基于Fluent-EDEM耦合的茶葉紅外殺青機滾筒內流場數值模擬

虞文俊 吳瑞梅 李 紅 裴 剛 金山峰 黃超強 朱任章 楊普香 熊愛華

(1. 江西農業大學工學院，江西 南昌 330045；2. 江西省蠶桑茶葉研究所，江西 南昌 330203)

殺青是綠茶加工的第一道關鍵工序[1]，茶葉殺青必須在短時間內使鮮葉溫度升到85 ℃以上[2]，并將葉溫保持一定時間，以徹底鈍化酶的活性[3-4]。滾筒式殺青機是中國應用最廣的一種茶葉殺青機械[5]，但目前多以燃煤、燃氣、生物質燃料和電為熱源，其中燃煤、燃氣的熱慣性大，生物質燃料顆粒不易結渣，點火時污染物不易控制，而電加熱方式存在能耗高、殺青不均勻等缺陷[6]。紅外輻射源能量與輻射溫度的4次方呈正比，能提供比對流加熱高幾十倍的熱流密度[7]，具有升溫快、能耗低、干燥質量好、環保等優勢，廣泛用于玉米[8]、稻谷[9]等農產品干燥，也有研究將紅外技術用于茶葉的殺青[10]。

目前，鮮茶葉的殺青升溫過程主要由制茶師憑經驗控制[11]，難以保證茶葉品質。有學者利用流體分析軟件模擬鮮茶葉的加熱過程，徐海衛等[2]設計了一種三段式螺旋導葉板(進葉導板、出葉導板、工作導板)滾筒殺青機，每段導葉板采用不同的螺旋升角，利用Fluent流體分析軟件模擬鮮茶葉的受熱狀況，以此為參考來優化殺青機結構，但并未研究鮮茶葉在滾筒內的升溫情況和滾筒內流場溫度場分布。鮮葉在殺青過程中受熱情況除受滾筒內溫度場分布影響外，還與鮮葉在滾筒內的運動有關。Fluent-EDEM耦合模擬方法能同時考慮溫度場和顆粒運動的相互影響，是目前較新的一種模擬多相流數值分析方法[12-13]。施重駒等[14]針對熱風滾筒殺青機熱能利用率不高、殺青質量和產量受限制等缺陷，利用Fluent-EDEM聯合對殺青滾筒內流場溫度和離散場進行耦合模擬分析，基于仿真結果，對殺青機導葉板數量、高度和進風口結構進行了優化，優化樣機的殺青試驗表明，殺青葉質量得到改善，產能提高25%。但有關紅外技術[15]在茶葉殺青和干燥方面理論模型研究較少，探索殺青滾筒內溫度變化曲線和鮮茶葉升溫曲線等相關理論模型，能更準確研究鮮茶葉在紅外輻射過程中的物性變化，從而優化殺青機結構。

試驗擬研究茶葉紅外殺青機在殺青過程中滾筒內溫度場的分布及茶葉顆粒的干燥曲線模型，采用Fluent-EDEM耦合方法對滾筒內的殺青溫度和鮮茶葉顆粒運動進行模擬，在Fluent軟件中將滾筒內流場溫度求解至收斂后，利用UDF耦合接口將流場溫度信息傳遞至EDEM中，EDEM根據茶葉顆粒模型和顆?！黧w相間熱傳遞和熱輻射模型對顆粒的溫度進行迭代計算，將顆粒的運動信息由耦合接口傳回至Fluent中，Fluent根據反饋信息進入下一個時間步長迭代，反復多次迭代后，在Fluent中得到殺青過程中滾筒內的溫度場分布，在EDEM中得到鮮茶葉在殺青過程中的升溫曲線模型。為證明紅外輻射的殺青效果，同時對電加熱殺青機進行Fluent-EDEM耦合，并將兩種殺青機的模擬結果進行對比，為茶葉殺青機的結構優化設計提供理論基礎。

1 茶葉紅外殺青機整體結構及工作原理

1.1 整體結構

茶葉紅外殺青機總體結構如圖1所示，由機架、滾筒、紅外加熱系統、傳感系統、驅動系統以及控制系統等組成。滾筒由托輪支撐在支架上，滾筒內壁焊有螺旋葉片，紅外加熱系統由一根不銹鋼空心管懸掛于滾筒中心，2個半橢圓形法蘭盤分別安裝在空心管兩端，法蘭盤上開有多個通孔，紅外輻射管安裝在法蘭盤的通孔中；法蘭盤上半部固定有不銹鋼防護罩，以防止鮮茶葉在滾筒內壁上升過程中掉在輻射管上而燒焦。滾筒內空心軸部分鉆有小孔，紅外傳感器和溫濕度傳感器的接線從控制柜由空心軸穿過，懸掛在空心管上。鮮茶葉進料和出料在滾筒右端完成，由大電機的正反轉驅動滾筒進行正反轉，使鮮茶葉在滾筒內來回殺青。排濕風扇安裝在帶輪右側面，由帶傳動帶動風扇進行正反轉。

1. 機架 2. 風扇罩 3. 排濕風扇 4. 滾筒 5. 不銹鋼防護罩 6. 紅外加熱管 7. 進料斗 8. 出料斗 9. 托輪 10. 大電機 11. 小鏈輪 12. 鏈條 13. 大鏈輪 14. 小電機 15. 皮帶 16. 控制系統

圖1 茶葉紅外殺青機總體結構圖

Figure 1 Schematic diagram of tea cylinder de-enzyme machine using infrared source

1.2 工作原理

首先，在控制面板上設定滾筒內鮮茶葉的殺青溫度、滾筒內規定的濕度以及殺青時間初始參數，控制系統發出指令，開啟紅外輻射管，同時啟動大電機，帶動滾筒反轉。當溫度傳感器檢測到滾筒內溫度達到設定值時，向控制系統反饋信號，鮮茶葉從進料口進入滾筒內，茶葉在滾筒內隨螺旋導葉片的轉動進行軸向移動和翻拋并吸收紅外輻射熱量，鮮茶葉升溫并蒸發出水分。當腔內溫度超過殺青溫度規定的上限值時，控制系統發出指令，關閉其中的數根紅外管，保證腔內溫度保持在設定的殺青溫度范圍內，當腔內濕度超過殺青濕度規定的上限值時，控制系統發出指令，開啟排濕風扇正轉進行排濕。當到達所設定的殺青時間時，大電機反轉并使滾筒轉速加快，驅動滾筒正轉將殺青葉快速從滾筒內排出，同時小電機反轉且轉速加快，助推殺青葉快速排出以免被燒焦，完成一次殺青全過程。

2 數值模擬及分析

2.1 歐拉耦合數學模型

利用Fluent和EDEM軟件模擬茶葉殺青過程，有兩種Fluent-EDEM耦合計算模型：Lagrangian模型和Eulerian模型，其中Lagrangian模型只考慮流體相和顆粒相的動量交換，不考慮顆粒相對流體相的作用，且該模型還要求顆粒相模型體積分數不超過15%。而Eulerian模型是基于多相流框架的耦合方法[16]，除考慮流體相和顆粒相之間的動量交換外，還考慮顆粒相對于流體相的影響[14]。因殺青過程中茶葉顆粒與溫度場之間存在動量、質量和能量的相互交換。因此，本研究選擇Eulerian-Eulerian模型，以考慮茶葉顆粒運動對溫度的影響。

2.1.1 Fluent-EDEM 阻力模型 Fluent-EDEM耦合采用一種改進的自由流阻力[17]來計算作用在球形顆粒上的力。阻力系數CD取決于雷諾數Re：

(1)

自由流體阻力方程：Fd=0.5CdρA|ν|ν，

其中：

(2)

式中：

ρ——流體密度，kg/m3；

η——流體的黏度，Pa·s；

L——顆粒球的直徑，m；

ν——顆粒與流體間的相對速度，m/s；

α——CFD網格單元的自由體積，m3；

A——顆粒的投影面積，m2。

2.1.2 流體守恒定律 殺青過程中，茶葉顆粒會影響滾筒內的連續相氣體運動[14]，故在原有的Eulerian模型上引入一個相體積分數α，如不考慮殺青過程中的傳質過程，則質量和動量守恒方程為：

(3)

(4)

式中：

α——空氣相的體積率，%；

vi——空氣相在笛卡爾坐標i方向上的流速分量，m/s；

τij——黏性應力張量，Pa；

gi——坐標i方向上的體積力，N；

Fi——空氣相和顆粒相的相互作用力，N。

2.1.3 熱傳遞理論

(1) 熱對流[18]方程：

(5)

式中：

QPF——熱量，J；

AP——顆粒表面系數；

ΔTPF——溫度差，K；

P、F——分別表示流體相和固體相；

KF——氣體熱傳導系數，W/(m2·K)；

NμP——努賽爾數(流率與傳導率的比值)；

dP——顆粒直徑，m。

(2) 輻射能量方程：

Q=εσbΑT4，

(6)

式中：

Q——輻射能量，W；

T——絕對溫度，K；

A——物質的表面積，m2;

σb——黑體的輻射常數，5.67×10-8W/(m2·K4)；

ε——物體的發射率。

2.2 仿真模型建立

試驗研究6CST-60型紅外輻射殺青機的滾筒內溫度場分布，該模型紅外加熱系統置于滾筒中心，為簡化模擬分析計算，僅對殺青機等直徑部分進行殺青過程模擬(鮮茶葉在殺青過程中，主要落在此區域內)，應用PROE 5.0建模軟件建立紅外殺青機三維模型，導入到ICEM CFD 17.0中進行網格劃分，將生成的MESH文件導入至Fluent 17.0中進行溫度場分析。為對比紅外殺青機的節能效果，研究模擬以電加熱方式相同型號6CST-60(以電加熱方式的殺青機，其加熱源采用通電線圈纏繞在滾筒壁外表面進行加熱)滾筒內溫度場分布及滾筒內的升溫情況，并與紅外輻射進行對比，采用與紅外輻射模型的相同處理方式，滾筒模型網格劃分見圖2。

圖2 紅外和電加熱殺青機滾筒網格劃分Figure 2 The mesh generation of infrared and electric heating cylinder de-enzyme machine

2.3 初始條件及邊界條件確定

2.3.1 紅外輻射加熱殺青機 Fluent軟件參數設置：在入口采用pressure-inlet壓力入口條件，壓力設為一個標準大氣壓，湍流強度5%，湍流黏度比10；出口采用pressure-outlet壓力出口條件，湍流強度5%，湍流黏度比10；滾筒壁面及螺旋導葉片旋轉速度均為35 r/min；紅外輻射熱源壁面溫度為711 K(當加熱功率為6 kW時，由紅外測溫儀測量得到的滾筒內壁實際溫度值)，選κ-ε模型，因本殺青機主要以紅外輻射為主，故選能量方程和輻射模型，并選用輻射模型里的Discrete Ordinates模型，發射率0.945。EDEM軟件參數設置如下：顆粒與顆粒之間的熱傳遞采用Hertz Mindlin with heat conduction模型，顆粒與壁面之間采用Hertz Mindlin(no slip)接觸模型，茶葉顆粒溫度初始值300 K，茶葉顆?？倲?0 000。

2.3.2 電加熱殺青機 Fluent軟件參數設置除了紅外輻射熱源壁面溫度設為513 K外(當功率為6 kW時，由紅外測溫儀測量得到的滾筒內壁實際溫度)，其他參數設置相同。EDEM軟件參數設置與紅外輻射加熱殺青機條件相同。

2.4 Fluent-EDEM耦合參數設置

在設置耦合參數時，阻力模型采用自由流模型，傳熱模型選用Li & Mason模型，并同時選輻射模型。耦合過程中，Fluent和EDEM的信息由耦合接口進行交換，則在耦合過程中需要滿足一定要求：① Fluent中設置的時間步長必須是EDEM中時間步長的整數倍；② EDEM通常選擇Rayleigh時間步長的5%(30%作為時間步長[19]；③ Fluent中網格單元的體積不能小于EDEM中顆粒的體積。表1為茶葉顆粒本構模型參數[20]。

表1 茶葉顆粒本構模型參數Table 1 Parameters of the constitutive model of tea particles

3 鮮茶葉殺青過程中滾筒內溫度場分布模擬結果分析

3.1 紅外加熱與電加熱滾筒內溫度場分布對比

鮮茶葉在殺青前，先要對滾筒進行預熱。由圖3可看出，電加熱殺青機滾筒內流場溫度分布較均勻，而紅外殺青機滾筒內流場溫度主要集中在滾筒右部及底部。殺青過程中，鮮茶葉隨螺旋葉片進行軸向移動及徑向拋灑運動，則大部分時間落在滾筒的右部及底部。由此可知，對于本文所研究的紅外殺青機，其大部分熱量輻射在鮮葉上，熱能利用率高，從而提高殺青效率；而電加熱結構殺青機，溫度場分布均勻，則只有少部分熱量作用于鮮茶葉，熱能利用率低。

圖4(a)為2 s時，茶葉顆粒的溫度基本為初始設定溫度300 K；圖4(b)、(c)分別為20，45 s時，茶葉顆粒被壁面加熱并隨滾筒轉動的拋灑和軸向移動溫度分布圖。由圖4可知，20 s時，茶葉顆粒溫度上升到306 K左右，45 s時，上升到318 K左右。模擬結果表明，電加熱方式的殺青葉溫度在45 s內上升了18 K。

圖3 電加熱和紅外輻射殺青機滾筒內預加熱流場溫度分布截面圖Figure 3 Sectional view of temperature distribution of pre-heating flow field in the cylinder of electric heating and infrared de-enzyme machine

圖5(a)為2 s時，茶葉顆粒的溫度也為初始設定溫度300 K左右；圖5(b)、(c)分別為20，45 s時，茶葉顆粒被紅外輻射加熱并隨著滾筒轉動在滾筒內的拋灑和軸向移動。由圖5可知，20 s時，茶葉顆粒溫度上升至320 K左右；45 s時，上升至347 K左右。模擬結果表明，紅外輻射方式的殺青葉溫度在45 s上升了47 K，比電加熱方式高出29 K。在相同殺青時間內，殺青葉在紅外殺青機滾筒內的升溫速度比在電加熱方式升溫快161%。由圖6可知，當茶葉物性參數相同時，相對于電加熱方式，殺青葉受紅外輻射加熱較電加熱升溫快得多，殺青效率更高。

圖4 電加熱機滾筒內茶葉顆粒在不同殺青時間的運動及溫度分布Figure 4 The motion trial and temperature distribution of tea particles in different de-enzyme time in the cylinder of electric heating de-enzyme machine

由圖7可知，電加熱殺青機的顆粒溫度分布在312～320 K，該溫度段內顆粒數量達到99.35%；紅外殺青機的顆粒溫度分布在333～369 K，該溫度段內顆粒數量達到99.45%。由此可知，在相同殺青時間內，紅外殺青機內茶葉顆粒的溫度整體較高，在短時間內均達到了快速升溫的效果。因此，與電加熱殺青機相比，本裝置采用的紅外加熱系統更能符合殺青葉需快速升溫以鈍化氧化酶活性的殺青要求。

圖6 電加熱和紅外殺青機滾筒內茶葉顆粒在0～45 s的溫度曲線Figure 6 Temperature curve of tea particles in 0～45 s in the cylinder of electric heating and infrared de-enzyme machine

綜上模擬分析，紅外輻射殺青機的熱能利用率要高于電加熱的，大大提高殺青效率。

3.2 試驗驗證

為驗證模擬過程中模型選擇的正確性，本文采用MAX6675溫度傳感器安置在紅外輻射殺青機滾筒內壁面，對滾筒壁面升溫情況進行監測，得到壁面升溫實測曲線，同時在殺青機模型壁面相同位置處設置監測點，模擬監測點的升溫變化。由圖8(a)可知，當用3根紅外管加熱到2 500 s時，滾筒內溫度實測值趨于平穩，約為355 K，而模擬值在2 500 s時，基本穩定在351.5 K左右，模擬值與實測值相對誤差為0.99%；由圖8(b)可知，當采用4根紅外管，實測值在2 500 s時，基本穩定在371 K左右；模擬值在2 500 s時，基本穩定在371 K左右，相對誤差為0；由圖8(c)可知，當采用5根紅外管，實測值在2 700 s時，基本穩定在387 K左右；模擬值在2 700 s時，基本穩定在389.5 K左右，相對誤差為0.65%左右。經過3組實測與模擬對比，模擬值與實測值的誤差都較小，說明殺青機模擬所選模型和參數設置是正確的。

圖7 電加熱和紅外輻射殺青機滾筒內不同溫度場下茶葉顆粒數量分布

Figure 7 Quantity distribution of tea particles in different temperature fields in the cylinder of electric heating and infrared de-enzyme machine

4 結論

試驗為探討滾筒內殺青葉的溫度變化情況，采用Fluent-EDEM耦合模擬滾筒內流場分布狀態，得到了紅外殺青機與電加熱殺青機的流場溫度及茶葉顆粒溫度模擬值。模擬結果表明：在相同殺青時間內，紅外輻射殺青機內茶葉升溫速率約為電加熱殺青機的161%，且在相同時間內，紅外殺青機滾筒內茶葉顆粒溫度整體較高，證明了該裝置紅外輻射殺青效果優于電加熱的。 同時滾筒內螺旋導葉板的螺旋角、傾角、導葉板高度對滾筒內茶葉起著拋灑的作用，對茶葉與滾筒內溫度流場的接觸會產生影響，因此研究也可以為導葉板的結構參數設計和優化提供依據。

圖8 不同數量紅外管時壁面實測與模擬曲線的對比Figure 8 Comparison between measured and simulated wall curves of 3, 4 and 5 infrared tubes