錢龍，黃亞宇

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué)）

0 引言

風(fēng)分是打葉復(fù)烤生產(chǎn)線中最重要的生產(chǎn)工序，其原理是根據(jù)煙葉和煙梗質(zhì)量的不同，利用風(fēng)力將其分離，得到純凈煙葉。風(fēng)分機(jī)是煙草行業(yè)中最重要的生產(chǎn)設(shè)備，其主要功能是利用風(fēng)力將煙片從打葉后混合在一起的煙片、煙梗、帶梗葉的物料中分離出來，并把帶梗的物料輸送到后級風(fēng)分機(jī)[1]。風(fēng)分是打葉復(fù)烤生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，直接影響到實(shí)物產(chǎn)品得率及煙葉葉片結(jié)構(gòu)，決定打葉復(fù)烤的經(jīng)濟(jì)效益[2]。風(fēng)選法是以空氣為分選介質(zhì)的重選法，適應(yīng)范圍廣，可使密度、粒度、形狀、類型、性質(zhì)不同的物料在運(yùn)動的空氣流中分離[3]，最重要的是風(fēng)倉內(nèi)部風(fēng)場的分布情況，風(fēng)場分布的均勻性對風(fēng)倉內(nèi)部物料的運(yùn)動產(chǎn)生極大影響，決定最終風(fēng)分效果。

近年來的相關(guān)研究中，雷振[4]等利用PLC 程序?qū)媲叭~絲分配及控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，解決了之前存在的問題，并采用響應(yīng)面法對生產(chǎn)過程的葉絲風(fēng)選參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了卷煙的精細(xì)化加工；張崟[5]通過對風(fēng)選設(shè)備風(fēng)機(jī)頻率的控制，實(shí)現(xiàn)了對梗簽剔除率、剔除梗簽中含絲量的快速調(diào)節(jié)和精準(zhǔn)控制，提高了成品葉絲的純凈度；許雄文[6]等優(yōu)化了風(fēng)選參數(shù)，設(shè)計安裝側(cè)向進(jìn)風(fēng)調(diào)節(jié)板，使得梗絲風(fēng)選后的梗絲純凈度提高到99.4%，穩(wěn)定了梗絲質(zhì)量。NAHAL[7]等利用氣力技術(shù)對脫殼核桃進(jìn)行分離，研究了進(jìn)料量、氣流速度對分離效果的影響，并發(fā)現(xiàn)核桃本身的物理性質(zhì)和進(jìn)料的速度對分離效果有很大的影響。

本文以進(jìn)風(fēng)口導(dǎo)流板的不同位置為主要研究對象，采用單因素水平設(shè)計，通過Fluent 軟件進(jìn)行模擬仿真，利用EnSight 軟件對仿真結(jié)果進(jìn)行后處理，進(jìn)而研究不同導(dǎo)流板位置對風(fēng)分機(jī)內(nèi)部風(fēng)場分布情況的影響，得出進(jìn)風(fēng)口導(dǎo)流板的最佳安裝位置。

1 模型建立與仿真方法

1.1 三維模型的建立

風(fēng)選技術(shù)被廣泛運(yùn)用于各行各業(yè)。根據(jù)風(fēng)選物料和控制方式不同，風(fēng)分機(jī)可分為很多種。本文研究的風(fēng)分機(jī)主要由2 個進(jìn)風(fēng)口、進(jìn)料口、2 個物料出口和風(fēng)刀組成。根據(jù)實(shí)際模型構(gòu)建等比例三維模型，如圖1 所示。

圖1 風(fēng)分機(jī)三維模型Fig.1 3D model of wind sorting warehouse

1.2 工作原理

在打葉復(fù)烤生產(chǎn)線中，輸送帶將一定量的煙葉、煙梗、帶梗葉的混合物料勻速輸送至進(jìn)料口，混合物料由進(jìn)料口落入風(fēng)倉內(nèi)部。風(fēng)由風(fēng)機(jī)吹出并從兩進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入風(fēng)倉內(nèi)，在一定的風(fēng)力和風(fēng)刀的輔助風(fēng)力作用下，利用不同物料的重力不同，將煙葉和帶梗葉的物料從混合物料中分離出來，從煙葉出口吹出，進(jìn)入下一級打葉風(fēng)分過程。而煙梗從煙梗出口掉落并收集回收利用，實(shí)現(xiàn)物料的風(fēng)分過程。

風(fēng)分機(jī)風(fēng)倉內(nèi)部流場的分布情況對倉內(nèi)物料的運(yùn)動軌跡影響較大，甚至影響最終的風(fēng)分效果。倉內(nèi)風(fēng)場的分布越均勻，物料所受風(fēng)力就越均勻，風(fēng)分效果越佳，否則就會導(dǎo)致風(fēng)分后煙葉中含梗率增加，增加生產(chǎn)時間和成本。

1.3 仿真方法

計算流體力學(xué)簡稱CFD，是用計算機(jī)和各種離散化的數(shù)值方法對流體力學(xué)問題進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，以解決各種實(shí)際問題。Fluent 軟件用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動，具有強(qiáng)大的前后處理功能，廣泛運(yùn)用于航空航天、機(jī)械設(shè)計和汽車設(shè)計等各個行業(yè)[8]。單因素設(shè)計，就是從影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的眾多因素中選取一個作為自變量、其他因素都加以控制的設(shè)計方法。

煙葉在風(fēng)分過程中，除了受到風(fēng)場方向、速度、介質(zhì)密度影響外，還受煙葉自身密度、形狀、姿態(tài)、平移速度和轉(zhuǎn)動速度等多種因素的影響[9]。本文主要采用單因素設(shè)計方法，以進(jìn)風(fēng)口導(dǎo)流板的位置為主要研究對象，通過改變進(jìn)風(fēng)口導(dǎo)流板的位置，利用Fluent 對風(fēng)分機(jī)的內(nèi)部流場進(jìn)行仿真分析，然后利用EnSight 對仿真結(jié)果進(jìn)行后處理，實(shí)現(xiàn)風(fēng)分機(jī)內(nèi)部流場的可視化分析，進(jìn)而研究導(dǎo)流板位置的不同對風(fēng)分機(jī)內(nèi)部流場的分布情況的影響。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

由于本文以進(jìn)風(fēng)口導(dǎo)流板的不同位置為主要研究對象，因此除了改變進(jìn)風(fēng)口導(dǎo)流板的不同偏轉(zhuǎn)角度外，其余參數(shù)設(shè)置和邊界條件設(shè)置都不變，如：兩進(jìn)風(fēng)速度、風(fēng)刀速度、進(jìn)料口及物料出口的邊界條件。

在Fluent 中，依次將不同流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置兩進(jìn)風(fēng)口的進(jìn)風(fēng)速度，煙葉出口和煙梗出口都設(shè)置為常壓壓力出口，并進(jìn)行相應(yīng)的仿真參數(shù)設(shè)置。選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。該模型僅適用于不考慮分子粘性的情況，通過湍流動能k方程（式（1））和湍流耗散率ε方程（式（2））進(jìn)行求解：

式中：Gk——由平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生；Gb——由浮力影響引起的湍動能產(chǎn)生；YM——可壓速湍流脈動膨脹對總耗散率的影響。

2.2 風(fēng)倉內(nèi)部流場分析

多次調(diào)整進(jìn)風(fēng)口導(dǎo)流板的偏轉(zhuǎn)角度和模擬仿真分析，利用EnSight 分別對仿真結(jié)果進(jìn)行后處理分析，對比內(nèi)部風(fēng)場的分布情況，進(jìn)而研究不同導(dǎo)流板位置對風(fēng)分機(jī)內(nèi)部風(fēng)場的分布情況的影響程度，以期得到進(jìn)風(fēng)口導(dǎo)流板的最佳安裝位置。本文主要選取以下3 種典型情況進(jìn)行對比分析。

2.2.1 導(dǎo)流板原安裝位置

該風(fēng)分機(jī)有2 個進(jìn)風(fēng)口，且每個進(jìn)風(fēng)口處都安裝有6 塊導(dǎo)流板來改變風(fēng)的作用方向，起到調(diào)節(jié)風(fēng)倉內(nèi)部流場分布的作用。每塊導(dǎo)流板均按照一定偏轉(zhuǎn)角度安裝，原安裝位置如圖2 所示。

圖2 導(dǎo)流板原安裝位置Fig.2 Original installation location of guide plate

在Fluent 中完成相應(yīng)的參數(shù)及邊界條件設(shè)置，仿真結(jié)束后，將仿真結(jié)果導(dǎo)入EnSight。分別在兩進(jìn)風(fēng)口處創(chuàng)建粒子軌跡，生成速度流線軌跡圖，并進(jìn)行速度著色處理，可以直觀清晰地看到風(fēng)分機(jī)內(nèi)部風(fēng)場的運(yùn)動軌跡及其分布情況，速度流線軌跡圖如圖3 所示。由圖3 可見，風(fēng)分機(jī)內(nèi)部的風(fēng)場分布情況紊亂。大部分跡線都集中在風(fēng)倉內(nèi)部中間位置，出口處也主要集中在中間部分，兩邊位置風(fēng)力分布較小，甚至有些地方幾乎沒有風(fēng)經(jīng)過，說明風(fēng)倉內(nèi)部風(fēng)場分布相對不均勻，這會使物料所受風(fēng)力不均勻，從而增加風(fēng)分后煙葉的含梗率，降低風(fēng)分效果。

圖3 速度流線軌跡圖Fig.3 Trajectory diagram of velocity streamline

2.2.2 導(dǎo)流板向左調(diào)整2°

將原進(jìn)風(fēng)口的每個導(dǎo)流板都向左偏轉(zhuǎn)2°，在Fluent 中完成模擬仿真后，將仿真結(jié)果導(dǎo)入EnSight 進(jìn)行后處理分析，分別在兩進(jìn)風(fēng)口處進(jìn)行粒子軌跡的創(chuàng)建和色彩渲染處理，得到速度流線軌跡圖如圖4 所示。由圖4 可見，內(nèi)部流線軌跡較紊亂，說明風(fēng)倉內(nèi)部風(fēng)場分布情況不均勻，風(fēng)力也主要集中在中間位置，出口處速度與風(fēng)倉內(nèi)部速度相比變化較小。風(fēng)分機(jī)倉內(nèi)風(fēng)場分布不均勻，會對物料運(yùn)動狀態(tài)產(chǎn)生很大影響，也會使風(fēng)分后煙葉的含梗率增加，導(dǎo)致風(fēng)分效果不佳。

圖4 向左偏轉(zhuǎn)2°的速度流線軌跡圖Fig.4 Trajectory diagram of velocity streamline deflecting 2° to the left

2.2.3 導(dǎo)流板向右調(diào)整2°

將進(jìn)風(fēng)口的每個導(dǎo)流板都向右偏轉(zhuǎn)2°，進(jìn)行流體域的網(wǎng)格劃分，在Fluent 中完成模擬仿真后，將仿真結(jié)果導(dǎo)入EnSight，分別在兩進(jìn)風(fēng)口處創(chuàng)建粒子軌跡并進(jìn)行速度著色處理，得到其速度流線軌跡圖如圖5 所示。

圖5 向右偏轉(zhuǎn)2°的速度流線軌跡圖Fig.5 Trajectory diagram of velocity streamline deflecting 2° to the right

由于倉內(nèi)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，風(fēng)力入倉后會有一定損耗，速度慢慢減??；當(dāng)?shù)竭_(dá)出口時，出口狹窄，風(fēng)速相應(yīng)增大。由圖5 可見，風(fēng)分機(jī)內(nèi)部風(fēng)場的分布比較穩(wěn)定，且相對較均勻，風(fēng)場分布情況較之前也有所改善。對速度流線軌跡圖添加探針，可得風(fēng)場速度的范圍值，中部速度為2.85～2.97 m/s，速度合適，基本符合參考值。

3 結(jié)論

通過調(diào)整風(fēng)分機(jī)進(jìn)風(fēng)口導(dǎo)流板的不同安裝位置，并對其進(jìn)行模擬仿真和后處理分析，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)分機(jī)內(nèi)部風(fēng)場分布情況的“白箱化”，對比分析得出，進(jìn)風(fēng)口導(dǎo)流板的不同安裝位置對風(fēng)分機(jī)風(fēng)倉內(nèi)部的風(fēng)場分布情況影響較大。最后得到進(jìn)風(fēng)口導(dǎo)流板的最佳安裝位置，使風(fēng)倉內(nèi)部風(fēng)場分布更均勻，可改善風(fēng)分效果，為進(jìn)一步研究提供參考。