第一竖向风管35位于粮堆的中心位置，第 一竖向风管35、第二竖向风管36的管壁上均分布有多个风口。轴流风机与第一 竖向风管35连接，吸出粮堆内热量。第二竖向风管36用于向粮堆内吹风，第 一竖向风管用于抽风。

储粮环境多场耦合仿真系统18包括加载板变压力计、仓壁应变压力计、高 精度铂电阻探头、温湿度传感器22、CO₂传感器23、储粮真菌危害早期检测仪、 储粮环境多场耦合仿真程序。粮堆内布置的压力计、温湿度传感器22分别接入 储粮环境多场耦合仿真系统，粮堆内布置的CO₂传感器依次接入储粮真菌危害 早期检测仪、储粮环境多场耦合仿真系统，完成粮堆内温度、湿度、CO₂浓度的 检测。储粮环境多场耦合仿真程序根据粮堆内温度、湿度和CO₂浓度预测粮堆 未来数天或数十天的温湿度变化，根据其内置临界条件判断是否启动通风调节 系统，有效预测粮堆结露、霉变情况，减少粮食质量损失。其中CO₂传感器的设置形式为沿粮堆厚度方向间隔布置，温湿度传感器有多组，各组温湿度传感 器沿上下方向设置于粮堆内，每组温湿度传感器均包括多个沿仓体径向间隔布 置的所述温湿度传感器。温湿度传感器、CO₂传感器的引线穿设于加载杆的内孔 中。

本实施例的工作机理为：

如图1所示，高温侧温度调节装置通过电热丝加热方法产生恒定温度的热 气至高温侧储气箱10中，通过高温侧热泵9将恒定温度的热气传送至高温侧储 气箱10中，高温侧储气箱10中的热气与模拟筒仓高温侧连接，与模拟筒仓仓 壁产生热量交换后，回流至高温侧温度调节器11，经过一定时间的循环使得模 拟筒仓高温侧的温度得到有效控制。低温侧温度调节装置由低温侧热泵29、低 温侧储气箱30，低温侧温度调节器31组成，低温侧温度调节器31通过压缩机 制冷方法产生恒定温度的冷气至低温侧储气箱30中，通过低温侧热泵29将恒 定温度的冷气传送至低温侧储气箱30中，低温侧储气箱30中的冷气与模拟筒 仓低温侧产生热量交换后，回流至低温侧温度调节器31，长时间的循环可以使 得模拟筒仓低温侧的温度得到有效的控制。仓顶温度调节装置由仓顶热泵32、 仓顶储气箱33，仓顶温度调节器34组成，仓顶温度调节器34通过电热丝加热 方法产生恒定温度的热气至仓顶储气箱33中，通过仓顶热泵32将恒定温度的 热气传送至仓顶储气箱33中，仓顶储气箱33中的热气与模拟筒仓仓顶产生热 量交换后，回流至仓顶温度调节器34，长时间的循环可以使得模拟筒仓仓顶的 温度得到有效的控制。

与伺服油缸5相连的伺服控制系统4由储粮环境多场耦合仿真系统18控制 产生一定压力，由伺服油缸5连接的加载杆6将压力传递至加载板20，从而将 压力传递至粮食模型顶面。加载板20与粮食接触侧开凹槽，放置应变式压力计 39，应变式压力计39表面与加载板20表面齐平，测量界面压力。加载杆6采 用高强度金属制作，中部采用中空形式，用于粮堆内多种传感器引线的引出， 根据装粮高度，可拼接加载杆长度使其与粮食模型充分接触。

竖向通风调节系统包括多功能气流控制箱13、离心式通风机14，变频器15、 微差压传感器12，轴流风机19、布风板25、气流矫直器26组成。变频器15控 制离心式通风机14输出额定大小的风量，多功能气流控制箱13内部恒温恒湿 机通过自带压缩机的运转，在热交换器中利用空气的循环作用将空气中的水蒸 气冷凝为水滴，维持通入仓内空气的相对湿度在较高水平，并将处理过的干燥 空气排出机外，同时保持送风温度的恒定。送风管17与气流矫直器26连接， 送风气流在气流矫直器26聚集，并通过布风板25，将恒定温度、湿度的空气通 入粮食模型，轴流风机19作为吸风装置由中空的加载杆将热量吸出，防止粮堆 霉变。布风板25有多种风道布置形式，布风板25与气流矫直器26均可以拆卸。 径向通风工况下，恒温恒湿的空气由送风管通入粮食模型，并通过圆形风道通 入壁上风道36，轴流风机接中心管，达到径向通风效果。毕托管24以串联方式 连接到模拟筒仓自然通风孔，测算出口处的空气流速。

模拟筒仓侧壁布置有可拆卸的压力计垫板38，与粮食接触侧开凹槽，放置 仓壁应变压力计39，仓壁应变压力计39表面与压力计垫板38表面齐平，测量 界面压力。粮堆内部，按照试验要求埋置温湿度传感器22，CO₂传感器23引线 从中空的加载杆6侧边引出，接入储粮环境多场耦合仿真系统，完成试验的数 据采集。所述储粮环境多场耦合分析模块是将粮堆内不同时刻不同测点温度、 相对湿度、粮食含水率和CO₂浓度等参数，代入粮堆力-热-湿-微生物耦合分析 方程，计算并预测粮堆未来数天或数十天的温湿度变化，根据其内置临界条件 判断是否启动通风调节系统，有效预测粮堆结露、霉变情况，减少粮食质量损失。

使用该处理模拟多场耦合试验平台的测量方法如下：

1)测量前准备：调节试验室温度环境，并制备足量不同含水率的小麦/玉米/稻谷,并用密封袋密封，置于试验室，使粮温与室温相平衡；使用前，对应变式 压力计用液体标定；将应变式压力计埋置于加载板凹槽内和压力计垫板凹槽， 表面与压力计垫板表面或加载板表面(与粮食接触面)平齐，压力计周围作隔 热处理。顶部加载板中压力计引线自中空加载杆6中引出，压力计垫板中压力 计引线自垫板底部开凹槽引出接入储粮环境多场耦合仿真系统。

2)装粮并埋置传感器：以小麦为例，将某一含水率小麦以自然散落方式装 于模拟筒仓内，装粮时，根据试验要求，按照图1所示位置布置温湿度传感器 和CO₂传感器，连接储粮环境多场耦合仿真系统18。装粮至高度为2800mm停 止，使其表面水平，记录装粮质量、装粮高度、应变式压力计、温度传感器、 湿度传感器和CO₂传感器的读数。

3)放置并调节加载板：将安装好应变式压力计的加载板，按照试验要求， 放置在模拟筒仓顶部，调节加载杆6高度，使粮面与加载板20下表面刚好接触， 调节伺服控制系统施加1kPa预应力保证加载杆与粮食顶面接触均匀，记录初始 状态下的压力值、温湿度值。

4)检查与调整：检查应变式压力计、温湿度传感器、CO₂传感器是否接好， 检查伺服加载控制系统、通风调节系统等的连接，检查通风调节系统是否接好。 试验人员暂离，以减少干扰。

5)应变式压力计标定：按照12.5、25、50、75、100、125、150、175、200kPa 逐级加载，每一级加载储粮环境多场耦合仿真系统读数稳定后记录侧壁应变式 压力计39读数。卸载时，逐级卸载至0，分别按照下式评价不同粮种加卸载阶 段应变式压力计的性能：

加载阶段： σ＝CF_s·ε

卸载阶段： σ＝y₀+Ce^ε/t

式中σ为压力，ε为压力计感应膜应变，CF_s为颗粒材料与压力计相互作用 参数，y₀、C和t为卸载参数。

6)调节通风调节系统：根据试验要求，选择储粮环境多场耦合仿真系统中 的不同区域气候环境仿真模块，自动调节高温侧温度调节器11，通过电阻丝加 热方法产生恒定温度的热气至高温侧储气箱10中，通过高温侧热泵9将恒定温 度的热气传送至模拟筒仓高温侧产生热量交换后，回流至高温侧温度调节器11， 一段时间的热气循环后，使模型箱模拟筒仓仓壁温度恒定；自动调节低温侧温 度调节器31，通过压缩机制冷方法产生恒定温度的冷气至低温侧储气箱30中， 通过低温侧水泵29将恒定温度的冷气传送至模拟筒仓低温侧产生热量交换后， 回流至低温侧温度调节器31，一段时间的冷气循环后，使模拟筒仓低温侧的温 度得到有效的温度恒定。自动调节圆锥形仓顶温度调节器34，通过电阻丝加热 方法产生恒定温度的热气至仓顶储气箱33中，通过仓顶热泵32将恒定温度的 热气传送至模拟筒仓顶产生热量交换后，回流至高温侧温度调节装置34，一段 时间的热气循环后，使模拟筒仓仓顶温度恒定。

7)数据记录和读数：通过储粮环境多场耦合仿真系统，自动记录试验过程 中应变式压力计的读数、粮堆内所有实际测量点的温度值、湿度值和CO₂浓度 值。

8)粮食模型孔隙率计算：根据加载板20所采集到的应变值，根据加载阶 段压力值计算得到施加到粮食模型顶面的荷载，粮堆内孔隙率计算方法为：

ε＝ap^b+ε₀

式中：ε为粮堆孔隙率；p为对粮食样品施加的均匀压力，kPa；ε₀为粮堆初 始孔隙率；

为粮堆初始密度，kg/m³；ρ_s为粮食颗粒密度，kg/m³。a、b为孔 隙率随压力变化相关的参数。不同粮种参数表如下表所示：

不同粮种孔隙率随压力变化相关参数

9)多场耦合分析：将粮堆内所有测点传感器发送的测量值发送到储粮环境 多场耦合仿真系统的耦合分析模块，根据试验研究需要，在粮堆内选取多个虚 拟测量点：利用耦合分析模块的二次牛顿插值法根据任一时刻实际测量点的温 度值和相对湿度值，计算得到模拟筒仓内所有虚拟测量点的温度和相对湿度计 算值：

式中x～x_n为粮堆内不同位置温度值(或相对湿度值)，℃(％)；P_n(x)为温 度(或相对湿度)随测点位置变化的函数，℃(％)；R_n(x)为温度(或相对湿度) 误差随测点位置变化的函数，℃(％)。

利用耦合分析模块的温度场分析插件根据粮堆内实际测量点的温度测量值 和虚拟测点的温度计算值，计算粮堆内所研究计算面的等温线图，重复该步骤， 获得需要测量的所有时刻的粮堆内部所有计算面的等温线图。

利用耦合分析模块的湿度场分析插件根据粮堆内实际测量点的相对湿度测 量值和虚拟测点的相对湿度计算值，计算粮堆内所研究计算面的等湿度线图， 重复该步骤，获得需要测量的所有时刻的粮堆内部的湿度场。

利用耦合分析模块的霉变分析插件根据粮堆内实际测量点的CO₂浓度值、 粮食含水率、粮堆内实际测点的温度值(相对湿度值)和虚拟测点温度(相对 湿度)计算值，计算所研究计算面内粮堆霉变程度，重复该步骤，获得需要测 量的所有时刻的粮堆内部所有计算面内的霉变程度，确定粮堆结露和霉变点。

利用耦合分析模块的微生物场强分析插件根据粮食储藏时间Δt，微生物繁 殖引起的温度升高值ΔT,计算粮食吸收热量，重复该步骤，获得需要测量的所有 时刻的粮食吸收的热量。根据傅里叶定律计算传热过程中的传导热损失，根据 储粮环境多场耦合仿真系统内置不同粮种导热系数k、比热c、密度ρ、粮食微 单元体积ΔV、霉变点距离计算面内对应边的距离l_i，计算面内对应边所在面的 面积A_i(A₁、A₂筒顶面积，A₃高温侧筒体半圆周面积，A₄低温侧筒体半圆周面积) 以及霉变点与计算面内对应边的温差ΔT_i计算粮堆微生物场强P。

将耦合分析模块的力-温-湿-微生物耦合插件计算的结露和霉变点与该计算 面内出风口的温度差、距离、相对湿度差以及霉变点的微生物场场强发送给通 风调节系统。

10)通风控制：利用通风调节系统根据结露和霉变点与该计算面内出风口 的温度差、距离、相对湿度差以及霉变点的微生物场场强计算粮堆送风湿度、 送风温度、送风量和送风时间参数。拧开封堵通风孔用的螺栓，将末端变频器 10与离心式通风机9相连，将离心式风机与多功能气流控制箱8相连接，并通 过微差压传感器检测送风风压，连接过程中，均通过胶垫保证通风时的气密性。

11)压降检测：模拟筒仓内不同深度埋置毕托管，测量通风过程中的气流 速度和压力降，从预留孔引出引线连接微压差传感器，测量压力差。

DPL＝A*Q^B

DPL为粮食模型单位深度压降，Pa/m，Q为气流速度，m/s，A、B为粮食 籽粒常数。

12)含水率变化对仓壁水平压力的影响：配置不同含水率粮食于恒温恒湿 状态下稳定，保持其他试验边界条件相同，分别开展不同含水率粮食试验研究， 根据仓壁埋置应仓壁变式压力计数值，获得不同含水率状态下粮食因籽粒膨胀 引起仓壁侧压力值的改变。

本发明提供了一种能够模拟实际储粮过程中，粮堆压力场、温度场、湿度 场、微气流场和微生物场的多场耦合试验平台，可以有效的控制粮堆压力、温 度、湿度和微气流大小；可以模拟不同生态储粮区域粮仓所处的气候环境，模 拟太阳辐射的向阳面和背阳面以及仓顶辐射热量；伺服油缸的伺服控制系统可 以通过计算机反馈控制使加载的荷载维持恒定；通过热泵使得恒温气体在温度 控制系统和模拟筒仓侧壁之间循环流动，能够使模拟筒仓侧壁形成恒定的温度 场；通风控制系统可以通过储粮环境多场耦合仿真系统有效控制装置的机械通 风量、通风时间、送风温度和送风湿度。

实仓研究耗费人力物力，且难以准确控制诸多边界条件。本发明可以实现 粮堆压力场、温度场、湿度场、微气流场四个物理场及微生物场耦合的综合研 究。通过加载板的设置，模拟筒仓内不同位置粮堆的压力，研究压力对粮堆微 气流场、温度场、湿度场的分布和变化，可模拟不同生态储粮区域的气候环境、 模拟仓顶热辐射对粮堆内温湿度变化的影响，可研究微生物的产生、霉变等对 粮堆温湿度场的影响，可模拟实际储粮的机械通风过程。因此，本试验系统能 够完整的模拟不同区域的实仓储粮环境。

本发明中一种储粮模拟多场合试验平台的实施例2如图6所示：实施例2 与实施例1不同的是，布风板25上的布风板风道60的布置形式为多个间隔布 置的线条形布风板风道，各线条形形布风板板风道间隔并列布置。在本发明的 其它实施例中，各线条形布风板风道还可以交叉布置。

本发明中一种储粮模拟多场合试验平台的实施例3如图7所示：实施例3 与实施例1不同的是，布风板风道60为多个环形风道，各环形风道同心布置， 且各环形风道由内至外依次间隔布置于布风板25上。在本发明的其它实施例中， 环形风道的个数还可以根据需要进行选择，如一个、两个或其它个数；当然， 每一圈环形风道亦可以由多个沿周向间隔布置的弧形风道段构成。

本发明中一种储粮模拟多场合试验平台的实施例4如图8所示：实施例4 与实施例1不同的是，布风板25上的布风板风道60为对称布置的两个梳型风 道。

本发明中一种储粮模拟多场合试验平台的实施例5如图9所示：实施例5 与实施例1不同的是，布风板风道由一个环形风道61和一个十字型风道62组 成。在本发明的其它实施例中，布风板风道也可以单独由一个十字型风道构成。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制； 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当 理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部 分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质 脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种储粮模拟多场耦合试验平台，包括模拟筒仓，模拟筒仓包括竖向布置的仓体，仓体的顶部设置有仓顶，仓体与仓顶通过螺栓连接，仓体与仓顶之间设置有柔性橡胶垫，仓体的底部设置有仓底，其特征在于：试验平台还包括孔隙率调节系统、通风调节系统、温度调节系统和储粮环境多场耦合仿真系统，试验平台还包括至少两组用于沿上下方向设置于粮堆内的温湿度传感器，每组温湿度传感器均包括多个沿仓体径向间隔布置的所述温湿度传感器，试验平台还包括多个用于沿上下方向间隔设置于粮堆内的CO2传感器和多个沿上下方向间隔设置于粮堆内的毕托管，仓顶预留通风孔，端部接仓顶毕托管，监测通风过程中的风速，仓体为筒形结构，仓顶为圆锥形结构，仓体和仓顶均为具有外侧壁和内侧壁的空心结构，仓体的外侧壁和内侧壁围成仓体环形空间，外侧壁由保温材料制成，内侧壁由导热材料制成，仓体环形空间被真空隔板分隔成两个对称布置的半圆形空间，真空隔板的内腔抽真空处理，仓体侧壁上可拆卸连接有压力计垫板，压力计垫板的内侧板面上开设有凹槽，凹槽中设置有仓壁应变压力计，仓壁应变压力计的表面与压力计垫板的内侧板面齐平设置；

所述仓底由仓底板、转换层、立柱组成，所述仓底板依次与转换层的横梁、立柱焊接，卸料口位于仓底板几何中心，压力计垫板大小为1/8筒体周长，沿筒体高度方向分可拼接的4段，所述压力计垫板通过螺栓固定于筒体仓壁，所述压力计垫板沿高度方向开设压力计大小的凹槽，凹槽深度与压力计厚度相同，压力计受荷面与压力计表面齐平，所述压力计垫板沿压力计引线方向开凹槽，侧壁应变压力计的压力计引线沿筒壁向上自圆锥形仓顶引出接入储粮环境多场耦合仿真系统，仓体的侧壁上开设有至少两个沿上下方向间隔布置的采样孔，采样孔处设置有采样孔盖，试验平台还包括用于沿径向插入对应采样孔中的采样器，采样器包括长度沿仓体径向延伸的采样管，采样管的内端为斜尖结构，且采样管的内端封堵，采样管的上端开设有多个沿采样管长度方向间隔布置的采样口，采样管内导向移动装配有用于封堵所述采样口的采样口挡板；

温度调节系统包括向仓顶内通风的仓顶温度调节装置、向其中一个半圆形空间内通风的高温侧温度调节装置和向另外一个半圆形空间内通风的低温侧温度调节装置，仓顶温度调节装置、高温侧温度调节装置和低温侧温度调节装置均为热泵温度调节装置；高温侧温度调节装置由高温侧热泵、高温侧温度调节器、高温侧储气箱组成，模拟筒仓高温侧出气口、高温侧热泵、高温侧储气箱、高温侧温度调节器和模拟筒仓高温侧进气口依次连接，形成循环回路，低温侧温度调节装置由低温侧热泵、低温侧温度调节器、低温侧储气箱组成，模拟筒仓低温侧出气口、低温侧热泵、低温侧储气箱、低温侧温度调节器和模拟筒仓低温侧进气口依次连接，形成循环回路；仓顶温度调节装置由仓顶热泵、仓顶温度调节器、仓顶储气箱组成，仓顶出气口、仓顶热泵、仓顶储气箱、仓顶温度调节器和仓顶进气口依次连接，形成循环回路；

孔隙率调节系统包括位于粮堆上侧的用于向粮堆上端施加向下作用力的加载板，孔隙率调节系统还包括驱动加载板上下移动的加载板驱动机构，加载板驱动机构通过加载杆与加载板相连，加载杆竖向布置，加载板上设置有加载板透气孔，加载板透气孔连通加载板的上下两侧，加载板透气孔供气体通过，粮食不能通过，加载板驱动机构包括主加载框架以及设置于主加载框架上的伺服油缸，主加载框架包括设置于仓体外围的竖直承压架以及设置于仓体上侧的钢横梁，伺服油缸固定于钢横梁的中心位置，加载板的下侧设置有加载板应变计安装凹槽，加载板应变计安装凹槽内安装有加载板应变压力计，加载板应变压力计的下表面与加载板的下板面齐平；

通风调节系统包括竖向通风调节系统和径向通风调节系统，竖向通风调节系统的出风口设于粮堆下侧，竖向通风调节系统的回风口位于粮堆上侧；径向通风调节系统的出风口位于粮堆外侧，径向通风调节系统的回风口位于粮堆内侧，竖向通风调节系统包括离心风机、轴流风机、多功能气流控制箱、布风板、气流矫直器、变频器、粮堆毕托管、微压差传感器、储粮环境多场耦合仿真系统通风调节模块，布风板位于仓体底部，布风板上设置有布风板风道，布风板风道上连接于上侧粮堆相通的布风口，布风口构成竖向通风调节系统的出风口，变频器控制离心式风机转速，离心式风机提供风源，多功能气流控制箱包括气体控温和控湿程序，气流矫直器中心留有矫直器卸料孔，与筒体卸料口位置对应，布风板留有可开闭的布风板卸料孔，与筒体卸料口位置对应，所述筒体底部有金属支座，布风板、气流矫直器依次放置于金属支座上，轴流风机的风道与加载杆的内孔相连，粮堆不同深度布置粮堆毕托管，引线自筒壁取样孔穿出，接入微差压传感器；

径向通风调节系统包括离心风机、轴流风机、多功能气流控制箱、第一竖向风管、第二竖向风管、圆形风道、气体涡轮流量计、变频器、储粮环境多场耦合仿真系统通风调节模块，所述第二竖向风管为半圆型，多个第二竖向风管通过螺栓沿周向间隔安装于仓体的内壁上，圆形风道通过连接管与对应第二竖向风管连通，第一竖向风管位于粮堆的中心位置，第一竖向风管、第二竖向风管的管壁上均分布有多个风口，轴流风机与第一竖向风管连接，第二竖向风管用于向粮堆内吹风，第一竖向风管用于抽风；

粮堆内布置的压力计、温湿度传感器分别接入储粮环境多场耦合仿真系统，粮堆内布置的CO₂传感器依次接入储粮真菌危害早期检测仪、储粮环境多场耦合仿真系统，完成粮堆内温度、湿度、CO₂浓度的检测，储粮环境多场耦合仿真程序根据粮堆内温度、湿度和CO₂浓度预测粮堆未来数天的温湿度变化，根据其内置临界条件判断是否启动通风调节系统。

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