Year: 2026
Type: article
Abstract: Проблема и цель. Потери картофеля при хранении по различным оценкам составляют от 15 до 30 %. Ключевым фактором, определяющим хранение, является способность вентиляционной системы обеспечивать равномерное распределение воздушных потоков по всему объёму насыпи. Методы проектирования систем вентиляции основываются преимущественно на усреднённых расчётах, которые принципиально не позволяют учесть неоднородность насыпи. Нижние слои насыпи уплотняются под давлением вышележащих клубней, что увеличивает гидравлическое сопротивление и ограничивает объём проходящего воздуха, формируя застойные зоны с повышенной температурой и влажностью. Именно в этих зонах ускоряются процессы дыхания клубней, развиваются гнилостные микроорганизмы. Целью настоящего исследования являлось численное моделирование пространственной структуры воздушного потока внутри насыпи картофеля с применением методов вычислительной гидродинамики. Методология. В качестве расчётной области использован участок типового картофелехранилища с двадцатью напольными воздуховодами, входными вентиляционными коллекторами и выпускным каналом. Насыпь картофеля представлена как трёхслойная пористая среда с пористостью со значениями 0,30; 0,40 и 0,42 (безразмерная величина, доля единицы), что отражает уплотнение нижних слоёв под действием массы вышележащей продукции. Граничные условия модели: к внешней поверхности картофелехранилища приложено граничное условие коэффициента теплоотдачи 15 , наружная температура -4,4° C; объёмное тепловыделение насыпи объемное выделения водяного пара ; температура приточного воздуха +2° C. Численное решение системы уравнений Навье-Стокса, уравнения неразрывности и уравнения диффузии водяного пара выполнено в программном комплексе ANSYS методом конечных объёмов с применением модели пористой среды Дарси-Форхгеймера. Для физической интерпретации пространственной структуры потока использовались линии тока, построенные для одного входного вентиляционного отверстия в количестве 100 линий и позволяющие в стационарной постановке непосредственно отображать траектории движения воздуха. Результаты. Анализ линий тока выявил три характерные особенности течения: преимущественно восходящее движение воздуха после выхода из напольного воздуховода, поперечное расширение потока по мере удаления от источника и сближение линий тока в зоне выходного канала. Отсутствие пересечений линий тока подтвердило физическую корректность полученного решения. Расчётные диапазоны скорости фильтрации составили 0,02-0,08 м/с в нижнем слое; 0,08-0,15 м/с в среднем слое и 0,10-0,20 м/с в верхнем слое; в области организованного выхода потока локальная скорость достигала 0,8-1,0 м/с. Увеличение пористости от 0,30 до 0,42 приводит к возрастанию характерной скорости фильтрации приблизительно в 2-3 раза, что согласуется с теорией движения воздуха в пористой среде. Массовая доля водяного пара изменяется в интервале 3,9008∙10-3-3,90035∙10-3 кг/кг, причём наибольшие значения сосредоточены в верхних и слабо продуваемых участках насыпи, где скорость воздуха не превышает 0,05 м/с. Температурное поле свидетельствует о том, что в основной массе продукции температура удерживается в диапазоне 1-2° C, соответствующем режиму хранения, однако в локальных застойных зонах наблюдается приближение к верхней границе допустимого диапазона. Заключение. Проведённое CFD-моделирование показало, что линии тока являются информативным инструментом диагностики качества воздухообмена в картофелехранилище, позволяющим одновременно подтверждать корректность гидродинамического решения, выявлять застойные зоны и интерпретировать причины локального влагонакопления и неоднородностей. Разработанная расчётная модель создаёт научную основу для совершенствования геометрии напольных воздуховодов с целью сокращения потерь при хранении. Рroblem and purpose. Potato storage losses range from 15 to 30 % according to various estimates. The key factor determining storage performance is the ability of the ventilation system to ensure uniform airflow distribution throughout the entire mound. Ventilation system design methods are primarily based on averaged calculations, which fundamentally fail to account for mound heterogeneity. The lower layers of the mound are compacted under the pressure of the tubers above, increasing hydraulic resistance and limiting the volume of airflow, creating stagnant zones with elevated temperature and humidity. Tuber respiration accelerates in these zones, and putrefactive microorganisms develop. The objective of this study was to numerically model the spatial structure of airflow within a potato mound using computational fluid dynamics (CFD) methods. Methodology. The computational domain was a section of a typical potato storage facility with twenty floor air ducts, inlet ventilation manifolds, and an exhaust duct. The potato mound is represented as a three-layer porous medium with porosity values of 0.30, 0.40 and 0.42 (dimensionless quantity, fraction of a unit), which reflects the compaction of the lower layers under the weight of the overlying product. Boundary conditions of the model: the boundary condition of the heat transfer coefficient of 15 is applied to the outer surface of the potato storage facility, the outside temperature is −4.4° C; the volumetric heat release of the mound is the volumetric water vapor release is ; the supply air temperature is +2 °C. The numerical solution of the Navier–Stokes equations, the continuity equation and the water vapor diffusion equation was performed in the ANSYS software package by the finite volume method using the Darcy–Forchheimer porous medium model. Streamlines constructed for a single inlet vent (100 lines) were used for physical interpretation of the spatial structure of the flow. These streamlines allow direct representation of air particle trajectories in a stationary setup. Results. Streamline analysis revealed three characteristic flow features: predominantly upward air movement after exiting the floor duct, transverse expansion of the flow with distance from the source, and convergence of streamlines in the outlet channel area. The absence of streamline intersections confirmed the physical correctness of the obtained solution. The calculated filtration velocity ranges were 0.02–0.08 m/s in the lower layer, 0.08–0.15 m/s in the middle layer, and 0.10–0.20 m/s in the upper layer; in the area of the organized flow outlet, local velocities reached 0.8–1.0 m/s. Increasing porosity from 0.30 to 0.42 leads to an increase in the characteristic filtration velocity by approximately 2-3 times, which is consistent with the theory of air movement in a porous medium. The mass fraction of water vapor varies within the range of 3,9008∙10- ³-3,90035∙10-3, with the highest values concentrated in the upper and poorly aerated sections of the embankment, where the air velocity does not exceed 0.05 m/s. The temperature profile indicates that the bulk of the product remains within the 1-2° C range, consistent with storage conditions; however, in localized stagnant zones, the temperature approaches the upper limit of the permissible range. Conclusion. CFD modeling demonstrated that flowlines are an informative tool for diagnosing airflow quality in potato storage facilities, allowing for simultaneous confirmation of the hydrodynamic design, identification of stagnant zones, and interpretation of the causes of localized moisture accumulation and inhomogeneities. The developed computational model provides a scientific basis for improving the geometry of floor air ducts to reduce storage losses.
Institution: Ryazan State Agrotechnological University
Language: Russian
Subfield: Mechanical Engineering
Field: Engineering
Domain: Physical Sciences
SDG: Zero hunger
Open Access status: bronze
OpenAlex ID: W7202190899