基于CFD的新型密集烤房結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

王龍飛+范沿沿+白志鵬+黨曉輝+胡耀華+李建華

摘要：為改進(jìn)和優(yōu)化新型密集烤房結(jié)構(gòu)，基于計算流體力學(xué)（CFD）方法建立密集烤房的物理模型，根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)確定邊界條件和模型參數(shù)，對不同數(shù)量回風(fēng)孔、不同角度導(dǎo)流板以及不同位置出風(fēng)口模型的氣流速度場進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，并利用實測數(shù)據(jù)對模擬結(jié)果予以驗證。研究表明：（1）回風(fēng)孔數(shù)量的增加可以顯著增加烤房內(nèi)部氣流的平均速度，能有效改善烤房內(nèi)部的通風(fēng)效果；（2）當(dāng)導(dǎo)流板與豎直方向夾角為15°時，烤房內(nèi)部氣流分布均勻性最好；（3）出風(fēng)口在烤房頂部比在底部的烤房內(nèi)部氣流的平均速度高；（4）10個測量點的氣流速度測試值與模擬值基本吻合，相對誤差一般小于8%，證明上述仿真結(jié)果是可靠的。根據(jù)研究結(jié)果，提出新型密集烤房結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議：在烤房中設(shè)置48個回風(fēng)孔、與豎直方向夾角為15°的導(dǎo)流板以及在烤房頂部設(shè)置出風(fēng)口。

關(guān)鍵詞：計算流體力學(xué)；氣流速度場；密集烤房；優(yōu)化設(shè)計；數(shù)值模擬

中圖分類號： S226.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）18-0201-04

收稿日期：2017-02-21

基金項目：河南省煙草技術(shù)開發(fā)項目（編號：XYKJ2015M01）；國家自然科學(xué)基金（編號：31671965）。

作者簡介：王龍飛（1988—），男，陜西西安人，碩士研究生，主要研究方向為煙草機(jī)械。E-mail：wlf0121@126.com。

通信作者：李建華，主要研究方向為農(nóng)業(yè)合作。E-mail：xcwdqljh@sina.com。 密集烤房最早于1960年在美國北卡羅來納州建成并投入使用，到1962年已經(jīng)有超過300個密集烤房投入使用[1]。我國最早在20世紀(jì)60年代開始研究密集烤房[2]。密集烤房在傳統(tǒng)烤房的基礎(chǔ)上增加了強(qiáng)制通風(fēng)與熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，并且可以實現(xiàn)自動控制，密集烤房的循環(huán)風(fēng)機(jī)可以控制烤房內(nèi)部氣流的運動，這也使得密集烤房的結(jié)構(gòu)更加多樣化。由于密集烤房具有體積小容量大、烘烤質(zhì)量高、節(jié)約能源[3]和易于實現(xiàn)專業(yè)化烘烤等優(yōu)點，現(xiàn)在，密集烤房已經(jīng)成為我國煙葉烘烤設(shè)備的發(fā)展方向[4]。

近年來CFD方法廣泛地應(yīng)用到氣流速度場的分析中。國內(nèi)外學(xué)者運用CFD方法模擬設(shè)備裝置內(nèi)部流場分布情況，并提出結(jié)構(gòu)及組件改進(jìn)設(shè)計的研究較多[5-9]，也有一些學(xué)者對室外噴霧技術(shù)的流體速度場進(jìn)行了模擬[10-11]，有一些研究是對室內(nèi)的空氣流動情況進(jìn)行三維模擬，分析氣流的穩(wěn)定均勻性，改進(jìn)室內(nèi)的結(jié)構(gòu)[12-15]。有研究對烤房內(nèi)溫濕度分布進(jìn)行計算流體力學(xué)分析[16]，但是應(yīng)用CFD方法分析密集烤房內(nèi)氣流速度場并進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計的研究分析未見報道。

本研究通過采用CFD三維數(shù)值模擬方法建立新型密集烤房模型，目的是利用CFD方法優(yōu)化烤房內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主要包括：（1）確定烤房內(nèi)回風(fēng)孔數(shù)量；（2）確定導(dǎo)流板與豎直方向的角度；（3）確定烤房出風(fēng)口的位置。

1 材料與方法

1.1 新型密集烤房結(jié)構(gòu)與工作原理

本研究只介紹新型密集烤房的通風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，不包括加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。烤房位于河南省許昌市襄城縣里川煙草合作社，長8.2 m，寬2.9 m，高3.56 m。烤房整體由200 mm厚聚氨酯夾芯板搭建而成，包括外墻、屋頂、地面和分隔板，分隔板距地面2.75 m。烤房內(nèi)部放置鐵制裝煙架，長7.3 m，寬2.7 m，高2.6 m。分隔板上方左右兩側(cè)各安裝3臺軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)葉輪直徑550 mm，理論風(fēng)量8 100 m3/h，壓升70 Pa，分隔板上開有回風(fēng)孔。進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口設(shè)置在烤房頂部，見圖1。為了展示烤房內(nèi)部結(jié)構(gòu)，部分外墻作隱藏處理。

烤房內(nèi)氣流循環(huán)過程：外界空氣由進(jìn)氣口進(jìn)入烤房，在左右兩側(cè)風(fēng)機(jī)驅(qū)動下，經(jīng)由兩側(cè)風(fēng)機(jī)進(jìn)入分隔板下方烤煙區(qū)域，烤煙區(qū)域氣流一部分經(jīng)過回風(fēng)孔回到分隔板上方，再經(jīng)過風(fēng)機(jī)進(jìn)入烤煙區(qū)域，形成循環(huán)氣流，另一部分經(jīng)過出風(fēng)口排出烤房。

1.2 網(wǎng)格劃分

模型采用與新型密集烤房等比例創(chuàng)建，模型中忽略了裝煙架對烤房內(nèi)部氣流的影響，不考慮外界空氣速度對烤房內(nèi)氣流的影響。在ICEM軟件中采用三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成方法劃分模型網(wǎng)格，共產(chǎn)生462 000個網(wǎng)格單元，1 414 024個網(wǎng)格面和490 276個網(wǎng)格節(jié)點，如圖2所示，模型中開設(shè)48個回風(fēng)孔。

1.3 控制方程

本模型中不涉及能量和組分的轉(zhuǎn)移，烤房內(nèi)空氣是定常、不可壓縮的，遵循質(zhì)量守恒定律和動量守恒定律[17]，其控制方程如下：

1.4 邊界條件與數(shù)值求解

進(jìn)口和出口分別采用壓力進(jìn)口和壓力出口邊界條件，進(jìn)口壓力和出口壓力均設(shè)置為常壓狀態(tài)，湍流強(qiáng)度與水力直徑設(shè)置為3.5%和0.5 m。

左側(cè)和右側(cè)風(fēng)機(jī)邊界面采用風(fēng)扇邊界條件（Fan），設(shè)置壓力躍升為70 Pa，與風(fēng)機(jī)銘牌壓升一致，左側(cè)風(fēng)扇邊界方向向左，右側(cè)風(fēng)扇邊界方向向右。

其余邊界面設(shè)置為壁面邊界（Wall），應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)方法處理近壁區(qū)域。

采用Fluent 15.0軟件進(jìn)行數(shù)值求解，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型，采用基于有限體積的控制方程，壓力速度耦合方式為SIMPLE，壓力和動量采用二階迎風(fēng)離散格式。

2 結(jié)果與分析

為方便表達(dá)烤房內(nèi)部氣流速度場分布情況，在烤房內(nèi)選取截面Y、Z1、Z2和Z3，如圖3所示。截面Y（Y=1.45 m）為Y軸方向中心截面，截面Z1、Z2和Z3與烤房地面距離分別為0.7 m、1.5 m和2.3 m。

2.1 不同數(shù)量回風(fēng)孔的氣流速度場分布

創(chuàng)建分隔板上平均分布有回風(fēng)孔8、16、24、32、40、48個的6個烤房模型，6個模型Y截面上的氣流速度場分布如圖4所示，只對分隔板下方烤煙區(qū)域進(jìn)行分析，左右兩側(cè)以及底部的氣流速度高于中部和上部，在中部產(chǎn)生左右對稱的速度在0～0.5 m/s之間的低速區(qū)域，隨著開設(shè)的回風(fēng)孔數(shù)量的增加，在回風(fēng)孔的作用下，增加了中部上部區(qū)域氣流的流動性，導(dǎo)致低速區(qū)域逐漸變小。回風(fēng)孔數(shù)量為48個時，低速區(qū)域面積達(dá)到最小，烤煙區(qū)域氣流流動性達(dá)到最好。endprint

式中：vh為高度為h的平面上的平均氣流速度，m/s；vi為測量點i的氣流速度，m/s；n為總測量點數(shù)量；jh為高度為h平面上的氣流不均勻系數(shù)，jh值越小，氣流分布的均勻性越好。

Z1、Z2和Z3這3個截面分別代表著烤房內(nèi)部3層煙葉的平均高度，在這3個截面上，回風(fēng)孔數(shù)量與烤房內(nèi)烤煙區(qū)域氣流不均勻系數(shù)及平均氣流速度之間的關(guān)系如圖5和圖6所示。隨著回風(fēng)孔數(shù)量的增加，烤房內(nèi)Z1、Z2和Z3截面上氣流的不均勻系數(shù)變化不明顯，基本保持平穩(wěn)，只有在回風(fēng)孔數(shù)量由8個增加到16個的過程中，Z1和Z2截面上氣流的不均勻系數(shù)急劇減少，此時對回風(fēng)孔數(shù)量的增加，可以改善烤房內(nèi)下部和中部區(qū)域的氣流均勻性；在Z2截面上氣流的不均勻系數(shù)明顯高于Z1和Z3截面，說明烤房內(nèi)的低速區(qū)域主要集中在Z2=1.5 m截面附近。然而隨著回風(fēng)孔數(shù)量的增加，氣流的平均速度逐漸增加，在回風(fēng)孔數(shù)量由40個增加到48個過程中，氣流平均速度的增加幅度放緩，在回風(fēng)孔數(shù)量為48個時，氣流平均速度達(dá)到最高，烤房內(nèi)通風(fēng)效果最好，此時Z1、Z2和Z3截面上的平均速度為2.13 m/s，對比回風(fēng)孔數(shù)量僅為8個時的平均速度0.63 m/s，平均氣流速度增加了238%。可見回風(fēng)孔數(shù)量的增加可以有效改善烤房內(nèi)部的通風(fēng)效果。

2.2 不同角度導(dǎo)流板的氣流速度場分布

分別創(chuàng)建導(dǎo)流板與豎直方向夾角為0°、15°、30°和45°的4個烤房模型，4個模型Y截面上的氣流速度場分布如圖7所示。與導(dǎo)流板角度為0°，即不設(shè)置導(dǎo)流板的模型作對比，導(dǎo)流板角度為15°時，烤房中部呈圓形分布的低速區(qū)域明顯變小，但是在導(dǎo)流板下方區(qū)域由于導(dǎo)流板對氣流影響的緣故會有帶狀低速區(qū)域產(chǎn)生；導(dǎo)流板角度為30°時，對比15°導(dǎo)流板模型，烤房中部低速區(qū)域以及導(dǎo)流板下方低速區(qū)域都變大；導(dǎo)流板角度為45°時，由于導(dǎo)流板強(qiáng)制改變氣流運行方向，使得烤房中部呈圓形分布的低速區(qū)域消失，但是導(dǎo)流板下方的低速區(qū)域面積急速增加，烤房內(nèi)部整體氣流流動性反而降低。

導(dǎo)流板角度與烤房內(nèi)烤煙區(qū)域Z1、Z2和Z3截面氣流不均勻系數(shù)及平均氣流速度之間的關(guān)系如圖8和圖9所示。比較導(dǎo)流板角度為0°和15°兩個模型的氣流不均勻系數(shù)，在Z2和Z3截面，氣流的不均勻系數(shù)降低，在Z1截面，反而升高，這與導(dǎo)流板下方產(chǎn)生低速區(qū)域有關(guān)；比較導(dǎo)流板角度15°、30°和45°模型的氣流不均勻系數(shù)，隨著導(dǎo)流板角度的增加，3個截面的氣流不均勻系數(shù)均有所增加，說明導(dǎo)流板角度為15°模型氣流分布的均勻性最好。氣流平均速度的變化趨勢隨著導(dǎo)流板角度的變化不明顯，在Z1截面，導(dǎo)流板角度為45°時，受到導(dǎo)流板的遮擋， 氣流平均速度大幅降低， 導(dǎo)流板角度為

15°時，氣流平均速度最高，雖然此時氣流不均勻系數(shù)相對0°導(dǎo)流板模型有所升高，但是Z1截面高度的氣流流動性最好。可見，導(dǎo)流板的設(shè)置對烤房內(nèi)部氣流均勻性的影響較明顯，當(dāng)導(dǎo)流板與豎直方向夾角為15°時，烤房內(nèi)部氣流分布均勻性最好。

2.3 不同位置的出風(fēng)口氣流速度場分布

分別創(chuàng)建出風(fēng)口在烤房頂部和底部的2個模型，2個模型回風(fēng)孔數(shù)量均為48個，不設(shè)置導(dǎo)流板，2個模型中Z1、Z2和Z3截面的氣流不均勻系數(shù)和平均速度見表1，出風(fēng)口在烤房底部的模型在Z1、Z2和Z3截面的氣流平均速度均低于出風(fēng)口在烤房頂部的模型，平均低于出風(fēng)口在烤房頂部模型氣流平均速度5.9%，2個模型氣流不均勻系數(shù)基本一致，出風(fēng)口在烤房頂部模型的氣流不均勻系數(shù)略微低于出風(fēng)口在烤房底部模型。可見，出風(fēng)口在烤房頂部模型通風(fēng)效果稍好于出風(fēng)口在底部模型。

3 數(shù)值模擬結(jié)果驗證

烤房內(nèi)部烤煙區(qū)域氣流速度場測定試驗于2016年8月在河南省許昌市襄縣里川煙草合作社進(jìn)行，試驗烤房分隔板開設(shè)48個回風(fēng)孔，試驗的主要目的是測量分隔板下方的烤煙區(qū)域氣流速度并驗證仿真結(jié)果，10個風(fēng)速測量點布置見圖10。風(fēng)速測量選用TES-1340熱線式手持風(fēng)速測量儀（泰仕電子工業(yè)股份有限公司生產(chǎn)），量程0～30 m/s，精度為 0.01 m/s。

為了驗證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取圖10所示10個點的測試值與相同未知的模擬值進(jìn)行對比，P1到P10風(fēng)速測量點的測試值與模擬值對比見表2，10個測量點測試值與模擬值的相對誤差的范圍為0.69%～18.7%，造成誤差的原因有很多，仿真模型中忽略了裝煙架以及測量人員對烤房內(nèi)部氣流的影響，而且手持風(fēng)速儀進(jìn)行測量也會有誤差產(chǎn)生；由于P8點的風(fēng)速數(shù)值較小，其測試值與模擬值的相對誤差為 18.75%，除了P8點外9個測量點氣流速度的測試值與模擬值相對誤差均小于8%，測試值與模擬值基本吻合，說明了本研究建立的CFD模型以及CFD模擬的可靠性。

4 結(jié)論

本研究對新型密集烤房內(nèi)氣流分布進(jìn)行了CFD模擬和現(xiàn)場實測，10個測量點的氣流速度測試值與模擬值基本吻合，相對誤差一般<8%，說明了本研究建立的CFD模型以及CFD模擬的可靠性。根據(jù)CFD模擬結(jié)果，得出以下結(jié)論：回風(fēng)孔數(shù)量的增加可以顯著增加烤房內(nèi)部氣流的平均速度，有效改善烤房內(nèi)部的通風(fēng)效果。回風(fēng)孔數(shù)量不宜過少，過少的回風(fēng)孔數(shù)量會導(dǎo)致烤房內(nèi)部氣流分布均勻性較差；在分隔板上均勻布置回風(fēng)孔時，可以選擇較多的回風(fēng)孔數(shù)量。對于既有的新型密集烤房，在回風(fēng)孔數(shù)量不變的情況下，導(dǎo)流板的設(shè)置對烤房內(nèi)部氣流均勻性的影響較明顯，當(dāng)導(dǎo)流板與豎直方向夾角為15°時，烤房內(nèi)部氣流分布均勻性最好。在回風(fēng)孔數(shù)量保持不變，不設(shè)置導(dǎo)流板的情況下，出風(fēng)口在烤房頂部模型通風(fēng)效果稍好于出風(fēng)口在底部模型。

根據(jù)以上結(jié)論，提出新型密集烤房結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議：在烤房中設(shè)置48個回風(fēng)孔、與豎直方向夾角為15°的導(dǎo)流板以及在烤房頂部設(shè)置出風(fēng)口。

參考文獻(xiàn)：

[1]Johnson W H. Influence of harvesting and process variables on bulk curing of bright leaf tobacco[J]. Transactions of the ASAE，1965，8（3）：354-357.endprint

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

[3]向裕華，張宗錦，李華兵，等. 碳?xì)溆袡C(jī)質(zhì)燃料烘烤設(shè)備在密集烤房中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30（2）：219-223.

[4]曾 中，汪耀富，肖春生，等. 密集烤房碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料供熱設(shè)備的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28（11）：61-67.

[5]Hwang K J，Wu S E. Disk structure on the performance of a rotating-disk dynamic filter：a case study on microalgae microfiltration[J]. Chemical Engineering Research & Design，2015，94：44-51.

[6]Xu Y，Guan Z，Xuan L，et al. Structural optimization of downhole float valve via computational fluid dynamics[J]. Engineering Failure Analysis，2014，44（9）：85-94.

[7]陳樹人，肖 君，饒師任，等. 黃花苜蓿收獲機(jī)吹送裝置氣流速度場CFD分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32（12）：39-46.

[8]吳 云，張 楠，張宏偉，等. 膜曝氣生物膜反應(yīng)器內(nèi)流場的CFD模擬及組件優(yōu)化[J]. 化工學(xué)報，2015，66（1）：402-409.

[9]董全成，馮顯英，張成梁. 基于CFD的氣流式皮清機(jī)內(nèi)部流場[J]. 東北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，36（4）：537-541.

[10]傅澤田，王 俊，祁力鈞，等. 果園風(fēng)送式噴霧機(jī)氣流速度場模擬及試驗驗證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25（1）：69-74.

[11]陳發(fā)元，汪小旵，丁為民，等. 果樹噴霧用圓盤風(fēng)扇三維氣流速度場數(shù)值模擬與驗證[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2010，41（8）：51-55.

[12]陳 寧，廖勝明，饒政華. 青藏高原低氣壓旅客列車車廂速度場及溫度場的數(shù)值模擬研究[J]. 鐵道學(xué)報，2013，35（10）：18-23.

[13]呂 潔，吳亞平，周 勃，等. 低屋面橫向通風(fēng)牛舍傾斜導(dǎo)流板流場數(shù)值模擬[J]. 沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015，37（6）：700-704.

[14]劉 慧，涂福炳，謝 韜，等. 基于風(fēng)扇強(qiáng)制對流的茯茶烘房數(shù)值優(yōu)化研究[J]. 工業(yè)加熱，2016，45（1）：39-41.

[15]趙 庚，陳廣元. 基于Fluent的節(jié)能型干燥窯內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J]. 森林工程，2015，31（3）：47-53.

[16]Bai Z，Guo D，Li S，et al. Analysis of temperature and humidity field in a new bulk tobacco curing barn based on CFD[J]. Sensors，2017，17（2）：279.

[17]王福軍. 計算流體動力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2004：7-11.

[18]鄧書輝，施正香，李保明，等. 低屋面橫向通風(fēng)牛舍空氣流場CFD模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30（6）：139-146.張善文，張晴晴，齊國紅，等. 基于改進(jìn)K中值聚類的蘋果病害葉片分割方法[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（18）：205-208.endprint