均風(fēng)板對煙葉模擬烘烤機內(nèi)氣流分布的影響

李 研，普恩平，王亞輝，高 松，冀新威，任洪波，王春林，陳俊鴻，徐鴻飛，紀(jì)春濤，李寶樂

(1.中船重工(昆明)靈湖科技發(fā)展有限公司，云南 昆明 650051；2.云南省煙草公司紅河州公司，云南 紅河 654400；3.云南省煙葉農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，云南 昆明 650000；4.云南省煙草公司煙葉處，云南 昆明 650011； 5.云南省煙草公司普洱市公司，云南 普洱 665000)

【研究意義】隨著現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)的發(fā)展，密集烤房因裝煙量大、烘烤質(zhì)量較高、節(jié)能、省工省時等優(yōu)勢逐漸取代自然通風(fēng)式普通烤房，成為煙葉烘烤的主流專用設(shè)備[1-3]。同時，密集烤房配套的煙葉烘烤技術(shù)、工藝也在不斷發(fā)展，旨在將密集烤房的優(yōu)勢最大化，逐步提升煙葉品質(zhì)。然而，大部分與煙葉烘烤工藝相關(guān)的現(xiàn)場試驗只能在烘烤期進(jìn)行，導(dǎo)致試驗周期長、成本高。煙葉模擬烘烤機(以下簡稱“烘烤機”, Tobacco Simulated Baking Machine, TSBM)可以實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化密集臥式烤房烘烤工藝的模擬，煙葉烘烤試驗、模擬、驗證等均可在烘烤機上進(jìn)行。然而，目前烘烤機的烘烤性能并不能達(dá)到預(yù)期效果，裝煙室內(nèi)氣流分布不均衡?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】與密集烤房工作原理相同，烘烤機采用了強制通風(fēng)方式，通過熱風(fēng)循環(huán)對裝煙室內(nèi)各個區(qū)域的煙葉供熱。在烘烤過程中，烘烤機裝煙室內(nèi)的氣流分布均勻性對煙葉烘烤質(zhì)量非常關(guān)鍵，裝煙室內(nèi)前、后部或左、右側(cè)的氣流不均衡都會造成烘烤后的煙葉質(zhì)量參差不齊，導(dǎo)致能耗的增加和烘烤工藝評價失真[4-5]。目前，計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)數(shù)值模擬技術(shù)已廣泛用于航天、船舶、冶金等領(lǐng)域的流體傳熱、傳質(zhì)過程模擬與分析中，在煙草研究方面也有相關(guān)應(yīng)用[6-7]。【本研究切入點】本文以裝煙狀態(tài)下的氣流下降式煙葉模擬烘烤機為研究對象，運用FLUENT軟件對烘烤機內(nèi)氣流分布進(jìn)行模擬仿真，分析均風(fēng)板對烘烤機內(nèi)氣流均勻性的影響，【擬解決的關(guān)鍵問題】為均風(fēng)板的設(shè)計和烘烤機結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 烘烤機結(jié)構(gòu)

烘烤機由加熱室、裝煙室、箱體、保溫層等組成，可以裝2層煙葉進(jìn)行烘烤試驗，左、右兩側(cè)為透明玻璃，可隨時觀察烘烤過程中的煙葉形態(tài)變化，烘烤機具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。均風(fēng)板水平安裝于熱風(fēng)出風(fēng)口下邊沿平齊位置，具體安裝位置如圖1。均風(fēng)板上開有均勻排列的通風(fēng)孔，孔徑及間距根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行確定。

1.2 烘烤機CFD模型構(gòu)建

1.2.1 烘烤機物理模型 根據(jù)烘烤機裝煙室內(nèi)尺寸進(jìn)行物理模型搭建，模型示意如圖2所示。該模型包括裝煙室、熱風(fēng)出風(fēng)口、回風(fēng)口和煙葉。裝煙室內(nèi)裝有2層煙葉，每層11竿，竿長為915 mm，單竿煙葉厚度為120 mm，每竿煙之間的間隙為12 mm，煙葉長度為720 mm。

1:加熱室；2：冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)門；3：回風(fēng)口；4：裝煙室；5：搭煙桿；6：均風(fēng)板安裝位置；7：熱風(fēng)出風(fēng)口.1：Heating chamber; 2: Cold air inlet; 3: Return air outlet; 4: Tobacco chamber; 5: Tobacco rod; 6: Installation position of uniform air plate; 7: Hot air outlet.

1.2.2 烘烤機數(shù)學(xué)模型 假設(shè)空氣不可壓縮，熱風(fēng)出風(fēng)口風(fēng)速v設(shè)置為2 m/s?？蛰d裝煙室內(nèi)雷諾數(shù)Re可根據(jù)式(1)

(1)

計算得到[8]。其中，出風(fēng)口當(dāng)量直徑d由熱風(fēng)出風(fēng)口尺寸計算得到，為0.047 m；空氣運動粘度ε設(shè)置為1.7894×10-5。計算可得Re=5253，大于 2320，因此認(rèn)為烘烤機裝煙室內(nèi)空氣流動狀態(tài)為湍流。本文采用半隱式SIMPLE算法和湍流模型進(jìn)行CFD數(shù)值計算[9]。

(1)控制方程。不可壓縮粘性流體的質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程：

(2)

(2.a)

(2.b)

(2.c)

式(1)、(2)中，u、v、w為速度矢量u在x、y、z軸方向上的投影量；τ為微元體表面的粘性應(yīng)力；ρ為流體作用在微元體上的壓力；ρ為密度；t為時間；Sx、Sy、Sz為廣義源項。

1:裝煙室；2：煙葉(上、下兩層)；3：回風(fēng)口；4：熱風(fēng)出風(fēng)口1: Tobacco chamber; 2: Tobacco (Two layers); 3: Return air outlet; 4: Hot air outlet

(2)湍流模型。本文中，湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，其中，k為湍流動能，ε為湍流脈動強度。標(biāo)準(zhǔn)模型的輸運方程：

(3.a)

(3.b)

(3)邊界條件。本文中，烘烤機上部熱風(fēng)出風(fēng)口處設(shè)置為速度入口，速度輸入假設(shè)為水平均勻分布，速度值設(shè)定為2 m/s；烘烤機下部回風(fēng)口處設(shè)置為壓力出口，出口處壓力設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；烘烤機箱體設(shè)置為壁面，熱通量為0。

2 結(jié)果與分析

受烘烤機裝煙室內(nèi)空間的限制，均風(fēng)板安裝位置已確定，影響均風(fēng)板均風(fēng)效果的因素只有2個：均風(fēng)孔孔徑和孔間距。為了使均風(fēng)板發(fā)揮良好的均風(fēng)作用，本文確定4種仿真方案，對比分析均風(fēng)板有無、不同孔徑及孔間距對烘烤機內(nèi)風(fēng)場分布的影響。仿真方案具體內(nèi)容如下。

(1)仿真方案1：不加均風(fēng)板，熱風(fēng)直接在裝煙室內(nèi)進(jìn)行循環(huán)。

(2)仿真方案2：加均風(fēng)板，均風(fēng)板上的均風(fēng)孔直徑為20 mm，孔間距為60 mm。

(3)仿真方案3：加均風(fēng)板，一半均風(fēng)板上的均風(fēng)孔直徑為10 mm，另一半均風(fēng)板上的均風(fēng)孔直徑為8 mm，孔間距均為20 mm。

(4)仿真方案4：加均風(fēng)板，一半均風(fēng)板上的均風(fēng)孔直徑為10 mm，另一半均風(fēng)板上的均風(fēng)孔直徑為8 mm，孔間距均為40 mm。

A:方案1; B:方案2;C:方案3; D:方案4A:Schemes 1; B:Schemes 2; C: Schemes 3; D: Schemes 4

A:方案1; B:方案2;C:方案3; D:方案4A:Schemes 1; B:Schemes 2; C: Schemes 3; D: Schemes 4

圖3所示為上述4種方案下、裝煙室內(nèi)的速度矢量圖。由圖可知當(dāng)裝煙室內(nèi)無均風(fēng)板時，大部分熱風(fēng)從出風(fēng)口流出后先直接吹向裝煙室后部，通過壁面反彈再流入煙葉中的縫隙中；當(dāng)加裝均風(fēng)板時，熱風(fēng)流經(jīng)前、后部的均風(fēng)孔時，直接流入均風(fēng)板下方的裝煙區(qū)域，沒有回流現(xiàn)象。

裝煙區(qū)域的風(fēng)速均勻性會對煙葉烘烤質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。在烘烤機縱向高度方向上，裝煙室內(nèi)各節(jié)點風(fēng)速如圖4所示，其中距底面150～1600 mm為裝煙區(qū)域(對應(yīng)圖4所示橫軸)。對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)均風(fēng)板孔徑為20 mm、孔間距為60 mm時，裝煙區(qū)域的風(fēng)速分布與無均風(fēng)板下的風(fēng)速情況基本相同；而當(dāng)均風(fēng)板孔徑減小至8～10 mm時，與方案1、方案2相比，對應(yīng)的裝煙區(qū)域風(fēng)速分布范圍有所縮小，風(fēng)速值有集中于某一水平的趨勢，說明在烘烤機高度方向上，裝煙區(qū)域上、下層的風(fēng)速均勻性有所改善。

由圖5可知，當(dāng)裝煙室內(nèi)無均風(fēng)板時，縱向中心面和縱向500 mm處的風(fēng)速值差別較大，最大差值達(dá)到0.3 m/s左右。同時，在烘烤機水平長度方向上，與方案2～4相比，裝煙室內(nèi)前部、后部風(fēng)速范圍波動較大。當(dāng)加裝孔徑為20 mm、孔間距為60 mm的均風(fēng)板時，縱向高度上的風(fēng)速差值有所減小，最大差值大約為0.2 m/s，但風(fēng)速分布在水平長度方向上有所改善。而與方案1、方案2相比，方案3、方案4對應(yīng)的縱向、水平風(fēng)速差值較小，說明這2種均風(fēng)板在烘烤機裝煙室內(nèi)上、下層和前、后部均達(dá)到了一定的均風(fēng)效果。

當(dāng)裝煙室內(nèi)加裝均風(fēng)板時，均風(fēng)板上方會形成保壓層。如圖6(a)所示，當(dāng)無均風(fēng)板時，裝煙室上方最高壓力大約為7.5 Pa；當(dāng)加裝方案2～3對應(yīng)的均風(fēng)板時，均風(fēng)板上方最高壓力增大至10～12.5 Pa；當(dāng)加裝方案4對應(yīng)的均風(fēng)板時，均風(fēng)板上方最高壓力增大至22.5～25 Pa，保壓效果較好。這說明，當(dāng)均風(fēng)孔孔徑較大，或孔徑一致且孔間距過小時，均會降低保壓效果。如圖7所示，與方案2、方案3相比，當(dāng)孔徑為8～10 mm、孔間距為40 mm時，在烘烤機長度方向上的均風(fēng)孔風(fēng)速波動最平穩(wěn)，因而均風(fēng)效果最好。

3 討 論

與標(biāo)準(zhǔn)密集烤房相似，氣流分布均勻性是衡量氣流下降式煙葉模擬烘烤機烘烤性能的重要指標(biāo)，但目前未有針對烘烤機裝煙室內(nèi)氣流分布的相關(guān)研究。本文為探究均風(fēng)板能否提升烘烤機的氣流分布均勻性，基于計算流體力學(xué)軟件FLUENT，設(shè)計了4種仿真方案，分別對加裝均風(fēng)板前后、加裝不同均風(fēng)板后的烘烤機裝煙室內(nèi)氣流情況進(jìn)行了數(shù)值模擬和對比分析，所建模型均為裝煙狀態(tài)。研究結(jié)果表明，為解決烘烤機存在的氣流不均問題，可以考慮通過加裝均風(fēng)板來解決，且均風(fēng)板結(jié)構(gòu)設(shè)計可按照均風(fēng)孔徑為8～10 mm、孔間距為40 mm來設(shè)計。本文未考慮煙葉孔隙率的變化情況，仿真模型參數(shù)均按照穩(wěn)態(tài)處理。為能更準(zhǔn)確地模擬烘烤機裝煙室內(nèi)氣體流動狀態(tài)，考慮煙葉變孔隙率的烘烤機氣流分布的數(shù)值模擬有待進(jìn)一步深入研究。

A:方案1; B:方案2;C:方案3; D:方案4A:Schemes 1; B:Schemes 2; C: Schemes 3; D: Schemes 4

A:方案1; B:方案2;C:方案3; D:方案4A:Schemes 1; B:Schemes 2; C: Schemes 3; D: Schemes 4

4 結(jié) 論

本文以氣流下降式煙葉模擬烘烤機為研究對象，建立了裝煙狀態(tài)下的烘烤機物理模型和氣流數(shù)學(xué)模型，對加裝均風(fēng)板前后、不同規(guī)格均風(fēng)板下的烘烤機裝煙室內(nèi)氣流分布進(jìn)行了數(shù)值模擬與對比分析。結(jié)果表明：①均風(fēng)板能夠改善試驗烤機裝煙區(qū)域的風(fēng)速均勻性；②均風(fēng)孔孔徑和孔間距越大，或均風(fēng)孔孔徑一定，孔間距過小，都會導(dǎo)致風(fēng)板上方保壓效果越差，均風(fēng)效果越不明顯；③孔徑為8～10 mm、孔間距為40 mm的均風(fēng)板均風(fēng)效果較好，其規(guī)格可作為本文研究中烘烤機均風(fēng)板的設(shè)計依據(jù)。

A:方案2; B:方案3;C:方案4A:Schemes 2; B:Schemes 3; C: Schemes 4