机械通风是目前粮食仓储工作中的一项重要储粮技术，是近代工程技术对储粮行业的一大贡献，不仅可用于降温降水以提高储粮稳定性，而且操作简单、费用低廉。该技术是粮堆降温、环流控温、补冷均温、熏蒸与气调杀虫等储粮技术的应用基础，因此在粮库生产中得到广泛应用，成为各类仓房的必备设施[1-2]。而仓房的风道与环流系统配备，需要参考仓房类型、粮堆高度、通风量与粮层阻力等参数，进而计算风道尺寸、选用风机规格[3]。根据流体力学原理，机械通风过程中空气沿风道流动和穿过粮层时必然会产生一定的压力损失，即通风系统阻力[4]。以往关于粮堆厚度、粮层阻力、通风均匀度等参数的检测与研究较多[5-7]，但对穿网阻力等参数研究相对较少。且杨晓帆等认为采用粮堆内静压值判断机械通风均匀度是一种相对较好的检测手段[8]。故参考河南工业大学设计的粮堆通风性能参数检测装置[9]，以粮堆内静压值检测为基础，开展不同粮种粮堆的通风阻力特性研究，探寻粮面表观风速、单位粮层阻力、穿网阻力、通风均匀度等参数的变化规律，为机械通风技术应用、风机选用配备提供数据参考。
1 材料与方法
1.1 通风模拟装置
实验装置主箱体尺寸1 000 mm（长）×1 000 mm（宽）×500 mm（厚），内置孔板厚度2.0 mm（开孔率18.84%）；实验在垂直通风的前提下（见图1），通过改变风机的送风方式，实现压入式上行通风和吸出式下行通风的转换（见图2）。通风模拟装置分别装入玉米、小麦、稻谷、大豆四种粮食，开展粮堆通风阻力特性相关参数检测。
图1 通风模拟装置示意图
Fig.1 The schematic diagram of ventilation simulator
图2 压入式与吸出式的通风示意图
Fig.2 The ventilation diagram of push-in and pull-out ventilation
1.2 实验粮种
实验粮种分别包括玉米、小麦、稻谷、大豆四种，具体质量情况如下：
玉米：2022年产美国进口玉米，色泽、气味正常，容重747 g/L、水分14.3%、杂质0.9%、不完善粒7.5%、脂肪酸值45.0 mg KOH/100g、品尝评分值80分。
小麦：2022年安徽产小麦，色泽、气味正常，容重823 g/L、水分12.2%、杂质0.3%、不完善粒3.4%、面筋吸水量209、品尝评分值84分。
稻谷：2021年安徽产晚籼稻谷，色泽、气味正常，水分12.9%、杂质0.4%、出糙率79.1%、整精米率60.2%、谷外糙米1.5%、脂肪酸值18.1 mg KOH/100g、品尝评分值85分。
大豆：2019年产黑龙江大豆，色泽气味正常，水分9.0%、杂质0.2%、完整粒率96.1%、损伤粒率1.4%、蛋白质溶解比率86.1%、粗脂肪酸值1.2 mg KOH/100g。
1.3 实验仪器
GHCS-1 000型两用容重器：吉林中谷工程有限公司；PB1502-S型电子天平、AX204型电子天平：梅特勒—托利多（中国）有限公司；DHG-9145A型电热鼓风干燥箱：上海一恒科学仪器有限公司；JFSD-100型电动粉碎机、JJJM-54S型面筋洗涤仪、JHGM型面筋烘干仪、JZSM 型面筋测定仪：上海市嘉定粮油检测仪器厂；JLG-IIA型砻谷机、JNM-Ⅲ型检验碾米机：中储粮成都储藏研究院有限公司；YJB-1500型补偿式微压计：上海隆拓仪器设备有限公司；TES-1340型热线式风速仪：台湾泰仕电子工业股份有限公司；YS90L-2型多管风机：河南未来机电工程有限公司；L1 000-0075G/0110P-T4型高性能矢量变频器：南京雷欧电器科技有限公司；自制喇叭型风罩（Φ上=5 cm、Φ下=30 cm，如图3）等。
图3 自制喇叭型风罩示意图
Fig.3 The schematic diagram of self-made trumpet type wind cover
1.4 实验方法
1.4.1 静压值测点布置
粮面共设7个检测点，具体布点见图4；每个检测点分5层检测，距底部100 mm处为第1层测点，其它4层的间隔为200 mm，依次向上顶部为第5层测点。
图4 静压测定平面布点示意图
Fig.4 The plane schematic diagram of detection points for static pressure
1.4.2 风速检测
实验时，通过调整风机上变频器的频率确定实验的风量；当风机运行稳定后，在实验粮堆表面，使用风速仪测得喇叭形风罩顶部小端口处放大的风速值，再换算出实际的粮面表观风速。粮面表观风速检测位置为装置四角和中心部位，共五个检测点，具体如图5所示。
图5 粮面表观风速检测布点示意图
Fig.5 The schematic diagram of detection points for surface wind speeds
1.4.3 穿网阻力检测
当空气穿过金属孔板进入粮堆时，会产生一定的压力降，即穿网阻力。穿网阻力在压入式上行通风条件下检测。在距孔板中心点左右两侧的5 cm处，各开一个直径稍大于静压管直径的圆孔，将两根静压管分别插入上述两个小孔中，使其中一根静压管的前端小孔固定底部孔板上方5 mm左右的位置，另一根静压管的前端小孔固定在孔板下方5 mm左右的位置。实验过程中，微调两根静压管的插入深度，上下静压力检测数据的差值最小时的位置即为检测穿网阻力的最佳位置，此时测得孔板上下静压差值即为穿网阻力。
1.5 参数测定与计算
实验在压入式上行通风和吸出式下行通风条件下进行，通过设置变频器的不同频率（10、20、30、40、50 Hz）达到调节风机风量的目的，检测不同风量条件下粮堆的粮面表观风速、粮堆内部静压值和穿网阻力值，经数据处理得到相关通风参数。对同一种粮食而言，测完压入式上行通风条件下的相关参数数据，再开展吸出式下行通风实验进行检测，因粮食高度并未大幅下降，故实验中未再补充粮食至实验装置。
1.5.1 风速和风量计算
根据流体连续方程（F1×v1=F2×v2），风速仪实测风速值除以风罩放大倍数即可计算出实际的粮面表观风速，进而计算出通风量，见式（1）。
式中：Q——风量，m3/h；F——粮面表层面积，m2；v——粮面表观风速，m/s。
1.5.2 单位粮层阻力计算
在通风过程中，空气流穿过单位粮层的压力损失为单位粮层阻力，见式（2）。
式中：Z——单位粮层阻力，Pa/m；P5——第5层的静压均值，Pa；P1——第1层的静压均值，Pa；L——第5层与第1层间的距离，m。
1.5.3 通风均匀度计算
根据粮层中的静压值分布判断通风均匀性，求出该粮层静压值的平均值和标准差，进而计算通风均匀度，见式（3）。
式中：J——通风均匀度，%；P——粮层内的静压值，Pa；
——该粮层静压值的平均值，Pa；S——粮层内静压值的标准差。
2 结果与分析
2.1 单位粮层阻力变化情况分析
粮堆通风实验时，通过调整变频器的频率来改变风机的运行转速，分别进行压入式上行通风和吸出式下行通风，从而影响粮堆的通风量、粮面表观风速、以及粮堆阻力等参数的变化。随着变频器工作频率的增大，粮堆通风量随之增大，风速亦随之增大。由于风量与风速呈线性相关，故选择粮面表观风速为自变量进行数据分析，两种通风方式下不同粮种的粮面表观风速和单位粮层阻力的变化情况如图6、图7所示。
图6 压入式上行通风方式下不同粮种的单位粮层阻力变化
Fig.6 The change of resistance of unit grain layer of different grains under push-in ventilation
图7 吸出式下行通风方式下不同粮种的单位粮层阻力变化
Fig.7 The change of resistance of unit grain layer of different grains under push-out ventilation
从图6、图7可以看出，不论是压入式上行通风还是吸出式下行通风，不同粮种呈现同样的变化规律，即随着粮面表观风速的增大，粮堆的单位粮层阻力均逐渐增大，但不同粮种粮堆的单位粮层阻力变化幅度有所不同。以压入式上行通风实验为例，大豆粮堆的粮面表观风速由0.027 m/s增加至0.140 m/s，对应的单位粮层阻力由26.95 Pa/m增加至330.82 Pa/m，涨幅303.87 Pa/m；玉米粮堆的粮面表观风速由0.041 m/s增加至0.178 m/s，对应的单位粮层阻力由43.22 Pa/m增加至636.88 Pa/m，涨幅593.66 Pa/m；稻谷粮堆的粮面表观风速由0.031 m/s增加至0.162 m/s，对应的单位粮层阻力由55.95 Pa/m增加至682.50 Pa/m，涨幅626.55 Pa/m；而小麦粮堆的粮面表观风速由0.031 m/s增加至0.178 m/s，对应的单位粮层阻力由60.34 Pa/m增加至867.63 Pa/m，涨幅807.29 Pa/m。即通风实验中，大豆粮堆的单位粮层阻力涨幅最小、玉米和稻谷次之、小麦最大。
对比图6和图7可知，压入式上行通风过程中，不同粮种的单位粮层阻力涨幅高于吸出式下行通风。例如稻谷粮堆在压入式上行通风过程中，单位粮层阻力由55.95 Pa/m增加至682.50 Pa/m，涨幅626.55 Pa/m；而吸出式下行通风时单位粮层阻力由53.38 Pa/m增加至586.35 Pa/m，涨幅532.97 Pa/m。即压入式上行通风条件下稻谷粮堆的单位粮层阻力涨幅明显高于吸出式下行通风。
对比图中不同粮种单位粮层阻力的变化趋势可知，两种通风方式下，粮面表观风速相同时，粮堆的单位粮层阻力却各不相同，大豆粮堆的单位粮层阻力相对较小，玉米次之，稻谷和小麦相对较大，这可能与粮食籽粒的结构、表面的光滑度与粮堆孔隙度等有关，例如玉米的粮堆孔隙度为35%～55%，而小麦为35%～45%[4]。大豆和玉米多呈圆形或椭圆形，粮堆内的粮食籽粒多为堆叠排布，且表面光滑，故通风过程中粮堆阻力相对较小；而稻谷和小麦籽粒多为长型，粮堆内的粮食籽粒多数呈现横卧状态排布，再加上籽粒表面粗糙，故导致通风时粮堆阻力相对较大。
分别对不同粮种的单位粮层阻力与粮面表观风速的数据进行统计分析，曲线拟合的结果表明，多项式二次函数的拟合度相对较高（R2≥0.99），即多项式二次函数能更好地反映单位粮层阻力与粮面表观风速的关系，具体的拟合曲线方程和R2值见表1。
表1 不同粮种通风实验中单位粮层阻力的拟合曲线方程
Table 1 The fitting curve equation of resistance of unit grain layer in the ventilation test of different grains
粮种 通风方式 拟合曲线方程 R2值稻谷 压入式上行通风 y = 26 926x2-396.97x+42.948 R2 = 1吸出式下行通风 y =45 053x2-2 590.2x+100.18 R2 = 0.990 1小麦 压入式上行通风 y = 28 950x2-661.09x+58.545 R2 = 0.998 6吸出式下行通风 y = 27 966x2-216.18x+41.008 R2 = 0.998 0玉米 压入式上行通风 y = 24 212x2-988.3x+45.248 R2 = 0.999 8吸出式下行通风 y = 22 150x2-514.24x+29.523 R2 = 0.998 2大豆 压入式上行通风 y = 17 848x2-322.61x+23.621 R2 = 0.999 4吸出式下行通风 y = 15 584x2-462.12x+20.763 R2 = 0.999 7
从表1的拟合曲线方程可知，不同粮种的单位粮层阻力与粮面表观风速呈显著的正相关关系，即随着粮面表观风速的增大，粮堆的单位粮层阻力逐渐增大，且粮面表观风速越大，单位粮层阻力的涨幅越大。
2.2 穿网阻力变化情况分析
分别对不同粮种通风实验中穿网阻力与粮面表观风速的数据进行统计分析，曲线拟合结果显示，多项式二次函数和幂函数均呈现较高的拟合度，选取不同粮种曲线拟合度最高的函数模型进行汇总，拟合曲线方程和R2值见表2。从表2可知，稻谷和玉米的通风实验中，多项式二次函数对穿网阻力和粮面表观风速的拟合度较高（R2≥0.99），相对而言能更好地反映两者之间的关系，而小麦和大豆则是幂函数的拟合度较高（R2≥0.98），即用幂函数描述两者关系更为准确。
表2 不同粮种通风实验中穿网阻力的拟合曲线方程
Table 2 The fitting curve equations of the resistance of the net in the ventilation test of different grains
粮种 拟合曲线方程 R2值稻谷 y = 1 524.7x2+22.619x+3.336 1 R2 = 0.997 1小麦 y = 821.43x1.7275 R2 = 0.988 9玉米 y = 1 619.5x2 - 122.97x+3.602 5 R2 = 0.993 5大豆 y = 5 597.2x2.708 8 R2 = 0.985 9
不同粮种通风实验中穿网阻力的变化情况如图8所示，从图中可以看出，穿网阻力随着粮面表观风速的增大而逐渐增大，两者呈显著正相关。
图8 不同粮种通风实验中穿网阻力的变化趋势图
Fig.8 The change of the resistance of the net in the ventilation test of different grains
对比不同粮种间穿网阻力的变化趋势可知，低频风机运转条件下，稻谷粮堆通风实验中穿网阻力值相对较大，小麦次之，大豆和玉米较小。高频风机运转时，粮面表观风速增大到一定程度（粮面表观风速0.11 m/s左右）后，各个粮种通风实验中穿网阻力均会急剧转折，如稻谷通风实验中穿网阻力由5.8 Pa增大至46.1 Pa，增大7倍；小麦通风实验中穿网阻力由2.0 Pa增大至47.8 Pa，增大23倍；玉米通风实验中穿网阻力由1.3 Pa增大至32.5 Pa，增大24倍；而大豆通风实验中穿网阻力由0.4 Pa增大至36.2 Pa，增大89倍。
上述相关数据分析结果表明：通风实验中，通过粮面的表观风速或穿过粮堆的风量越大，穿网阻力呈现出多项式二次函数或幂函数式的增大。因此，在实际通风作业中，穿网阻力对粮堆通风量、通风效果的影响不容忽视，尤其当大粮堆、深粮层的浅圆仓通风时，4台风机、大风量通风的做法不可取[10]，当风机功率一定的条件下，巨大的粮层阻力会迫使风机进行减少风量与增大风压间的能量转换，使得大风量通风并未取得显著的降温效果，从流体力学角度解释了两台风机与四台风机通风效果相近的原因。
2.3 通风均匀度变化情况分析
通过不同粮种的通风实验可知，同种通风方式下，风机运转功率的大小转换并没有明显影响粮堆的通风均匀度，即粮堆通风量或粮面表观风速对粮堆通风均匀度的影响不大，故选取变频器50 Hz时不同粮种的粮堆通风均匀度数据进行分析。压入式上行通风和吸出式下行通风方式下，不同粮种的粮堆通风均匀度变化情况如图9、图10所示。
图9 压入式上行通风时不同粮种粮堆的通风均匀度（50 HZ）
Fig.9 The ventilation uniformity of different grains under push-in ventilation (50 HZ)
图10 吸出式下行通风时不同粮种粮堆的通风均匀度（50 HZ）
Fig.10 The ventilation uniformity of different grains under push-out ventilation (50 HZ)
从图9、图10可以看出，两种通风方式下，不同粮种粮堆的通风均匀度均达到98.2%以上，最高可达99.9%，这说明实验过程中粮堆整体通风效果良好。整体而言，吸出式下行通风时粮堆的通风均匀度略高于压入式上行通风，差别不大。
不同粮种间对比可知，稻谷粮堆的通风均匀度相对较低，保持在98.2%～99.7%之间；小麦次之，保持在99.1%～99.9%之间；大豆保持在99.4%～99.9%之间，而玉米相对较高，始终保持在99.8%～99.9%之间，即不同粮种的通风均匀度大小关系是：稻谷＜小麦＜大豆＜玉米。这应该是与粮粒形状、堆叠结构有关。
对照粮层厚度横向比较可以看出，不同粮种粮堆的第一层通风均匀度相对较低，随着粮层厚度的增加，通风均匀度逐渐增大，两者呈明显正相关关系，但数值增加至一定数值后即无明显变化。以稻谷粮堆的压入式上行通风实验为例，第一层通风均匀度98.9%，第二层为99.3%，第三层为99.5%，第四层99.6%。第五层99.7%，通风均匀度呈现逐渐递增的趋势。而小麦、玉米和大豆粮堆的第一层通风均匀度相对较低，第2层至第5层均维持在较高水平。这说明，粮堆的通风均匀度随粮层厚度的增加而逐渐增大，与粮层厚度呈正相关关系，粮层较薄时通风均匀度相对较差，通风均匀度随粮层厚度的增加而增加至一定程度后即无明显变化。
3 结论
不同粮种的粮堆通风实验中，通过调整变频器的频率来改变风机的运行转速，进而研究压入式上行通风和吸出式下行通风条件下粮堆的通风量、粮面表观风速、以及粮堆阻力等相关参数的变化，实验结果表明：
单位粮层阻力方面，粮面表观风速相同时，两种通风方式下粮堆的单位粮层阻力各不相同，大豆粮堆的单位粮层阻力相对较小，玉米次之，稻谷和小麦相对较大。随着粮面表观风速的增大，粮堆的单位粮层阻力均逐渐增大，但不同粮种的单位粮层阻力变化幅度有所不同，大豆粮堆的单位粮层阻力涨幅最小、玉米和稻谷次之、小麦最大。这可能与粮粒结构、粮堆孔隙度与籽粒表面光滑程度等有关。对不同粮种的单位粮层阻力与粮面表观风速的数据进行统计分析、曲线拟合，多项式二次函数的拟合度相对较高（R2≥0.99），即多项式二次函数能更好地反映单位粮层阻力与粮面表观风速的关系。单位粮层阻力与粮面表观风速呈显著的正相关关系，即随着粮面表观风速的增大，粮堆的单位粮层阻力逐渐增大，且粮面表观风速越大，单位粮层阻力的涨幅越大。故通风技术应用过程中，应综合考虑粮食种类、通风目的和通风效能等因素，选择合适的通风方式，配合功率适当的风机，以实现高效、经济的目标。
穿网阻力方面，穿网阻力随着粮面表观风速的增大而逐渐增大，两者呈显著正相关。统计分析、曲线拟合结果表明，多项式二次函数和幂函数均对穿网阻力与粮面表观风速的数据关系呈现较高的拟合度，其中稻谷和玉米粮堆通风实验用多项式二次函数（R2≥0.99）能更好反映穿网阻力和粮面表观风速的关系，而小麦和大豆则用幂函数（R2≥0.98）更为准确。对比不同粮种的穿网阻力变化趋势可知，低频风机运转条件下，稻谷粮堆通风实验中穿网阻力值相对较大，小麦次之，大豆和玉米较小。当高频风机运转，粮面表观风速增大到一定程度后，各个粮种通风实验中穿网阻力均会急剧增大。即通风过程中通过粮面的表观风速或穿过粮堆的风量越大，穿网阻力呈现出多项式二次函数或幂函数式的增大。故在实际通风作业中，穿网阻力对粮堆通风量、通风效果的影响不容忽视，不能单纯追求大功率、大风量通风，避免造成不必要的资源浪费。
粮堆通风均匀度方面，两种通风方式下不同粮种粮堆的通风均匀度均可达到98%以上，整体通风效果较好，且粮堆通风量或粮面表观风速对粮堆通风均匀度的影响不大；吸出式下行通风时粮堆的通风均匀度略高于压入式上行通风，但差别不大。不同粮种的通风均匀度大小关系是：稻谷＜小麦＜大豆＜玉米，这与粮食的籽粒形状、堆叠结构有关。对比不同粮层厚度的通风均匀度可知，粮堆的通风均匀度整体上随粮层厚度的增加而逐渐增大，与粮层厚度呈正相关关系，粮层较薄时通风均匀度相对较差，通风均匀度随粮层厚度的增加而增加至一定程度后即无明显变化。
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