基于CFD的煙草烤房熱流場(chǎng)分析研究

張賢信，陳 勇，楊 弦

(黔東南州煙草專賣局，貴州凱里556000)

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基于CFD的煙草烤房熱流場(chǎng)分析研究

張賢信，陳 勇，楊 弦

(黔東南州煙草專賣局，貴州凱里556000)

為了研究煙草烤房?jī)?nèi)部熱空氣流場(chǎng)特性，提出了基于CFD烤房熱空氣循環(huán)的假設(shè)，建立其在熱對(duì)流及熱傳導(dǎo)工作過程中的數(shù)值計(jì)算模型，采用流體計(jì)算軟件Fluent結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)烘烤工作過程及流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬仿真。結(jié)果表明，對(duì)烤房結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，其裝煙室內(nèi)部溫度分布均勻度得到了提高，水平面溫差減小0.19℃，垂直面溫差減小1.49℃。

流場(chǎng) CFD 熱對(duì)流 熱傳導(dǎo) Fluent

0 引言

煙草烤房?jī)?nèi)部溫濕度的均勻性直接影響烤煙的品質(zhì)，在現(xiàn)階段烘烤中烤房難以保證上中下三個(gè)水平面以及垂直方向上溫度的一致性，實(shí)際烘烤過程中，烤房智能控制儀取裝煙室中段溫濕度作為輸入?yún)⒖紖?shù)進(jìn)行烘烤，而裝煙室內(nèi)各個(gè)部位溫濕度卻是不同的，給烘烤控制帶來了難題，導(dǎo)致不同位置的烤煙品質(zhì)參差不齊，且熱能利用效率較低。本文為烤房建立一個(gè)合理有效的流體模型，并采用CFD對(duì)烤房進(jìn)行熱對(duì)流分析，為烤房裝煙室內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化提供了一種有效手段。

1 煙草烤房建模及能耗分析

1.1 烤房基本結(jié)構(gòu)與工作原理

密集型烤房主要分為兩種，氣流上升式與氣流下降式烤房。其二者區(qū)別在于烤房結(jié)構(gòu)不一樣，熱氣流流動(dòng)方向不一樣[1]。本文采用氣流上升式烤房作為仿真模型。

圖1 氣流上升式烤房

為對(duì)比烤房結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部熱流場(chǎng)影響，分別建立了兩個(gè)不同機(jī)構(gòu)的烤房模型，即普通烤房A和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的烤房B。

烤房B裝煙室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三處結(jié)構(gòu)優(yōu)化，即在原有烤房A的基礎(chǔ)上設(shè)置導(dǎo)流斜坡，加裝分風(fēng)板和導(dǎo)流槽；其中，導(dǎo)流斜坡坡度為4.2%(圖1(b))，并在距地面高0.5 m處加裝分風(fēng)板(圖1(b)、圖2(a))，其尺寸為800×2 700，共鋪設(shè)10塊，在進(jìn)風(fēng)道入口處加設(shè)導(dǎo)流槽(圖1(b)、圖2(b))；烤房A裝煙室內(nèi)不設(shè)置斜坡，不設(shè)分風(fēng)板和導(dǎo)流槽；裝煙室規(guī)同為8 000×2 700×3 500。

圖2 分風(fēng)板、導(dǎo)流槽

1.2 煙草烤房烘烤消耗能量分析

煙葉在干燥過程中能量主要消耗到三個(gè)方面，即首先煙葉會(huì)隨著干燥加熱過程而升溫，溫度升高到水分在常壓下的飽和溫度，從而達(dá)到水分蒸發(fā)散失的條件，這一過程會(huì)消耗一定的能量，可稱其為預(yù)熱階段；然后水分會(huì)逐漸的蒸發(fā)，這一過程可以稱為干燥階段，干燥階段的能量主要消耗在水分蒸發(fā)部分所需要的能量以及水分蒸發(fā)部分氣化潛熱所需要的能量?？紤]上述三方面的耗能，可以寫出如下的能量表達(dá)式：

Q=ΔMC(Tw-T0)+MCn(T1-T0)+ΔMγ

(1)

式中：M為干燥煙葉的質(zhì)量；ΔM為煙葉干燥一定時(shí)間后的失水量；Tw為煙葉在干燥過程中的測(cè)量溫度，Tw隨著時(shí)間的變化而變化，所以Tw可表示為T(t)；T0為煙葉在干燥初始時(shí)的測(cè)量溫度；T1為水在常壓下的飽和溫度；C為水的比熱容，通常取C=4.182 6 kJ/kg·℃；γ為水的氣化潛熱，考慮到表達(dá)式是針對(duì)在對(duì)流環(huán)境中進(jìn)行干燥的煙葉，那么干燥環(huán)境內(nèi)的氣體壓力變化不大，這里可取γ=2 260.174 2 kJ/kg；而上式中Cn為煙葉的比熱容，不同的煙葉其比熱容也是不相同的，為了得出不同煙葉的比熱容，可以通過如下式的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算：

Cn=4.2Wa+0.84Wb

(2)

式中：Wa為煙葉中的含水率，Wb為煙葉中固形物的含量。通過上式可以看出煙葉的比熱容大小主要取決于它的含水率，且相對(duì)于水的比熱容要小很多。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 傳熱類型

熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對(duì)流是自然界中熱量傳遞的三種基本方式。在實(shí)際烘烤過程中，當(dāng)烤房?jī)?nèi)部出現(xiàn)溫度梯度時(shí)，熱量會(huì)出高溫部分傳遞到低溫部分[4]，熱傳導(dǎo)用傅里葉定律進(jìn)行描述，其一般形式為：

(3)

式中：k為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，裝煙室壁面使用材料為紅磚，其熱傳導(dǎo)率為k磚=0.25 W/m·K，是較好的絕熱、保溫材料。分風(fēng)板和導(dǎo)流槽使用材料為鋼材，熱傳導(dǎo)率k鋼=47 W/m·K。

熱空氣在烤房?jī)?nèi)部流動(dòng)，通過與壁面和煙葉間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將熱量帶到烤房四周；普通烤房熱對(duì)流屬于自然對(duì)流，而密集型烤房則屬于強(qiáng)制性對(duì)流[5]；對(duì)于這種強(qiáng)制對(duì)流換熱形式用牛頓冷卻公式描述：

q=Q/A=hΔt

(4)式中：q為單位面積的固體表面與流體之間在單位時(shí)間內(nèi)交換的熱量，稱作熱流密度，W/m2；h是空氣強(qiáng)制熱對(duì)流系數(shù)，取值在20～100之間，在烤房實(shí)例中，通過類比法估計(jì)h=80 W/m2·K。

2.2 控制方程

密集型烤房裝煙室內(nèi)采用通風(fēng)手段為強(qiáng)制通風(fēng)，烤房?jī)?nèi)部熱空氣流體是一種較為復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)、旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則流體，是典型的湍流[6]，模擬計(jì)算時(shí)選用具有優(yōu)越收斂性能和合理精確度的k-ε模型，并假設(shè)近壁處空氣流動(dòng)符合標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，避免流體在壁面流動(dòng)時(shí)出現(xiàn)失真，更接近于實(shí)際烘烤狀況。因此，采用k-ε模型來模擬烤房熱空氣的流動(dòng)。在實(shí)際烘烤中，需要考慮重力對(duì)熱空氣的影響，需引入重力加速度，取g=9.81 m/s2。湍流脈動(dòng)動(dòng)能方程(k方程)和湍流耗散率方程(ε方程)分別為：

(5)

(6)

η=Sk/ε S=(2SijSil)0.5

式中，μ為動(dòng)力粘性系數(shù)；μi、μj分別為氣流速度在i、j方向上的分量；μt為湍流粘性系數(shù)；ρ為密度；Cμ為常數(shù)；σk為湍流脈動(dòng)動(dòng)能k的湍流Prandtl數(shù)；σε為湍流脈動(dòng)動(dòng)能耗散率ε的湍流Prandtl數(shù)；Cμ、C1ε、C2ε、σk、σε、η0、β均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，其取值入表1所示。

表1 湍流模型系數(shù)

2.3 計(jì)算條件

采用Fluent軟件對(duì)烤房流場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行仿真時(shí)，需要確定模型的邊界條件[7]及相關(guān)設(shè)置。且模型建立基于以下假設(shè)：1)除排風(fēng)口外，烤房?jī)?nèi)部空氣循環(huán)時(shí)沒有向外界環(huán)境發(fā)生泄露；2)烤房烘烤時(shí)，

表2 流體邊界條件設(shè)置

外界輻射影響較小，故忽略太陽(yáng)輻射；3)進(jìn)風(fēng)口速度均勻。

表3 初始邊界條件

圖3 烤房模型網(wǎng)格劃分

2.4 模型網(wǎng)格劃分

烤房模型使用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格進(jìn)行光滑后，劃分效果如圖3所示。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

導(dǎo)入?yún)?shù)進(jìn)行計(jì)算后得到以下結(jié)果。

圖4 烤房整體溫度云圖

圖4為烤房整體A、B整體的溫度云圖。可知，整個(gè)烤房最高溫度位于進(jìn)風(fēng)口處為50℃，最低溫度位于烤房壁面轉(zhuǎn)角處為40.7℃。

圖5為烤房A、B的剖面溫度圖。從圖中可以看出，烤房B整體溫度分布明顯好于烤房A，尤其是在裝煙室中后部。由于空氣由高壓向低壓的流動(dòng)，遇到墻體產(chǎn)生局部漩渦，造成中后部形成一個(gè)死角。

圖5 烤房A、B溫度分布剖面圖

圖6為烤房A、B速度流線分布圖。從圖中可知，空氣在裝煙室內(nèi)部做一個(gè)渦旋運(yùn)動(dòng)，隨著風(fēng)壓、風(fēng)速的增強(qiáng)，熱空氣到達(dá)各個(gè)區(qū)域的能力越強(qiáng)；通過結(jié)構(gòu)改造以后，可以看出在相同的風(fēng)壓及風(fēng)速下，空氣通過抬升的斜坡和分風(fēng)板后，空氣的均勻性更好。

圖6 烤房A、B空氣速度流線圖

圖7 溫度測(cè)量點(diǎn)

在模型A、B中，以進(jìn)風(fēng)口左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)(0，0，0)；溫度測(cè)量點(diǎn)分別選取上中下三層共18個(gè)不同部位的溫度測(cè)量點(diǎn)，如圖7所示。其中點(diǎn)1，2，3，4，5，6為下層同一平面測(cè)量點(diǎn)；7，8，9，10，11，12為中層測(cè)量點(diǎn)，13，14，15，16，17，18為上層測(cè)量點(diǎn)，相同Y坐標(biāo)為同一垂直平面測(cè)量點(diǎn)。

選取18個(gè)具體參數(shù)如表4所示。

表4 各個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量參數(shù)

圖8 烤房溫度曲線圖

從烤房溫度分布曲線中(圖8)可以看出，烤房A同一水平面溫度差最大為0.79℃，同一垂直平面溫度差最大為1.73℃；烤房B同一水平面溫度差最大為0.6℃，同一垂直平面溫度差最大為0.24℃。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過建立有效可靠的數(shù)值計(jì)算模型，并選擇合理的初始條件、邊界條件，可以很好地對(duì)了烤房裝煙室內(nèi)部流場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行模擬；結(jié)果表明，通過改造后烤房B水平面最大溫度差為0.6℃，相對(duì)于烤房A的0.79℃的水平溫差減小0.19℃，烤房B水垂直平面最大溫度差為0.24℃，相對(duì)于烤房A的1.73℃的垂直平面溫度差減小1.49℃。該熱流場(chǎng)模擬分析方法，為烤房結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了重要方法。

[1] 鄢吉多,黃仕雄，張賢信,等.基于單神經(jīng)元PID新型多能源煙草烤房控制系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代機(jī)械,2014(3):75-78.

[2] 王愛華,徐秀紅，王松峰，等.變黃溫度對(duì)烤煙烘烤過程中生理指標(biāo)及烤后質(zhì)量的影響[J].中國(guó)煙草學(xué)報(bào),2008,14(1):27-31.

[3] 孫幫成,李明高,等. ANSYS FLUENT 仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

[4] 王旭光,孫衢. 基于RBF辨識(shí)的單神經(jīng)元PID調(diào)速器設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用， 2008(6)：57-60.

[5] 王衛(wèi)峰,陳江華,宋朝鵬，等. 密集型烤房的研究進(jìn)展[J].中國(guó)煙草科學(xué),2005,26(3)：12-14.

[6] 宋朝鵬,李富欣等.烤煙烘烤技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].作物雜志，2010(1):6-8.

[7] 陳付軍. 密集烤房供熱系統(tǒng)性能比較的研究 [D].鄭州:河南農(nóng)業(yè)大學(xué),2008.

The analysis of heat flow field of the curing barn based on the CFD

ZHANG Xianxin，CHEN Yong，YANG Xian

In order to study the characteristics of hot air flow field inside of the curing barn, put forward the assumption of hot air circulation in the curing barn based on CFD, and establish the numerical calculation model of the heat convection and heat conduction model in the working. The process of baking and its flow dynamic characteristics was simulated using software Fluent. Results showed that the uniformity of temperature distribution internal the curing barn was improved after optimizing the structure of curing barn, the difference of water temperature decreased 0.19 ℃ and vertical temperature decreased 1.49 ℃.

flow field, CFD，heat convection，heat conduction, Fluent

TS43

B

1002-6886(2016)06-0028-04

張賢信(1990-)，男，碩士，黔東南州煙草專賣局從事煙葉技術(shù)生產(chǎn)。

2016-09-15