煙葉烤房變孔隙率熱流數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

郭澤華，曹陽，劉典

（550025 貴州省 貴陽市 貴州大學(xué) 機械工程學(xué)院）

0 引言

煙葉烘烤是煙草生產(chǎn)流程中至關(guān)重要的一環(huán)。作為煙葉烘烤的關(guān)鍵設(shè)備，密集烤房的性能成為影響煙葉烘烤質(zhì)量的關(guān)鍵因素[1]，當(dāng)前標準密集烤房普遍存在溫度分布不均勻等問題，使得煙葉烘烤質(zhì)量不佳、品質(zhì)不均一。因此，研究密集烤房內(nèi)部壓力、溫度分布與氣流分布具有重要意義[2-6]。

近年來，計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)發(fā)展迅速，其應(yīng)用軟件Fluent 已經(jīng)廣泛運用于流體與傳熱領(lǐng)域的數(shù)值模擬分析中。歐陽進等[7]利用Fluent 軟件對密集烤房內(nèi)部的溫度場與速度場進行模擬仿真，重點研究密集烤房的合理送風(fēng)量；胡德翔[8]利用Fluent 軟件通過分別對烤房裝煙室空載、滿載狀態(tài)下的多孔介質(zhì)進行仿真模型分析；杜林昕[9]利用Fluent 軟件分析進風(fēng)量、進風(fēng)口位置、屋頂角度、導(dǎo)流板角度等因素對烤房內(nèi)部環(huán)境的影響；何雪等[10]利用Fluent 軟件研究了不同氣流形式對密集烤房內(nèi)部環(huán)境的影響；劉兆宇等[11-12]利用Fluent 軟件分別對煙葉烘烤定色期、干筋期密集烤房內(nèi)部熱濕環(huán)境進行數(shù)值分析，為風(fēng)機送風(fēng)量提供參考。

煙葉烘烤分為變黃期、定色期和干筋期3 個時期，每個時期的煙葉狀態(tài)不同，即煙葉孔隙率不同。目前針對密集烤房內(nèi)部環(huán)境的仿真研究大多未考慮孔隙率的影響。本研究運用Fluent 軟件，對不同烘烤時期的密集烤房裝煙室環(huán)境進行數(shù)值模擬，分析其內(nèi)部的壓力場、氣流場和溫度場，通過建立正交仿真實驗優(yōu)化烤房結(jié)構(gòu)，提高密集烤房溫度分布均勻性，為烤房結(jié)構(gòu)改進提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 烤房幾何模型建立

密集烤房為氣流上升式烤房，內(nèi)部裝煙室長8 000 mm、寬2 700 mm、高3 500 mm，內(nèi)部裝煙3層，每層高700 mm，相鄰2 層煙葉間隙為150 mm。進風(fēng)口、回風(fēng)口位于同側(cè)隔墻中間上下兩端對應(yīng)的位置，尺寸均為1 400 mm×400 mm。裝煙室結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

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

為簡化烤房模型，減少計算量，做以下假設(shè)：（1）忽略裝煙架、排濕窗等結(jié)構(gòu)的影響，仿真模型中裝煙室僅保留進回風(fēng)口；（2）煙葉層區(qū)域設(shè)為多孔介質(zhì)區(qū)，其余區(qū)域設(shè)為流體區(qū)；（3）忽略煙葉產(chǎn)生的內(nèi)部反應(yīng)；（4）烤房裝煙室內(nèi)部的循環(huán)空氣設(shè)為不可壓縮流體。

1.2 數(shù)學(xué)模型

流體都遵守質(zhì)量、動量和能量守恒定律。本研究的流體為湍流流動，可采用k-ε湍流模型[8,13]，具體數(shù)學(xué)模型控制方程分別為

（1）質(zhì)量守恒方程

式中：ui——烤房裝煙室內(nèi)熱空氣流的速度張量；xi——烤房裝煙室內(nèi)熱空氣流的坐標張量；i——烤房裝煙室空間的3 個方向。

（2）動量守恒方程

式中：ρ——烤房裝煙室內(nèi)熱空氣流的密度；t——烤房裝煙室內(nèi)熱空氣流的作用時間；ui，uj——烤房裝煙室內(nèi)熱空氣流的速度張量；P——烤房裝煙室內(nèi)熱空氣流產(chǎn)生的靜壓；τij——烤房裝煙室內(nèi)熱空氣流產(chǎn)生的應(yīng)力張量；xi，xj——烤房裝煙室內(nèi)熱空氣流的坐標張量；ρgi——烤房裝煙室內(nèi)熱空氣流的重力體積力；Fi——外部體積力以及其他模型相關(guān)源項。

式中：μ——烤房裝煙室內(nèi)熱空氣流的動力黏性系數(shù)。

（3）能量守恒方程

式中：H——總焓，H=h+uiuj；；T——煙葉烤房裝煙室內(nèi)熱空氣流的溫度；K——煙葉烤房裝煙室內(nèi)熱空氣流的傳熱系數(shù)；——烤房裝煙室內(nèi)熱空氣流的粘性應(yīng)力。

1.3 網(wǎng)格劃分

孫力[14]采用密集烤房出口速度的平均值作為網(wǎng)格無關(guān)性驗證參數(shù)，在相同參數(shù)條件設(shè)置下，研究了網(wǎng)格數(shù)量對出口風(fēng)速的影響。結(jié)果表明，網(wǎng)格數(shù)量約為170 000 時，能較好地平衡計算精度與計算效率。為了提高仿真模擬精準度，仿真采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對模型進行劃分，共產(chǎn)生168 424 個網(wǎng)格，201 423 個節(jié)點，網(wǎng)格質(zhì)量約為0.999，網(wǎng)格劃分效果良好，如圖2 所示。

圖2 裝煙室模型網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Grid division of smoke chamber model

1.4 多孔介質(zhì)模型

在煙葉烘烤過程中，隨著煙葉水分揮發(fā)，煙葉體積變小，煙葉間的間隙也會隨之改變。為了提高仿真的準確度，將孔隙率按照變黃期、定色期和干筋期3 個階段進行描述，得到3 個時期的孔隙率值?？紫堵视嬎愎綖?/p>

式中：ρd——烤房裝煙密度；ρs——煙葉表觀密度；Vε——多孔介質(zhì)內(nèi)孔隙體積；V——多孔介質(zhì)總體積。

由于干燥過程中孔隙增加的體積近似于水分減少的體積[14]，可以通過烤房初始孔隙率以及煙葉失水速率近似計算變黃期、定色期和干筋期3個階段的平均孔隙率。研究表明，在變黃期煙葉失水速率為 0.3%～0.5%/h，失水量為 30%～40%；在定色期失水速率為 0.9%～1.2%/h，失水量為40%～55%；在干筋期煙葉失水速率為0.3%～0.7%/h，失水量為 15%～20%[15-16]。經(jīng)實驗測算，裝煙密度為85 kg/m3,煙葉表觀密度為462 kg/m3。計算可得變黃期、定色期和干筋期平均孔隙率分別為0.82%、0.86%和0.89%。

根據(jù)前文假設(shè)條件，裝煙室內(nèi)流動的熱空氣為不可壓縮流體，因此進風(fēng)口設(shè)為速度入口邊界，速度為5 m/s；回風(fēng)口設(shè)為壓力出口邊界，壓力值為一個標準大氣壓；壁面邊界條件設(shè)置為wall。

2 結(jié)果與分析

2.1 裝煙室壓力場分布及分析

在上述條件下，截取y=0 mm（中間豎直截面）截面的壓力分布。圖3 是裝煙室在變黃期、定色期、干筋期的壓力分布圖。

圖3 烤房內(nèi)壓力分布圖Fig.3 Pressure distribution in the curing barn

從圖3 可以看出，壓力梯度從回風(fēng)口處到裝煙門側(cè)下部遞增，靠近入口處的壓力小于裝煙門側(cè)壓力，裝煙室上部壓力小于下部壓力，裝煙門下部壓力最大，回風(fēng)口處壓力最小。經(jīng)研究分析認為，在受到煙葉阻礙時，熱氣流迅速充滿裝煙室下部區(qū)域，由于裝煙門對氣流的阻礙，使得裝煙門下部壓力增大，加之氣流一直從進風(fēng)口流入、回風(fēng)口流出，因此裝煙室壓力呈現(xiàn)所述分布情況。

對比發(fā)現(xiàn)，變黃期、定色期、干筋期壓力最大值分別為30.44、29.73、29.38 Pa，這是由于隨著烘烤時間增加，煙葉內(nèi)部水分蒸發(fā)，煙葉體積變小，煙葉之間孔隙變大，對氣流的阻礙作用逐漸減小，因此壓力值逐漸變小。

2.2 裝煙室氣流場分布及分析

圖4 是烤房平面y=0 mm 的風(fēng)速分布云圖。由圖4 可見，熱氣流從進風(fēng)口進入裝煙室后迅速充滿裝煙室下部區(qū)域，速度梯度從進風(fēng)口處到裝煙門側(cè)遞減；在裝煙室上部區(qū)域，速度梯度從裝煙門側(cè)到回風(fēng)口處遞增，并在回風(fēng)口處氣流速度達到最大值。煙葉層區(qū)域氣流速度較通道區(qū)域速度明顯降低。

圖4 烤房內(nèi)風(fēng)速分布云圖Fig.4 Cloud chart of wind speed distribution in the curing barn

變黃期、定色期、干筋期葉間風(fēng)速均值分別為0.15、0.17、0.21 m/s。這是由于隨著烘烤時間的增加，煙葉體積變小，煙葉之間孔隙變大，對氣流的阻礙作用逐漸減小，因此煙葉層區(qū)域風(fēng)速也隨之變大。分析認為，熱氣流進入烤房后，隨著氣流動能損失，速度梯度從進風(fēng)口處到裝煙門側(cè)遞減。進入煙葉層區(qū)域后，由于煙葉的阻礙作用，氣流速度降低；在進出口壓差作用下，速度梯度從裝煙門側(cè)到回風(fēng)口處遞增；同時，進風(fēng)口處氣流在水平運動受阻后向上部流動，使得進風(fēng)口上部氣流組織較弱，煙葉層區(qū)域風(fēng)速從進風(fēng)口到裝煙門方向遞增，氣流分布不均勻。

2.3 裝煙室溫度場分布及分析

圖5 為烤房平面y=0 mm 的溫度分布圖。從圖5 可知，溫度從裝煙室下部區(qū)域到上部區(qū)域呈現(xiàn)遞減趨勢。裝煙室下部區(qū)域溫度最高，中部區(qū)域次之，上部區(qū)域最低，同時中間區(qū)域溫度高于四周邊緣溫度。煙葉層內(nèi)部溫差在2～3 ℃。

圖5 烤房內(nèi)溫度分布圖Fig.5 Temperature distribution in the curing barn

隨著烘烤時間的增加，裝煙室上部溫度與下部區(qū)域溫度差值逐漸減小。這是由于煙葉間隙變大，煙葉對氣流熱交換的阻礙作用減小以及煙葉水分的蒸發(fā)，使得裝煙室上部區(qū)域溫度升高，與下部區(qū)域溫度差值減小。

分析認為，熱氣流進入裝煙室后與空氣進行熱交換，裝煙室下部區(qū)域溫度升高，煙葉層區(qū)域由于煙葉水分蒸發(fā)吸收熱量，使得溫度升高幅度小于下部區(qū)域，同時由于氣流組織分布不均勻?qū)е卵b煙室內(nèi)部出現(xiàn)溫度梯度，這是因為進風(fēng)口處氣流在水平運動受阻后向上部流動，使得靠近進風(fēng)口處氣流組織較弱，傳熱效果較差，導(dǎo)致該區(qū)域溫度較四周溫度低。裝煙門側(cè)上部區(qū)域氣流組織較弱，故該區(qū)域溫度較低。由于烤房墻壁與外部環(huán)境存在熱交換，因此四周邊緣溫度較低。

3 烤房進風(fēng)口位置與大小對內(nèi)部環(huán)境的影響

流場仿真結(jié)果表明，標準密集烤房存在溫度分布不均勻現(xiàn)象，尤其是烤房裝煙室上部溫度低于下部溫度。因此提高裝煙室上部溫度能有效改善溫度分布不均勻現(xiàn)象。研究表明，在烤房裝煙室中上部增加一個熱風(fēng)通道能有效提高上部煙葉層溫度。利用上文建立的烤房模型，研究進風(fēng)口位置與大小對烤房內(nèi)部環(huán)境的影響，并以此優(yōu)化烤房結(jié)構(gòu)。

3.1 正交仿真實驗設(shè)計

保持烤房其他條件一致，增加一個上部進風(fēng)口布置于中、上棚煙葉中間間隙通道處。裝煙室結(jié)構(gòu)如圖6 所示。增加一個上層進風(fēng)口后，對烤房溫度分布的主要影響因素包括2 個進風(fēng)口的寬度、高度和底部進風(fēng)口與底部距離5 個因素。

對底部進風(fēng)口寬度進行單因素分析，保持烤房風(fēng)機總送風(fēng)量，上部進風(fēng)口尺寸為1 400 mm×100 mm，底部進風(fēng)口高度為300 mm，底部進風(fēng)口與底部距離為100 mm 等因素不變，僅改變底部進風(fēng)口寬度（1 700 mm、1 400 mm、1 100 mm），建立3 組仿真模型。分別在3 層煙葉層中間平面，即Z1=0.95 m、Z2=1.8 m、Z3=2.65 m 三個截面均勻選取8 個測量點，仿真求出3 個時期每點的溫度值，將24 個點溫度值的標準差作為考核指標。得到變黃期、定色期、干筋期各時期標準差值如表1 所示。

表1 不同底部進風(fēng)口寬度標準差值對比Tab.1 Comparison of standard difference of width of air inlet at different bottom

仿真結(jié)果表明，底部進風(fēng)口寬度為1 700 mm和1 100 mm 時均不能有效提高溫度分布均勻性。因此，保持底部進風(fēng)口寬度為1 400 mm 和風(fēng)機總送風(fēng)量不變，改變2 個進風(fēng)口的高度、上部進風(fēng)口寬度以及底部進風(fēng)口距離底部距離這4 個因素，設(shè)計4 因素3 水平正交優(yōu)化實驗。

3.2 正交實驗分析與驗證

正交仿真實驗的因素水平表如表2 所示，正交實驗表如表3 所示。選取上文24 個測量點的溫度值的標準差作為考核指標，對烤房定色期進行仿真，得到各因素水平均值如表4 所示。

表2 正交仿真實驗的因素水平表Tab.2 Factor level of orthogonal simulation experiment

表3 4 因素3 水平L9(34)正交實驗表Tab.3 Four-factor three-level L9(34) orthogonal experiment

表4 各因素水平均值Tab.4 Mean value of each factor level

由正交實驗可知，各因素對溫度分布均勻性影響程度依次是：上部進風(fēng)口寬度＞底部進風(fēng)口與底部距離＞底部進風(fēng)口高度＞上部進風(fēng)口高度，并且最優(yōu)水平分別為A2、B2、C1、D2。最終得到本次正交實驗的最優(yōu)組合為：底部進風(fēng)口高度為 300 mm、底部進風(fēng)口與底部距離50 mm、上部進風(fēng)口寬度為1 100 mm、上部進風(fēng)口高度75mm。

根據(jù)烤房最優(yōu)結(jié)構(gòu)組合，建立新烤房模型進行仿真計算，并與標準烤房進行對比，結(jié)果如表5所示。從表5 中可以看出，新烤房在3 個時期溫度標準差值均小于標準烤房。該結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案具有一定的合理性，能有效改善烤房溫度分布不均勻現(xiàn)象。

表5 標準烤房與新烤房溫度標準差值對比Tab.5 Comparison of standard temperature difference between standard curing barn and new curing barn

4 數(shù)值模擬結(jié)果與實驗測試對比分析

煙葉烘烤試驗采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的新烤房，試驗?zāi)康臑椴杉痉績?nèi)部溫度數(shù)據(jù)并驗證仿真結(jié)果的準確性，烤房內(nèi)部數(shù)據(jù)采集點位置如下：以烤房隔墻左下角為原點建立空間直角坐標系，長為X軸，寬為Y軸，高為Z軸；在烤房內(nèi)部取16 個均勻分布的測量點，各點命名及坐標如表6 所示。

表6 試驗測量點位置坐標及命名Tab.6 Location coordinates and naming of test measuring points

溫度測量點試驗值與模擬值對比如表7 所示，從表7 可知，各測量點試驗值與模擬值相對誤差范圍為0～6.09%。由于溫度采集儀器本身的誤差以及建立仿真模型時人為忽略煙架、觀察窗等結(jié)構(gòu)等原因，造成試驗值與模擬值之間的誤差。從總體結(jié)果來看，試驗值與模擬值基本吻合，本研究建立的仿真模型與模擬可靠。

表7 溫度測量點試驗值與模擬值對比Tab.7 Comparison between test values and analog values of temperature measuring points

5 結(jié)論

本文對氣流上升式密集烤房進行了模擬仿真研究，分別對標準烤房的變黃期、定色期和干筋期3 個烘烤時期的裝煙室環(huán)境進行數(shù)值模擬，分析其內(nèi)部的壓力場、氣流場和溫度場。同時，進行烘烤試驗驗證仿真結(jié)果，選取的測量點試驗數(shù)據(jù)與模擬值數(shù)據(jù)相對誤差均小于6.09%，試驗值與模擬值基本吻合，說明了本研究建立的仿真模型的準確性。根據(jù)模擬結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1）隨著烘烤時間增加，標準密集烤房裝煙室內(nèi)部呈壓力逐漸減小、葉間風(fēng)速增大、溫差減小趨勢；

（2）標準密集烤房在變黃期、定色期和干筋期均存在溫度分布不均勻情況；

（3）增加上層進風(fēng)口能有效改善烤房內(nèi)溫度分布狀況。將底部進風(fēng)口尺寸調(diào)整為1 400 mm×300 mm，位置調(diào)整至隔墻下端中間距離烤房底部50 mm 處，并在中、上棚煙葉間增加尺寸為1 100 mm×75 mm 的上層進風(fēng)口，可獲得較均勻的熱流場環(huán)境和較一致的溫度均勻性。