CN207992849U - 散装粮堆多场耦合实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种散装粮堆多场耦合实验装置，包括上开口模型箱体，箱体内设置有温、湿度传感器，模型箱体的前、后侧壁设置有观察窗；箱体的左、右侧壁均为空腔结构，在其内分别布置有与外部高、低温控制系统相连通的循环水管，箱体开口处设置有伺服柔性加载控制系统：该系统包括扣压在箱体开口处的盖板，盖板下水平设置有压力气囊，气囊下发设有压力传感器。本实用新型结构简单，操作方便，准确度高，采用装满粮食的模型箱体作为粮仓内的某一具体位置，通过压力控制系统、温度控制系统、通风控制系统、可视化窗口，及红外热数字图像和液滴法，多项措施相互结合，实现了对粮堆内压力场、温度场、湿度场、微气流场的多场耦合规律的研究。

Description

散装粮堆多场耦合实验装置

技术领域

本实用新型涉及大型仓储粮堆的测量，尤其是涉及一种散装粮堆一维多场耦合实验装置。

背景技术

粮食的安全储藏问题关系到国计民生和国家安全。在粮食储藏的所有仓型中，平房仓以其仓容大、造价低、进出粮方便等特点而被广泛应用。目前国家储备粮库中所建的粮仓仓型85%以上为散装粮食平房仓，故平房仓的储粮安全尤为重要。

根据联合国粮农组织调查，全世界每年粮食储藏因霉变损失3％，因虫害损失5％，总合计8％。近年来，我国粮食产量连续提高，年产粮超过6亿吨，全国粮食库存处于历史高位，部分主产区收储矛盾极为突出，确保储粮质量安全难度较大，粮食产后损失数量惊人。

相关研究表明，储藏于粮仓内的大体积粮堆中，存在着压力场、温度场、湿度场、微气流场等多个物理场，各物理因子之间存在着密切的相关联性，即耦合关系，且各物理场是影响储粮品质，甚至是导致粮食霉变、虫害的重要因素。因此，构建粮堆多物理场耦合模型，掌控粮堆压力场、温度场、湿度场、微气流场等多物理因子之间的状态变化规律，指导粮食储藏，减少粮食虫害与霉变，保证储粮品质已成为粮食仓储迫切需要解决的主要问题之一。

在粮食储藏过程中，因外界环境和粮食自身呼吸作用等都会引起粮堆的发热、霉变和虫害，若不及时处理会导致大量粮食变质。所以在粮仓中常通过机械通风来控制粮食温度、湿度，进而抑制粮堆的发热与霉变等现象，而粮堆孔隙率则是研究粮仓机械通风的关键参数。粮堆孔隙率是指粮堆内孔隙体积与粮堆总体积之比。随着装粮高度的增加和粮堆压力的增大，粮食被压实、粮堆密度增加、孔隙率减小、通风阻力增大，在短时间内不易取得理想的降温降湿效果。所以，研究粮堆压力与孔隙率的关系对确定合理的通风指标、减少储粮损失具有重要意义。

目前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，如粮堆热湿传递的数值模拟研究、粮堆流-力的数值模拟研究、粮堆结露模拟实验等，加拿大曼尼托巴大学研究主要集中于储粮生态系统建模，粮堆热点和安全储存条件，粮堆气流流动，害虫在粮食中的迁移、分布与采样、诱捕之间的关系，图像处理技术评估储粮品质等，关于粮堆压力场、温度场、湿度场、微气流场的耦合规律则研究较少。国家粮食局科学研究院搭建了小麦粮堆结露模拟实验平台，主要目的是为了研究粮食储藏过程中的温度、水分分布和变化过程，但是仅考虑了粮堆的温度和水分，没有考虑大体积粮堆因自身重力而引起的粮堆空间压力场分布的不均匀性对粮食储藏带来的影响。

在大体积粮仓粮堆储藏过程中，因装粮高度的不同，粮堆在自身重力作用下，孔隙率发生改变，而粮堆孔隙率的变化，会影响粮堆微气流和水分的迁移，从而引起粮堆温度、湿度分布的不均匀性。

夏季，仓房在太阳辐射作用下，仓壁四周温度逐步升高，因粮食自身不良导热特性的影响，粮堆自身会形成一个四周热中间冷的“热皮冷芯”状态，形成粮仓稳态场。能量热由仓壁四周指向粮堆内部，同样，按照水分迁移的原理，水分与能量热转移的方向一致，即表层的高温使水分迁移至里层，以致于表层温度升高，水分降低。而高温高湿的环境有利于微生物和害虫的生长，高温低湿的环境粮食则不会被毁坏。因为中间冷芯区域较大，迁移至冷芯的水分相对来说是微小的，也即低温低湿环境，同样不会衍生微生物。外围高温低湿，里层低温低湿，在里外温差的作用下，形成微气流循环，这样的状态是一个稳定状态。

冬季，外界环境气温较低，能量热流动指向与夏季相反，但能量热转移至仓壁会通过热量交换而散失，而水分迁移至仓壁会因仓壁隔绝而滞留，随着季节的变化和水分的积累，会形成结露，进而引起粮食的霉变。适宜的温度和湿度又将助长微生物的繁殖，加强人工干预和储粮调控，将会更好地调控仓内温湿度，进而抑制微生物的生长。

微气流也是同样的现象，通过蒸腾，水分会向上移动，在粮堆上部遇到冷空气会凝结，遇到仓壁也会凝结在仓壁上，也就是所谓的结顶和结壁现象。但粮堆储藏过程中并非绝对会出现结露、霉变等不稳定状态，其主要取决于水分的迁移速度。温差越大，水分转移速度越快，反之水分迁移速度越慢，如果粮堆内温差较小，致使水分迁移时间长于季节交替时间，就不会形成结露或霉变。所以，储粮会不会出现问题，一是取决于温差，二取决于微气流的强度。

综上，在实际储粮过程中，在环境等因素作用下，粮堆内部同时存在着压力场、温度场、湿度场、微气流场等多个物理场，且各物理因子之间相互影响，粮堆所产生的霉变、结露、虫害等不是单独的某两个场之间的影响，而是多物理场的耦合作用，这是现存实验装置所没能考虑的。实现粮堆多物理场耦合的实验，不但能够弥补现有储粮粮堆多场耦合的实验方法，而且能够为储粮生态研究提供更为科学的基础。鉴于此，实用新型一种可实现粮堆内部多物理场（压力场、温度场、湿度场、微气流场）耦合研究的实验平台极为重要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种散装粮堆多场耦合实验装置，通过控制压力、温度、湿度、通风条件等，模拟不同区域以及粮仓内不同位置的环境条件，为研究粮堆压力场、温度场、湿度场及微气流场的多场耦合基本规律建立一个多物理场耦合的基础数学模型。

为实现上述目的，本实用新型可采取下述技术方案：

本实用新型所述的散装粮堆多场耦合实验装置，包括正方形结构用于盛装粮食的上开口模型箱体，所述模型箱体内设置有温、湿度传感器，所述模型箱体的前、后侧壁设置有观察窗；

所述模型箱体的左、右侧壁均为空腔结构，在其内部分别布置有循环水管，所述左、右侧壁内的循环水管分别与外部高温控制系统和低温控制系统相连通；

在所述模型箱体的开口处设置有伺服柔性加载控制系统，所述伺服加载控制系统包括扣压在所述模型箱体开口处的盖板，所述盖板的下部水平设置有压力气囊，在所述压力气囊下方与粮食的接触面上设置有压力传感器。

所述高温控制系统包括高温储水箱，所述高温储水箱内设置有加热装置，所述模型箱体左侧壁内循环水管的进、出水口通过带有循环泵的热水管道与所述高温储水箱相连通；所述低温控制系统包括低温储水箱，所述低温储水箱内设置有冷却装置，所述模型箱体右侧壁内循环水管的进、出水口通过带有循环泵的冷水管道与所述低温储水箱相连通。

在所述左、右侧壁外表面设置有保温层；所述加热装置为风热式全封闭压缩机组；所述冷却装置为风冷式全封闭压缩机组。

所述左、右侧壁的内外层板上对应开设的通风孔之间密封连接形成通风道，所述通风道外侧旋拧有封堵件。

在所述左、右侧壁外密封装设有微气流收集罩，所述微气流收集罩出口处连接有透明水平导管，透明水平导管内放置有液滴。

由计算机通过风压控制系统控制工作的离心式风机的出风口通过通风管与模型箱体侧壁上的通风道相连接。

所述压力气囊由相互独立的多个囊腔组成，所述盖板的下表面为与多个囊腔尺寸相匹配的隔舱式结构，在所述囊腔与盖板的结合面上设置有橡胶垫。

所述压力气囊的气压力由计算机通过气压伺服控制系统进行调节控制。

在所述模型箱体的其中一个观察窗外设置有工业相机，在另一个观察窗外设置有红外热图像设备。

所述实验装置置于恒温恒湿环境中，所述恒温恒湿环境由恒温恒湿机进行调节。

本实用新型的优点在于结构简单，操作方便，准确度高，本实验装置采用装满粮食的模型箱体作为粮仓内的某一具体位置，通过设置在其上开口处的压力控制系统和设置在其侧壁外的温度控制系统，可准确模拟不同区域、不同季节、不同装粮高度、不同温湿度组合条件下的储粮环境；通过通风控制系统，可以准确模拟实际储粮过程中的机械通风调节过程；通过可视化窗口，运用数字图像技术研究粮堆内部孔隙率的变化；通过红外热数字图像可以研究粮堆内微气流的迁移过程；通过水滴法，研究温差所引起的粮堆微气流的变化；多项措施相互结合，实现了对粮堆内压力场、温度场、湿度场、微气流场的多场耦合规律的研究。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是图1中左、右侧壁的结构图。

图3是图1中空腔结构侧壁的示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图对本实用新型做更加详细的说明。

如图1所示，本实用新型所述的散装粮堆多场耦合实验装置，包括正方形结构用于盛装粮食的上开口模型箱体1，模型箱体1的尺寸为1m×1m×1m，模型箱体1内设置有压力传感器和温、湿度传感器（传感器位置一般放置在模型箱体1的中心位置，引线可从开口处引出，接入数据采集系统），为便于观察模型箱体内粮食孔隙率和微气流的动态变化，在模型箱体1的前、后侧壁设置观察窗2（实际制作时，前、后侧壁可采用透明的有机玻璃），在一个观察窗外设置CCD 工业相机3，在另一个观察窗外设置红外热图像设备（图中未显示）；模型箱体1的左、右侧壁均为空腔结构（采用金属板制成），在其内部分别布置有循环水管（如图2所示），左、右侧壁内的循环水管分别与外部高温控制系统和低温控制系统相连通；在模型箱体1的开口处设置有伺服柔性加载控制系统。

具体来说，为准确模拟实际粮仓内的温度梯度，本实用新型的高温控制系统包括布置在左侧壁4.1内的高温循环水管，高温循环水管的进水口通过带有高温侧循环泵5.1的热水管道与高温储水箱6.1相连通，其出水口通过回水管路与高温储水箱6.1的进水口相连通，在高温储水箱6.1内设置有风热式全封闭压缩机组加热装置（市售产品），将循环水加热至实验要求的温度（最高温度不超过98℃，最低温度为30℃，基本能覆盖粮仓储粮的高温环境），必要时在高温储水箱6.1上还可以设置补水口，对循环水量进行补充（当然也可以将上盖取下直接进行补水）；本实用新型的低温控制系统包括布置在右侧壁4.2内的低温循环水管，低温循环水管的进水口通过带有低温侧循环泵5.2的冷水管道与低温储水箱6.2相连通，其出水口通过回水管路与低温储水箱6.2的进水口相连通，在低温蓄水箱6.2内设置有风冷式全封闭压缩机组（市售产品），将水制冷后送入（或采用微型冷水机直接制冷），根据实际实验要求，冷水温度可在0~30℃之间调节；为提高左、右侧壁的保温效果，可以在左右侧壁的外表面处设置保温层。

为准确模拟实际储粮过程中的机械通风调节效果，本实用新型还设计了通风控制系统：在左、右侧壁的内外层板上对应开设的通风孔之间密封连接形成通风道，在通风道外侧旋拧有封堵件（带有密封圈的封堵螺栓）；实验时，由计算机9通过风压控制系统11（风压控制器）控制工作的离心式风机12的出风口通过通风管与模型箱体1侧壁上的通风道相连接，给模型箱体1内的粮堆提供有一定风压的通风量。

在左、右侧壁外密封安装漏斗形微气流收集罩，如图3所示，以右侧壁4.2为例（左侧壁相同）：在右侧壁4.2外连接漏斗形微气流收集罩4.3，在微气流收集罩4.3的出口处连接有透明水平导管4.4，透明水平导管4.4内放置有液滴4.5（该液滴4.5具有微小、容重小、粘滞阻力小、不挥发的性质），此时在非通风状态下，拧开封堵件，左、右侧壁不同的温度会在模型箱体1内形成微气流，微气流被微气流收集罩4.3收集进入透明导管4.4中推动液滴4.5移动，即可以研究不同温差作用下粮堆总的微气流量。

本实用新型采用的伺服加载控制系统包括扣压在模型箱体1开口处的盖板7（由高强度钢材精密加工成），盖板7的下部水平设置有压力气囊8，在所述压力气囊8下方与粮食的接触面上设置有压力传感器。为保证对模型箱体1内粮堆的压力均衡，实际制作时压力气囊8可以由相互独立的多个（图中显示为四个）囊腔组成，盖板7的下表面为与囊腔数量和尺寸相匹配的隔舱式结构，在囊腔与盖板7的结合面上设置有橡胶垫，可有效避免囊腔的磨损。实验时，压力气囊8各囊腔的内部气压力可由计算机9通过气压伺服控制系统10进行调节控制。在压力气囊8下方与粮堆的接触面上设置有压力传感器（粮食上表面可铺设一层土工布，压力传感器布置在土工布上）；当气体进入压力气囊8后会对粮堆产生压力（粮堆压力值可通过压力传感器进行采集），而盖板7起到了约束压力气囊8并同时给压力气囊提供反力的作用；相对于刚性压板，柔性加载的压力气囊8施加的压力更加均匀，而采用计算机反馈控制可使加载的载荷持续稳定。为保证模型箱体1的热量在一维方向传递，在模型箱体1的底面可以铺设隔热垫层。

为实现模拟不同区域、不同季节的储粮环境，本实用新型的实验装置将置于恒温恒湿环境（如恒温恒湿室13）中，该恒温恒湿环境的温湿度可由恒温恒湿机14进行调节。

本实用新型的散装粮堆一维多场耦合实验装置使用方法如下：

1、准备：调节实验室温度环境，制备足量不同含水率的小麦/玉米/稻谷置于恒温恒湿室13内，使粮食温度与环境温度一致，湿度达到平衡状态；测量小麦/玉米/稻谷刚度，选择与小麦/玉米/稻谷刚度相接近的橡胶垫，粘贴于模型箱体1内左右两侧金属板上，保证边界条件与粮堆刚度接近；在压力气囊8的下侧布置一层橡胶垫，用于压力传感器的粘贴，并保证加压的均匀性。

2、标定传感器：通过粮食颗粒与结构物界面压力的测量实验，对小麦/玉米/稻谷压力进行标定，并选择合适尺寸的压力传感器；通过预实验，对温度传感器、湿度传感器进行标定，使其能够满足实验测量的要求。

3、布置摄影测量仪器：将CCD工业相机3固定于模型箱体1的前观察窗前方1.0m位置处，调整使有机玻璃观察窗2的前垂面全部置于相机的视野中心范围内；将红外热图像设备的摄像头固定于模型箱体1后观察窗外1.0m位置处，调整摄像视角，使有机玻璃视窗的前垂面全部置于其视野中心范围内。

4、调节温度控制系统：根据实验要求，采用风热式全封闭压缩机组加热高温储水箱6.1中的水，经高温侧循环泵5.1将其送至高温循环水箱4.1中，高温循环水箱4.1中的热水与模型箱体1的侧壁产生热量交换后，回流至高温储水箱6.1中，经过一段时间的热水循环，使模型箱体1的高温侧壁板温度恒定，形成恒定的温度场；同时将通过风冷式全封闭压缩机组制冷后产生的冷水送入低温储水箱6.2中，通过低温侧循环泵5.2将冷水送入低温循环水箱4.2中，经与模型箱体1的侧壁产生热量交换后，回流至低温储水箱6.2中，经一段时间的冷水循环，使模型箱体1的低温侧壁板温度恒定，形成恒定的温度场。

拧开模型箱体1左右侧壁上通风道中的封堵件，待左、右侧壁面温度恒定时，记录透明水平导管4.4内液滴4.5的位置；根据液滴4.5的移动距离，即可以计算测定模型箱体1内的微气流量。

5、装粮并埋置传感器：以小麦为例，将某一含水率小麦按实际粮仓内密度分层装入模型箱体1内，装粮时，根据实验要求，在粮堆内相应位置处分别布置压力传感器（分层、分断面布置）、温度传感器（分层、分断面布置）、湿度传感器（分层、分断面布置），装粮至高度为 950 mm停止，使其表面水平，并记录初始状态下的压力值和温、湿度值。

6、放置压力气囊8和盖板7：将压力传感器按照实验要求，粘贴于气囊下的土工布上，放置盖板8，为压力气囊7提供约束反力。将粮堆内的所有传感器引线自压力气囊8的一侧引出，并通过盖板7预留的引线孔引出接入外部的数据采集系统。

7、检查与调整：检查传感器（包括压力传感器、温度传感器和湿度传感器）是否接好，检查气压伺服控制系统、温度控制系统等的连接，检查通风控制系统是否接好，检查与调整红外热图像设备和CCD工业相机视角并固定；实验人员暂离，以减少干扰。

8、施加压力：调节气压伺服控制系统10，根据实验要求调节压力值，模拟实际储粮中，不同堆粮高度引起的粮堆内部不同位置处压力值的变化。

9、通风实验：拆除微气流收集罩，将离心式通风机12与通风管相连，通风管与模型箱体1侧壁上的通风道连接，所有连接处均需要增加胶垫，保证通风时的气密性；然后根据实验要求，通过计算机9设定一定的风压和通风量，通过风压控制系统11控制离心式通风机12工作，向模型箱体1内通风。

10、数据记录和读数：通过红外热图像设备和CCD工业相机3自动记录粮堆图片，通过数据采集系统，自动记录实验过程中粮堆内的压力值、温度值、湿度值。

11、数据处理：根据Matlab软件可以处理粮堆在不同压力下，粮堆孔隙率变化的照片，区分粮食颗粒与孔隙，粮堆不同压力下的孔隙率，粮食籽粒定向排列规律以及机械通风效果。根据红外热数字图像，经处理可以得到粮堆中气流的迁移速度；根据导管内水滴移动的距离，可得到粮食介质中，不同温差作用下产生总的微气流量；通过数据采集系统可采集实验过程中粮堆内的压力值、温度值、湿度值。根据所得到的数据，可以拟合研究粮堆压力场、温度场、湿度场、微气流场的多物理场耦合传递规律。

Claims (10)

1.一种散装粮堆多场耦合实验装置，其特征在于：包括正方形结构用于盛装粮食的上开口模型箱体，所述模型箱体内设置有温、湿度传感器，所述模型箱体的前、后侧壁设置有观察窗；

所述模型箱体的左、右侧壁均为空腔结构，在其内部分别布置有循环水管，所述左、右侧壁内的循环水管分别与外部高温控制系统和低温控制系统相连通；

在所述模型箱体的开口处设置有伺服柔性加载控制系统，所述伺服加载控制系统包括扣压在所述模型箱体开口处的盖板，所述盖板的下部水平设置有压力气囊，在所述压力气囊下方与粮食的接触面上设置有压力传感器。

2.根据权利要求1所述的散装粮堆多场耦合实验装置，其特征在于：所述高温控制系统包括高温储水箱，所述高温储水箱内设置有加热装置，所述模型箱体左侧壁内循环水管的进、出水口通过带有循环泵的热水管道与所述高温储水箱相连通；所述低温控制系统包括低温储水箱，所述低温储水箱内设置有冷却装置，所述模型箱体右侧壁内循环水管的进、出水口通过带有循环泵的冷水管道与所述低温储水箱相连通。

3.根据权利要求2所述的散装粮堆多场耦合实验装置，其特征在于：在所述左、右侧壁外表面设置有保温层；所述加热装置为风热式全封闭压缩机组；所述冷却装置为风冷式全封闭压缩机组。

4.根据权利要求2所述的散装粮堆多场耦合实验装置，其特征在于：所述左、右侧壁的内外层板上对应开设的通风孔之间密封连接形成通风道，所述通风道外侧旋拧有封堵件。

5.根据权利要求4所述的散装粮堆多场耦合实验装置，其特征在于：在所述左、右侧壁外密封装设有微气流收集罩，所述微气流收集罩出口处连接有透明水平导管，透明水平导管内放置有液滴。

6.根据权利要求4所述的散装粮堆多场耦合实验装置，其特征在于：由计算机通过风压控制系统控制工作的离心式风机的出风口通过通风管与模型箱体侧壁上的通风道相连接。

7.根据权利要求1所述的散装粮堆多场耦合实验装置，其特征在于：所述压力气囊由相互独立的多个囊腔组成，所述盖板的下表面为与多个囊腔尺寸相匹配的隔舱式结构，在所述囊腔与盖板的结合面上设置有橡胶垫。

8.根据权利要求1所述的散装粮堆多场耦合实验装置，其特征在于：所述压力气囊的气压力由计算机通过气压伺服控制系统进行调节控制。

9.根据权利要求1所述的散装粮堆多场耦合实验装置，其特征在于：在所述模型箱体的其中一个观察窗外设置有工业相机，在另一个观察窗外设置有红外热图像设备。

10.根据权利要求1所述的散装粮堆多场耦合实验装置，其特征在于：所述实验装置置于恒温恒湿环境中，所述恒温恒湿环境由恒温恒湿机进行调节。