郭澤華，曹陽，劉典

（550025 貴州省 貴陽市 貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

煙葉烘烤是煙草生產(chǎn)流程中至關(guān)重要的一環(huán)。作為煙葉烘烤的關(guān)鍵設(shè)備，密集烤房的性能成為影響煙葉烘烤質(zhì)量的關(guān)鍵因素[1]，當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)密集烤房普遍存在溫度分布不均勻等問題，使得煙葉烘烤質(zhì)量不佳、品質(zhì)不均一。因此，研究密集烤房內(nèi)部壓力、溫度分布與氣流分布具有重要意義[2-6]。

近年來，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)發(fā)展迅速，其應(yīng)用軟件Fluent 已經(jīng)廣泛運(yùn)用于流體與傳熱領(lǐng)域的數(shù)值模擬分析中。歐陽進(jìn)等[7]利用Fluent 軟件對(duì)密集烤房內(nèi)部的溫度場與速度場進(jìn)行模擬仿真，重點(diǎn)研究密集烤房的合理送風(fēng)量；胡德翔[8]利用Fluent 軟件通過分別對(duì)烤房裝煙室空載、滿載狀態(tài)下的多孔介質(zhì)進(jìn)行仿真模型分析；杜林昕[9]利用Fluent 軟件分析進(jìn)風(fēng)量、進(jìn)風(fēng)口位置、屋頂角度、導(dǎo)流板角度等因素對(duì)烤房內(nèi)部環(huán)境的影響；何雪等[10]利用Fluent 軟件研究了不同氣流形式對(duì)密集烤房內(nèi)部環(huán)境的影響；劉兆宇等[11-12]利用Fluent 軟件分別對(duì)煙葉烘烤定色期、干筋期密集烤房內(nèi)部熱濕環(huán)境進(jìn)行數(shù)值分析，為風(fēng)機(jī)送風(fēng)量提供參考。

煙葉烘烤分為變黃期、定色期和干筋期3 個(gè)時(shí)期，每個(gè)時(shí)期的煙葉狀態(tài)不同，即煙葉孔隙率不同。目前針對(duì)密集烤房內(nèi)部環(huán)境的仿真研究大多未考慮孔隙率的影響。本研究運(yùn)用Fluent 軟件，對(duì)不同烘烤時(shí)期的密集烤房裝煙室環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其內(nèi)部的壓力場、氣流場和溫度場，通過建立正交仿真實(shí)驗(yàn)優(yōu)化烤房結(jié)構(gòu)，提高密集烤房溫度分布均勻性，為烤房結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 烤房幾何模型建立

密集烤房為氣流上升式烤房，內(nèi)部裝煙室長8 000 mm、寬2 700 mm、高3 500 mm，內(nèi)部裝煙3層，每層高700 mm，相鄰2 層煙葉間隙為150 mm。進(jìn)風(fēng)口、回風(fēng)口位于同側(cè)隔墻中間上下兩端對(duì)應(yīng)的位置，尺寸均為1 400 mm×400 mm。裝煙室結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 裝煙室結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of smoke loading chamber

為簡化烤房模型，減少計(jì)算量，做以下假設(shè)：（1）忽略裝煙架、排濕窗等結(jié)構(gòu)的影響，仿真模型中裝煙室僅保留進(jìn)回風(fēng)口；（2）煙葉層區(qū)域設(shè)為多孔介質(zhì)區(qū)，其余區(qū)域設(shè)為流體區(qū)；（3）忽略煙葉產(chǎn)生的內(nèi)部反應(yīng)；（4）烤房裝煙室內(nèi)部的循環(huán)空氣設(shè)為不可壓縮流體。

1.2 數(shù)學(xué)模型

流體都遵守質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒定律。本研究的流體為湍流流動(dòng)，可采用k-ε湍流模型[8,13]，具體數(shù)學(xué)模型控制方程分別為

（1）質(zhì)量守恒方程

式中：ui——烤房裝煙室內(nèi)熱空氣流的速度張量；xi——烤房裝煙室內(nèi)熱空氣流的坐標(biāo)張量；i——烤房裝煙室空間的3 個(gè)方向。

（2）動(dòng)量守恒方程

式中：ρ——烤房裝煙室內(nèi)熱空氣流的密度；t——烤房裝煙室內(nèi)熱空氣流的作用時(shí)間；ui，uj——烤房裝煙室內(nèi)熱空氣流的速度張量；P——烤房裝煙室內(nèi)熱空氣流產(chǎn)生的靜壓；τij——烤房裝煙室內(nèi)熱空氣流產(chǎn)生的應(yīng)力張量；xi，xj——烤房裝煙室內(nèi)熱空氣流的坐標(biāo)張量；ρgi——烤房裝煙室內(nèi)熱空氣流的重力體積力；Fi——外部體積力以及其他模型相關(guān)源項(xiàng)。

式中：μ——烤房裝煙室內(nèi)熱空氣流的動(dòng)力黏性系數(shù)。

（3）能量守恒方程

式中：H——總焓，H=h+uiuj；；T——煙葉烤房裝煙室內(nèi)熱空氣流的溫度；K——煙葉烤房裝煙室內(nèi)熱空氣流的傳熱系數(shù)；——烤房裝煙室內(nèi)熱空氣流的粘性應(yīng)力。

1.3 網(wǎng)格劃分

孫力[14]采用密集烤房出口速度的平均值作為網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證參數(shù)，在相同參數(shù)條件設(shè)置下，研究了網(wǎng)格數(shù)量對(duì)出口風(fēng)速的影響。結(jié)果表明，網(wǎng)格數(shù)量約為170 000 時(shí)，能較好地平衡計(jì)算精度與計(jì)算效率。為了提高仿真模擬精準(zhǔn)度，仿真采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行劃分，共產(chǎn)生168 424 個(gè)網(wǎng)格，201 423 個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格質(zhì)量約為0.999，網(wǎng)格劃分效果良好，如圖2 所示。

圖2 裝煙室模型網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Grid division of smoke chamber model

1.4 多孔介質(zhì)模型

在煙葉烘烤過程中，隨著煙葉水分揮發(fā)，煙葉體積變小，煙葉間的間隙也會(huì)隨之改變。為了提高仿真的準(zhǔn)確度，將孔隙率按照變黃期、定色期和干筋期3 個(gè)階段進(jìn)行描述，得到3 個(gè)時(shí)期的孔隙率值?？紫堵视?jì)算公式為

式中：ρd——烤房裝煙密度；ρs——煙葉表觀密度；Vε——多孔介質(zhì)內(nèi)孔隙體積；V——多孔介質(zhì)總體積。

由于干燥過程中孔隙增加的體積近似于水分減少的體積[14]，可以通過烤房初始孔隙率以及煙葉失水速率近似計(jì)算變黃期、定色期和干筋期3個(gè)階段的平均孔隙率。研究表明，在變黃期煙葉失水速率為 0.3%～0.5%/h，失水量為 30%～40%；在定色期失水速率為 0.9%～1.2%/h，失水量為40%～55%；在干筋期煙葉失水速率為0.3%～0.7%/h，失水量為 15%～20%[15-16]。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測算，裝煙密度為85 kg/m3,煙葉表觀密度為462 kg/m3。計(jì)算可得變黃期、定色期和干筋期平均孔隙率分別為0.82%、0.86%和0.89%。

根據(jù)前文假設(shè)條件，裝煙室內(nèi)流動(dòng)的熱空氣為不可壓縮流體，因此進(jìn)風(fēng)口設(shè)為速度入口邊界，速度為5 m/s；回風(fēng)口設(shè)為壓力出口邊界，壓力值為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；壁面邊界條件設(shè)置為wall。

2 結(jié)果與分析

2.1 裝煙室壓力場分布及分析

在上述條件下，截取y=0 mm（中間豎直截面）截面的壓力分布。圖3 是裝煙室在變黃期、定色期、干筋期的壓力分布圖。

圖3 烤房內(nèi)壓力分布圖Fig.3 Pressure distribution in the curing barn

從圖3 可以看出，壓力梯度從回風(fēng)口處到裝煙門側(cè)下部遞增，靠近入口處的壓力小于裝煙門側(cè)壓力，裝煙室上部壓力小于下部壓力，裝煙門下部壓力最大，回風(fēng)口處壓力最小。經(jīng)研究分析認(rèn)為，在受到煙葉阻礙時(shí)，熱氣流迅速充滿裝煙室下部區(qū)域，由于裝煙門對(duì)氣流的阻礙，使得裝煙門下部壓力增大，加之氣流一直從進(jìn)風(fēng)口流入、回風(fēng)口流出，因此裝煙室壓力呈現(xiàn)所述分布情況。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，變黃期、定色期、干筋期壓力最大值分別為30.44、29.73、29.38 Pa，這是由于隨著烘烤時(shí)間增加，煙葉內(nèi)部水分蒸發(fā)，煙葉體積變小，煙葉之間孔隙變大，對(duì)氣流的阻礙作用逐漸減小，因此壓力值逐漸變小。

2.2 裝煙室氣流場分布及分析

圖4 是烤房平面y=0 mm 的風(fēng)速分布云圖。由圖4 可見，熱氣流從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入裝煙室后迅速充滿裝煙室下部區(qū)域，速度梯度從進(jìn)風(fēng)口處到裝煙門側(cè)遞減；在裝煙室上部區(qū)域，速度梯度從裝煙門側(cè)到回風(fēng)口處遞增，并在回風(fēng)口處氣流速度達(dá)到最大值。煙葉層區(qū)域氣流速度較通道區(qū)域速度明顯降低。

圖4 烤房內(nèi)風(fēng)速分布云圖Fig.4 Cloud chart of wind speed distribution in the curing barn

變黃期、定色期、干筋期葉間風(fēng)速均值分別為0.15、0.17、0.21 m/s。這是由于隨著烘烤時(shí)間的增加，煙葉體積變小，煙葉之間孔隙變大，對(duì)氣流的阻礙作用逐漸減小，因此煙葉層區(qū)域風(fēng)速也隨之變大。分析認(rèn)為，熱氣流進(jìn)入烤房后，隨著氣流動(dòng)能損失，速度梯度從進(jìn)風(fēng)口處到裝煙門側(cè)遞減。進(jìn)入煙葉層區(qū)域后，由于煙葉的阻礙作用，氣流速度降低；在進(jìn)出口壓差作用下，速度梯度從裝煙門側(cè)到回風(fēng)口處遞增；同時(shí)，進(jìn)風(fēng)口處氣流在水平運(yùn)動(dòng)受阻后向上部流動(dòng)，使得進(jìn)風(fēng)口上部氣流組織較弱，煙葉層區(qū)域風(fēng)速從進(jìn)風(fēng)口到裝煙門方向遞增，氣流分布不均勻。

2.3 裝煙室溫度場分布及分析

圖5 為烤房平面y=0 mm 的溫度分布圖。從圖5 可知，溫度從裝煙室下部區(qū)域到上部區(qū)域呈現(xiàn)遞減趨勢。裝煙室下部區(qū)域溫度最高，中部區(qū)域次之，上部區(qū)域最低，同時(shí)中間區(qū)域溫度高于四周邊緣溫度。煙葉層內(nèi)部溫差在2～3 ℃。

圖5 烤房內(nèi)溫度分布圖Fig.5 Temperature distribution in the curing barn

隨著烘烤時(shí)間的增加，裝煙室上部溫度與下部區(qū)域溫度差值逐漸減小。這是由于煙葉間隙變大，煙葉對(duì)氣流熱交換的阻礙作用減小以及煙葉水分的蒸發(fā)，使得裝煙室上部區(qū)域溫度升高，與下部區(qū)域溫度差值減小。

分析認(rèn)為，熱氣流進(jìn)入裝煙室后與空氣進(jìn)行熱交換，裝煙室下部區(qū)域溫度升高，煙葉層區(qū)域由于煙葉水分蒸發(fā)吸收熱量，使得溫度升高幅度小于下部區(qū)域，同時(shí)由于氣流組織分布不均勻?qū)е卵b煙室內(nèi)部出現(xiàn)溫度梯度，這是因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)口處氣流在水平運(yùn)動(dòng)受阻后向上部流動(dòng)，使得靠近進(jìn)風(fēng)口處氣流組織較弱，傳熱效果較差，導(dǎo)致該區(qū)域溫度較四周溫度低。裝煙門側(cè)上部區(qū)域氣流組織較弱，故該區(qū)域溫度較低。由于烤房墻壁與外部環(huán)境存在熱交換，因此四周邊緣溫度較低。

3 烤房進(jìn)風(fēng)口位置與大小對(duì)內(nèi)部環(huán)境的影響

流場仿真結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)密集烤房存在溫度分布不均勻現(xiàn)象，尤其是烤房裝煙室上部溫度低于下部溫度。因此提高裝煙室上部溫度能有效改善溫度分布不均勻現(xiàn)象。研究表明，在烤房裝煙室中上部增加一個(gè)熱風(fēng)通道能有效提高上部煙葉層溫度。利用上文建立的烤房模型，研究進(jìn)風(fēng)口位置與大小對(duì)烤房內(nèi)部環(huán)境的影響，并以此優(yōu)化烤房結(jié)構(gòu)。

3.1 正交仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

保持烤房其他條件一致，增加一個(gè)上部進(jìn)風(fēng)口布置于中、上棚煙葉中間間隙通道處。裝煙室結(jié)構(gòu)如圖6 所示。增加一個(gè)上層進(jìn)風(fēng)口后，對(duì)烤房溫度分布的主要影響因素包括2 個(gè)進(jìn)風(fēng)口的寬度、高度和底部進(jìn)風(fēng)口與底部距離5 個(gè)因素。

對(duì)底部進(jìn)風(fēng)口寬度進(jìn)行單因素分析，保持烤房風(fēng)機(jī)總送風(fēng)量，上部進(jìn)風(fēng)口尺寸為1 400 mm×100 mm，底部進(jìn)風(fēng)口高度為300 mm，底部進(jìn)風(fēng)口與底部距離為100 mm 等因素不變，僅改變底部進(jìn)風(fēng)口寬度（1 700 mm、1 400 mm、1 100 mm），建立3 組仿真模型。分別在3 層煙葉層中間平面，即Z1=0.95 m、Z2=1.8 m、Z3=2.65 m 三個(gè)截面均勻選取8 個(gè)測量點(diǎn)，仿真求出3 個(gè)時(shí)期每點(diǎn)的溫度值，將24 個(gè)點(diǎn)溫度值的標(biāo)準(zhǔn)差作為考核指標(biāo)。得到變黃期、定色期、干筋期各時(shí)期標(biāo)準(zhǔn)差值如表1 所示。

表1 不同底部進(jìn)風(fēng)口寬度標(biāo)準(zhǔn)差值對(duì)比Tab.1 Comparison of standard difference of width of air inlet at different bottom

仿真結(jié)果表明，底部進(jìn)風(fēng)口寬度為1 700 mm和1 100 mm 時(shí)均不能有效提高溫度分布均勻性。因此，保持底部進(jìn)風(fēng)口寬度為1 400 mm 和風(fēng)機(jī)總送風(fēng)量不變，改變2 個(gè)進(jìn)風(fēng)口的高度、上部進(jìn)風(fēng)口寬度以及底部進(jìn)風(fēng)口距離底部距離這4 個(gè)因素，設(shè)計(jì)4 因素3 水平正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

3.2 正交實(shí)驗(yàn)分析與驗(yàn)證

正交仿真實(shí)驗(yàn)的因素水平表如表2 所示，正交實(shí)驗(yàn)表如表3 所示。選取上文24 個(gè)測量點(diǎn)的溫度值的標(biāo)準(zhǔn)差作為考核指標(biāo)，對(duì)烤房定色期進(jìn)行仿真，得到各因素水平均值如表4 所示。

表2 正交仿真實(shí)驗(yàn)的因素水平表Tab.2 Factor level of orthogonal simulation experiment

表3 4 因素3 水平L9(34)正交實(shí)驗(yàn)表Tab.3 Four-factor three-level L9(34) orthogonal experiment

表4 各因素水平均值Tab.4 Mean value of each factor level

由正交實(shí)驗(yàn)可知，各因素對(duì)溫度分布均勻性影響程度依次是：上部進(jìn)風(fēng)口寬度＞底部進(jìn)風(fēng)口與底部距離＞底部進(jìn)風(fēng)口高度＞上部進(jìn)風(fēng)口高度，并且最優(yōu)水平分別為A2、B2、C1、D2。最終得到本次正交實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)組合為：底部進(jìn)風(fēng)口高度為 300 mm、底部進(jìn)風(fēng)口與底部距離50 mm、上部進(jìn)風(fēng)口寬度為1 100 mm、上部進(jìn)風(fēng)口高度75mm。

根據(jù)烤房最優(yōu)結(jié)構(gòu)組合，建立新烤房模型進(jìn)行仿真計(jì)算，并與標(biāo)準(zhǔn)烤房進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表5所示。從表5 中可以看出，新烤房在3 個(gè)時(shí)期溫度標(biāo)準(zhǔn)差值均小于標(biāo)準(zhǔn)烤房。該結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案具有一定的合理性，能有效改善烤房溫度分布不均勻現(xiàn)象。

表5 標(biāo)準(zhǔn)烤房與新烤房溫度標(biāo)準(zhǔn)差值對(duì)比Tab.5 Comparison of standard temperature difference between standard curing barn and new curing barn

4 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試對(duì)比分析

煙葉烘烤試驗(yàn)采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的新烤房，試驗(yàn)?zāi)康臑椴杉痉績?nèi)部溫度數(shù)據(jù)并驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，烤房內(nèi)部數(shù)據(jù)采集點(diǎn)位置如下：以烤房隔墻左下角為原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系，長為X軸，寬為Y軸，高為Z軸；在烤房內(nèi)部取16 個(gè)均勻分布的測量點(diǎn)，各點(diǎn)命名及坐標(biāo)如表6 所示。

表6 試驗(yàn)測量點(diǎn)位置坐標(biāo)及命名Tab.6 Location coordinates and naming of test measuring points

溫度測量點(diǎn)試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比如表7 所示，從表7 可知，各測量點(diǎn)試驗(yàn)值與模擬值相對(duì)誤差范圍為0～6.09%。由于溫度采集儀器本身的誤差以及建立仿真模型時(shí)人為忽略煙架、觀察窗等結(jié)構(gòu)等原因，造成試驗(yàn)值與模擬值之間的誤差。從總體結(jié)果來看，試驗(yàn)值與模擬值基本吻合，本研究建立的仿真模型與模擬可靠。

表7 溫度測量點(diǎn)試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比Tab.7 Comparison between test values and analog values of temperature measuring points

5 結(jié)論

本文對(duì)氣流上升式密集烤房進(jìn)行了模擬仿真研究，分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)烤房的變黃期、定色期和干筋期3 個(gè)烘烤時(shí)期的裝煙室環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其內(nèi)部的壓力場、氣流場和溫度場。同時(shí)，進(jìn)行烘烤試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果，選取的測量點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬值數(shù)據(jù)相對(duì)誤差均小于6.09%，試驗(yàn)值與模擬值基本吻合，說明了本研究建立的仿真模型的準(zhǔn)確性。根據(jù)模擬結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1）隨著烘烤時(shí)間增加，標(biāo)準(zhǔn)密集烤房裝煙室內(nèi)部呈壓力逐漸減小、葉間風(fēng)速增大、溫差減小趨勢；

（2）標(biāo)準(zhǔn)密集烤房在變黃期、定色期和干筋期均存在溫度分布不均勻情況；

（3）增加上層進(jìn)風(fēng)口能有效改善烤房內(nèi)溫度分布狀況。將底部進(jìn)風(fēng)口尺寸調(diào)整為1 400 mm×300 mm，位置調(diào)整至隔墻下端中間距離烤房底部50 mm 處，并在中、上棚煙葉間增加尺寸為1 100 mm×75 mm 的上層進(jìn)風(fēng)口，可獲得較均勻的熱流場環(huán)境和較一致的溫度均勻性。