張斌，陳國杰，4，張振峰，周曦，2

（1.南華大學土木學院，湖南 衡陽 421000；2.建筑環(huán)境控制技術湖南省工程實驗室，湖南 衡陽 421000；3.裝配式建筑節(jié)能技術湖南省重點實驗室，湖南 衡陽 421000；4.建筑環(huán)境氣載污染物治理與放射性防護國家地方聯(lián)合工程研究中心，湖南 衡陽 421000）

0 引言

卷煙工藝是研究將煙葉原料和卷煙材料加工為卷煙，以實現(xiàn)卷煙生產的“優(yōu)質、低耗、高效、安全”為目標，以“先進、合理、經濟、適用”為原則[1]。卷煙工藝主要包括煙葉的生產和初加工、卷煙產品設計以及卷煙加工工藝[2]。目前，我國已成為世界第一大煙草生產大國，同時也是世界最大的煙草消費市場。煙草行業(yè)是我國國家稅收的重要來源，是我國一個重要的經濟主體[5]。2021年，我國煙草行業(yè)實現(xiàn)工商稅利總額為13.5萬億元實現(xiàn)稅利總額的歷史新高。

CFD（計算流體力學）由計算機科學、流體力學、數(shù)值分析等多個學科交叉組成[3]，是以Navier-Stokes方程為基礎，將有限的離散點上的變量代替原來在時間和空間上連續(xù)的物理量[6]，用數(shù)值法對其離散數(shù)值進行求解，即可得到流場內不同位置的物理量的分布狀況，以及物理量隨時間的變化情況[7-9]。

CFD興起于上世紀七十年代，由于其可以求解理論分析與實驗難以解決的問題，近年來，CFD被廣泛應用于卷煙工藝。在煙草行業(yè)，僅靠實驗研究來解決實際工程問題，存在高成本和低效率的不足之處[10]，而通過CFD技術研究卷煙加工過程中煙葉運動軌跡，不僅有利于制定高效的試驗方案[1]，還能提升工藝水平，優(yōu)化設備構件。

總結了CFD在卷煙工藝中的研究現(xiàn)狀，重點對打葉復烤工藝以及制絲工藝、卷接包工藝進行研究，以便為CFD應用提供參考，以及更好地解決煙草行業(yè)中復雜的工程問題。

1 CFD在打葉復烤中的應用

打葉復烤是煙葉生產和初加工中的關鍵工藝流程[11]，是保證卷煙產品外觀、內在等質量均勻性的重要環(huán)節(jié)[12]。它是將原來卷煙廠的打葉風分工序和復烤廠的復烤工序結合起來，形成的一種新型工藝方法[13]。其主要流程為：將除雜后的煙葉經過首次烘烤后，通過打葉風分技術對煙葉進行梗葉分離，然后對分離出的純煙葉及在打葉風分過程中產生的煙葉碎片進行復烤，控制煙葉含水率，最后將其儲存包裝[10]。本文主要對打葉工序和風分工序進行探討。

1.1 打葉工序

打葉工序作為煙葉生產線中第一道原料加工處理工序[14]，打葉質量會直接影響后續(xù)的煙葉制絲和卷接包工藝質量，對整個煙葉生產過程起著至關作用[15]。起初，國內學者以實驗的方式研究打葉參數(shù)對打葉質量的影響，但只能看出打葉后的效果。為了研究打葉機內部煙葉的運動狀態(tài)和斷裂情況，向靖鋒等[16]建立打葉過程數(shù)字化模型，利用DEM軟件模擬打葉機內部煙葉運動狀況，得到的破碎效果與實際效果相似。王俊瑞，黃亞宇[17]基于煙葉顆粒黏結模型，應用EDEM模擬打葉過程，以去梗率為指標，分析其對打葉后煙葉片型結構的影響。

雖上述學者已對打葉過程進行研究，但忽略了一些問題，例如打葉機內部的流場對煙葉的影響，流場的均勻性和穩(wěn)定性是打葉過程中的重要影響因素。為了探究打葉機內部空氣運動規(guī)律，向靖鋒等[18]運用Fluent對打葉機內部流場進行數(shù)值模擬，結果表明在合理范圍內，改變風速對旋轉流體區(qū)域的流場影響較小。文章主要考慮打葉參數(shù)對打葉機內部流場的影響，沒有考慮流場對打葉效果的影響。

1.2 風分工序

風分工序是打葉復烤生產中的關鍵環(huán)節(jié)，風分效率直接影響打葉復烤的經濟效益指標[16]。袁玉通等[19]以經典馬克（MacTavish）風分倉為研究對象，對其結構、進出料方式和選料方式等進行優(yōu)化，并通過CFD對倉內流場進行仿真，通過變異系數(shù)法判定流場均勻性，最后得出風分倉內流場分布對梗葉分離效率有較大影響。陸俊平等[20]運用Ansys Fluent對風分器內進行流場模擬，根據(jù)模擬結果對風分器出料裝置及風分出料工藝進行優(yōu)化設計，得到一種新型柔性落料器，最后通過試驗檢測得出新型柔性落料器對風分器內風場均勻性的改善作用明顯。昆明理工大學黎西[10]以WF3601臥式風分機為原型，基于Fluent的DPM模型對風分機內煙葉風分過程進行數(shù)值模擬，分析煙葉在風分室內速度場與壓力場的變化情況，并通過實驗數(shù)據(jù)聯(lián)合研究分析，得到不同工況對流場和風分效果的影響。上述學者通過離散元結合數(shù)值模擬實現(xiàn)煙葉風分的可視化，但煙葉形狀不確定，且煙葉在流場中存在震蕩、碰撞和摩擦等運動狀況，不能準確描述煙葉的空氣動力學特性。

為了更加準確地模擬出煙葉顆粒在倉內的運動情況，昆明理工大學趙豐[21]基于氣固兩相耦合方法，通過Fluent和EDEM進行耦合仿真，利用UDF耦合接口實現(xiàn)兩個軟件環(huán)境之間的交互作用，得到更貼近實際的風分流場和煙葉在流場中的運動狀態(tài)，且用SPSS軟件對不同工況參數(shù)與風分效率進行了相關性分析，得出風選風速與風分效率之間的相關性最強。昆明理工大學賈同鵬等[22]基于CFD-DEM耦合方法分析了不同進風風速下，物料在風分倉內的運動過程及受力變化規(guī)律，而風分倉內存在流場速度梯度和壓力梯度，出料口處負壓區(qū)域增大且倉內壓力升高，增加了物料能量損耗，進而影響風分效率。目前對煙葉在風分過程中的運動狀態(tài)的研究已取得初步成果，還可以多考慮煙葉在風分過程中的影響因素，如煙葉的含水率，風機頻率等。

目前國內研究人員應用CFD對打葉復烤中有關煙葉打葉風分的研究已取得初步成果，根據(jù)研究成果，可以看出將CFD應用于打葉復烤工藝，能有效提升打葉效果和風分效率，從而提高煙葉質量。但對打葉機和風分機的研究和設計仍存不足，如：沒有考慮打葉機內部流場對煙葉的影響；針對風分機內流場進行仿真分析，忽略了風分機內部的部分結構，網(wǎng)帶、導風板等對流場的影響；在數(shù)值模擬中以橢圓形顆粒物代替煙葉、煙梗等，與實際煙葉存在較大差異，會影響模擬結果的準確性；對不同工況參數(shù)的設置大多憑借經驗，缺乏科學的理論依據(jù)；對煙葉、煙梗在風分器內部運動狀態(tài)的研究不全面。

2 CFD在制絲工藝中的應用

在卷煙生產過程中，制絲工藝是工序最繁瑣的[23]。制絲工藝主要目的：（1）確保卷制煙絲質量穩(wěn)定，保證原料配比均勻、香精香料施用均勻、煙絲寬度合適、水分均勻等；（2）制出的煙絲填充量多，增加煙絲韌性，節(jié)約原料；（3）盡可能減少煙絲造碎，降低材料損耗[24]。制絲工藝包括煙片處理、制梗絲、制葉絲、摻配加香[25]。主要流程：煙葉回潮、配比等；潤梗、烘梗絲等[26]；煙草薄片潤澤與切絲等工序；最后再將葉絲、梗絲摻配均勻，經冷卻后加香加料[23]。

由于煙葉加香加料是制絲工藝中最后一道核心工序，是卷煙制品形成特色的重要保障[27]。因此在卷煙制絲過程中，國內外學者目前主要對煙葉加香加料過程進行CFD的應用。而加香加料工序主要分為兩個部分：一是利用噴嘴對料液進行霧化破碎形成液滴霧化場，二是向滾筒內拋撒煙葉，使其與霧化場進行接觸混合。因此，CFD應用的關鍵點在于加香加料工序，而加料噴嘴與加香滾筒屬于工序中的關鍵設備。應用現(xiàn)狀具體見表1[27-30]。

表1 CFD在加香加料工序中的應用

除了對加料噴嘴和加香滾筒的研究之外，不少學者也對煙葉回潮進行CFD仿真。趙永祥等[31]針對隧道式葉絲回潮機在生產過程中存在的排氣罩吸風速度快、風量大等問題，對排氣罩結構進行優(yōu)化，結果表明優(yōu)化結構能減少排氣罩內葉絲沉積現(xiàn)象，提高葉絲利用率和產品質量。徐敏等[32]基于回潮筒工作原理，使用Fluent對回潮筒加水及煙絲運動進行模擬，根據(jù)模擬結果調整回潮筒內噴嘴數(shù)量及布局。

總之，不少學者已將CFD應用于卷煙制絲工藝中，取得的研究成果為工藝參數(shù)設置及設備優(yōu)化提供參考。但卷煙制絲過程是一個復雜的多物理場耦合過程，還需對此進行深入研究。研究可根據(jù)如下幾點進行：（1）對煙絲與香料進行流固耦合計算時，可考慮溫度場的影響；（2）對制絲工藝后，研究煙絲質量變化情況；（3）對工藝參數(shù)的選擇，盡可能考慮周全，細化研究過程；（4）完善試驗方案等。

3 CFD在卷接包工藝中的應用

在卷煙生產中，卷接包工藝主要負責煙支成型及卷煙包裝[33]，包括喂絲、煙支卷制、濾嘴接裝、煙支包裝等工序[25]。其工藝任務為充分發(fā)揮設備效率，按規(guī)格及質量標準，將煙絲卷制成煙支，然后接裝濾嘴，最后通過包裝機械將其包裝成小包或條包等[34]。目前，國內學者主要對卷接包工藝中不同設備的內部流場進行研究，應用CFD模擬煙葉在設備內部的運動情況。工藝設備中就包括卷接機組、包裝機、喂絲機等。

3.1 卷接機組

卷接機組主要由卷煙機和接裝機組成，而梗簽分離裝置是其中很重要的分離回收設備[35]。為了探求不同氣流速度下梗絲分離率以及顆粒在流場內的運動情況，朱德勇等[36]通過CFD對一種新型在線梗絲分離回收裝置中流場、煙絲和煙梗顆粒運動軌跡進行數(shù)值模擬，結果表明該裝置中風速是影響煙絲和梗簽混合物分離的主要因素。顧宗幸等[37]建立流體域模型，利用Fluent模擬顆粒相運動軌跡，結果顯示，當入射速度為8 m/s時，在離心分離腔內能有效分離梗絲，進一步提高煙絲利用率。昆明理工大學鄭新虎[38]以二次梗絲混合物的分離裝置為原型建立簡化模型，利用Fluent模擬不同風選氣壓下懸浮腔體內的氣相流場，得出當氣壓為-0.22 MPa時流場分布較為均勻，符合理想分離條件。

在卷煙生產中，會遇到不同的生產問題，國內學者根據(jù)不同需求設計了不同的分離裝置。張皓天等[39]在ZJ17卷接機組的基礎上設計了一種外置式梗簽分離裝置，應用Ansys Fluent對兩種真空懸浮腔進行仿真分析，結果表明方形腔體的梗絲分離效果優(yōu)于圓柱形腔體；將離心分離腔體設計為“馬蹄形”，有利于流速發(fā)生變化，減少煙絲造碎。南華大學李貝貝[40]設計了一種新型梗簽二級分離裝置，能將梗簽和煙絲在線分離，分離后煙絲重新送入煙絲料倉，梗簽物進入吸梗系統(tǒng)集中處理，應用CFD對梗簽二級分離裝置模型進行仿真分析，得到不同送風風速下分離腔體內的氣相流場和壓力云圖。從上述學者的研究成果來看，研究梗簽分離裝置時考慮不全，如：忽略了裝置內壓力損失；沒有深入研究煙絲、煙梗顆粒物在管道內的運動軌跡；未對設備的外形、尺寸等進行優(yōu)化設計。

3.2 包裝機

在卷接包工藝中，包裝工藝同樣也是很重要的，CFD主要應用于包裝機內部流場研究。針對包裝過程中出現(xiàn)的PE膜收縮不緊致、溫度均勻性較差等問題，楊旭東等應用fluent對包裝機進行仿真，結果表明：采用網(wǎng)篩結構的進口裝置可增大進風口阻力，有效改善離心風機所引起的渦流強度，腔內溫度和速度的波動范圍較小，設備內部溫度均勻性更好。文章主要研究設備內部的溫度場，對設備內部流場的研究有所欠缺，可深入研究設備內流場變化情況；針對性解決包裝機存在的問題。

3.3 其他工藝設備

李榮等[42]對柔性喂絲機均分盤內煙絲流場進行CFD仿真分析，對優(yōu)化后的A型、B型均分盤以及原均分盤進行仿真分析并進行現(xiàn)場對比測試，結果表明：喂絲機采用B型均分盤的流場內風速梯度變化明顯，送絲效果良好并可有效避免煙絲堵塞現(xiàn)象。湖南大學朱敏智[43]利用線吸絲率模型對流化床流場進行了CFD仿真，在ProE中建立回絲系統(tǒng)的三維模型；對回絲流道進行CFD仿真，驗證流道合理性，結合原理與實際得到回絲系統(tǒng)壓強與生產速度之間的關系。

由上述可知，在卷接包工藝中，CFD主要應用于設備內部的煙葉運動。卷煙的卷接包裝過程也是一個多物理場耦合的過程，但大部分學者往往只對單一物理場進行研究，下一步可對不同物理場的耦合進行研究；在建立煙絲顆粒模型時，需更貼近實際煙絲顆粒；對設備內部流場進行模擬時，需多考慮設備結構方面的影響。

4 總結與展望

在卷煙行業(yè)中，CFD已應用于打葉復烤工藝中的打葉機和風分機等的流場模擬和優(yōu)化設計，制絲工藝中加料噴嘴、加香滾筒、葉絲回潮機和回潮筒的模擬研究和結構優(yōu)化，卷接包工藝中的梗簽分離裝置、包裝機、喂絲機和流化床等的流場、溫度場的模擬和優(yōu)化設計，并取得了較好的效果。

在卷煙生產中，CFD無論是應用在打葉復烤，還是制絲工藝中，亦或是卷接包工藝中，研究的都不夠全面。在打葉復烤中，沒有考慮打葉機內部流場對煙葉的影響；忽略了風分機內部的部分結構，網(wǎng)帶、導風板等對流場的影響；在數(shù)值模擬中以橢圓形顆粒物代替煙葉、煙梗等，與實際煙葉存在較大差異。在制絲工藝中，對煙絲與香料進行流固耦合計算時，沒有考慮溫度場的影響；對卷煙制絲過程后煙絲質量變化情況的研究較少；對工藝參數(shù)的選擇，考慮不全。在卷接包工藝中，對設備內部壓力損失的研究較少；對設備的外形和尺寸還有待進一步優(yōu)化；對影響梗簽分離效果的因素考慮不全面等。

不僅如此，CFD還有望應用于：（1）不同卷煙工藝中不同設備內部流場均勻性研究。對打葉復烤中打葉機和風分機內部的流場均勻性進行全面的研究分析，充分考慮打葉機和風分機內部構造對煙葉流動的影響；對卷接包工藝中梗簽分離裝置的流場分析。（2）對卷煙加工過程中煙葉溫度和含水率變化研究等，主要研究除流場外，設備內部溫度場及煙葉含水率對煙葉質量的影響。將CFD應用于卷煙工藝中，能在一定程度上為研究煙葉運動提供參考價值，從而提升卷煙品質。