基于多相流耦合過程數值模擬的茶鮮葉離心式連續脫水設備參數模擬與優化

朱志楠，趙章風*，鐘江，周仁桂，張憲

1. 浙江工業大學特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室，浙江 杭州 310014；2. 浙江春江茶葉機械有限公司，浙江 杭州 311422

基于多相流耦合過程數值模擬的茶鮮葉離心式連續脫水設備參數模擬與優化

朱志楠1，趙章風1*，鐘江1，周仁桂2，張憲1

1. 浙江工業大學特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室，浙江 杭州 310014；2. 浙江春江茶葉機械有限公司，浙江 杭州 311422

為提高離心式水洗茶鮮葉脫水率并實現連續脫水，本研究基于離心式脫水原理，引入風道吹風提高茶鮮葉在脫水過程中的離散度，采用離散場—流場的多相流耦合技術，對茶鮮葉離心脫水過程進行數值仿真模擬，對影響茶鮮葉脫水效果的因素進行研究。研究表明，在確定送風方向的基礎上，發現在由離心筒內向外送風的情況下，離心筒與螺旋推進器驅動軸的旋轉速度差對脫水效果的影響最大，離心筒轉速對脫水效果影響次之，風速對脫水效果影響相對較小。

茶葉；離心脫水；風道；多相流耦合

為提高茶葉資源的利用率，夏秋茶成為茶葉深加工的主要原料，但夏秋茶除品質與春茶有差異外，其表面的粉塵、固體污染物和農殘含量也較春茶多，而對茶鮮葉進行清洗，將有利于降低粉塵和農殘。茶鮮葉表面水自動脫水技術是實現茶鮮葉自動清洗的關鍵技術之一。國內茶鮮葉的脫水工序多采用離心脫水技術，存在無法連續作業和茶葉易粘附在旋轉筒壁上的問題，導致脫水率較低。

目前，國內外直接針對茶葉表面水脫水效率及其影響因素的理論研究較少。為了提高離心機的強度，英國的S. W. Bhero等[1]開發了由連續纖維復合材料合成樹脂制成的轉子，顯著提高了分離機械的強度、性能、剛度、耐磨性和耐腐蝕性。天津大學聞建平等[2]采用基于雙流體模型與粒子分散模型相結合的方法，建立多相流模型，并對流化床內氣液固三相湍流模型進行模擬仿真，顆粒流在流化床內的流動特性參數與實驗獲得的數據對比結果吻合良好，所提出的三相流模型及其仿真方法具有良好的可靠性和準確性。Bodhisattwa等[3]利用氣固兩相流模型對催化劑制備過程中顆粒物料流動、顆粒之間的混合，以及相互之間的熱傳遞過程進行分析，獲得了單顆粒以及顆粒流的動力學和運動學的相關數據，且符合實際。高士偉等[4]對茶鮮葉水洗工藝對成茶感官品質影響的研究表明，茶鮮葉經表面水脫水處理后，所得成品茶香高味醇，葉底較均勻；未脫水處理則成品茶香氣平淡，葉底晦暗，而水洗方式對成茶品質的影響差異并不明顯。周仁桂等[5]對茶鮮葉自動清洗和脫水設備進行研究開發，改變了傳統的清洗和脫水方式，實現自動化作業。但以上研究均未考慮設置風場對茶鮮葉脫水的影響，更重要的是未對影響茶鮮葉脫水率的各個因素進行研究。

茶鮮葉在離心脫水過程中，同時受到鮮葉顆粒間的內摩擦力和氣流擾動的作用，構成了離散項（茶鮮葉固體顆粒群）-連續相（氣流）的兩相系統，本研究將基于離散元分析軟件（EDEM）與流體動力學軟件（FLUENT），通過對茶鮮葉離心脫水過程的數值模擬，分析離散相和連續相相互作用關系，進而優化相關參數，提高茶鮮葉脫水效率并實現連續脫水作業。

1 茶鮮葉離心脫水設備的結構和原理

離心式茶葉脫水設備由螺旋推進器驅動軸、空心軸、進料口、出料口、螺旋推進器、離心脫水部件等構成，脫水設備本體結構示意圖如圖1所示。螺旋推進器驅動軸和空心軸分別由一個獨立的電機驅動，兩者同向轉動，但有一定的速度差。

經清洗的茶鮮葉由頂部的進料口進入離心脫水設備，落在螺旋推進器的底板上。由于螺旋推進器驅動軸和空心軸之間速度差的存在，螺旋推進器上的螺旋片將茶鮮葉從底部向上至出料口推出，與此同時，茶鮮葉顆粒在離心筒內壁隨離心脫水筒轉動，茶鮮葉中的水顆粒在離心力的作用下，從分布在離心脫水部件的小孔處甩出，從而達到脫水的效果。最終完成茶鮮葉自動連續式脫水。

轉筒中水受到的離心力根據如下公式計算:

式中：G—水的質量；

n—離心筒的轉速；

R—離心筒的半徑。

經查閱資料，一滴水的質量約為50 mg，在濕茶鮮葉中的平均附著力[5]約為0.054 N，轉筒的半徑為312 mm，根據式（1），當轉筒轉速大于560 r·min-1時，茶鮮葉上的表面水形成水顆粒并脫離。

1.1 茶鮮葉和水當量直徑的計算

考慮到茶葉顆粒形狀不規則，而且茶葉顆粒在氣流的影響下，會發生自轉，導致其周邊的流場具有不穩定性，難以預測，另外考慮到計算機的性能和計算效率，本研究將待脫水的濕茶葉顆粒以兩種呈正態分布且大小不同的顆粒表示[6]，并使用粘結模型進行仿真，對于在氣流中的球形顆粒而言，顆粒受到拽力的作用，即牛頓繞流阻力，Fq為[7]：

圖1 6CTS63型連續式茶鮮葉脫水設備Fig. 1 6CTS63 type continuous dewatering machine of tea leaves

式中，CD為顆粒的繞流阻力系數（無因次阻力系數）；為單位體積空氣流體的動能，其中ρ為空氣密度，V∞為空氣氣流與茶葉的相對速度；A為物體垂直于運動方向或來流方向的投影面積。

因此，在不可壓縮流體中，對于與來流方向流體具有相同方位的顆粒而言，其阻力系數CD只是Re[8]的函數；而流體的雷諾數Re則與流體速度和顆粒速度的差值有關：

式中，μ為空氣的動力粘度，取1.8×10-5Pa·s，dq為球形顆粒的直徑，ρ為空氣密度，vf為氣流速度，vq為顆粒速度。

由式（2）、（3）和（4）得到式（5），式（5）為離散顆粒在氣流中所受到拽力Fq與顆粒速度vq和氣流速度vf的關系：

根據濕茶葉在受到風的拽力作用時，其處于懸浮狀態，則認為其受到的拽力恰好與重力相等，由此可以得出其簡化為當量直徑的球形顆粒所受到的拽力Fq為:

式中，ua為茶葉顆粒懸浮時的速度，且ua=｜vf－vq｜，ma為茶葉顆粒的質量，dq為茶葉顆粒近似球形顆粒后的當量直徑。500 g茶鮮葉中一般有1 000～3 000顆茶葉顆粒，茶葉受到風的拽力作用后懸浮，此時速度一般為5.5～7.0 m·s-1[9]不等。以一顆平均質量為0.8 g，懸浮速度為6.5 m·s-1的茶鮮葉計算，可以得出其當量的球形直徑dq=12 mm。同理得出水顆粒的當量球形直徑為dw=3.5 mm。

1.2 離散顆粒運動的模型構建

在對離心脫水筒中的物料進行動力學分析時可以將其近似轉化為一個質點[10]。在本研究中，將清洗后的茶鮮葉本體和水簡化成直徑呈正態分布的球形顆粒群，由于鮮葉結構和表面水的作用，茶鮮葉顆粒之間存在粘連現象。在離心式脫水設備內，各獨立顆粒的運動滿足牛頓第二運動定律，其轉動和平動的運動模型如下：

式中，mq為茶鮮葉的質量，vq為茶鮮葉顆粒的速度，vf為氣流速度，－vi▽q為壓力梯度力，β為動量擴散系數，為茶鮮葉顆粒及水顆粒間的相互作用力，為茶鮮葉顆粒與離心筒壁及螺旋推進器之間的作用力，Iq為茶鮮葉顆粒的轉動慣量，wq為茶鮮葉顆粒的

圖2 離心脫水筒模型Fig. 2 Model of centrifugal dewatering barrel

2 茶鮮葉脫水過程的數值模擬

2.1 數值模擬流程與參數

茶鮮葉脫水的過程是離散顆粒和連續流體之間動量的傳遞過程，研究中，通過EDEM角速度，Mq為茶鮮葉顆粒的合外力矩。

1.3 連續氣體的模型構建

茶鮮葉在清洗后的離心脫水過程中，離散顆粒群將與空氣氣流相互影響，兩者的運動速度不一，形成運動阻力。在連續氣體的模型構建中，引入相體積分數δ，以便通過計算兩相之間因相對運動而產生的阻力動量匯實現兩相之間的耦合。

在不考慮連續相和離散相之間質量傳遞的情況下，連續相氣體的連續方程和動量守恒方程分別為：

式中，δ為相體積分數，g為重力加速度，V為網格單元體積。

1.4 離心脫水筒模型構建

茶鮮葉的離心脫水過程主要發生在離心脫水筒內，離心筒壁上分布有小孔，在離心力的作用下，經水洗后的茶鮮葉中的水分會從筒壁上的小孔甩出。離心筒具體結構和基本參數如圖2和表1所示。和FLUENT聯合進行茶鮮葉脫水過程的數值模擬。其中考慮離散顆粒和連續流體動量的相互作用，采用Eulerian模型，對流體采用可壓縮、能量方程以及k－ε湍流模型，對離散顆粒采用Gidaspow阻力模型，并采用JKRCohesion接觸模型求解[11]。水洗茶鮮葉離心脫水過程數值模擬流程如圖3所示。

表1 離心脫水筒基本參數Table 1 Basic parameters of centrifugal dewatering barrel

通過查閱資料，茶鮮葉顆粒與水顆粒的本構參數[6,12-13]見表2所示；數值模擬環境參數見表3所示，其中茶鮮葉顆粒和水顆粒的大小由式（6）所得，茶顆粒數和顆粒總數由模擬仿真時設定，其余各個參數均通過現場試驗獲得。

圖3 數值模擬流程圖Fig. 3 Flow diagram of numerical simulation

表2 茶鮮葉和水顆粒本構參數Table 2 The structural parameters of fresh tea leaves and water particles

2.2 送風方式對水洗茶鮮葉離散度的影響

在水洗茶鮮葉的離心脫水過程中，因表面水的存在，將出現茶鮮葉之間、茶鮮葉與筒壁之間的粘連現象，直接影響脫水效率和自動出茶。對離心筒送風，在風力的作用下，把落入離心筒內的茶鮮葉吹散，將提高茶鮮葉的離散度。送風方式有從離心筒外向離心筒內送風和從離心筒內向離心筒外送風兩種，因此，以增加茶鮮葉的離散度為目標，對不同的送風方式展開研究。

圖4為當從離心筒內向外送風時的耦合仿真云圖。如圖4-A所示，風充滿整個離心筒內部，并由于結構的原因，在離心筒內存在若干旋渦狀的風渦。從圖4-B可以看出，茶鮮葉和水顆粒導入離心筒后，首先整體上被風吹散，并在局部風渦的作用下，發生進一步的離散，均勻分布在離心筒內。

圖5為當從離心筒外向內送風時的耦合仿真云圖。與圖4比較，風場中沒有風渦，茶鮮葉進入離心筒后，被外界的風力壓縮，反而出現聚集現象。

表3 數值模擬環境參數Table 3 Environmental parameters of numerical simulation

圖4 從離心筒內向外送風的風場矢量和茶鮮葉離散圖Fig. 4 Vector of wind field and discrete degree of fresh tea leaves when wind blows out from the barrel

圖5 從離心筒外向內送風的風場矢量和茶鮮葉離散圖Fig. 5 Vector of wind field and discrete degree of fresh tea leaves when wind blows from out into barrel

參照Gupta[14]提出的以顆粒與顆粒之間的接觸數量描述顆粒混合程度的方法，提取茶鮮葉顆粒-水顆粒、茶鮮葉顆粒-茶鮮葉顆粒、水顆粒-水顆粒之間的接觸數（Ns）與茶葉顆粒總的接觸（Ntotal），通過式（11）計算茶鮮葉和水顆粒在離心脫水筒內的離散度q。

通過數據分析，得出從離心筒內向外送風時水洗茶鮮葉的離散度（圖6）和從離心筒外向內送風時水洗茶鮮葉的離散度（圖7）。從圖6可以看出，當水洗茶輸入離心筒瞬間，茶鮮葉顆粒和水顆粒互相聚集，隨著茶葉的下落，在風力的作用下，顆粒快速分散，下落1 s時的離散度接近45%。從圖7中可以看出，水洗茶鮮葉下落1 s時的離散度接近23%。從離心筒內向外送風，水洗茶鮮葉離散度為從離心筒外向內送風的1.95倍，更利于后續脫水效率的提高及自動出茶。

2.3 茶鮮葉脫水的數值模擬

設置上述各參數，進行茶鮮葉脫水過程的數值模擬，得到如圖8所示云圖。對模擬數據進行分析，統計脫水后的顆粒中水顆粒的顆粒數，與脫水前顆粒數進行比較，得出離心脫水率為88.21%。

圖6 從離心筒內向外送風時水洗茶鮮葉的離散度Fig. 6 Discrete degree of fresh tea leaves when wind blows out from the barrel

圖7 從離心筒外向內送風時水洗茶鮮葉的離散度Fig. 7 Discrete degree of fresh tea leaves when wind blows into the barrel

圖8 水洗茶鮮葉脫水過程數值模擬Fig. 8 Numerical simulation of dewatering process of fresh leaves of washed tea

3 脫水過程因素分析與試驗

3.1 脫水過程因素分析

初步的脫水過程數值模擬證明離心筒轉速、螺旋推進器驅動軸與離心筒的旋轉速度差、風速、茶葉顆粒大小與茶鮮葉在離心筒內的運動狀態有關，同時，離心筒轉速及螺旋推進器驅動軸與離心筒的旋轉速度差與茶鮮葉脫水時間有關。通過基于EDEM-FLUENT多相流耦合技術進行正交試驗[15]，研究不同因素對脫水率的影響。試驗因素及水平見表4。

利用正交性原理和數理統計學對各個參數進行正交試驗分析，并據此進行脫水過程數值模擬，模擬脫水結束后，用EDEM離散元軟件統計從出料口離開的茶顆粒與水顆粒的數量，與最初兩者顆粒的數量進行比較并計算，以此獲得脫水率數據經整理，所得結果如表5所示。

表4 試驗因素及水平Table 4 Experimental factors and levels

表5 正交試驗數據分析結果Table 5 Results of orthogonal test data analysis

綜合分析表5，可以得出各因素對茶鮮葉脫水率的影響趨勢：

（1）B因素所對應的的脫水率均值方差值最大，可見離心筒和螺旋推進器驅動軸的旋轉速度差（因素B）對茶鮮葉的脫水率影響最為明顯。兩者轉速差越小，意味著茶鮮葉脫水時間越長，脫水率越高；但從數據可以看到速度差的減小，并未使得脫水率明顯提高，這是因為茶鮮葉表面存在不易脫去的較薄水膜，同時，茶鮮葉在離心筒內運動時間過長，將導致茶鮮葉破碎，影響鮮葉質量。

（2）A因素所對應的脫水率均值方差值次之，可見離心筒的轉速（因素A）對茶鮮葉的脫水率影響較大。茶鮮葉的脫水率隨著離心筒轉速的增加先增加后減小。這是由于當離心筒轉速在一定范圍內增加時，茶鮮葉和水顆粒受到的離心力不斷增大，大量的水顆粒從離心筒壁上的小孔甩出；但當轉速超過一定范圍后，離心力的增大，導致茶鮮葉緊貼離心筒并堵住小孔，阻礙分離水的流出，致使脫水率降低。

（3）D因素所對應的的脫水率均值方差值較小，可見風速（因素D）的大小對茶鮮葉脫水率的影響較小。其主要貢獻在于顆粒的分散，在滿足茶顆粒離散度要求以后，短時間內，茶鮮葉的脫水主要通過離心作用力實現。

（4）C因素所對應的的脫水率均值方差值最小，可見茶鮮葉顆粒的大小（因素C）對脫水率影響小。在較優水平組合中將略去C因素。

綜合上述分析，可以確定離心脫水主要因素的較優水平組合為A2B3D1。

3.2 試驗

根據上述理論研究結果，進行了樣機設計與試驗。如圖9所示，試驗用茶葉品種為龍井長葉，標準為一芽二葉的夏秋茶，脫水參數根據理論研究結果設定，茶鮮葉水洗后，連續輸送至離心脫水機脫水。通過多次試驗并稱量茶鮮葉脫水前后的質量，計算得其表面脫水率高達92%以上。經現場試驗統計，茶鮮葉離心脫水設備的產量約為200 kg·h-1。

圖9 茶鮮葉離心式連續脫水機結構及試驗現場Fig. 9 Structure of centrifugal and continuous dewatering and testing site

4 結論與討論

茶鮮葉離心脫水的效率和效果取決于茶葉顆粒和水顆粒所構成的離散場與風所構成的流場之間的有效組合，同時也和離心脫水設備的結構及運動參數相關。若按照傳統的研究方法對茶葉的脫水加工設備進行改造和研發則具有較大的盲目性。本研究采用離散場—流場的多相流耦合技術，結合工程實踐，開展對茶鮮葉離心脫水設備的研究，取得了較好的結果。研究表明，在由離心筒內向外送風的情況下，離心筒與螺旋推進器驅動軸旋轉速度差對脫水效果的影響最大，離心筒轉速對脫水效果影響次之，風速對脫水效果影響相對較小。該研究方法具有研發投入低、效率高、目標明確、理論結果與實際相接近等優點，可用于其他茶葉加工設備的研發，且具有現實的工程意義和研究價值。

然而茶鮮葉表面水的脫水過程不僅與結構參數和運動參數相關，還與茶鮮葉的物料特性等相關，可以進行更深層次的研究。同時，本研究受限于計算機計算能力，模擬的顆粒數較少，隨著計算機技術的不斷發展，可以施加更大數量級的顆粒進行模擬仿真計算，使結果更加接近于實際。

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Study on Parameter Optimization of Centrifugal and Continuous Dewatering of Tea Leaves Based on Numerical Simulation of Multiphase Flow

ZHU Zhinan1, ZHAO Zhangfeng1*, ZHONG Jiang1, ZHOU Rengui2, ZHANG Xian1
1. Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Processing Technology, Ministry of Education, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China; 2. Zhejiang Chunjiang Tea Machinery Co, Ltd, Hangzhou 311422, China

In order to improve the dewatering rate and achieve continuous dewatering, a concept of increasing the dispersion of tea leaves through venting, and using the multiphase flow coupling technology of discrete field - flow field was introduced based on the centrifugal dewatering principle. The centrifugal dewatering process of fresh tea leaves was numerically simulated and verified by experiments to determine the factors affecting the dewatering rate. It was found that the difference of rotational speeds between centrifugal barrel and spiral body had the greatest influence on the dewatering effect in the case that the direction of blowing air was outward from the centrifugal barrel. The centrifugal speed ranked the second on the dewatering effect. The speed of wind had the least effect on the dewatering effect.

tea, centrifugal dewatering, air duct, multiphase flow coupling

TS272.2；S233.75

A

1000-369X(2017)03-280-10

2016-12-12

：2017-02-20

國家科技支撐計劃（2014BAD06B06）、國家自然科學基金（31201138）

朱志楠，男，碩士研究生，主要從事農業裝備及自動化研究，E-mail：zzn_zjut@163.com。*通訊作者：i12fly@163.com