均风板对烟叶模拟烘烤机内气流分布的影响

李 研，普恩平，王亚辉，高 松，冀新威，任洪波，王春林，陈俊鸿，徐鸿飞，纪春涛，李宝乐

(1.中船重工(昆明)灵湖科技发展有限公司，云南 昆明 650051；2.云南省烟草公司红河州公司，云南 红河 654400；3.云南省烟叶农业科学研究院，云南 昆明 650000；4.云南省烟草公司烟叶处，云南 昆明 650011； 5.云南省烟草公司普洱市公司，云南 普洱 665000)

【研究意义】随着现代烟草农业的发展，密集烤房因装烟量大、烘烤质量较高、节能、省工省时等优势逐渐取代自然通风式普通烤房，成为烟叶烘烤的主流专用设备[1-3]。同时，密集烤房配套的烟叶烘烤技术、工艺也在不断发展，旨在将密集烤房的优势最大化，逐步提升烟叶品质。然而，大部分与烟叶烘烤工艺相关的现场试验只能在烘烤期进行，导致试验周期长、成本高。烟叶模拟烘烤机(以下简称“烘烤机”, Tobacco Simulated Baking Machine, TSBM)可以实现标准化密集卧式烤房烘烤工艺的模拟，烟叶烘烤试验、模拟、验证等均可在烘烤机上进行。然而，目前烘烤机的烘烤性能并不能达到预期效果，装烟室内气流分布不均衡。【前人研究进展】与密集烤房工作原理相同，烘烤机采用了强制通风方式，通过热风循环对装烟室内各个区域的烟叶供热。在烘烤过程中，烘烤机装烟室内的气流分布均匀性对烟叶烘烤质量非常关键，装烟室内前、后部或左、右侧的气流不均衡都会造成烘烤后的烟叶质量参差不齐，导致能耗的增加和烘烤工艺评价失真[4-5]。目前，计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)数值模拟技术已广泛用于航天、船舶、冶金等领域的流体传热、传质过程模拟与分析中，在烟草研究方面也有相关应用[6-7]。【本研究切入点】本文以装烟状态下的气流下降式烟叶模拟烘烤机为研究对象，运用FLUENT软件对烘烤机内气流分布进行模拟仿真，分析均风板对烘烤机内气流均匀性的影响，【拟解决的关键问题】为均风板的设计和烘烤机结构优化提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 烘烤机结构

烘烤机由加热室、装烟室、箱体、保温层等组成，可以装2层烟叶进行烘烤试验，左、右两侧为透明玻璃，可随时观察烘烤过程中的烟叶形态变化，烘烤机具体结构如图1所示。均风板水平安装于热风出风口下边沿平齐位置，具体安装位置如图1。均风板上开有均匀排列的通风孔，孔径及间距根据数值模拟结果进行确定。

1.2 烘烤机CFD模型构建

1.2.1 烘烤机物理模型 根据烘烤机装烟室内尺寸进行物理模型搭建，模型示意如图2所示。该模型包括装烟室、热风出风口、回风口和烟叶。装烟室内装有2层烟叶，每层11竿，竿长为915 mm，单竿烟叶厚度为120 mm，每竿烟之间的间隙为12 mm，烟叶长度为720 mm。

1:加热室；2：冷风进风门；3：回风口；4：装烟室；5：搭烟杆；6：均风板安装位置；7：热风出风口.1：Heating chamber; 2: Cold air inlet; 3: Return air outlet; 4: Tobacco chamber; 5: Tobacco rod; 6: Installation position of uniform air plate; 7: Hot air outlet.

1.2.2 烘烤机数学模型 假设空气不可压缩，热风出风口风速v设置为2 m/s。空载装烟室内雷诺数Re可根据式(1)

(1)

计算得到[8]。其中，出风口当量直径d由热风出风口尺寸计算得到，为0.047 m；空气运动粘度ε设置为1.7894×10-5。计算可得Re=5253，大于 2320，因此认为烘烤机装烟室内空气流动状态为湍流。本文采用半隐式SIMPLE算法和湍流模型进行CFD数值计算[9]。

(1)控制方程。不可压缩粘性流体的质量守恒方程和动量守恒方程：

(2)

(2.a)

(2.b)

(2.c)

式(1)、(2)中，u、v、w为速度矢量u在x、y、z轴方向上的投影量；τ为微元体表面的粘性应力；ρ为流体作用在微元体上的压力；ρ为密度；t为时间；Sx、Sy、Sz为广义源项。

1:装烟室；2：烟叶(上、下两层)；3：回风口；4：热风出风口1: Tobacco chamber; 2: Tobacco (Two layers); 3: Return air outlet; 4: Hot air outlet

(2)湍流模型。本文中，湍流模型为标准k-ε模型，其中，k为湍流动能，ε为湍流脉动强度。标准模型的输运方程：

(3.a)

(3.b)

(3)边界条件。本文中，烘烤机上部热风出风口处设置为速度入口，速度输入假设为水平均匀分布，速度值设定为2 m/s；烘烤机下部回风口处设置为压力出口，出口处压力设置为标准大气压；烘烤机箱体设置为壁面，热通量为0。

2 结果与分析

受烘烤机装烟室内空间的限制，均风板安装位置已确定，影响均风板均风效果的因素只有2个：均风孔孔径和孔间距。为了使均风板发挥良好的均风作用，本文确定4种仿真方案，对比分析均风板有无、不同孔径及孔间距对烘烤机内风场分布的影响。仿真方案具体内容如下。

(1)仿真方案1：不加均风板，热风直接在装烟室内进行循环。

(2)仿真方案2：加均风板，均风板上的均风孔直径为20 mm，孔间距为60 mm。

(3)仿真方案3：加均风板，一半均风板上的均风孔直径为10 mm，另一半均风板上的均风孔直径为8 mm，孔间距均为20 mm。

(4)仿真方案4：加均风板，一半均风板上的均风孔直径为10 mm，另一半均风板上的均风孔直径为8 mm，孔间距均为40 mm。

A:方案1; B:方案2;C:方案3; D:方案4A:Schemes 1; B:Schemes 2; C: Schemes 3; D: Schemes 4

A:方案1; B:方案2;C:方案3; D:方案4A:Schemes 1; B:Schemes 2; C: Schemes 3; D: Schemes 4

图3所示为上述4种方案下、装烟室内的速度矢量图。由图可知当装烟室内无均风板时，大部分热风从出风口流出后先直接吹向装烟室后部，通过壁面反弹再流入烟叶中的缝隙中；当加装均风板时，热风流经前、后部的均风孔时，直接流入均风板下方的装烟区域，没有回流现象。

装烟区域的风速均匀性会对烟叶烘烤质量产生重要影响。在烘烤机纵向高度方向上，装烟室内各节点风速如图4所示，其中距底面150～1600 mm为装烟区域(对应图4所示横轴)。对比发现，当均风板孔径为20 mm、孔间距为60 mm时，装烟区域的风速分布与无均风板下的风速情况基本相同；而当均风板孔径减小至8～10 mm时，与方案1、方案2相比，对应的装烟区域风速分布范围有所缩小，风速值有集中于某一水平的趋势，说明在烘烤机高度方向上，装烟区域上、下层的风速均匀性有所改善。

由图5可知，当装烟室内无均风板时，纵向中心面和纵向500 mm处的风速值差别较大，最大差值达到0.3 m/s左右。同时，在烘烤机水平长度方向上，与方案2～4相比，装烟室内前部、后部风速范围波动较大。当加装孔径为20 mm、孔间距为60 mm的均风板时，纵向高度上的风速差值有所减小，最大差值大约为0.2 m/s，但风速分布在水平长度方向上有所改善。而与方案1、方案2相比，方案3、方案4对应的纵向、水平风速差值较小，说明这2种均风板在烘烤机装烟室内上、下层和前、后部均达到了一定的均风效果。

当装烟室内加装均风板时，均风板上方会形成保压层。如图6(a)所示，当无均风板时，装烟室上方最高压力大约为7.5 Pa；当加装方案2～3对应的均风板时，均风板上方最高压力增大至10～12.5 Pa；当加装方案4对应的均风板时，均风板上方最高压力增大至22.5～25 Pa，保压效果较好。这说明，当均风孔孔径较大，或孔径一致且孔间距过小时，均会降低保压效果。如图7所示，与方案2、方案3相比，当孔径为8～10 mm、孔间距为40 mm时，在烘烤机长度方向上的均风孔风速波动最平稳，因而均风效果最好。

3 讨 论

与标准密集烤房相似，气流分布均匀性是衡量气流下降式烟叶模拟烘烤机烘烤性能的重要指标，但目前未有针对烘烤机装烟室内气流分布的相关研究。本文为探究均风板能否提升烘烤机的气流分布均匀性，基于计算流体力学软件FLUENT，设计了4种仿真方案，分别对加装均风板前后、加装不同均风板后的烘烤机装烟室内气流情况进行了数值模拟和对比分析，所建模型均为装烟状态。研究结果表明，为解决烘烤机存在的气流不均问题，可以考虑通过加装均风板来解决，且均风板结构设计可按照均风孔径为8～10 mm、孔间距为40 mm来设计。本文未考虑烟叶孔隙率的变化情况，仿真模型参数均按照稳态处理。为能更准确地模拟烘烤机装烟室内气体流动状态，考虑烟叶变孔隙率的烘烤机气流分布的数值模拟有待进一步深入研究。

A:方案1; B:方案2;C:方案3; D:方案4A:Schemes 1; B:Schemes 2; C: Schemes 3; D: Schemes 4

A:方案1; B:方案2;C:方案3; D:方案4A:Schemes 1; B:Schemes 2; C: Schemes 3; D: Schemes 4

4 结 论

本文以气流下降式烟叶模拟烘烤机为研究对象，建立了装烟状态下的烘烤机物理模型和气流数学模型，对加装均风板前后、不同规格均风板下的烘烤机装烟室内气流分布进行了数值模拟与对比分析。结果表明：①均风板能够改善试验烤机装烟区域的风速均匀性；②均风孔孔径和孔间距越大，或均风孔孔径一定，孔间距过小，都会导致风板上方保压效果越差，均风效果越不明显；③孔径为8～10 mm、孔间距为40 mm的均风板均风效果较好，其规格可作为本文研究中烘烤机均风板的设计依据。

A:方案2; B:方案3;C:方案4A:Schemes 2; B:Schemes 3; C: Schemes 4