基于FLUENT 的梗簽二次風選裝置的設計與應用

張鴻強，吳曉剛，潘佳月

（甘肅煙草工業有限責任公司天水卷煙廠，甘肅 天水 741020）

ZJ17 卷接機組是卷煙工業企業近年來應用最為普遍的機型之一，供絲部分是其最為主要的組成部分。目前ZJ17 卷煙機梗絲二次風選存在風選過程不穩定、風選效果較差的現象，經統計當前分離的梗中含絲率均值在7.2%左右，存在明顯的煙絲浪費現象。同時，部分重量輕的梗簽通過風室進入吸絲帶，引起煙支重量標準偏差波動、煙支表面“刺破”等問題，一定程度上會影響煙支的感官評吸效果。本文將針對ZJ17 卷接機在生產過程中出現的梗中含絲率較高的問題，進行深入分析，并利用FLUENT仿真分析軟件設計開發新型結構的二次風選裝置，減少了梗中含絲量，降低了煙支重量標準偏差，節約了大量的煙絲，取得了顯著的經濟效益。

1 梗絲分離裝置工作原理

當前ZJ17 卷煙機所使用的梗絲二次風選裝置是利用懸浮風分的原理，其具體結構如圖1 所示。

圖1 ZJ17 卷煙機二次風選裝置結構圖

工作過程中，煙梗和煙絲經梗簽剔除口3 拋出后，進入梗絲分離室中，煙絲在負壓的作用下處于懸浮狀態作無規則的運動，較重的煙絲及梗簽下落，較輕的煙絲則從負壓吸風口1 處被重新吸附進入卷煙機內。使用過程中可通過調整進風量調節板6，調整風選體內的風速，以達到改變風選效果的目的。

2 梗絲分離裝置內部氣流分析

由于當前所使用的ZJ17 卷煙機梗絲二次風選裝置在使用過程中普遍存在調整不穩定，剔除梗簽中梗中含絲率高的現象，因此，根據當前所使用的梗絲分離裝置結構，利用FLUENT 流體分析軟件對風選體內氣流情況進行了仿真分析，如圖2～3 所示。

圖2 調整進風量調節板前風速云圖

圖3 調整進風量調節板后風速云圖

由上面仿真云圖可以看出，在沒有進行調節前，風選裝置內部主要區域空氣流速約為6.36e+00 m/s，將調節板關閉1/3，可以發現該區域氣流速度變為1.17e+00m/s,有明顯減小的趨勢，說明在關閉調節板時風選效果變的更差，梗中含絲率更大，同時發現，風選裝置內部氣流有分層現象。而通過現場驗證，在其風速達到最大的情況下，仍不能滿足使用要求，因此，可以判定該結構存在一定的缺陷。

3 懸浮煙絲及梗簽的受力分析

為了便于分析，將風選體內的煙絲、梗簽等抽象為固體顆粒，通過對固體顆粒的受力分析，以便深入了解煙絲受力情況，固體顆粒在氣流流場中受到的作用力較多[2]，包括重力、慣性力、Stokes 黏性阻力、Basset 力、Saffman 力等。風選分離主要是利用煙絲與梗簽的懸浮力不同，橫向力的作用影響較小，所以分析顆粒在受力時只考慮縱向力，因此把顆粒的運動看成簡單的一維運動，將煙絲抽象理解為固體顆粒，繪制了如圖4 所示的受力模型分析示意圖[3]。

圖4 煙絲受力模型分析示意圖

下面對顆粒受到的各種力逐一分析:

1）浮力Ff

式中ρ 為流體密度；

2）阻力（曳力）Fd

式中，ζ——球形顆粒曳力系數；

ρ——流體密度；

Va——流體速度；

Vb——顆粒的速度。

曳力系數ζ 與流體相對運動時雷諾數Re 和球形度Φs 之間的函數關系如下：

當Re<1 時，

當Re>1 時，

其中指數n 為

n=1+4.45Re-0.11

n=3.39 Re≥500

3）重力Fg

式中m 為顆粒的質量；

ρp為顆粒的密度。

利用懸浮分離理論的基本原理，可以得出流體場中的固體顆粒受力平衡方程為：

當F>0 時，顆粒上升；當F<0 時，顆粒沉降；當F=0 時，顆粒懸浮。而通過上述分析可知，重力Fg的大小主要取決于固體顆粒物的大小以及固體顆粒的密度大小，由于在梗簽二次風選裝置中，煙絲結構已確定，因此，無法從根本上改變重力Fg的大小，同理影響阻力（曳力）Fd的大小因素也無法改變，只能通過改變浮力Ff的大小來實現懸浮分離的效果。

4 風選裝置的優化設計

通過對固體顆粒在氣流流場中的受力分析，可以看出，在實際應用中，最為直接的改變就是通過改變浮力的大小來提高懸浮分離的效果，由于在風量一定的情況下，通風管截面大小對風速有直接影響，因此建立了如圖5 所示的假象模型[4]，并通過FLUENT 仿真軟件進行了風選裝置內部氣流流速仿真分析。

圖5 導流板安裝后風速云圖

4.1 導流板影響分析

通過在風選裝置底板上加裝導流板，使一次風選后梗簽剔除口處的氣流方向發生改變，已達到在一次風選后梗簽剔除口處形成漩渦氣流的目的，使含梗煙絲多次懸浮，充分松散，而提高梗絲分離效果，通過FLUENT 軟件對導流板安裝前后進行了仿真分析，仿真結果如圖6、圖7 所示，通過仿真對比可以看出，在底板上加裝導流塊后，風選裝置內氣流方向改變，沿外壁流向頂部，有益于煙絲的充分松散，提高風選分離效果。

圖6 導流板安裝前風速云圖

圖7 導流板安裝后風速云圖

4.2 最小截面間隙大小影響分析

同樣通過FLUENT 軟件對不同截面大小情況下的風選裝置內氣流情況進行了仿真分析，仿真結果如圖8、圖9 所示，通過仿真對比可以看出，在最小截面間隙為15mm 時一次風選后梗簽剔除口處的氣流速度可達到6.24e+01m/s，而在25mm 時可達到3.71e+01m/s，與改進前該區域最大值6.36e+00m/s相比較有明顯提升。

圖8 最小截面為15mm 時風速云圖

圖9 最小截面為25mm 時風速云圖

通過上述對比試驗可以得知，增加導流板和改變最小截面間隙大小，對風選裝置內部氣流影響明顯，因此，根據上述結論，設計了如下新型ZJ17 卷煙機梗絲二次風選裝置，如圖10 所示。

圖10 新型ZJ17 卷煙機梗絲二次風選裝置

在使用過程中，通過最小截面間隙調整桿7 調節最小截面間隙大小，當通過最小截面間隙調整桿7 的調節無法達到所需要求時，還可輔助調節進風量調節板6[5]，來改變內部氣流情況。

5 結論

改進后的二次風選裝置漂浮室，由于充分利用了負壓提供的氣流升力和最佳懸浮速度，一方面在一次風選剔除口形成了漩渦流，能夠使煙絲實現漩渦流，達到煙絲團充分松散和多次風選的效果，另一方面，能夠方便調節內部氣流速度，操作簡單方便，運行過程穩定可靠，使排出的煙梗中所帶煙絲能夠達到理想的要求，通過改進后試驗驗證，剔除梗簽中梗中含絲率由之前的平均7.2%降到了3.4%，既降低了梗中含絲率，又降低了煙支單重標準偏差，達到了提質降耗的目的。