關鍵詞：Fluent；多功能烤房；流場；結構優(yōu)化中圖分類號：TS441 文獻標識碼：A文章編號：0439-8114（2025）07-0171-07DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2025.07.02開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：：

Flowfield analysisand structural optimization of the multi-functionalcuringbarnbasedonFluent

LIFengla，RAO Zhi² ，TANHuala，WEIJun-ganglb，CHENLi-mengla，RENTingla，F(xiàn)AN Zi-lingla，LI Xian-qiula （a.Collged;dadalUi; 2.Hongyun Honghe Tobacco（Group） Co.，Ltd.，Kunming 650231，China）

Abstract：Takingthemulti-functionalcuringbarnastheresearchobject，numerical simulationresearchwasconductedusingFluent software based on the standard turbulence model theory.The influences of key parameters such as air inlet width，distance between thetrayandthesidewallof hecuringbarn，anddeflectoriclinationangleontheflowfieldweresystematicallyanalyzd，erifying theregulatoryefectsofdiferentstructuralschemesonthestabilityoftheinteralflowfieldofthecuringban.Theresultsshowedtat theoptimalcombinationofstructuralparametersforthemulti-functionalcuringbarnwasanairinletwidthof2.7mandadistancof 300 mmbetwenthetrayandthesidewall.Aftertesting thedeflectorsystemwithawidthof3O0mmandaspacingof2Omm，itwas found that when the deflector inclination angle was 45^° ，the uniformityof the internal flow fieldof the curing barn reached its optimal state，allowing airflow to act uniformly on the material surfaceand significantly improving the drying effect.

KeyWords：Fluent；multi-functional curingbarn；flow field；structural optimization

煙草是中國種植規(guī)模最大的非食用經(jīng)濟作物之一，產(chǎn)業(yè)競爭力強，社會影響廣泛而深遠。隨著現(xiàn)代化密集烤房的推廣，各地區(qū)政府、企業(yè)投入高成本建設基礎設施和烘烤設備，使煙葉的烘烤效率得到提升，但傳統(tǒng)烤房的烘烤周期短，導致烤房有 70% 左右的時間處于閑置狀態(tài)[]。發(fā)展多功能烤房，既有助于提高烤房利用率、推動農(nóng)業(yè)經(jīng)濟多元化發(fā)展，又能助力煙農(nóng)持續(xù)增收，防范規(guī)模性返貧，符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢。

烤房內(nèi)的氣流與溫度分布直接影響煙葉烘烤品質，是決定煙農(nóng)收益的關鍵因素?？痉亢婵具^程存在熱-流-固（THM）多物理場耦合現(xiàn)象，關鍵參數(shù)難以精準監(jiān)測，導致試驗驗證成本顯著增加。采用數(shù)值模擬技術，通過計算機仿真和數(shù)字化建模，建立烤房烘烤過程的數(shù)值模型2，模擬和分析氣流分布特性，優(yōu)化關鍵工藝參數(shù)，為多功能烤房的優(yōu)化設計提供科學依據(jù)。

陳子民等3利用Fluent動網(wǎng)格數(shù)值仿真，提出勻速 + 停滯復合運動的可控移動導風板機構，優(yōu)化頂風式熱泵干燥箱的氣流場。陳家樂等4采用Flu-ent軟件對烘干室內(nèi)部熱風流場進行模擬，通過優(yōu)化結構托盤間距及導風板方向，解決局部氣流堆積問題。于洋等[5基于Fluent軟件模擬烤房溫度場分布，通過優(yōu)化換熱板流道結構參數(shù)（高度、寬度、間距）有效提高了枸杞干燥效率。Odewole等[發(fā)現(xiàn)氣流速度、溫度及托盤的排列方式均對干燥材料的水分去除速度產(chǎn)生顯著影響。Kumar等基于COM-SOLMultiphysics軟件，采用有限元法（FEM）建立了蘋果干燥過程的多相多孔介質傳輸模型，結果表明，樣品表面及近表面區(qū)域液態(tài)水與水蒸汽的飽和度較低，而內(nèi)部區(qū)域飽和度較高，該模型可優(yōu)化蘋果干燥工藝。Cao等8基于多孔介質熱質傳遞理論建立了烤房內(nèi)熱質傳遞過程的三維數(shù)值模型，研究表明，墻體保溫性能和循環(huán)空氣量顯著影響煙葉干燥效率。Sakamoto等通過數(shù)值模擬研究了煙草切絲在不同烘烤條件下的干燥過程，建立的模型與試驗數(shù)據(jù)吻合，可準確預測煙草干燥過程中的溫度和水分變化規(guī)律。針對當前烘干設備普遍存在的流場不均勻問題，采用數(shù)值模擬方法分析烤房氣流分布特性，通過優(yōu)化結構布局改變氣流流動規(guī)律，為多功能烤房設計提供優(yōu)化方案與技術參考。

1模型建立

1.1 物理模型

多功能烤房由加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和智能化系統(tǒng)3個主要部分組成。其中，加熱系統(tǒng)采用太陽能光伏光熱系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)相結合的方式，以熱泵系統(tǒng)作為主要熱源，太陽能系統(tǒng)作為輔助熱源。控制系統(tǒng)包含人機交互界面（HMI）遠程監(jiān)控功能及預警保護機制。智能化系統(tǒng)則主要由數(shù)據(jù)采集模塊和通信模塊構成。烤房內(nèi)部結構嚴格遵循國煙辦綜[2009]418號文件的技術規(guī)范，其主體尺寸為 8.0m （長） ×2.7m （寬） ×3.5m （高）。根據(jù)文件要求，進風口設計尺寸為 2.7m （寬） ×0.5m （高），出風口尺寸為2.7m （寬） ×0.4m （高）。多功能烤房三維模型如圖1所示。

1.2 網(wǎng)格劃分

考慮到烤房內(nèi)部結構復雜，為提高計算效率并確保結果可靠性，對模型進行簡化，簡化后的模型導入SCDM軟件后，執(zhí)行烤房內(nèi)部流體域的幾何抽取操作，并對關鍵區(qū)域進行命名，將進風口命名為inlet，出風口命名為outlet。在網(wǎng)格劃分階段，為提高計算收斂性，優(yōu)先采用Fluent軟件的結構化網(wǎng)格進行離散，最終生成的網(wǎng)格單元總數(shù)為3175834個，平均網(wǎng)格質量達0.89，滿足計算要求。

圖1多功能烤房三維模型

1.3 控制方程

采用標準 k-ε 湍流模型對多功能烤房內(nèi)流場特性進行數(shù)值模擬分析。該模型作為工程領域廣泛應用的湍流模型，通過求解湍流動能（和湍流耗散率來表征湍流特性，其中k方程描述湍流脈動動能輸運過程，方程表征湍流能量耗散機制，二者共同構成了完整的湍流動力學描述體系。該模型具備精確模擬邊界層流動、自由剪切流動及回流區(qū)流動等湍流現(xiàn)象的能力，同時保持計算效率與穩(wěn)定性?？痉績?nèi)氣體流動過程受控于質量守恒、動量守恒和能量守恒三大守恒定律。

1）質量守恒。

式中， u，v，w 分別為流體在 x，y，z 方向上的速度分量： _;ρ 為流體密度。

2）動量守恒。動量守恒方程是從受力角度來描述流體的流動。

式中， uU，vU，wU 分別表示熱空氣流在 x，y，z3 個方向上的速度張量； p 為靜壓; τ 為熱空氣流的應力張量； F 為單位體積流體受到的外力； Φ_t 為時間。

3）能量守恒。

式中， T 為流體熱力學溫度； k 為流體傳熱系數(shù)；C_ρ 為流體比熱； S_T 為黏性耗散項。

1.4 模擬條件

在烘烤過程中，烤房與外部環(huán)境存在明顯溫差，導致持續(xù)的熱交換現(xiàn)象。其圍護結構采用復合保溫設計，總厚度為 50mm ，其中主體為 48mm 厚的聚氨酯保溫層，兩側各覆 1mm 厚的彩鋼板作為保護層。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，烤房運行期間室外溫度為 24^9C ，初始加熱階段室內(nèi)溫度達 47^°C 。基于傅里葉傳熱定律，通過計算復合圍護結構各層材料的熱阻得到單位面積傳熱量，計算式如下。

式中， Q 為單位面積傳熱量； Δt 為內(nèi)外表面溫差； t₁ 為壁面內(nèi)表面溫度； t₀ 為壁面外表面溫度； α 為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)； α_i 為壁面內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)； α₀ 為壁面外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)； δ₁，δ₃ 為兩側彩鋼板厚度； δ₂ 為中間層聚氨酯保溫層厚度； λ₁，λ₃ 為兩側彩鋼板導熱系數(shù)； λ₂ 為聚氨酯保溫層導熱系數(shù)。

烤房進出口邊界條件設定如表1所示。

表1烤房進出口邊界條件設定

1.5 評價指標

為量化烤房結構優(yōu)化后的流場特性差異，采用氣流速度、不均勻系數(shù)和云圖變化3個評價指標進行評估[10.11]

1云圖變化直觀反映烤房內(nèi)的溫度、氣流速度、壓力及流向分布情況。通過云圖顏色變化識別烤房內(nèi)部的氣流狀況，以便進行結構優(yōu)化。

2）平均氣流速度定量表征氣流強度，計算式如下。

式中， v_i 表示流場中各高度層 （0.7，1.4，2.1，2.8m） 中心線上第 i 個測點的氣流速度； 為氣流速度平均值， m/s 。

3）不均勻系數(shù)用于分析氣流速度分布的均勻性，計算式如下。

式中， M 為不均勻系數(shù)； σ_ν 為氣流速度的標準差， m/s 。在CDF-Post仿真分析中，選取每層托盤之間的區(qū)域作為研究對象，并在托盤兩端的中線位置均勻取15個采樣點，獲取氣流速度數(shù)據(jù)并進一步分析。不均勻系數(shù)越小，表明該平面的氣流速度分布越均勻。合理的氣流速度分布既可以保證各托盤層間熱傳遞的均勻性，又能消除因氣流速度差異導致的烘烤物料上下層含水率梯度，從而顯著抑制分層現(xiàn)象的發(fā)生。

2 模擬結果與分析

基于初始烤房流場模擬結果，選取 z=1.35m 水平截面作為觀測平面，分析該截面壓力場、溫度場及氣流速度場的分布特征。

由圖2可知，烤房內(nèi)部壓力分布明顯不均勻，流場后端頂部區(qū)域的壓力較大，達 30.37Pa ，而左下角區(qū)域壓力較小，其他區(qū)域壓力分布較均勻。由于托盤對氣流產(chǎn)生局部阻力，其孔隙率及布置方式影響了流動特性，導致氣流穿過托盤時速度降低并均勻擴散，促使不同層間的流場逐漸趨于平衡。然而，當高壓熱空氣從進風口進入烤房后，直接沖擊后壁面，并在急劇收縮的流動過程中發(fā)生氣流堆積，形成局部滯止區(qū)，使得該區(qū)域靜壓力顯著升高。

由圖3可知，烤房溫度分布明顯不均勻，靠近進風口頂部區(qū)域溫度超過 319.00K ，越靠近出風口溫度越低，熱空氣進入烤房后，未能有效擴散而在入口上方區(qū)域堆積。托盤結構顯著改變了熱空氣的流動路徑，導致局部流動受阻。近壁面區(qū)域因氣流滯留效應溫度較高；靠近出風口的區(qū)域由于氣流速度衰減及熱傳遞不足，溫度較低；整體熱空氣循環(huán)效率受結構限制而下降，進一步加劇了溫度分布的不均勻性。

由圖4可知，烤房頂部、底部區(qū)域氣流速度較快，而烤房中部區(qū)域氣流速度明顯衰減，形成局部低速區(qū)甚至流動滯止區(qū)，造成流場連續(xù)性中斷。圖5展示了烤房截面（ ?y=1.75m 的氣流速度分布情況從 x 軸方向來看，氣流速度向裝煙室后側逐漸增大。由于裝煙室內(nèi)部空間較大且托盤結構對氣流擴散形成阻礙，中部區(qū)域出現(xiàn)明顯的氣流滯留和速度衰減現(xiàn)象。相比之下，兩側區(qū)域氣流速度較快，這種不均勻分布可能與進風口寬度不足導致的氣流分配不均有關。分別在每層托盤取一條中心線分析， x 軸方向的氣流速度分布如圖6所示，烤房內(nèi)氣流速度分布呈現(xiàn)明顯梯度變化，其最大值可達 2.20m/s ，最小值僅為 0.10m/s 。沿 x 軸方向，氣流速度先增大后減小。中間層區(qū)域的氣流速度整體偏低，可能與裝煙室結構對氣流的阻礙作用有關。

圖2初始烤房壓力分布 ）

圖3初始烤房溫度分布 一

圖4初始烤房氣流速度分布 ζ_z=1.35m ）

圖5初始烤房氣流速度分布 γ_y=1.75=m

圖6不同高度截面沿 x 軸方向氣流速度分布

通過壓力場、溫度場、氣流速度場可知，整個烤房內(nèi)的氣流分布并不均勻，特別在后壁面及四周邊角處存在氣流強度不夠的現(xiàn)象。同時受到托盤阻力的影響，熱氣流難以充分覆蓋烤房的所有區(qū)域。這種氣流分布不均勻和強度不足的現(xiàn)象會影響到作物的烘干質量，導致烘干效果不理想。

3 烤房結構優(yōu)化

初始烤房存在流場分布不合理的問題，不僅影響作物的烘干效率，還影響烘烤品質，造成資源浪費和能耗增加。通過優(yōu)化進風口寬度、調整托盤間距、合理布置導風板并優(yōu)化其傾角等措施，能夠有效改善流場分布，減少渦流產(chǎn)生，進而提高烘烤均勻性和能源利用效率。

3.1 進風口寬度對氣流的影響

在保持進風口高度不變的情況下，通過調整進風口寬度（ 1.8、2.2、2.7m 進行數(shù)值模擬，圖7展示了不同進風口寬度條件下烤房內(nèi)部氣流速度的分布特征。相較于處理1和處理2，處理3的氣流速度分布更為均勻。隨著進風口寬度的增加，低氣流速度區(qū)域逐漸減少，室內(nèi)滯留區(qū)和死區(qū)范圍也相應減少。較窄的進風口會限制氣流的流入量，導致氣流集中在烤房頂部，難以均勻擴散至整個內(nèi)部空間；而擴大進風口寬度后，氣流能夠充分滲透至各區(qū)域，并有效通過托盤間隙，從而改善整體流場分布。

圖8為 x=0.5m 水平截面上沿 x 軸方向各測點的氣流速度分布情況，進風口寬度為 1.8，2.2，2.7m 時的平均氣流速度分別為 1.33，1.54，1.98m/s ，相應的氣流速度不均勻系數(shù)為0.25、0.31、0.21。氣流速度的提升增強了烤房內(nèi)的氣流強度，延長熱空氣與作物的接觸時間，從而優(yōu)化了烘干效果。進風口寬度為 2.7m 時，烤房內(nèi)的平均氣流速度最大，且氣流速度不均勻系數(shù)最小，這與氣流速度分布圖的結果基本一致。

a.處理1（寬度 1.8m ）

b.處理2（寬度 2.2m ）

圖7不同進風口寬度對烤房氣流速度的影響（ σ_z=1.35m ）

3.2托盤與側壁的間距對氣流的影響

以 2.7m （寬） ×0.5m （高）的進風口為基準，設置3組間距（托盤與烤房側壁之間的距離），分別為100，200，300mm ，在保持其他參數(shù)不變的條件下進行仿真模擬。

圖9為不同間距對烤房氣流速度的影響，中間區(qū)域大部分為深藍色，代表此處氣流流速較低，表明氣流存在較明顯的阻礙現(xiàn)象。間距為 100mm 時，氣流在中間層存在較多的滯流區(qū)域，導致熱傳遞效率下降，局部濕度較高，降低烘干效果。隨著間距的增加，氣流均勻性有所改善。

a.間距為 100mm

由圖10可知，托盤與烤房側壁之間的距離為100，200，300mm 時的平均氣流速度分別為 0.6，0.9 1.1m/s ，相應的氣流速度不均勻系數(shù)分別為0.65、0.34，0.28 。綜合分析表明， 300mm 的間距設計在保證設備空間利用效率的同時，氣流能夠更均勻地穿過整個干燥區(qū)域。

圖10不同托盤間距在烤房 x 軸方向的氣流速度（z=1.35m）

3.3 導風板對氣流的影響

為改善烤房內(nèi)氣流均勻性，建議在地面（氣流上升式）或屋頂（氣流下降式）適當位置增加導風板。該措施能有效減少四周邊角區(qū)域的氣流紊流現(xiàn)象，從而優(yōu)化烤房整體氣流分布。基于文獻[11的研究結果，設置寬度 300mm 、間距 200mm 的導風板系統(tǒng)，如圖11所示。分別在烤房各托盤層沿 x 軸方向等間距設置100個測點，系統(tǒng)測量不同導風板傾角（45^°，60^°，90^° 工況下的氣流速度場分布特性。通過與無導風板基準工況的對比分析，建立定量評價指標體系，深入揭示了導風板結構參數(shù)對烤房流場均勻性的調控機制。

圖11裝煙室內(nèi)增設導風板示意圖

由圖12可知，烤房增設導風板后，導風板對氣流起到引導作用，烤房后壁邊角得到改善，當導風板的傾角增大時，室內(nèi)氣流雖然被合理擴散，但進風口中間層及后壁氣流速度降低，熱效率有所下降，這是由于氣流受到導風板的阻礙，使沿 x 軸運動變成沿 y 軸垂直向下運動，僅在導風板下方形成局部高速區(qū)域，其他區(qū)域則充斥低速甚至靜滯氣流，干燥室整體流場變得高度不均勻，因此 45^° 傾角引導的氣流在整個空間的均勻性達到最佳，使其覆蓋整個烤房，同時降低氣流速度，確保干燥室內(nèi)氣流分布更加均勻，促進物料表面水分蒸發(fā)，從而加快干燥速度，縮短干燥時間。

a.未調整導風板傾角

氣流速度//m/s

c.導風板傾角為 60^°

b.導風板傾角為 45^°

圖12不同導風板傾角對烤房氣流速度分布的影響（z=1.35m）

圖13和圖14分別展示了不同導風板傾角條件下沿 y 軸方向的氣流速度和不均勻系數(shù)分布。結果表明，當導風板未設置傾角時，氣流分布均勻性最差。該工況下的平均氣流速度明顯高于其他傾角，表明無傾角導風板會導致氣流紊亂和能量損耗增加。

圖13不同導風板傾角在烤房 y 軸方向的平均氣流速度（z=1.35m）

圖14不同導風板傾角在烤房 y 軸方向的不均勻系數(shù)（z=1.35m）

隨著導風板傾角從 45^° 增大至 90^° ，烤房內(nèi)氣流速度不均勻系數(shù)呈上升趨勢。在 y=0.7m 高度區(qū)域，不同傾角條件下的不均勻系數(shù)差異不明顯；而在 y= 2.1m.y=2.8m 區(qū)域，不同傾角條件下的不均勻系數(shù)差異明顯，氣流分布均勻性表現(xiàn)為 45^°gt;60^°gt;90^° 。較大傾角的導風板會導致烤房上部空間氣流分布均勻性顯著降低?；跉饬鹘M織性能和能耗效率的綜合評估，確定 45^° 為最佳導風板傾角，該配置可使烤房內(nèi)氣流分布均勻，同時確保最佳的烘烤效果。

本研究通過優(yōu)化進風口寬度（ 2.7m ）、托盤與側壁間距（ 300mm， 和導風板傾角 （45^° ）等關鍵參數(shù)，顯著提升了烤房氣流的均勻性。與初始設計相比，優(yōu)化后的烤房模型表現(xiàn)出以下改進特征：平均氣流速度提升至 1.04m/s ，不均勻系數(shù)降至0.37，有效解決了初始設計中存在的流通不暢問題。

4小結與展望

4.1 小結

基于Fluent軟件的流場模擬結果表明，初始設計的烤房內(nèi)部存在明顯的流場分布不均勻問題?？痉績?nèi)的壓力、溫度和氣流速度分布不均，導致各托盤區(qū)域的濕度和熱量傳遞不一致，顯著影響物料烘干效果。采取以下改進措施對烤房結構進行優(yōu)化設計，將進風口寬度擴大至 2.7m ，調整托盤與側壁間距至 300mm ，并設置寬度 300mm 、間距 200mm 的導風板系統(tǒng)。經(jīng)測試，當導風板傾角為 45^° 時，烤房內(nèi)部流場均勻性達到最優(yōu)狀態(tài)，氣流能夠均勻作用于物料表面，顯著改善烘干效果。多功能烤房能有效提升設備利用率，幫助煙農(nóng)增收，帶動鄉(xiāng)村相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展[]。這種創(chuàng)新模式促進了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟良性循環(huán)，既推動了產(chǎn)業(yè)升級，又助力鄉(xiāng)村振興。

4.2 展望

將光伏發(fā)電系統(tǒng)（清潔可再生能源）與多功能烤房相結合可實現(xiàn)雙重效益，一方面，光伏發(fā)電可降低烤房能源成本[13]；另一方面，多功能設計提升了烤房利用率，顯著降低設備閑置成本。這種集成系統(tǒng)不僅能夠有效實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)降本增效，還能促進農(nóng)村可再生能源應用和光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展。通過在傳統(tǒng)烤房設計中整合先進傳感模塊和自動控制單元，實現(xiàn)烤房運行狀態(tài)的實時監(jiān)測與精準調控?；谖锫?lián)網(wǎng)架構的智能烤房系統(tǒng)能夠自動優(yōu)化烘烤工藝參數(shù)，顯著提升設備運行效率。這種融合現(xiàn)代信息技術的智能化改造代表著農(nóng)業(yè)裝備升級的重要發(fā)展方向。

參考文獻：

[1]梁亨武.太陽能光伏發(fā)電烤房非烤煙烘烤時期綜合利用分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2013，41（28）：11471-11473.

[2]李博宇，范興，喬俊峰，等.數(shù)值模擬在煙草領域中的應用與展望[J].煙草科技，2022，55（4）：89-100.

[3]陳子民，莫江婷，陳廣生，等.基于Fluent的頂風式熱泵干燥箱氣流場分析及優(yōu)化[J].中國農(nóng)業(yè)科技導報，2024，26（10）：135-144.

[4]陳家樂，汪洪峰.菊花烘干室熱風氣流流動規(guī)律仿真分析[J].黃山學院學報，2021，23（5）：33-36.

[5]于洋，蔚明強，王爾杰，等.枸杞烘干箱溫度場優(yōu)化及仿真[J].食品與機械，2024，40（1）：101-107，114.

[6]ODEWOLEMM，SUNMONUMO，OYENIYISK，et al.Computa-tional fluid dynamics（CFD）simulationof hotair flowpattern in cab-inetdryingofosmo-pretreatedgreenbellpepper[J].Nigerianjour-nal of technological research，2017，12（36）：4314.

[7]KUMARC，JOARDDERMUH，F(xiàn)ARRELLTW，etal.A porousmedia transport model for apple drying[J].Biosystems engineering，2018，176：12-25.

[8]CAO G S，BAO YF，WUC，et al.Analysis on efficiency optimiza-tion of tobacco leaf flue-curing process[J]. Procedia engineering，2017，205：540-547.

[9]Sakamoto K，Katsuoka T.Model of through-flow drying for bedspacked with tobaccocut-fillerinaflowofairor superheated steam[J].Food science and technology research，2012，18（5）： 623-629.

[10]袁啟龍，李春霞，許力，等.基于Fluent的干法造紙負壓箱流場特性分析[J].中國造紙學報，2022，37（2）：71-80.

[11]李錚.密集烤房烤房內(nèi)流場分析及其結構優(yōu)化[D].武漢：華中科技大學，2020.

[12]譚華，李光祥，李峰，等.近五年（2019—2023）國內(nèi)農(nóng)田水利工程管理研究綜述[J].黑龍江水利科技，2024，52（11）：124-128.

[13]李峰，譚華，李顯秋.2021—2023年文獻的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究綜述[J].中國市場，2025（15）：54-57.

（責任編輯雷霄飛）