煙葉烘烤干筋期密集烤房熱濕環(huán)境數(shù)值分析

劉兆宇　羅會龍　陳頤　鄒聰明

摘要：以標準密集烤房為對象，建立計算流體力學(xué)（CFD）模型，運用大型模擬軟件（Fluent），對烘烤干筋期密集烤房內(nèi)部的溫度場、濕度場及氣流組織進行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬?；跀?shù)值模擬結(jié)果，分析了密集烘烤典型送風參數(shù)下溫度場、濕度場、氣流組織分布的規(guī)律及進風口風速與煙葉間隙風速的關(guān)系。綜合考慮風機能耗、葉間風速，進風口風速宜選取2.2～3m/s。

關(guān)鍵詞：煙葉;干筋期;數(shù)值模擬;溫度場;風速場;濕度場;密集烤房

中圖分類號：TS43文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2021）01-0160-06

作者簡介：劉兆宇（1996—），男，湖南邵東人，碩士研究生，主要從事熱泵烘烤及建筑節(jié)能相關(guān)研究。E-mail：zhaoyuliu123@163.com。

通信作者：羅會龍，博士，教授，主要從事熱泵烘烤及建筑節(jié)能相關(guān)研究。E-mail：huilongkm@126.com。

進入21世紀后，隨著我國烤煙規(guī)?；a(chǎn)的發(fā)展，密集烤房在我國已成為煙葉烘烤設(shè)備主要的發(fā)展方向[1-2]?？緹熀婵靖山钇谑菬熑~主脈水分變化的主要階段，同時也是煙葉香氣物質(zhì)含量和組分變化的關(guān)鍵階段[3-6]。在烘烤干筋期，密集烤房內(nèi)合理的溫度、濕度可以有效提高煙葉烤后的外觀質(zhì)量，進而提高煙葉烘烤品質(zhì)[7]，同時干筋期不同的葉間風速對烤后煙葉的香氣品質(zhì)有直接影響[8-9]。因此，研究烤煙干筋期密集烤房內(nèi)溫度、濕度分布及氣流組織分布有著重要意義。

近年來，隨著計算流體力學(xué)（CFD）的發(fā)展，其商業(yè)軟件Fluent已廣泛應(yīng)用于流體和熱量傳遞的數(shù)值模擬研究中[10-11]。高維潔等利用Fluent軟件對列管式換熱器性能校核的方法進行了研究[12]。趙海霞等利用Fluent軟件對霧化器霧滴粒徑進行了數(shù)值模擬[13]。方文康等利用Fluent軟件研究了多溫區(qū)保溫包裝箱不同條件對保溫箱內(nèi)部溫度場及保溫效果的影響[14]。隨著計算流體力學(xué)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，F(xiàn)luent軟件在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用也日益增多。徐陽等利用Fluent軟件對水草收割臺進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化[15]。王娟等利用Fluent對飼草料揉碎機的三維流場進行了數(shù)值模擬[16]。段二亞利用Fluent對糧食干燥過程進行了數(shù)值模擬研究[17]。

對于煙葉密集烘烤，通過試驗來研究烤房內(nèi)部熱濕環(huán)境不僅浪費人力、物力，還大大地增加了生產(chǎn)成本，因此運用Fluent軟件進行數(shù)值模擬研究有著廣闊的應(yīng)用前景，可以較為精確地分析密集烤房內(nèi)部溫度場、濕度場及氣流組織分布規(guī)律，為最佳的烘烤工藝提供理論依據(jù)。在此背景下，本研究運用大型模擬軟件Fluent，對烘烤干筋期密集烤房內(nèi)部的溫度場、濕度場及氣流組織進行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬分析。

1材料與方法

1.1基本假設(shè)

（1）烤房內(nèi)的空氣為不可壓縮的理想氣體;（2）烤房的結(jié)構(gòu)密封性良好，沒有漏風現(xiàn)象產(chǎn)生;（3）將烤房內(nèi)的煙葉視為連續(xù)的多孔介質(zhì)，流體在煙葉區(qū)域定義為層流運動，忽略湍流運動的影響;（4）忽略煙葉骨架間的導(dǎo)熱和葉間的輻射傳熱作用，換熱過程中僅涉及對流換熱。

1.2裝煙室物理模型

根據(jù)國家煙草總局Q/GDYY019—2011《密集式烤房建設(shè)技術(shù)規(guī)范》建立模型，其尺寸為8200mm×2700mm×3500mm，裝煙室可裝3層煙葉，進風口尺寸為2700mm×400mm，出風口尺寸為1400mm×400mm，裝煙室結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.3數(shù)學(xué)模型

任何流體的流動都遵守質(zhì)量守恒定律與動量守恒定律，由于裝煙室內(nèi)的熱空氣流不斷與煙葉中的水分發(fā)生熱質(zhì)交換，密集烤房內(nèi)的熱濕傳遞及氣流組織的數(shù)學(xué)模型如下[18-20]：

1.4模型建立及參數(shù)設(shè)置

1.4.1網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分見圖2。根據(jù)裝煙室原型，以出風口底邊中點為原點建立坐標軸，采用3D建模軟件SolidWorks建立烤房裝煙室模型，使用Fluent前處理軟件ICEM進行網(wǎng)格劃分，為了加快運算速度，使殘差更容易收斂，選用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為162360，網(wǎng)格質(zhì)量為1，滿足模擬精度要求。

1.4.2邊界條件進風口設(shè)置為“velocity-inlet”，水蒸氣組分為0;出風口設(shè)置為“pressure-outlet”，設(shè)置工作環(huán)境大氣壓為1個標準大氣壓，出風口壓力為0;裝煙室壁面設(shè)置為“wall”，壁面條件設(shè)置為絕熱。

1.4.3Fluent參數(shù)的設(shè)置將網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent中，F(xiàn)luent會對網(wǎng)格文件進行初始化檢查，最小體積為1.228069×10-4m3，沒有出現(xiàn)負體積。根據(jù)烤房裝煙室模型，湍流模型選用K-epsilon（2eqn）方程，離散控制方程選用SIMPLE算法，設(shè)置絕對速度來計算空氣的流速。

2結(jié)果與討論

2.1裝煙室氣流場分布及分析

在目前典型的送風條件下（送風溫度T進=340K，進風口風速v進=3m/s，相對濕度=0），截取y=0m截面的速度分布云圖。由圖3-a可知，在裝煙室頂部和底部有明顯的速度梯度變化，熱氣流以3m/s的初速度進入裝煙室后，迅速充滿裝煙室頂部區(qū)域，呈現(xiàn)出由裝煙室前部到后部遞減的錐形速度梯度，熱氣流到達裝煙室后部時，速度減至0.85m/s左右，而在裝煙室底部呈現(xiàn)出由裝煙室后部到前部遞增的錐形速度梯度，當熱氣流到達出風口附近時，氣流速度最大，為7.08m/s左右。在煙葉堆積區(qū)域，氣流速度最小，同時葉間風速分布均勻，氣流速度為0.28m/s，但在上、中層煙葉和中、下層煙葉層間水平方向上出現(xiàn)了明顯的速度變化，上、中層間速度變化在0.28～0.56m/s，中、下層間速度變化為0.28～0.85m/s。為了更加直觀地觀察煙葉堆積區(qū)域的氣流組織分布，設(shè)置如圖3-b所示的速度矢量圖，矢量箭頭的大小表示氣流組織的強弱。在煙葉堆積區(qū)域，氣流組織整體分布較為均勻，氣流朝著出風口方向運動，但裝煙室前部的氣流組織強度要明顯大于裝煙室后部，并且靠近大門底部的區(qū)域氣流組織十分微弱。

本研究分析認為熱空氣進入裝煙室后，由于上層煙葉的阻礙作用，氣流在裝煙室頂部水平流動，隨著熱氣流動能損失，流速逐漸減小，所以頂部呈現(xiàn)遞減的錐形速度梯度。熱空氣進入煙葉堆積區(qū)域后進行層流運動，同時受到煙葉的黏性阻力和慣性阻力作用，所以煙葉堆積區(qū)域風速較均勻。在進出口的壓差作用下，出風口處出現(xiàn)遞增的錐形速度梯度，并且速度變化較大。

2.2裝煙室溫度場分布及分析

在目前典型的送風條件下（送風溫度T進=340K，進風口風速v進=3m/s，相對濕度=0），截取Y=0m截面的溫度分布云圖，由圖4可知，裝煙室頂部和上層煙葉區(qū)域溫度分布均勻，溫度為339.96～340.00K，中層煙葉區(qū)域至下層煙葉區(qū)域溫度梯度變化較大，且溫度向裝煙室底部遞減，裝煙室底部溫度較低，最低溫度出現(xiàn)在裝煙室大門底部區(qū)域，溫度為339.30～339.40K。

為了更直觀地看出水平方向不同位置上的溫度分布情況，本研究截取z=0.8m、z=1.6m、z=2.4m3[CM（15]個截面上的溫度分布云圖。由圖5-a可知，在上層煙葉區(qū)域，水平方向上整體溫度分布較為均勻，但在前部出現(xiàn)了輕微的溫度分層，該部分溫度為339.93K左右，水平方向上最大溫差為0.03K。由圖5-b可知，在中層煙葉區(qū)域，前部小范圍區(qū)域出現(xiàn)了溫度分層現(xiàn)象，在中后部位置更加明顯，水平方向上最大溫差為0.1K左右。由圖5-c可知，在下層煙葉區(qū)域，水平方向上的溫度分布不均勻，且出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，且溫度由前部向后部遞減，最高溫度出現(xiàn)在最前端中間位置，溫度為339.80K左右，最低溫度出現(xiàn)在最前端左右2個角落處，最低溫度為339.30K左右，水平方向上最大溫差為0.50K左右。

為了研究在不同位置垂直方向上的溫度分布，截取x=2.0m、x=4.0m、x=6.0m這3個截面的溫度分布云圖。由圖6可知，在裝煙室內(nèi)不同的位置，上層煙葉區(qū)域的垂直溫度分布較為均勻，基本沒有溫度變化，溫度為339.96K左右。但在中層和下層煙葉區(qū)域，隨著位置的改變，在垂直方向上的溫度梯度有較為明顯的差異。由圖6-a可知，裝煙室前部（靠近出風口一側(cè)）垂直方向上的溫度梯度較均勻，溫度由上到下均勻遞減，底部溫度為339.40K左右，最大溫差為0.56K左右。由圖6-b可知，裝煙室中部垂直方向上的溫度梯度在中層煙葉區(qū)域較為均勻，但在中、下層煙葉交界區(qū)域溫度梯度與裝煙室前部相比變化較大，并且底部低溫區(qū)域占比與裝煙室前部相比有所增加，底部最低溫度為339.38K左右，垂直方向上最大溫差為0.58K左右。由圖6-c可知，裝煙室后部垂直方向上的溫度梯度變化最大，并且底部的低溫區(qū)域占比較裝煙室前部和中部出現(xiàn)明顯增大，約占垂直平面的1/5左右，最低溫度為339.35K左右，垂直方向上最大溫差為0.61K左右。

本研究分析認為，烘烤過程中在循環(huán)風機的作用下，熱空氣流過煙葉區(qū)域，將熱量傳遞給煙葉，并帶走煙葉干燥過程中蒸發(fā)出的水分，使得煙葉區(qū)域的熱濕空氣被新的熱濕空氣替代;同時由于氣流組織分布不均勻，導(dǎo)致裝煙室內(nèi)水平方向和垂直方向出現(xiàn)溫度梯度，裝煙室前部的氣流組織明顯大于裝煙室后部;因此裝煙室前部區(qū)域內(nèi)的熱濕空氣能夠迅速被氣流組織帶走，使得該區(qū)域溫度分布更加均勻，由于裝煙室后部氣流組織十分微弱，滯留的熱空氣不能及時被新的熱空氣所替代，溫度逐漸降低，因此出現(xiàn)較大范圍的低溫區(qū)域。

2.3裝煙室濕度場分布及分析

在目前典型的送風條件（送風溫度T進=340K，進風口風速v進=3m/s，相對濕度=0）下，截取x=2.0m、x=6.0m、y=0m、z=1.6m4個代表性的截面組成水蒸氣分布圖（圖7）。由圖7可知，在裝煙室頂部及上層煙葉區(qū)域水蒸氣含量極小，水蒸氣質(zhì)量分數(shù)為0～0.0003，但在進風口下部

[FK（W36*3][TPLZY6.TIF][FK）]

區(qū)域含有少量水蒸氣，水蒸氣質(zhì)量分數(shù)為0.0014左右。在中層煙葉區(qū)域，裝煙室前部水蒸氣含量略低于后部，但整體分布較為均勻，水蒸氣質(zhì)量分數(shù)為0.0011左右。在下層煙葉區(qū)域，水蒸氣分布相對最不均勻，裝煙室前部水蒸氣質(zhì)量分數(shù)為0.0014左右，裝煙室后部水蒸氣質(zhì)量分數(shù)為0.0027左右。在裝煙室底部區(qū)域水蒸氣含量最高，并且由裝煙室出風口至大門方向逐漸增大，在大門底部區(qū)域水蒸氣含量最大，水蒸氣質(zhì)量分數(shù)為0.0038左右。

本研究分析認為，裝煙室前部的氣流組織較強，因此熱空氣與煙葉熱交換后蒸發(fā)出的水蒸氣被氣流組織迅速帶走，因此裝煙室前部的水蒸氣含量少于后部。煙葉堆積區(qū)域蒸發(fā)的水蒸氣跟隨氣流組織運動，上層煙葉蒸發(fā)的水蒸氣跟隨氣流向下層運動，所以下層水蒸氣含量要高于上層，同時由于裝煙室前部到后部的氣流組織逐漸減弱，一部分水蒸氣受慣性作用影響滯留在裝煙室底部，在壓差作用下，底部出現(xiàn)遞增的速度梯度，靠近出風口一側(cè)的滯留水蒸氣隨著氣流組織向出風口運動，因此底部區(qū)域水蒸氣含量較高，并且該區(qū)域占比由出風口一側(cè)向裝煙室后部逐漸增大。

3進風口風速與煙葉間隙風速的關(guān)系

3.1進風口風速對進出口壓差的影響

裝煙室進風口與出風口形成的壓差是裝煙室內(nèi)氣流組織流動的動力來源，為了研究兩者的聯(lián)系，在Fluent軟件中改變?nèi)肟谒俣群拖鄬?yīng)的邊界條件參數(shù)進行模擬。由圖8可知，隨著進風口風速的增加，壓差呈指數(shù)上升趨勢。當進風口風速v≤3m/s時，隨著進口風速的增加，壓差緩慢上升，隨著壓差增大，裝煙室內(nèi)氣流組織增強，能有效提高裝煙室內(nèi)的溫度、濕度分布的均勻度。當進風口風速v>3m/s時，隨著進風口風速增加，壓差急劇上升，雖然氣流組織明顯增強，但風機能耗也將隨之上升。

3.2進風口風速對煙葉間隙風速的影響

煙葉間隙的氣流流速決定了水分從煙葉內(nèi)部散失的速度，流速過大會增加相同時間內(nèi)的能源消

耗，使烤后煙葉香氣淡，辛辣味重，刺激性大[6];而流速過慢則會影響煙葉的干燥速度，降低烘烤效率。采用“3.1”節(jié)中相同的方式進行數(shù)值模擬。由圖9可知，隨著進風口風速的增加，葉間風速線性增加，并且葉間風速變化幅度較小。宮長榮等指出，煙葉烘烤干筋期葉間風速以0.2～0.3m/s為宜[21]，根據(jù)模擬結(jié)果，其對應(yīng)的進風口風速為2.2～3.2m/s，綜合考慮風機能耗，進風口風速宜在2.2～3m/s之間選取。

4結(jié)論

基于干筋期密集烤房內(nèi)的熱濕傳遞及氣流組織數(shù)學(xué)模型，采用Fluent軟件對密集烤房裝煙室內(nèi)溫度場、速度場、濕度場進行系統(tǒng)分析，模擬結(jié)果表明：

（1）在裝煙室內(nèi)溫度場、速度場和濕度場三者在同一個位置的分布是相互關(guān)聯(lián)的。

（2）進風口風速與煙葉間隙風速呈線性關(guān)系，并且煙葉風速變化受進風口風速影響較小。

（3）綜合考慮風機能耗和葉間風速，進風口風速宜在2.2～3m/s之間選取。

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