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(lè)

(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(shí)等優(yōu)勢(shì)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(shí)，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(shì)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(chǎng)試驗(yàn)只能在烘烤期進(jìn)行，導(dǎo)致試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高。煙葉模擬烘烤機(jī)(以下簡(jiǎn)稱“烘烤機(jī)”, Tobacco Simulated Baking Machine, TSBM)可以實(shí)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(yàn)、模擬、驗(yàn)證等均可在烘烤機(jī)上進(jìn)行。然而，目前烘烤機(jī)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(jī)采用了強(qiáng)制通風(fēng)方式，通過(guò)熱風(fēng)循環(huán)對(duì)裝煙室內(nèi)各個(gè)區(qū)域的煙葉供熱。在烘烤過(guò)程中，烘烤機(jī)裝煙室內(nèi)的氣流分布均勻性對(duì)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(huì)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(píng)價(jià)失真[4-5]。目前，計(jì)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(guò)程模擬與分析中，在煙草研究方面也有相關(guān)應(yīng)用[6-7]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】本文以裝煙狀態(tài)下的氣流下降式煙葉模擬烘烤機(jī)為研究對(duì)象，運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)烘烤機(jī)內(nèi)氣流分布進(jìn)行模擬仿真，分析均風(fēng)板對(duì)烘烤機(jī)內(nèi)氣流均勻性的影響，【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】為均風(fēng)板的設(shè)計(jì)和烘烤機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)

烘烤機(jī)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(yàn)，左、右兩側(cè)為透明玻璃，可隨時(shí)觀察烘烤過(guò)程中的煙葉形態(tài)變化，烘烤機(jī)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(kāi)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(jī)CFD模型構(gòu)建

1.2.1 烘烤機(jī)物理模型 根據(jù)烘烤機(jī)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jī)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(jì)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(jì)算得到，為0.047 m；空氣運(yùn)動(dòng)粘度ε設(shè)置為1.7894×10-5。計(jì)算可得Re=5253，大于 2320，因此認(rèn)為烘烤機(jī)裝煙室內(nèi)空氣流動(dòng)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(jì)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(dòng)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(shí)間；Sx、Sy、Sz為廣義源項(xiàng)。

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(dòng)能，ε為湍流脈動(dòng)強(qiáng)度。標(biāo)準(zhǔn)模型的輸運(yùn)方程：

(3.a)

(3.b)

(3)邊界條件。本文中，烘烤機(jī)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(jī)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(jī)箱體設(shè)置為壁面，熱通量為0。

2 結(jié)果與分析

受烘烤機(jī)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(gè)：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(duì)比分析均風(fēng)板有無(wú)、不同孔徑及孔間距對(duì)烘烤機(jī)內(nèi)風(fēng)場(chǎng)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(wú)均風(fēng)板時(shí)，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(guò)壁面反彈再流入煙葉中的縫隙中；當(dāng)加裝均風(fēng)板時(shí)，熱風(fēng)流經(jīng)前、后部的均風(fēng)孔時(shí)，直接流入均風(fēng)板下方的裝煙區(qū)域，沒(méi)有回流現(xiàn)象。

裝煙區(qū)域的風(fēng)速均勻性會(huì)對(duì)煙葉烘烤質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。在烘烤機(jī)縱向高度方向上，裝煙室內(nèi)各節(jié)點(diǎn)風(fēng)速如圖4所示，其中距底面150～1600 mm為裝煙區(qū)域(對(duì)應(yīng)圖4所示橫軸)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)均風(fēng)板孔徑為20 mm、孔間距為60 mm時(shí)，裝煙區(qū)域的風(fēng)速分布與無(wú)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(shí)，與方案1、方案2相比，對(duì)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(shì)，說(shuō)明在烘烤機(jī)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(wú)均風(fēng)板時(shí)，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(shí)，在烘烤機(jī)水平長(zhǎng)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(dòng)較大。當(dāng)加裝孔徑為20 mm、孔間距為60 mm的均風(fēng)板時(shí)，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(zhǎng)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(duì)應(yīng)的縱向、水平風(fēng)速差值較小，說(shuō)明這2種均風(fēng)板在烘烤機(jī)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(shí)，均風(fēng)板上方會(huì)形成保壓層。如圖6(a)所示，當(dāng)無(wú)均風(fēng)板時(shí)，裝煙室上方最高壓力大約為7.5 Pa；當(dāng)加裝方案2～3對(duì)應(yīng)的均風(fēng)板時(shí)，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(duì)應(yīng)的均風(fēng)板時(shí)，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(shuō)明，當(dāng)均風(fēng)孔孔徑較大，或孔徑一致且孔間距過(guò)小時(shí)，均會(huì)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(shí)，在烘烤機(jī)長(zhǎng)度方向上的均風(fēng)孔風(fēng)速波動(dòng)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(jī)烘烤性能的重要指標(biāo)，但目前未有針對(duì)烘烤機(jī)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(jī)的氣流分布均勻性，基于計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT，設(shè)計(jì)了4種仿真方案，分別對(duì)加裝均風(fēng)板前后、加裝不同均風(fēng)板后的烘烤機(jī)裝煙室內(nèi)氣流情況進(jìn)行了數(shù)值模擬和對(duì)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(jī)存在的氣流不均問(wèn)題，可以考慮通過(guò)加裝均風(fēng)板來(lái)解決，且均風(fēng)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可按照均風(fēng)孔徑為8～10 mm、孔間距為40 mm來(lái)設(shè)計(jì)。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(jī)裝煙室內(nèi)氣體流動(dòng)狀態(tài)，考慮煙葉變孔隙率的烘烤機(jī)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(jī)為研究對(duì)象，建立了裝煙狀態(tài)下的烘烤機(jī)物理模型和氣流數(shù)學(xué)模型，對(duì)加裝均風(fēng)板前后、不同規(guī)格均風(fēng)板下的烘烤機(jī)裝煙室內(nèi)氣流分布進(jìn)行了數(shù)值模擬與對(duì)比分析。結(jié)果表明：①均風(fēng)板能夠改善試驗(yàn)烤機(jī)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(guò)小，都會(huì)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(jī)均風(fēng)板的設(shè)計(jì)依據(jù)。

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