煙葉烘烤定色期密集烤房熱濕環(huán)境數(shù)值分析

劉兆宇，陳 頤，羅會龍*，查文菊，鄒聰明，張留臣，陳 峰，劉忠華

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南省煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，云南 昆明 650031；3.云南省煙草公司曲靖市公司，云南 曲靖 655000；4.云南省煙草公司，云南 昆明 650031)

【研究意義】密集烤房具有裝煙容量大，烘烤效率高，烘烤后煙葉質(zhì)量較好等優(yōu)點[1]。進入21世紀后，隨著中國烤煙規(guī)?；a(chǎn)的發(fā)展，目前在國內(nèi)密集烤房已成為煙葉烘烤設(shè)備發(fā)展的主要方向[2]。烤煙烘烤定色期是烘烤過程中煙葉失水速率最快，失水量最多的時期，也是煙葉品質(zhì)形成的最重要時期之一[3-4]。然而在烘烤定色期，由于密集烤房內(nèi)部溫濕度分布不均勻，不但影響煙葉烘烤質(zhì)量，同時增加不合格烤煙數(shù)量[5]。因此，研究烤煙定色期密集烤房內(nèi)溫濕度分布有著重要意義?！厩叭搜芯窟M展】近年來，計算流體力學(xué)(CFD)及其商業(yè)軟件Fluent已廣泛應(yīng)用于流體流動和傳熱的數(shù)值模擬研究中[6-7]。賈鶴鳴與趙國強等[8-9]利用Fluent軟件對微型植物工廠的溫、濕度場及優(yōu)化進行了研究。劉馥瑜等[10]利用Fluent軟件進行了文丘里管穩(wěn)流性能數(shù)值模擬。梁文俊等[11]利用Fluent軟件進行整體式催化反應(yīng)系統(tǒng)降解甲苯的模擬。隨著計算流體力學(xué)的發(fā)展，F(xiàn)luent軟件在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中日益增多。敖尚民[12]利用Fluent軟件進行人參烘干房中氣流組織及溫度場的模擬研究?；舳鈁13]利用Fluent軟件對菊花烘干室內(nèi)氣流組織進行模擬與優(yōu)化研究。段二亞[14]利用Fluent軟件對糧食干燥過程進行了數(shù)值模擬。【本研究切入點】煙葉密集烘烤，通過實驗來研究烤房內(nèi)部熱濕環(huán)境既浪費人力、物力，也加大生產(chǎn)成本的投入，由于烤房空間較大，實驗測試點較多，對煙農(nóng)裝煙和卸煙操作帶來極大的不便。運用Fluent軟件進行數(shù)值模擬研究有著廣闊的應(yīng)用前景，可以較為精確的分析密集烤房內(nèi)部溫、濕度場及氣流組織分布規(guī)律，可為提高密集烤房內(nèi)部溫、濕度分布的均勻性和可靠性提供理論依據(jù)。目前該領(lǐng)域主要集中在對溫度分布和氣流組織的研究，對濕度場分布研究較少，未充分考慮氣流組織和溫、濕度場之間的相互影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】在此背景下，運用大型模擬軟件Fluent，對烘烤定色期密集烤房內(nèi)部的溫、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 裝煙室物理模型

模型根據(jù)國家煙草總局的氣流下降式標準烤房建立，其尺寸為8200 mm×2700 mm×3500 mm。裝煙室可裝三層煙葉。進風(fēng)口尺寸為2700 mm×400 mm，出風(fēng)口尺寸為1400 mm×400 mm，裝煙室結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 裝煙室結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of smoke chamber

1.2 數(shù)學(xué)模型

密集烤房內(nèi)部的氣流組織不斷變化，伴隨著裝煙室煙葉的水分不斷蒸發(fā)，水蒸氣隨著烤房內(nèi)部氣流運動，并且涉及到熱量傳遞和質(zhì)量傳遞過程。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[15-17]。

①質(zhì)量守恒方程：

(1)

其中，ρ為流體的密度，kg/m3;t為時間，s；u，v，w為空間中對應(yīng)X、Y和Z軸3個方向的速度分量，m/s;SM為水蒸氣的質(zhì)量源項，kg/(m3·s)。

②動量守恒方程：

(2)

(3)

(4)

其中，u為速度向量，m/s;ρ為壓力，Pa；μ為流體的動力粘度，kg/(m·s);Si(i=u,v,w)分別代表X，Y和Z方向上對應(yīng)的動量源項，N/m3。動量源項表示氣流經(jīng)過煙葉時所受到的粘性阻力和慣性阻力。

(5)

其中，i=u，v，w;|v|是i速度值的大小，D和C為規(guī)定的矩陣。

③能量守恒方程:

(6)

其中，T為溫度，K；CP為比熱容，J/(kg·K);λ為流體的傳熱系數(shù)，W/(m·K)；ST為流體流經(jīng)煙葉時受到粘性阻力作用而產(chǎn)生的熱量，W/m3。當(dāng)熱空氣經(jīng)過煙葉區(qū)域時，能量守恒方程可以表述為：

(7)

Keff=εKf+(1-ε)KS

(8)

1.3 模型建立及參數(shù)設(shè)置

1.3.1 網(wǎng)格劃分 根據(jù)裝煙室原型，采用3D建模軟件Space Claim建立烤房裝煙室模型，網(wǎng)格模型如圖2所示。用Fluent前處理軟件ICEM進行網(wǎng)格劃分，考慮到烤房裝煙室比較規(guī)則，為了減少計算量，使殘差更容易收斂，用Blocking對模型進行切分后，選用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為167 994，網(wǎng)格質(zhì)量為1，滿足模擬要求，網(wǎng)格模型如圖2所示。

1.3.2 邊界條件及參數(shù) 為了簡化計算量，做出以下假設(shè)：①烤房內(nèi)的空氣為不可壓縮的理想氣體；②將烤房內(nèi)的煙葉視為連續(xù)的多孔介質(zhì)，在煙葉堆積區(qū)域定義為層流運動，忽略湍流運動的影響；③煙葉固體骨架之間的導(dǎo)熱和煙葉間的輻射傳熱所占比例較小，忽略該部分傳熱，換熱過程中僅考慮對流換熱。邊界條件及參數(shù)設(shè)置見表1。

圖2 裝煙室網(wǎng)格模型Fig.2 Mesh model of smoke chamber

1.3.3 計算模型及求解運算 將網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent中，F(xiàn)luent會對網(wǎng)格文件進行初始檢查，確保生成的網(wǎng)格中沒有負體積。根據(jù)烤房裝煙室模型，湍流模型采用K-epsilon(2 eqn)進行計算，空氣與水蒸汽的混合氣體采用組分運輸模型(Species Transport)，對壓力-速度的耦合方程求解采用SIMPLE算法，選用絕對速度來計算空氣的流速。

2 結(jié)果與分析

2.1 裝煙室氣流場分布及分析

為研究裝煙室內(nèi)氣流分布，選取Y=0 m截面的速度分布云圖，由圖3-a可知，熱氣流在進風(fēng)口風(fēng)機作用下進入裝煙室后迅速向頂部區(qū)域擴散，氣流紊流現(xiàn)象十分明顯。受重力影響，熱氣流進入煙葉堆積區(qū)域，由于多孔介質(zhì)的粘性阻力和慣性阻力作用，熱氣流動能損失較大，風(fēng)速迅速減小，葉間風(fēng)速在0.29 m/s左右。煙葉堆積區(qū)域的氣流在進出口壓差作用下，向出風(fēng)口方向流動，通過煙葉堆積區(qū)域后，不再受到煙葉阻礙，動能迅速增大，因此在裝煙室底部出現(xiàn)遞增的錐形速度梯度，最大風(fēng)速達到9.9 m/s左右。為觀察煙葉堆積區(qū)域氣流組織運動，選取Y=0截面的速度矢量分布圖，矢量箭頭疏密程度代表氣流組織的強弱，不同顏色代表氣流速度大小。由圖3-b可知，煙葉堆積區(qū)域的氣流組織分布總體上比較均勻，在裝煙室前部靠墻一側(cè)和大門底部區(qū)域的氣流組織相對較弱且流動不規(guī)則，墻角位置附近有渦流現(xiàn)象產(chǎn)生。

a為速度分布云圖；b為速度矢量分布圖a was velocity distribution cloud map;b was velocity vector distribution diagram圖3 截面風(fēng)速分布(Y=0 m)Fig.3 Sectional wind speed distribution (Y=0 m)

a為截面溫度分布云圖(Y=0 m)；b為水平面溫度分布云圖(Z=0.8 m，Z=1.6 m，Z=2.4 m)；c為豎直面溫度分布云圖(X=1.5 m，X=4.1 m，X=6.7 m)a was cross section temperature distribution nephogram(Y=0 m);b was horizontal temperature distribution cloud map(Z=0.8 m，Z=1.6 m，Z=2.4 m)；c was cloud map of vertical surface temperature distribution (X=1.5 m,X=4.1 m,X=6.7 m)圖4 裝煙室溫度場分布Fig.4 Temperature field distribution in smoke chamber

2.2 裝煙室溫度場分布及分析

選取裝煙室內(nèi)不同位置代表性截面的溫度場分布云圖進行分析。由圖4-a可知，裝煙室內(nèi)水平方向上的溫度分布相對豎直方向較均勻，水平方向溫度梯度變化主要集中在裝煙室前部位置，而在中、下層煙葉區(qū)域，豎直方向溫度分布變化明顯。由圖4-b可知，由于中、上層煙葉區(qū)域氣流組織較強，熱空氣伴隨著氣流組織與煙葉進行對熱換流，形成大面積高溫區(qū)域，同時熱氣流穿過中、上層煙葉區(qū)域后，熱量損失較大，因此上層煙葉區(qū)域溫度最高，下層最低，在煙葉堆積區(qū)域由上到下水平面溫度梯度變化逐漸增大。同時裝煙室轉(zhuǎn)角處氣流組織極弱，受熱空氣影響較小，形成低溫區(qū)域，除此以外，水平面平均最大溫差為1.5 ℃。由圖4-c可知，裝煙室中部溫度高于前部，后部區(qū)域溫度梯度變化較明顯，豎直面平均最大溫差為3.6 ℃。由于裝煙室前、后部氣流組織相對較弱且流動不規(guī)則，區(qū)域內(nèi)的熱濕空氣無法迅速被氣流組織帶走，損失熱量的熱空氣無法及時被新的熱空氣替換，因此出現(xiàn)溫度分布不均勻現(xiàn)象。

2.3 裝煙室濕度場分布及分析

由圖5可知，裝煙室內(nèi)濕度場分布受氣流組織影響較大，垂直方向和水平方向上相對濕度梯度分布明顯，進風(fēng)口區(qū)域相對濕度最低，大門一側(cè)底部區(qū)域相對濕度最高。出風(fēng)口區(qū)域由于氣流速度較高，附近的水蒸氣能夠被快速排出，因而水蒸氣含量相對較低，同時由圖4-a截面溫度分布云圖可知，回風(fēng)口溫度較高有利于此處的水蒸氣揮發(fā)，從而降低相對濕度。雖然模型中充分考慮了水蒸氣的浮升力，但模擬結(jié)果中水蒸氣的上升運動并不明顯，由圖3-b速度矢量圖可知，可能是由于室內(nèi)氣流的流動減弱了這種效果，氣流組織強度遠大于水蒸氣的浮力，時大門一側(cè)底部區(qū)域氣流組織極弱，伴隨氣流運動的水蒸氣在該區(qū)域滯留，無法及時排出，導(dǎo)致該區(qū)域相對濕度達62%。濕度場整體分布不均勻，中層和上層間的相對濕度差小于中層和下層，豎直面最大濕度差在6.8%左右，水平相對濕度差先增大后減小，最大濕度差在13.6%左右。因此可以針對裝煙室進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

X=1.5 m，X=4.1 m，X=6.7 m，Y=0 m圖5 裝煙室相對濕度分布Fig.5 Relative humidity distribution of smoke chamber

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果與實驗測試對比分析

2.4.1 傳感器布置 在裝煙室內(nèi)合理選取18個監(jiān)測點，其中監(jiān)測點1～6位于上層煙葉區(qū)域Z1=2.4 m平面，監(jiān)測點7～12位于中層煙葉區(qū)域Z2=1.6 m平面，監(jiān)測點 13～18位于下層煙葉區(qū)域Z3=0.8 m平面，監(jiān)測點對稱分布，監(jiān)測點布置圖如圖6所示。

2.4.2 模擬結(jié)果對比驗證 由表2可以看出，裝煙室內(nèi)模擬值與各監(jiān)測點實測值溫度場分布規(guī)律基本相同，除監(jiān)測點9、17以外，總體上絕對誤差小于2 ℃，裝煙室后部下層煙葉區(qū)域模擬值與實測值誤差相對較大，其余監(jiān)測點相對誤差基本在4%以內(nèi)，整體平均絕對誤差為1.1 ℃，平均相對誤差為2.3%，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果擬合較好。

結(jié)合表3可知，裝煙室內(nèi)各監(jiān)測點處相對濕度模擬值與實測值變化趨勢基本一致，裝煙室后部中、下層煙葉區(qū)域模擬值較實測值偏高，整體平均相對誤差為9.1%，擬合效果良好。

圖6 溫、濕度傳感器布置Fig.6 Temperature and humidity sensor layout

數(shù)值模擬結(jié)果與實驗測試之間存在著差異，上層煙葉區(qū)域模擬值比較接近實測值，裝煙室中、后部區(qū)域誤差相對較大，裝煙室內(nèi)模擬值與實測值的溫、濕度場總體分布趨勢基本一致。模擬值與實測值對比分析的結(jié)果表明，數(shù)值模擬可以較為有效的分析密集烤房內(nèi)部溫、濕度場，因此所建立的CFD模型有效。

表2 溫度模擬值與實測值

表3 相對濕度模擬值與實測值比較

2.5 進風(fēng)口風(fēng)速對葉間氣流組織的影響

2.5.1 進風(fēng)口風(fēng)速與葉間風(fēng)速的關(guān)系 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[19]。而流速過慢則會影響煙葉的干燥速度，降低烘烤效率。煙葉風(fēng)速與進風(fēng)口風(fēng)速之間存在一定的聯(lián)系，以實驗研究葉間風(fēng)速的變化規(guī)律較困難，而用數(shù)值模擬的方式可以比較容易得到葉間風(fēng)速變化規(guī)律，使用有效的CFD模型，僅改變送風(fēng)參數(shù)進行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖7所示。葉間風(fēng)速隨進風(fēng)口風(fēng)速增大而增大，但變化幅度較小。宮長榮[20]和王勇軍[21]研究表明，定色期葉間風(fēng)速應(yīng)在0.2～0.32 m/s左右比較合適，因此適宜的進風(fēng)口風(fēng)速宜在3.2～4.2 m/s。

圖7 葉間風(fēng)速與進風(fēng)口風(fēng)速關(guān)系Fig.7 The relationship between wind speed between blades and air inlet wind speed

2.5.2 進風(fēng)口風(fēng)速對進出口壓差的影響 進風(fēng)口與出風(fēng)口的壓差是提供裝煙室內(nèi)熱空氣流動的主要動力，也是將裝煙室內(nèi)水蒸氣排出室外的主要動力。不同的進口風(fēng)速和進出口壓差存在著內(nèi)在的聯(lián)系，為了研究兩者的聯(lián)系，使用同樣的方法，模擬結(jié)果如圖8所示。隨著進風(fēng)口風(fēng)速的增加，壓差呈指數(shù)上升趨勢。當(dāng)進風(fēng)口風(fēng)速V≤3.5 m/s時，隨著進口風(fēng)速的增加，壓差增幅相對較小。而隨著壓差增加，裝煙室內(nèi)氣流組織增強，能有效提高裝煙室內(nèi)溫、濕度分布的均勻性。當(dāng)進風(fēng)口風(fēng)速V≥3.5 m/s時，隨著進風(fēng)口風(fēng)速增加，壓差迅速增大，同時風(fēng)機能耗也將迅速增加，考慮到風(fēng)機能耗，適宜的進風(fēng)口風(fēng)速宜在3.5～4.2 m/s選取。

圖8 進風(fēng)口風(fēng)速與進出口壓差關(guān)系Fig.8 Inlet wind speed and pressure difference between inlet and outlet

3 討 論

根據(jù)標準密集烤房熱濕環(huán)境的數(shù)值模擬結(jié)果可知，在標準烘烤工藝下裝煙室內(nèi)部熱濕環(huán)境及氣流組織分布不合理，同時相關(guān)研究表明，煙葉烘烤的關(guān)鍵指標是合理的烘烤溫度與氣流組織分布[22]，在合理的溫度下，煙葉失水速率直接影響了還原糖、總氨基酸含量[23]。而葉間風(fēng)速是衡量裝煙室內(nèi)氣流組織合理性的重要指標，宮長榮[24]等研究表明，密集烤房三層裝煙時，葉間風(fēng)速在 0.2～0.4 m/s 較為適宜。風(fēng)速大時，烤后煙葉顏色趨于檸檬黃，香氣淡，辛辣味重，刺激性大；風(fēng)速小時，烤后煙葉顏色較深，香氣和吃味濃郁[25]。

不同進風(fēng)口風(fēng)速會影響烤房內(nèi)氣流組織分布、以及烤房的溫濕度變化，同時不同的葉間風(fēng)速也會影響煙葉水分排除的快慢。因此在不同階段采取合適的進風(fēng)速度，有利于煙葉內(nèi)的淀粉、蛋白質(zhì)、葉綠素、類胡蘿卜素等大分子物質(zhì)充分降解，為煙葉提供更多的致香物質(zhì)及香氣前體物質(zhì)[26]，從而提高煙葉烤后質(zhì)量。

4 結(jié) 論

基于定色期密集烤房內(nèi)的熱濕傳遞及氣流組織數(shù)學(xué)模型，采用Fluent對密集烤房裝煙室內(nèi)溫度場、速度場、濕度場進行系統(tǒng)的分析。

(1)溫、濕度數(shù)值模擬結(jié)果與實驗實測結(jié)果擬合良好，表明采用數(shù)值模擬方式替代實驗研究是可行的，建立的CFD模型有效。

(2)標準密集烤房存在溫、濕度場分布不均勻的情況，裝煙室內(nèi)氣流組織與溫、濕度場之間互相影響。

(3)依據(jù)有效的CFD模型，綜合考慮合理的風(fēng)機能耗和葉間風(fēng)速，進風(fēng)口風(fēng)速宜在3.5～4.2 m/s選取。