李 研，楊 娜，任洪波，陳升東，崔勇軍，朱衛(wèi)華*

(1.中船重工(昆明)靈湖科技發(fā)展有限公司，云南 昆明 650051；2.云南省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與信息研究所，云南 昆明 650205)

【研究意義】密集烤房是煙葉調(diào)制烘烤的專用設備，因其具有裝煙量大、節(jié)約燃煤、省工省時、烘烤質(zhì)量較高等優(yōu)良特點，已在國內(nèi)推廣應用達數(shù)十萬座[1-2]。然而，由于裝煙密度過大、雨水天氣、煙葉含水量較高等原因，往往導致密集烤房排濕不暢、排濕量不足等問題，從而在一定程度上增加了蒸片煙、黑糟煙、掛灰煙的比例，加大了煙農(nóng)的經(jīng)濟損失[3]。因此，在當前密集烤房結(jié)構(gòu)、裝煙狀態(tài)、氣候環(huán)境既定的情況下，提高密集烤房排濕能力不失為一種確保煙葉整體烘烤品質(zhì)的解決辦法?！厩叭搜芯窟M展】熱風回風口是密集烤房熱風循環(huán)的重要通道，目前，已有學者嘗試在密集烤房熱風回風口處加裝調(diào)控裝置來進行強化排濕的試驗探索[4-6]，但仍然缺乏足夠的數(shù)據(jù)和理論支撐?！颈狙芯壳腥朦c】為探究、驗證回風口開啟、閉合狀態(tài)對烤房排濕能力的具體影響，以氣流上升式密集烤房(Airflow-up tobacco intensive barn, Airflow-up TIB)為研究對象，運用FLUENT軟件對密集烤房內(nèi)氣流分布進行數(shù)值模擬仿真，【擬解決的關(guān)鍵問題】研究冷風進風量、排濕量隨回風口開度變化的規(guī)律，為密集烤房強化排濕裝置設計、調(diào)控相關(guān)措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 氣流上升式密集烤房物理模型

根據(jù)《密集烤房技術(shù)規(guī)范》(國煙辦綜〔2009〕418號文件)進行氣流上升式密集烤房物理模型搭建，模型示意如圖1所示。該模型包括加熱室、裝煙室、通風機、爐膛、熱風出風口、熱風回風口、冷風進風門、排濕窗、輔助排濕窗，密集烤房相關(guān)重要特征完整、尺寸貼合實際。

1：冷風進風門；2：通風機；3：加熱室；4：爐膛；5：熱風出風口；6：裝煙室:7：輔助排濕窗；8：熱風回風口； 9：排濕窗1: Cold air inlet; 2: Fan; 3: Heating chamber; 4: Hearth; 5: Hot air outlet; 6: Tobacco chamber; 7: Auxiliary drainage window; 8: Hot air outlet; 9: Drainage window

1.2 氣流上升式密集烤房數(shù)學模型

假設空氣不可壓縮。由于密集烤房加熱室和裝煙室內(nèi)的氣流運動是不規(guī)則的，認為空氣流動狀態(tài)為湍流。采用半隱式SIMPLE算法和湍流模型進行CFD數(shù)值計算[7]。

1.2.1 控制方程 不可壓縮粘性流體的質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程為：

(1)

(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力；p為流體作用在微元體上的壓力；ρ為密度；t為時間；Sx、Sy、Sz為廣義源項。

1.2.2 湍流模型 湍流模型為使用最廣泛的標準k-ε模型，其中，k為湍流動能，ε為湍流脈動強度。標準k-ε模型的輸運方程為：

(3.a)

(3.b)

1.2.3 邊界條件 烤房墻壁、爐膛、風機支承面設置為壁面，熱通量為0；熱風出風口與熱風回風口均設置為內(nèi)部流通面；冷風進風口設置為進風入口，忽略風壓損失；排濕窗和輔助排濕窗均設置為壓力出口，出口處壓力均為標準大氣壓。密集烤房為空載狀態(tài)。

通過多項式擬合，得到全壓p-流量v關(guān)系如式：

p=144.6+49.88v-3.43v2

(4)

氣流上升式密集烤房所用通風機直徑為700 mm，型號為KY7A型，設置為進風扇邊界，壓力降根據(jù)KY7A型通風機的全壓特性曲線確定，具體系數(shù)由多項式擬合獲得，如表1、圖2、式(4)所示。熱風回風口開度按照全開、開2/3、開1/3、全閉4種方案進行調(diào)整。

表1 KY7A型通風機性能

圖2 風機全壓特性曲線Fig.2 Characteristic curve of full pressure of the fan

2 結(jié)果與分析

設計4種仿真方案，對比分析熱風回風口全開、開2/3、開1/3、全閉狀態(tài)下冷風進風門、熱風回風口、排濕窗、輔助排濕窗等的氣體流動情況。4種方案對應的烤房縱向中心面速度分布云圖分別如圖3(a)、3(b)、3(c)、3(d)所示。當冷風進風門和熱風回風口處于開啟狀態(tài)時，經(jīng)冷風進風門進入的冷風與經(jīng)熱風回風口流出的熱風被吸入風機，經(jīng)爐膛加熱后通過熱風出風口流入裝煙室進行熱循環(huán)，如此往復。當冷風進風門開啟、熱風回風口關(guān)閉時，只有冷風經(jīng)由冷風進風門口、通風機、經(jīng)爐膛加熱后通過熱風出風口進入裝煙室內(nèi)，裝煙室內(nèi)熱空氣經(jīng)排濕窗排出。

圖3 不同熱風回風口開閉狀態(tài)下的烤房縱向中心面速度分布Fig.3 Air velocity distribution figures of TIB longitudinal center plane under different opening degrees of hot air outlet

如圖4所示，4種熱風回風口開閉狀態(tài)下熱風回風口和冷風進風門的風速大小對比，從圖中可知，隨著熱風回風口由全開逐漸閉合時，熱風回風口和冷風進風門風速都有所增加，但冷風進風門風速增大幅度明顯，由3.123 m/s增大至9.682 m/s，而熱風回風口風速增加緩慢，由4.285 m/s增加至5.782 m/s，之后逐漸減小為0 m/s。

圖4 不同回風口開閉狀態(tài)下的回風口和冷風進風口速度對比Fig.4 Air velocity comparison between hot air outlet and cold air inlet under different opening degrees of hot air outlet

二者風速對比如表2所示，可以看出，熱風回風口開度減小時，冷風進風門風速成倍增加，當冷風進風門開度一定時，干冷空氣進風量也成倍增加，而隨著熱風回風口開度成倍減小，即使熱風回風口風速增加，也會導致從熱風回風口循環(huán)排出的濕熱空氣量有所減少。因此，在單位時間內(nèi)，外部干冷空氣置換內(nèi)部濕熱空氣的速度會逐漸加快，達到強化排濕的效果。

表2 熱風回風口與冷風進風口風速對比

如圖5所示，4種熱風回風口開閉狀態(tài)下排濕窗和輔助排濕窗的風速大小對比，①當排濕窗和輔助排濕窗同時全開時，輔助排濕窗風速較排濕窗風速要大；②隨著熱風回風口由全開逐漸閉合時，排濕窗和輔助排濕窗風速均逐漸增大，排濕速度加快，強化排濕的效果逐漸增強，且排濕窗和輔助排濕窗風速差逐漸縮小。二者風速對比如表3所示。當熱風回風口關(guān)閉時，烤房內(nèi)的排濕狀態(tài)屬于完全排濕。

圖5 不同回風口開閉狀態(tài)下的排濕窗和輔助排濕窗速度對比Fig.5 Air velocity comparison between drainage window and auxiliary drainage window under different opening degrees of hot air outlet

表3 排濕窗與輔助排濕窗風速對比

3 討 論

密集烤房排濕效果好壞對煙葉烘烤質(zhì)量有直接影響。在實際烘烤過程中，烤房內(nèi)實際濕球溫度可能會高于工藝濕球溫度，在部分地區(qū)烘烤季、下雨天條件下，此現(xiàn)象尤其明顯，從而難以保證烤煙質(zhì)量。部分國內(nèi)學者、工藝人員結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗，通過加裝熱風回風調(diào)控裝置來探究其對烤房排濕的影響，相關(guān)研究均基于現(xiàn)場試驗，試驗周期長，成本高。為此，基于計算流體力學軟件FLUENT，設計了4種仿真方案，分別對熱風回風口不同開度下的密集烤房氣流情況進行了數(shù)值模擬與對比分析，所建模型根據(jù)密集烤房實際配置、規(guī)格、邊界條件進行搭建。研究結(jié)果表明，通過調(diào)控熱風回風口開度，配合冷風進風門和排濕窗的調(diào)控，可以在一定程度上實現(xiàn)密集烤房的強化排濕。為簡化模型，縮短數(shù)值計算時間，未能對煙葉布滿密集烤房情形下的氣流情況進行模擬。為能更加真實、準確地模擬密集烤房內(nèi)的氣體流動狀態(tài)，考慮煙葉模型的密集烤房氣流分布數(shù)值模擬有待深入研究。

4 結(jié) 論

以氣流上升式密集烤房為研究對象，建立了考慮風機邊界的密集烤房物理模型和氣流數(shù)學模型，對不同熱風回風口開度下的冷風進風門、熱風回風口、排濕窗、輔助排濕窗風速進行了數(shù)值模擬和對比分析。結(jié)果表明：熱風回風口開度逐漸減小時，冷風進風門風速逐漸增大，在冷風進風門調(diào)控配合下，可以實現(xiàn)干冷空氣進風量成倍增加，從而加快干冷空氣與內(nèi)部濕熱空氣的置換；熱風回風口開度逐漸減小時，排濕窗和輔助排濕窗風速逐漸增大，在排濕窗調(diào)控配合下，可實現(xiàn)排濕量的增加；通過調(diào)控熱風回風口開度，可在一定程度上達到密集烤房強化排濕的目的，研究結(jié)果可為密集烤房強化排濕裝置的設計和調(diào)控提供參考依據(jù)。