王怡康,王飛飛,徐新華
(華中科技大學 環(huán)境科學與工程學院,湖北 武漢 430074)
醬油是當前應用最為廣泛和普遍的調(diào)味品之一。醬油釀制的工藝環(huán)節(jié)很多,通常包括原料處理、降溫接種、制曲、拌曲、發(fā)酵、取油、消毒配兌和包裝等。在整個工藝過程中,制曲是決定醬油生產(chǎn)成敗的關鍵環(huán)節(jié),直接關系著醬油的品質(zhì)[1]。
制曲是米曲霉在原料(如黃豆)上吸取必要的營養(yǎng)物質(zhì),在合適的溫濕度條件下,在曲池中完成生長的過程,并伴有一定發(fā)酵熱產(chǎn)生。制曲工藝設備多采用圓盤通風制曲設備。
圓盤通風制曲設備包括上風室、曲床(帶孔網(wǎng))、下風室和位于曲室內(nèi)部的中心柱(起到連接上風室、曲床、下風室及支撐作用)等。通風(空氣通過位于下風室的進風口,依次流經(jīng)下風室、曲床、上風室,最后由位于上風室的排風口排出)是為曲料提供氧氣、水分的重要手段,并能帶走制曲過程中產(chǎn)生的發(fā)酵熱。在實際生產(chǎn)過程中,空氣由單一入口進入下風室,在下風室形成明顯的高速和低速區(qū),造成氣流組織不均勻。下風室不均勻的氣流組織易造成部分曲床區(qū)域的發(fā)酵熱無法帶走,從而影響產(chǎn)品質(zhì)量,因此有必要采取一定措施改善下風室內(nèi)氣流組織的均勻性。本文針對南方某醬油制造廠圓盤通風制曲設備內(nèi)氣流組織不均勻問題,采取測試、數(shù)值模擬方法對氣流組織優(yōu)化措施進行探討。
① 物理模型
圓盤通風制曲設備的外形見圖1,結構見圖2。圖2中數(shù)值對應的單位為m。上風室與下風室由帶孔網(wǎng)(開孔率為5.5%)的曲床隔開。空氣通過進風口以一定角度送入下風室,經(jīng)過曲床后到達上風室,再由排風口排出。下風室空氣進口的寬×高為3.5 m×1.5 m,排風口的寬×高為4.6 m×1.8 m。
圖1 圓盤通風制曲設備外形
圖2 圓盤通風制曲設備結構
② 測量方法
為探明氣流組織是否均勻,分別對上風室、下風室的橫截面進行風速測試。測試截面高度分別為:z=0.9、1.8 、2.5 m,位于下風室,以下簡稱0.9、1.8、2.5 m測試截面;z=4.0 m,位于上風室,以下簡稱4.0 m測試截面。每個測試截面選取70個風速測點。各測試截面的測點布置見圖3。由圓心向外,分別選取直徑為3、7、11、15、19 m的圓,在每個圓上布置14個測點。對于同一圓上的測點,除進風口附近測點的夾角為15°外,其他位置測點的夾角均為30°。
圖3 各測試截面的測點布置
除風室風速外,筆者還對進風口的風速進行了測量,選取20個測點進行風速測量。測量風速時,每個測點連續(xù)測試300組數(shù)據(jù),并將算術平均值作為該處風速??偹惋L量根據(jù)進風口風速、進風口橫截面積計算得到。采用Swema 3000型微風速儀測試風速,采用Testo 512型壓力傳感器測試曲床的阻力(通過分別測量上下風室壓力得到曲床的阻力)。兩種測量儀器的性能參數(shù)見表1。
表1 兩種測量儀器的性能參數(shù)
③ 數(shù)值模型
采用ANSYS ICEMCFD建立幾何模型(見圖4),并對幾何模型進行網(wǎng)格劃分(見圖5)。近壁面第1個網(wǎng)格中心節(jié)點距壁面10 mm,增長因子為1.4,采用六面體結構化網(wǎng)格。經(jīng)網(wǎng)格無關性檢驗,得到最佳網(wǎng)格數(shù)量為45×104個。
圖4 幾何模型
圖5 幾何模型的網(wǎng)格劃分
ANSYS FLUENT v16.0求解數(shù)值模型涉及的控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程。控制方程的通用形式為:
式中ρ——空氣密度,kg/m3
φ——氣相場通用變量,既可以是標量也可以是矢量
t——時間,s
u——速度矢量,m/s
div——散度
Г——輸運系數(shù)
grad——梯度
S——氣相源項
本文采用基于壓力的求解器、標準k-ε模型及標準壁面函數(shù)對幾何模型中的空氣流動進行求解。采用SIMPLE算法求解壓力與速度耦合,使用二階迎風格式精度對各數(shù)值方程進行離散。
進風口為速度入口,根據(jù)進風口風速測量結果,擬合并編寫用戶自定義函數(shù)(UDF)用以給定進風口速度入口邊界條件。排風口采用壓力出口邊界。此外,將曲床設置為多孔介質(zhì),其阻力特性符合實測結果。不考慮空氣相對濕度變化對模擬結果的影響。
④ 不均勻系數(shù)
采用不均勻系數(shù)評價圓盤通風制曲設備內(nèi)氣流組織均勻性:不均勻系數(shù)越小,表明氣流組織越均勻,為0時氣流組織完全均勻。越大,表明氣流組織越不均勻。
不均勻系數(shù)k的表達式為[2]:
式中k——不均勻系數(shù)
n——測點總數(shù)
ui——第i個測點的速度,m/s
uav——算術平均速度,m/s
① 改造前測試結果
進風口的平均進風風速為8.392 m/s,總送風量為2 643.4 m3/min。由測試結果可知,改造前各測試截面上的最大風速、最小風速、不均勻系數(shù)見表2。由表2可知,位于下風室的0.9、1.8、2.5 m測試截面上的最大風速與最小風速相差較大,不均勻系數(shù)接近甚至超過1,說明這兩個測試截面上的氣流組織明顯不均勻。相對而言,位于上風室的4.0 m測試截面上的最大風速與最小風速相差較小,不均勻系數(shù)也比較小,但也存在一定的不均勻性。因此,應采取一定措施優(yōu)化圓盤通風制曲設備內(nèi)氣流組織的均勻性,特別是下風室的氣流組織均勻性,對保障產(chǎn)品質(zhì)量至關重要。
表2 改造前各測試截面上的最大風速、最小風速、不均勻系數(shù)
② 模型驗證
為驗證數(shù)值模型的準確性,筆者對比了0.9、1.8、4.0 m測試截面上Oy軸、Ox軸模擬風速與測試風速,分別見圖6~8。由圖6~8可知,模擬結果與測試結果比較吻合,僅在風室壁面附近比測試結果稍高。
圖6 0.9 m測試截面上Ox、Oy軸模擬風速與測試風速
圖7 1.8 m測試截面上Ox、Oy軸模擬風速與測試風速
圖8 4.0 m測試截面上Ox、Oy軸模擬風速與測試風速
改造前0.9、2.5 m測試截面上的速度分布分別見圖9、10。由圖9、10可知,改造前下風室內(nèi)氣流組織明顯不均勻。在0.9 m測試截面上,空氣在進風口后形成了明顯的高速區(qū),并延伸至風室壁面,導致風室內(nèi)壁面的風速比較高。在2.5 m測試截面上,受進風的影響,進風口后高速區(qū)上部出現(xiàn)了最大流速,遠離進風口一側(cè)的風室內(nèi)壁面風速比較高。
圖9 改造前0.9 m測試截面上的速度分布
圖10 改造前2.5 m測試截面上的速度分布
① 改造措施
為改善圓盤通風制曲設備內(nèi)氣流組織的不均勻性,在圖1基礎上,筆者提出了5種改造措施,分別為:措施1:加寬排風口(見圖11),排風口寬度由4.6 m增至9.2 m。措施2:加大下風室中心柱直徑(見圖12),中心柱直徑由1.2 m增至4.0 m。措施3:進風口增加導流板(見圖13,圖中數(shù)值對應的單位為m),圖13中局部放大圖中藍色線段為導流板(高度與進風口高度一致)。措施4:在進風口增加導流板的基礎上,加大下風室中心柱直徑(見圖14),中心柱直徑由1.2 m增至4.0 m。措施5:進風口增設多孔板罩(見圖15,圖中數(shù)值對應的單位為m),圖15中局部放大圖的藍色曲線為多孔板罩(半徑約2.0 m)。
圖11 措施1改造方案
圖12 措施2改造方案
圖13 措施3改造方案
圖14 措施4改造方案
圖15 措施5改造方案
② 改善效果模擬
在模擬時,改造后圓盤通風制曲設備的邊界條件與改造前保持一致,措施5的孔板開孔率取35%。改造前后0.9、2.5 m測試截面速度分布分別見圖16、17。
由圖16可知,與改造前相比,措施1~3對改善氣流組織均勻性的作用并不明顯,進風口后仍存在明顯高速區(qū),并延伸至風室壁面,導致風室內(nèi)壁面附近的風速比較高。雖然措施4的進風口后仍存在明顯高速流,但延伸長度縮短,風室內(nèi)壁面附近的高速區(qū)也得到有效緩解。與改造前及措施1~4相比,采取措施5后,進風口后未出現(xiàn)明顯的高速區(qū),整個測試截面的氣流組織均勻性得到明顯改善。由圖17可知,在5種措施中,措施5對2.5 m測試截面氣流組織的改善效果仍最明顯。因此,措施5對圓盤通風制曲設備氣流組織的改善效果最優(yōu)。
③ 孔板的最佳開孔率
開孔率越低,孔板的均流作用越明顯,但阻力越大[3]。因此,確定兼顧均流作用及阻力的最佳開孔率格外重要。筆者選取開孔率55%、35%、18%進行分析。開孔率為55%、35%、18%時,措施5狀態(tài)下0.9、2.5 m測試截面的速度分布分別見圖18、19。
由圖18可知,孔板開孔率為55%時,進風口后出現(xiàn)了明顯高速區(qū),說明大開孔率不利于氣流組織的均勻。當孔板開孔率為18%時,測試截面的氣流組織與開孔率為35%時接近,并沒有明顯改善,而且低開孔率的孔板阻力比較大。由圖19可知,孔板開孔率的變化對2.5 m測試截面氣流組織沒有顯著影響。因此,孔板最佳開孔率選取35%。
圖18 開孔率為55%、35%、18%時措施5狀態(tài)下0.9 m測試截面速度分布
圖19 開孔率為55%、35%、18%時措施5狀態(tài)下2.5 m測試截面速度分布
采用開孔率為35%的多孔板對進風口進行改造,改造前后進風口外觀(下風室內(nèi)拍攝)見圖20。
圖20 改造前后的進風口外觀(在下風室內(nèi)拍攝)
改造前后0.9、1.8、2.5、4.0 m測試截面上不均勻系數(shù)見表3。由表3可知,與改造前相比,各測試截面的不均勻系數(shù)均出現(xiàn)了下降,說明措施5對改善圓盤通風制曲設備內(nèi)氣流組織不均勻問題有效。
表3 改造前后各測試截面不均勻系數(shù)
① 改造前測試結果:下風室的最大風速與最小風速相差較大,不均勻系數(shù)接近甚至超過1,說明下風室的氣流組織明顯不均勻。上風室的最大風速與最小風速相差較小,不均勻系數(shù)也比較小,仍存在一定的不均勻性。
② 改造前模擬結果:下風室內(nèi)氣流組織明顯不均勻。在0.9 m測試截面上,空氣在進風口后形成了明顯的高速區(qū),并延伸至風室壁面,導致風室內(nèi)壁面的風速比較高。在2.5 m測試截面上,受進風影響,進風口后高速區(qū)上部出現(xiàn)了最大流速,遠離進風口一側(cè)的風室內(nèi)壁面風速比較高。
③ 改造措施:措施1:加寬排風口。措施2:加大下風室中心柱直徑。措施3:進風口增加導流板。措施4:在進風口增加導流板的基礎上,加大下風室中心柱直徑。措施5:進風口增設多孔板罩。
④ 與改造前相比,措施1~3對改善氣流組織均勻性的作用并不明顯,進風口后仍存在明顯高速區(qū),并延伸至風室壁面,導致風室內(nèi)壁面附近的風速比較高。雖然措施4的進風口后仍存在明顯高速流,但延伸長度縮短,風室內(nèi)壁面附近的高速區(qū)也得到有效緩解。與改造前及措施1~4相比,采取措施5后,進風口后未出現(xiàn)明顯的高速區(qū),測試截面的氣流組織均勻性得到明顯改善。在5種措施中,措施5對2.5 m測試截面氣流組織的改善效果最明顯。措施5對圓盤通風制曲設備氣流組織的改善效果最優(yōu)。
⑤ 在研究的孔板開孔率中(55%、35%、18%),最佳開孔率為35%。
⑥ 改造后測試結果:與改造前相比,各測試截面上的風速分布更加均勻。各測試截面的不均勻系數(shù)均出現(xiàn)了下降,說明措施5對改善圓盤通風制曲設備內(nèi)氣流組織不均勻問題有效。