一种粮仓孔隙探测数值模拟系统和方法

本发明属粮堆孔隙探测数值模拟，具体涉及一种粮仓孔隙探测数值模拟系统和方法。

背景技术：

1、粮仓中的粮食储藏过程是一个复杂的多因子耦合系统。该系统包括温度、相对湿度、水分、压力、孔隙率等非生物因子和微生物、害虫等生物因子。储粮系统中生物因子和非生物因子之间存在复杂的相互耦合和联系，如粮堆的孔隙分布对粮食热湿迁移的影响、对机械通风和谷物冷却效率的影响等，共同决定着储粮系统的稳定性。

2、在储粮系统的众多影响因子中，粮堆孔隙分布--孔隙率，是影响粮堆机械通风和谷物冷却的关键参数之一。它决定了粮堆内的气流通道，并直接影响通风空气的分布和谷物的通风效果。通风时，低温空气往往会倾向于通过孔隙率较大的区域，与该区域的粮食进行充分的热湿交换，而在孔隙率较低区域，低温空气很难有效地穿过该区域粮堆，导致通风效果差、通风不均匀，致使粮堆内形成以温差为驱动力的气流，发生热量传递的同时，粮堆孔隙中存在的水汽会随着气流由高温向低温集中，导致粮堆内局部水分聚积，形成低温高湿区域，一旦到达粮食露点温度就会发生结露，引发霉变和发热，危害储粮安全。因此，了解和掌握粮堆内部的孔隙分布规律，可以合理选择通风道形式和通风口的位置、数量和大小，确保低温空气能够充分覆盖整个粮堆，达到均匀通风和冷却的目的。其次，了解孔隙分布情况有助于及时发现和处理粮堆中的异常情况，指导相关工作者在储粮过程中采取合适的管理措施，例如，根据不同区域的孔隙率差异，针对性地进行翻动等，对预测分析粮食状态变化规律，实现安全储粮具有重要意义。

3、目前主要通过自制试验台进行试验和数字图像技术对粮堆孔隙进行探测。实仓试验建立小型的试验台，通过获取粮堆的应变分布值，间接计算出粮堆各粮层的平均孔隙率，该方法粮堆内部的孔隙分布无法直接观察和测量，需要依靠间接的方法进行推断，导致测量结果存在一定的不确定性，且试验需花费较多的时间，无法实现实时精准探测，不能更好应用于实际。数字图像技术采集不同压力下粮堆表层图像，这些图像包含粮食颗粒和孔隙结构的信息，利用图像分割算法，将图像中的粮食颗粒和孔隙结构分别分割出来，通过计算粮食颗粒和孔隙结构的像素数量或面积，进一步计算出粮堆的表层孔隙率，数字图像处理和分析涉及多种算法和复杂的计算过程，图像的质量和分辨率会受到诸多限制，例如，光线条件、拍摄角度等，进而影响图像的质量和可用性，难以保证探测结果的准确性。因此，亟需发明一种能够对粮堆孔隙进行精准探测的数值模拟系统和方法，为复杂的储粮系统研究提供一种新的技术手段。

技术实现思路

1、为解决粮仓孔隙探测领域现有技术和方法中存在的不足，本发明的目的是提供一种粮仓孔隙探测数值模拟系统和方法，能实现不同仓型、不同颗粒形状、不同粒径和不同物性参数的粮食颗粒进仓过程数值模拟，形成粮堆，并通过cfd-dem耦合计算来精确模拟粮堆任意区域或粮层的孔隙分布规律，进一步通过数据处理系统生成孔隙分布云图，为储粮实践提供准确、直观的孔隙率信息。该数值模拟系统和方法可对多种储粮场景条件下粮堆内孔隙分布规律进行深入研究，可为多因子相互耦合作用的复杂储粮系统研究提供一种新的技术手段。

2、本发明的一种基于cfd-dem耦合计算的粮仓孔隙探测数值模拟系统，由模块1、模块2、模块3和模块4组成，其中

3、模块1为物理模型建立和网格划分模块，用作建立粮仓物理模型、在计算域中设置流体区域和边界命名、划分网格并输出mesh格式文件、供后续模块使用；

4、模块2为颗粒堆积模拟模块，用作模拟粮食的进仓过程，形成粮堆；根据真实粮食颗粒的几何参数，建立颗粒几何模型，并导入mesh格式文件作为圆筒仓几何模型，设置颗粒级配和颗粒与圆筒仓各项接触参数，包括：颗粒和圆筒仓密度、泊松比、剪切模量，颗粒与圆筒仓之间的碰撞恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数，颗粒与颗粒之间的碰撞恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数，设置虚拟的颗粒工厂、模拟粮食的进仓过程、形成颗粒堆积，得到粮堆；

5、模块3为dem-cfd耦合计算模块，用作模拟粮堆孔隙间流体--空气的流动，获取孔隙信息；将mesh格式文件导入fluent，设置各项参数，导入耦合接口udf，与edem进行连接，进行初始化，设置时间步长为edem时间步长的100倍，进行dem-cfd耦合计算；

6、模块4为数据处理模块，通过数据处理系统，对表现形式为体积分数的孔隙分布数据进行处理，生成直观的孔隙分布云图。

7、本发明的一种基于cfd-dem耦合计算的粮仓孔隙探测数值模拟方法，以圆筒仓为例包括下列步骤：

8、1)用ansys dm建立圆筒仓物理模型，并划分网格，在计算域中设置流体区域和边界命名；

9、2)输出mesh格式文件；

10、3)利用edem软件，根据真实粮食颗粒的几何参数，建立颗粒几何模型，并导入mesh格式文件作为圆筒仓几何模型；

11、4)通过试验、经验和理论公式的途径，测定粮食的各项物性参数，确保cfd-dem耦合计算数值模拟涉及的所有参数来源均有依有据，确保数值模拟结果的可靠性和正确性；

12、5)在edem设置颗粒级配和颗粒与圆筒仓各项接触参数，包括：颗粒和圆筒仓密度、泊松比、剪切模量，颗粒与圆筒仓之间的碰撞恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数，颗粒与颗粒之间的碰撞恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数；

13、6)设置虚拟的颗粒工厂，模拟粮食的进仓过程，形成颗粒堆积，得到粮堆；堆积过程中颗粒的dem--离散元接触模型如下：

14、对颗粒接触过程中的振动运动进行切向和法向分解，法向振动运动方程fn为：

15、

16、颗粒接触过程中，切向振动运动表现为切向滑动与颗粒的滚动，其切向分量fs、颗粒受到的外力矩m分别表达为：

17、

18、

19、其中：m1,2为颗粒i、j的等效质量，kg；i1,2为颗粒i、j的等效转动惯量，kg·m2；s为旋转半径，m；μn、μs分别为颗粒的法向和切向相对位移，m；θ为颗粒自身的旋转角度，rad；ks、kn分别为接触模型中的切向和法向弹性系数；cn、cs分别为接触模型中的法向及切向尼系数；

20、7)利用cfd软件ansysfluent来模拟粮堆孔隙间流体--空气的流动；

21、8)将mesh格式文件导入fluent，设置各项参数，viscous模型设置为sst k-epsilon，材料设置为与edem端一致的粮食颗粒材料；

22、9)打开edemcouplingserver，准备与fluent进行耦合；

23、10)fluent导入耦合接口udf，与edem进行连接，使fluent端能获取edem粮堆的颗粒信息；

24、11)通过cfd-dem耦合计算方法，传递粮食颗粒与孔隙间流体--空气间的相互作用力，获取粮堆体孔隙分布参数；cfd-dem耦合计算方法中，计算模型有lagrangian模型和eulerian模型，其中，lagrangian模型适用于离散相体积占总体积含量不超过15％的情况；eulerian模型适用于颗粒占总体积的占比大于10％的情况；粮堆中颗粒的占总体积的比例超过50％以上，颗粒占主导作用，故使用eulerian模型对粮堆进行耦合计算；

25、12)通过cfd-dem耦合计算方法获取孔隙分布规律的基本思路是给定一定初速度的流体--空气，使其穿过粮堆，从而获取孔隙信息，流体的连续性方程为：

26、

27、其中：ρ为气体密度，kg/m2；t为时间，s；v为气体流速，m/s；ε为气体体积分数；为哈密顿算子；

28、流体的运动微分方程为：

29、

30、其中：p为气体微元上的压力，pa；g为重力加速度，m/s2；μ为气体的动力粘度，μ＝1.83×10-5pa·s；s为动量源项；

31、13)在fluent端进行初始化，设置时间步长为edem时间步长的100倍；

32、14)进行cfd-dem耦合计算；

33、15)用cfd-dem耦合计算过程具体为：通过edem求解粮堆每个颗粒的力和位置，fluent求解粮堆孔隙间流体的流场相关信息，并通过耦合接口进行颗粒和流体特征参数的相互传输，每一个迭代过程都形成一个循环，直至模拟结束；

34、16)对数据进行后处理，通过数据处理系统，对表现形式为体积分数的孔隙分布数据进行处理，生成直观的孔隙分布云图。

35、本发明的有益效果在于：

36、1.目前没有一套完整、客观、有效、准确的粮仓孔隙探测数值模拟系统和方法。本发明提供了一种粮仓孔隙探测数值模拟系统和方法，主要解决了粮堆内部的孔隙分布无法直接观察和测量、推断得到的孔隙率不准确、试验需花费较多、无法实现实时精准探测等问题，实现了粮堆孔隙率的快速、高精度的探测。

37、2.本发明利用有限元fluent软件和离散元edem软件进行cfd-dem耦合计算数值模拟，实现了不同仓型、不同颗粒形状、不同粒径和不同物性参数的粮堆任意区域或粮层的孔隙分布规律，生成孔隙分布云图，为储粮实践提供准确、直观的孔隙率信息，可为储藏粮堆机械通风提供关键的孔隙率数值，有助于相关工作者及时发现和处理粮堆中的异常情况，采取合适的管理措施，对预测分析粮食状态变化规律，实现安全储粮具有重要意义，为多因子相互耦合作用的复杂储粮系统研究提供一种新的技术手段。

38、3.本发明中的各项参数均在仿真软件fluent和edem设置，能够根据真实颗粒的几何参数和级配进行建模，cfd-dem耦合计算所涉及的所有参数均有依有据，仿真结果能够还原真实粮食的本质属性，确保了数值模拟结果符合实际，适用范围广，同时，操作便捷，数值模拟方法简单有效。