張賢信，陳 勇，楊 弦

(黔東南州煙草專賣局，貴州凱里556000)

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基于CFD的煙草烤房熱流場分析研究

張賢信，陳 勇，楊 弦

(黔東南州煙草專賣局，貴州凱里556000)

為了研究煙草烤房內部熱空氣流場特性，提出了基于CFD烤房熱空氣循環(huán)的假設，建立其在熱對流及熱傳導工作過程中的數值計算模型，采用流體計算軟件Fluent結構化網格對烘烤工作過程及流場動力學特性進行了動態(tài)模擬仿真。結果表明，對烤房結構進行優(yōu)化后，其裝煙室內部溫度分布均勻度得到了提高，水平面溫差減小0.19℃，垂直面溫差減小1.49℃。

流場 CFD 熱對流 熱傳導 Fluent

0 引言

煙草烤房內部溫濕度的均勻性直接影響烤煙的品質，在現(xiàn)階段烘烤中烤房難以保證上中下三個水平面以及垂直方向上溫度的一致性，實際烘烤過程中，烤房智能控制儀取裝煙室中段溫濕度作為輸入參考參數進行烘烤，而裝煙室內各個部位溫濕度卻是不同的，給烘烤控制帶來了難題，導致不同位置的烤煙品質參差不齊，且熱能利用效率較低。本文為烤房建立一個合理有效的流體模型，并采用CFD對烤房進行熱對流分析，為烤房裝煙室內部結構進行優(yōu)化提供了一種有效手段。

1 煙草烤房建模及能耗分析

1.1 烤房基本結構與工作原理

密集型烤房主要分為兩種，氣流上升式與氣流下降式烤房。其二者區(qū)別在于烤房結構不一樣，熱氣流流動方向不一樣[1]。本文采用氣流上升式烤房作為仿真模型。

圖1 氣流上升式烤房

為對比烤房結構對內部熱流場影響，分別建立了兩個不同機構的烤房模型，即普通烤房A和結構優(yōu)化后的烤房B。

烤房B裝煙室結構進行了三處結構優(yōu)化，即在原有烤房A的基礎上設置導流斜坡，加裝分風板和導流槽；其中，導流斜坡坡度為4.2%(圖1(b))，并在距地面高0.5 m處加裝分風板(圖1(b)、圖2(a))，其尺寸為800×2 700，共鋪設10塊，在進風道入口處加設導流槽(圖1(b)、圖2(b))；烤房A裝煙室內不設置斜坡，不設分風板和導流槽；裝煙室規(guī)同為8 000×2 700×3 500。

圖2 分風板、導流槽

1.2 煙草烤房烘烤消耗能量分析

煙葉在干燥過程中能量主要消耗到三個方面，即首先煙葉會隨著干燥加熱過程而升溫，溫度升高到水分在常壓下的飽和溫度，從而達到水分蒸發(fā)散失的條件，這一過程會消耗一定的能量，可稱其為預熱階段；然后水分會逐漸的蒸發(fā)，這一過程可以稱為干燥階段，干燥階段的能量主要消耗在水分蒸發(fā)部分所需要的能量以及水分蒸發(fā)部分氣化潛熱所需要的能量?？紤]上述三方面的耗能，可以寫出如下的能量表達式：

Q=ΔMC(Tw-T0)+MCn(T1-T0)+ΔMγ

(1)

式中：M為干燥煙葉的質量；ΔM為煙葉干燥一定時間后的失水量；Tw為煙葉在干燥過程中的測量溫度，Tw隨著時間的變化而變化，所以Tw可表示為T(t)；T0為煙葉在干燥初始時的測量溫度；T1為水在常壓下的飽和溫度；C為水的比熱容，通常取C=4.182 6 kJ/kg·℃；γ為水的氣化潛熱，考慮到表達式是針對在對流環(huán)境中進行干燥的煙葉，那么干燥環(huán)境內的氣體壓力變化不大，這里可取γ=2 260.174 2 kJ/kg；而上式中Cn為煙葉的比熱容，不同的煙葉其比熱容也是不相同的，為了得出不同煙葉的比熱容，可以通過如下式的經驗公式進行估算：

Cn=4.2Wa+0.84Wb

(2)

式中：Wa為煙葉中的含水率，Wb為煙葉中固形物的含量。通過上式可以看出煙葉的比熱容大小主要取決于它的含水率，且相對于水的比熱容要小很多。

2 數學模型的建立

2.1 傳熱類型

熱傳導、熱輻射和熱對流是自然界中熱量傳遞的三種基本方式。在實際烘烤過程中，當烤房內部出現(xiàn)溫度梯度時，熱量會出高溫部分傳遞到低溫部分[4]，熱傳導用傅里葉定律進行描述，其一般形式為：

(3)

式中：k為材料的導熱系數，裝煙室壁面使用材料為紅磚，其熱傳導率為k磚=0.25 W/m·K，是較好的絕熱、保溫材料。分風板和導流槽使用材料為鋼材，熱傳導率k鋼=47 W/m·K。

熱空氣在烤房內部流動，通過與壁面和煙葉間的相對運動將熱量帶到烤房四周；普通烤房熱對流屬于自然對流，而密集型烤房則屬于強制性對流[5]；對于這種強制對流換熱形式用牛頓冷卻公式描述：

q=Q/A=hΔt

(4)式中：q為單位面積的固體表面與流體之間在單位時間內交換的熱量，稱作熱流密度，W/m2；h是空氣強制熱對流系數，取值在20～100之間，在烤房實例中，通過類比法估計h=80 W/m2·K。

2.2 控制方程

密集型烤房裝煙室內采用通風手段為強制通風，烤房內部熱空氣流體是一種較為復雜的三維非穩(wěn)態(tài)、旋轉的不規(guī)則流體，是典型的湍流[6]，模擬計算時選用具有優(yōu)越收斂性能和合理精確度的k-ε模型，并假設近壁處空氣流動符合標準壁面函數，避免流體在壁面流動時出現(xiàn)失真，更接近于實際烘烤狀況。因此，采用k-ε模型來模擬烤房熱空氣的流動。在實際烘烤中，需要考慮重力對熱空氣的影響，需引入重力加速度，取g=9.81 m/s2。湍流脈動動能方程(k方程)和湍流耗散率方程(ε方程)分別為：

(5)

(6)

η=Sk/ε S=(2SijSil)0.5

式中，μ為動力粘性系數；μi、μj分別為氣流速度在i、j方向上的分量；μt為湍流粘性系數；ρ為密度；Cμ為常數；σk為湍流脈動動能k的湍流Prandtl數；σε為湍流脈動動能耗散率ε的湍流Prandtl數；Cμ、C1ε、C2ε、σk、σε、η0、β均為經驗系數，其取值入表1所示。

表1 湍流模型系數

2.3 計算條件

采用Fluent軟件對烤房流場分布規(guī)律進行仿真時，需要確定模型的邊界條件[7]及相關設置。且模型建立基于以下假設：1)除排風口外，烤房內部空氣循環(huán)時沒有向外界環(huán)境發(fā)生泄露；2)烤房烘烤時，

表2 流體邊界條件設置

外界輻射影響較小，故忽略太陽輻射；3)進風口速度均勻。

表3 初始邊界條件

圖3 烤房模型網格劃分

2.4 模型網格劃分

烤房模型使用四面體非結構網格進行劃分，網格進行光滑后，劃分效果如圖3所示。

3 計算結果及分析

導入參數進行計算后得到以下結果。

圖4 烤房整體溫度云圖

圖4為烤房整體A、B整體的溫度云圖?？芍?，整個烤房最高溫度位于進風口處為50℃，最低溫度位于烤房壁面轉角處為40.7℃。

圖5為烤房A、B的剖面溫度圖。從圖中可以看出，烤房B整體溫度分布明顯好于烤房A，尤其是在裝煙室中后部。由于空氣由高壓向低壓的流動，遇到墻體產生局部漩渦，造成中后部形成一個死角。

圖5 烤房A、B溫度分布剖面圖

圖6為烤房A、B速度流線分布圖。從圖中可知，空氣在裝煙室內部做一個渦旋運動，隨著風壓、風速的增強，熱空氣到達各個區(qū)域的能力越強；通過結構改造以后，可以看出在相同的風壓及風速下，空氣通過抬升的斜坡和分風板后，空氣的均勻性更好。

圖6 烤房A、B空氣速度流線圖

圖7 溫度測量點

在模型A、B中，以進風口左下角為坐標原點(0，0，0)；溫度測量點分別選取上中下三層共18個不同部位的溫度測量點，如圖7所示。其中點1，2，3，4，5，6為下層同一平面測量點；7，8，9，10，11，12為中層測量點，13，14，15，16，17，18為上層測量點，相同Y坐標為同一垂直平面測量點。

選取18個具體參數如表4所示。

表4 各個測量點測量參數

圖8 烤房溫度曲線圖

從烤房溫度分布曲線中(圖8)可以看出，烤房A同一水平面溫度差最大為0.79℃，同一垂直平面溫度差最大為1.73℃；烤房B同一水平面溫度差最大為0.6℃，同一垂直平面溫度差最大為0.24℃。

4 結束語

通過建立有效可靠的數值計算模型，并選擇合理的初始條件、邊界條件，可以很好地對了烤房裝煙室內部流場分布規(guī)律進行模擬；結果表明，通過改造后烤房B水平面最大溫度差為0.6℃，相對于烤房A的0.79℃的水平溫差減小0.19℃，烤房B水垂直平面最大溫度差為0.24℃，相對于烤房A的1.73℃的垂直平面溫度差減小1.49℃。該熱流場模擬分析方法，為烤房結構優(yōu)化提供了重要方法。

[1] 鄢吉多,黃仕雄，張賢信,等.基于單神經元PID新型多能源煙草烤房控制系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代機械,2014(3):75-78.

[2] 王愛華,徐秀紅，王松峰，等.變黃溫度對烤煙烘烤過程中生理指標及烤后質量的影響[J].中國煙草學報,2008,14(1):27-31.

[3] 孫幫成,李明高,等. ANSYS FLUENT 仿真分析與優(yōu)化設計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社,2013.

[4] 王旭光,孫衢. 基于RBF辨識的單神經元PID調速器設計[J].自動化技術與應用， 2008(6)：57-60.

[5] 王衛(wèi)峰,陳江華,宋朝鵬，等. 密集型烤房的研究進展[J].中國煙草科學,2005,26(3)：12-14.

[6] 宋朝鵬,李富欣等.烤煙烘烤技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].作物雜志，2010(1):6-8.

[7] 陳付軍. 密集烤房供熱系統(tǒng)性能比較的研究 [D].鄭州:河南農業(yè)大學,2008.

The analysis of heat flow field of the curing barn based on the CFD

ZHANG Xianxin，CHEN Yong，YANG Xian

In order to study the characteristics of hot air flow field inside of the curing barn, put forward the assumption of hot air circulation in the curing barn based on CFD, and establish the numerical calculation model of the heat convection and heat conduction model in the working. The process of baking and its flow dynamic characteristics was simulated using software Fluent. Results showed that the uniformity of temperature distribution internal the curing barn was improved after optimizing the structure of curing barn, the difference of water temperature decreased 0.19 ℃ and vertical temperature decreased 1.49 ℃.

flow field, CFD，heat convection，heat conduction, Fluent

TS43

B

1002-6886(2016)06-0028-04

張賢信(1990-)，男，碩士，黔東南州煙草專賣局從事煙葉技術生產。

2016-09-15