1. 研究目的与意义
民以食为天，确保粮食安全关系民生问题，为确保粮食安全，储藏过程中关键因素的控制和贮藏手段的选择至关重要。粮食质量变化受诸多因素影响，在堆场或贮藏容器中，粮堆内部结构为其中一重要因素，粮堆内部结构与其湿、热等因素存在着一定的相关关系。此前已有大量关于粮堆湿、热、力和微生物场等多场耦合规律的研究，粮堆微观孔隙结构是影响宏观水分迁移和传热及力学性质道等的重要因素，但关于粮堆微观结构的研究还比较少。所以本研究从粮堆内部三维结构出发，即利用三维CT扫描设备和Avizo3D软件构建小粮堆粮粒三维模型，从而能够获取小粮堆内部孔隙网络模型和粮粒分布状态。该模型可为孔隙率、粮堆风阻的测算及孔隙网络结构、多场耦合规律研究提供资料和物理模型，且该方法获取的三维模型相较于常规的2D图像和数据图表更加直观。利用3D打印技术对三维图像进行打印，获得实体的粮堆三维模型，可应用于教学或其他研究。
2. 研究内容和预期目标
1、研究内容：
一、将粮粒由单层到多层堆放于特制容器中利用CT扫描设备对样品进行扫描，采集原始CT图像并得到反映小粮堆孔隙网络结构的原始数据，再利用Avizo3D软件对CT图像三维重建小麦、大米、豌豆、绿豆、稻谷小粮堆的三维结构模型得到效果更为理想的3D模型；进行还原度分析和三维重建效果进行评价，从外观和内部结构特征出发与实际粮堆进行对比，即对粮堆颗粒数量、颗粒形态、孔隙数、喉道数、孔隙当量直径和孔隙率等参数进行比较，并对比提取到的数据和三维重建后的模型数据，对三维重建模型进行还原度评价。
二、定量分析,利用软件测量粮堆颗粒坐标和孔道半径等数据，并对获取到的数据进行统计、对比、分析。
3. 国内外研究现状
早期国内CT扫描技术和3D打印技术结合的研究方法主要应用于医学领域和机械设计领域，少有应用于粮食储藏研究。随着工业CT技术的发展，具备较高空间分辨率的微焦点工业CT技术和3D模型构造软件进行结合，并应用于粮食储藏研究，粮食储藏研究不单纯于二维平面的分析，逐渐三维立体可视化。
工业CT技术是一种重要无损检测技术，张红涛等利用工业CT技术对小麦颗粒进行显微CT图像重建与可视化研究，真实的展现了麦粒内部的结构和表面形态特征，为粮粒内部虫害检测提供手段。陈鹏枭等利用三维CT扫描设备和图像重构技术对粮堆进行3D建模，获得接近实际颗粒堆样三维孔道网络模型，更加准确全面地描述仓储粮堆内部颗粒、孔隙以及吼道之间的关系，并分析得到粮堆内部孔隙结构数据。Pengxiao Chen等从豆粒2D样本中提取扑拓和几何信息，构建不规则的孔隙网络模型，并以此建立多尺度的传热模型，对小麦干燥过程进行数值模拟，得到模拟结果和实验结果一致，验证了所构建模型结构的有效性。S. Neethirajan等利用CT扫描技术和3DMA-Rock软件分析粮堆颗粒间的空域和三维微结构，对粮堆内部孔隙扑拓结构进行定量表征、重建，为真实预测渗透率和颗粒体内空气、气分布的性质提供可靠观察。
4. 计划与进度安排
2022年12月27日 — 2022年1月10日，阅读相关文献，完成开题报告和定稿问题讨论。
2022年1月10日 — 2022年3月15日，获取原始CT图像，利用三维图像重建技术，构建第一版3D模型，完成初稿和中期检查。
2022年3月16日 — 2022年4月1日，对第一版模型进行改进，打印第二版模型。
5. 参考文献
[1] S. Neethirajan et al. Investigation of 3D geometry of bulk wheat and pea pores using X-ray computed tomography images[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2008, 63(2) : 104-111.
[2] Kotwaliwale Nachiket et al. X-ray imaging methods for internal quality evaluation of agricultural produce.[J]. Journal of food science and technology, 2014, 51(1) : 1-15.
[3] 陈鹏枭,朱文学,吴建章,等. 仓储粮堆三维非规则孔道网络模型的优化研究_陈鹏枭[J]. 河南工业大学学报(自然科学版), 2021, 42(2): 86-93.
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