INTERACTIVE 3D · CALCULATOR · 2026-08

机械通风不同途径比的三维演示U 型一机三道(K = 1.21 / 1.56 / 1.83)与圭字型 · 平房仓地上笼通风系统

以潘钰、王远成等《粮仓机械通风阻力和均匀性模拟研究》(山东建筑大学学报 2016)的物理模型为蓝本:60 m × 21 m 平房仓、装粮高度 6 m、地上笼风网。拖动旋转视角,切换风道布置方案,观察气流组织、通风死角与最长/最短气流路径;配合下方公式说明与计算小工具,完成"途径比 → 风量风速 → 阻力 → 风机选型 → 调质增水"的完整估算链条。

U 型 · K = 1.56 | 支风道 9 条 | 间距 6.7 m
图例 气流粒子 最长路径 h+L/2 最短路径 h 通风死角 地上笼 粮堆
FORMULAS & NOTES

公式与说明

几何设计(途径比)到流动物理(Ergun 多孔介质方程)再到工程选型(阻力、风机)与调质工艺(增水量),五层公式构成机械通风设计的完整链条。

F1 · 几何设计

通风途径比

K = (h + L/2) / h = 1 + L / (2h)
L h(最短) L/2+h(最长)

定义(LS/T 1202-2002 术语3.5):空气穿过粮层到达粮面的最长路径与最短路径之比。最短路径为风道正上方竖直穿粮层(= h);最长路径为气流自风道沿粮堆底层水平推进至两风道间中点(L/2),再竖直上升到粮面(h),合计 h + L/2。

为何取 h+L/2 而不是斜边?斜边 √(h²+(L/2)²) 只是两点间最短的几何直线,真实气流并不走直线:空气从风道孔口全方位出流(含沿地坪水平方向),受不透水地坪约束贴底层水平推进,至两风道间"分水岭"(相邻流场驻面)才转竖直上升——最长流线近似 L 形而非斜线。h+L/2 同时是保守包络:若按斜边定义 K=√(1+(L/2h)²),同样 K≤1.8 允许的间距将放大约 87%(L 由 1.6h 增至 3.0h),死区显著扩大,故规程式(6)采用 h+L/2 口径。示例(h=6、L=6.7):L 形 K=1.56,斜边仅 1.15。

工程意义:K 越大 → 通风死角越大、粮堆各处降温/降水/调质越不均匀。LS/T 1202-2002 §6.2.6 规定:降温通风 K 宜 1.5~1.8(不宜大于 1.8),降水通风宜 1.2~1.5(不宜大于 1.5);§6.2.8 风道间距按 L = 2h(K−1) 计算(式6),且不宜超过 6 m,边侧风道与侧墙间距不大于 0.5L;§6.2.7 风道单程长度不宜超过 25 m。GB 50320-2014 对堆高超过 6 m 时另建议 K 宜取 1.2~1.5。

来源:LS/T 1202-2002(术语3.5、式6、§6.2.6~6.2.8,全文PDF已核) | GB 50320-2014 §3.3.3 | 潘钰等 2016
F2 · 流动物理

Ergun 方程(粮堆 = 多孔介质)

Δp/L = 150·μ(1−ε)²/(ε³·dp²)·u + 1.75·ρa(1−ε)/(ε³·dpu²

含义:粮堆视为多孔介质时的单位长度压降。第一项为粘性阻力(低风速主导),第二项为惯性阻力(高风速主导);孔隙率 ε=1 时退化为干净的空气域(N-S 方程),ε≠1 时即达西—布林克曼型方程——这是 CFD 模拟中粮堆动量源项的标准写法。

典型量级:小麦(ε≈0.40,dp≈3.5 mm)在表观风速 u=0.013 m/s 时约 15~20 Pa/m,u=0.032 m/s 时约 40~50 Pa/m。注意国际实测(Molenda 2005;Kumar & Muir 1986)表明:装粮方式与方向各向异性可使阻力变化 60% 甚至一个数量级。

来源:Ergun 1952 | 潘钰等 2016 式(2) | Molenda et al. 2005
F3 · 阻力计算

粮层阻力与风网阻力经验式

单位粮层阻力 j = 9.81·a·ub (Pa/m) → H粮层 = j·h
地上笼风网阻力 H风网 = a·qb (q:单位通风量 m³/(t·h))

系数(潘钰等 2016 实验回归):粮层 a=143.31、b=0.9624;风网 U 型 a=43.8、b=1.6879,圭字型 a=39.1、b=1.8573。总阻力 H₀ = H粮层 + H分配器 + H风网(GB 50320 §3.3.4)。降水/调质通风粮层阻力不宜大于 1000 Pa(LS/T 1202 §6.2.5.5)。

警示:经验系数随粮种、水分、孔隙率、装粮方式与风网形式显著变化(详见"参数来源"),计算器中系数可编辑,工程应用必须以实测标定为准。

来源:潘钰 王远成等,山东建筑大学学报 2016,31(3) 式(3)(4) | LS/T 1202-2002
F4 · 风机选型

风量、风速与动力匹配

Q = q·G  u = Q / (3600·A)  N = Q·P / (3.6×10⁶·η) (kW)

流程:按通风目的选定单位通风量 q(GB 50320 降温宜 3~12 m³/(t·h);缓速降温 q≤8)× 储量 G 得总风量 Q;除以粮堆水平面积得表观风速 u;总阻力乘安全系数定风压(GB 50320:风量系数 1.10~1.15、风压系数 1.10~1.20),最后按全压效率 η(0.7~0.8)算轴功率并加电机裕度。

节能口径:中储粮长治直属库经验为"宁小勿大"——q<7 m³/(t·h)、昼停夜开、小风量小温差分阶段,1.1 kW 轴流风机能耗仅为离心风机 1/3,每储存周期水分损耗降低 0.3 个百分点。

来源:GB 50320-2014 §3.3 | LS/T 1202-2002 | 山西日报 2026(长治案例)
F5 · 调质工艺

调质通风增水量估算

W = 1.2·Q·Δd·t × 0.9 (kg;1.2 为空气密度 kg/m³,0.9 为实测修正)

依据:进出仓空气含湿量差 Δd(g/kg 干空气)× 风量即得理论上限。徐玉斌等(2005)实仓标定:按含湿量差即时指示调质可行,计算值乘 0.9 与烘干法吻合(该试验整仓增水 1 个百分点、能耗 2.04 kWh/(t·1%))。

允许条件(LS/T 1202 §7.3):粮堆均温>大气露点;PS2.5<PS1(按增水 2.5 个百分点查平衡绝对湿度);结束时水分梯度 ≤0.5%/m、温度梯度 ≤1 ℃/m。

来源:徐玉斌等,粮食与饲料工业 2005(7) | LS/T 1202-2002 §7.3
F6 · 均匀性评价

Weltens 均匀性指数

γ = 1 − (1/2n)·Σ (vi − v̄)² / v̄ ∈ [0,1]

用法:在粮堆内布三层观测面(底层距地 1 m、中层 h/2、顶层距粮面 1 m,共 n 个测点),以风速/流量离散度衡量气流均匀性,γ 越接近 1 越均匀。潘钰等(2016)按 39 测点计算:均匀性随表观风速增大而降低,随途径比减小而提高。

现状:文献中变异系数、最大温差、γ 指数并存、横向不可比——统一均匀性评价指标正是当前研究空白之一。

来源:Weltens et al. 1993 | 潘钰等 2016 式(5)
CALCULATOR

计算小工具

四个模块覆盖"途径比 → 风量风速 → 阻力与风机 → 调质增水"全链条,自带规范符合性判定;工具间数据自动同步。所有计算在浏览器本地完成。

m
m(相邻风道中心距)
给定 K 求推荐间距
m
途径比 K = 1 + L/(2h)
1.56
死区楔形底宽(≈0.45L,风道间中点)
3.0 m
目标 K 对应间距 L=(K−1)·2h
6.0 m
支风道根数(跨度内估算)
4
布置校核要点(GB 50320-2014 / LS/T 1202-2002):边侧风道与侧墙间距 ≤0.5L;风道末端距仓壁 0.8~1.5 m;风道单程长度 ≤25 m;空气分配器开孔率 ≥25%;主风道风速 ≤12 m/s(最大 15),支风道 ≤6 m/s(最大 9)。
t
m³/(t·h);GB 降温宜 3~12
m
m
总风量 Q = q·G
58000 m³/h
粮堆表观风速 u = Q/(3600AB)
0.0128 m/s
每仓配套风机估算(q<7 缓速)
台 × 1.1kW 轴流
对照:潘钰等(2016)工况为 G=5800 t、60×21 m、q=5~25 扫描,q=10 时表观风速 0.0128 m/s。缓速降温和保水通风宜小风量:长治经验 q<7,"宁小勿大"。
m/s
m
潘钰2016 小麦
j = 9.81·a₁·u^b₁ (Pa/m)
H = a₂·q^b₂ 或手输
m³/(t·h)
Pa(经验估值)
m³/h(②自动带入)
GB:1.10~1.15
GB:1.10~1.20
0.7~0.8 常用
单位粮层阻力 j
21.2 Pa/m
粮层阻力 H粮 = j·h
127 Pa
风网阻力 H网
2135 Pa
系统总阻力 H₀
2362 Pa
设计风量 Q·S₁
64960 m³/h
设计风压 H₀·S₂
2716 Pa
风机轴功率 N
64.9 kW
建议配用电机
≥75 kW
系数警示:粮层与风网经验系数引自潘钰等(2016)对小麦仓的实验回归,随粮种/水分/孔隙率/风网形式变化极大(横向通风总阻力实测可低至 1400 Pa 以内,竖向通风明显更高)。本模块用于方法演示与量级估算,工程选型必须实测标定并核对标准原文。
m³/h(环流总量)
g/kg(徐玉斌2005 平均 2.9)
h
t
理论增水量 W′ = 1.2·Q·Δd·t
40716 kg
修正后增水量 W = W′×0.9
36.6 t
折算整仓水分提升
0.80 个百分点
调质单位能耗参考区间
0.41 ~ 2.04 kWh/(t·1%)
允许调质通风条件(LS/T 1202 §7.3.1):粮堆平均温度>大气露点,且 PS2.5<PS1;结束条件:水分梯度 ≤0.5%/m、温度梯度 ≤1 ℃/m。实仓能耗参照:自然大气调质 0.41~0.46,内结露调质居中,外加湿机组约 2.0(详见文献综述报告)。
SOURCES & HONESTY

参数来源与数据诚实性

使用前必读

模型蓝本:3D 场景按潘钰、王远成等(山东建筑大学学报 2016,31(3):254-258)物理模型等比建模——仓房 60 m×21 m×10.5 m、粮堆 6 m、U 型一机三道 K=1.21/1.56/1.83(分别对应 8/3/2 个分配器)与圭字型(3 分配器)。支风道间距按 K=1+L/(2h) 反推(2.5/6.7/10.0 m),与文献结论自洽。

经验系数:粮层阻力与风网阻力系数引自该文实验回归(公开页未给完整量纲说明),不同粮种、水分、孔隙率、装粮方式下差异巨大(国际实测:装粮方式可致阻力变化达一个数量级,垂直方向比水平高 60%~115%)。本工具输出为方法演示与量级估算,不构成工程选型依据。

规范判据:K 取值、q 范围、安全系数、开孔率、风速限值引自 GB 50320-2014 §3.3 与 LS/T 1202-2002(全文经官网 PDF 核实);山西工程口径(降温 K≤1.8、降水 ≤1.5)来自省粮局公开技术文章。GB 50320-2024 新版条文未获取,正式设计请核对现行标准原文。

3D 演示的简化:气流粒子为示意性可视化(竖直上升流),非 CFD 解;圭字型按"鱼骨形主支风道"抽象建模;通风死角以两风道间中点的底层滞止楔形示意(底宽≈0.45L、高≤2.2 m、沿风道通长,面积随途径比增大,对应"两条风道之间的底层通风无效区"的定性概念——黄秋菊等 2005),非 CFD 结果,实际形状受孔隙率与装粮方式影响。

依赖:three.js 经 CDN(jsdelivr→unpkg 依次尝试)加载,需联网;计算工具纯本地运行,不受影响。