基于EDEM-FLUENT耦合的ZJ17卷煙機(jī)梗簽分離數(shù)值模擬與試驗(yàn)

劉小川　蔡培良　樊瑜瑾　李哲坤　楊劍鋒

摘 ?要： 為減少ZJ17卷煙機(jī)組在生產(chǎn)煙支時(shí)的煙絲浪費(fèi)，降低梗中含絲率，基于計(jì)算模型更加準(zhǔn)確真實(shí)的EDEM-FULENT耦合仿真技術(shù)，建立更加接近實(shí)物的梗簽、煙絲顆粒模型，對(duì)ZJ17卷煙機(jī)組生產(chǎn)時(shí)真空浮選腔的負(fù)壓分離在不同負(fù)壓下進(jìn)行了數(shù)值模擬與仿真分析，并以曲靖卷煙廠生產(chǎn)的“云煙（軟紫）”品牌煙絲為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：①最佳分離負(fù)壓為-1.2?KPa，可使梗中含絲率由20.27%降低至1.80%，每臺(tái)ZJ17卷煙機(jī)組每年可節(jié)約成品煙絲超過(guò)3000?kg;②EDEM-FLUENT耦合仿真技術(shù)針對(duì)煙草行業(yè)同樣具有可行性，且較之FLUENT具有更高的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：?EDEM-FLUENT耦合;煙絲;梗簽;ZJ17卷煙機(jī)組;真空浮選腔;負(fù)壓分離;模擬

中圖分類號(hào)：?TS433????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A????DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.02.016

【Abstract】： In order to reduce the waste of tobacco in the production of ZJ17 cigarette maker and reduce the shred content in slivers， a closer model of stem and tobacco particle was established based on the EDEM-FULENT coupling simulation technology which has more accurate calculation models， The negative pressure separation in the vacuum flotation chamber when the ZJ17 cigarette maker produced was simulated and analyzed under different negative pressures. And the "Yunyan （Soft Purple）" brand tobacco in Qujing Cigarette Factory was tested. The results indicated that： 1） The best separation negative pressure is -1.2?KPa， which can reduce the shred content in the tobacco?from 20.27% to 1.8%. Each ZJ17 cigarette maker can save 1500?kg of finished tobacco every year. 2）?The EDEM-?FLUENT coupling simulation technology is also feasible for the tobacco industry， and has higher accuracy than FLUENT.

【Key words】： EDEM-FLUENT coupling; Cut tobacco; Sliver; ZJ17 cigarette maker; Vacuum floating chamber; Negative pressure separation; Simulation

0??引言

在實(shí)際生產(chǎn)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司曲靖卷煙廠ZJ17卷煙機(jī)組梗簽分離回收裝置的分離效果不甚理想，分離出的梗簽中通常仍含有20%以上的煙絲，長(zhǎng)此以往，將會(huì)造成煙絲巨大的浪費(fèi)。針對(duì)機(jī)組存在的問題，林朝輝等將二次分離裝置煙絲送料管道改為“S”形，提高了分離效率[1];廣東中煙梅州卷煙廠通過(guò)增加第三次風(fēng)分來(lái)實(shí)現(xiàn)梗簽的充分分離[2];張皓天等通過(guò)對(duì)比圓形浮選腔與方形浮選腔，并設(shè)置二次離心風(fēng)分來(lái)優(yōu)化分離效率[3]。但是這些改進(jìn)主要是通過(guò)改變裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)提升分離效果，因此可能會(huì)對(duì)卷煙機(jī)組的整體性能以及煙絲質(zhì)量造成影響。分離負(fù)壓是影響分離效率的重要因素，但在目前的生產(chǎn)中尚無(wú)關(guān)于負(fù)壓設(shè)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。而吳磊等通過(guò)FLUENT對(duì)圓錐管及Z型風(fēng)道進(jìn)行了煙絲氣力輸送特性的研究[4];朱德勇等基于FLUENT對(duì)不同風(fēng)速下Z型風(fēng)道的梗絲分離進(jìn)行了模擬[5]。但是由于FLUENT算法的缺陷性，這些研究的仿真模型均是球體，與梗簽、煙絲實(shí)物在流場(chǎng)中的受力有較大差異，且僅僅基于FLUENT的算法會(huì)忽視顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的碰撞，因此這些研究的模擬分析仍不夠完善。針對(duì)FLUENT的固有缺陷，心男通過(guò)EDEM-FLUENT的耦合技術(shù)對(duì)不同進(jìn)氣壓、不同轉(zhuǎn)速下的氣吹式排種器進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果非常接近[6]，王建明等通過(guò)EDEM-FLUENT耦合技術(shù)對(duì)攪拌罐內(nèi)多相流的混合進(jìn)行了數(shù)值模擬[7]，初步證明了耦合技術(shù)的可行性。因此，可以通過(guò)EDEM-Fluent耦合仿真模擬技術(shù)，對(duì)不同分離負(fù)壓條件下浮選腔內(nèi)的流場(chǎng)以及顆粒的運(yùn)動(dòng)分布進(jìn)行模擬分析，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從而選取最優(yōu)化控制參數(shù)，以達(dá)到降低煙絲消耗量的目的。目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)針對(duì)煙絲、梗簽顆粒基于EDEM-FLUENT耦合技術(shù)的研究，使用此方法進(jìn)行煙絲、梗簽顆粒負(fù)壓分離的數(shù)值模擬對(duì)梗簽分離裝置的設(shè)計(jì)以及煙廠的精益化生產(chǎn)具有重要意義。

1 ?分離負(fù)壓范圍的確定

ZJ17卷煙機(jī)組梗簽分離裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，其真空浮選腔是處于垂直方向得負(fù)壓風(fēng)道系統(tǒng)，而影響煙絲、梗簽顆粒上升或者下降的就是腔內(nèi)空氣的流體速度V空氣與煙絲、梗簽顆粒的沉降速度V沉降。在真空浮選腔中，當(dāng)V空氣>V沉降時(shí)，較輕的煙絲就會(huì)上升，并從上方出口處進(jìn)入煙絲送料管道;當(dāng)V空氣

2 ?模擬方法的選擇

因?yàn)楦∵x腔中安裝有側(cè)壁擋塊和下?lián)鯄K，所以在煙絲、梗簽進(jìn)行負(fù)壓分離的過(guò)程中存在大量的碰撞，其中包括煙絲、梗簽顆粒對(duì)器壁的碰撞以及顆粒與顆粒之間的碰撞，而這些碰撞正是顆粒在浮選腔中無(wú)規(guī)則上下飄動(dòng)的重要因素之一。但是由于FLUENT算法的局限性，其在模擬運(yùn)算的過(guò)程中并沒有考慮碰撞的因素，因此運(yùn)算結(jié)果與實(shí)際誤差較大。針對(duì)此問題，可以通過(guò)UDF程序?qū)LUENT與EDEM進(jìn)行耦合，其優(yōu)點(diǎn)在于：能夠真實(shí)地把煙絲、梗簽顆粒的各項(xiàng)物理屬性表現(xiàn)出來(lái)，通過(guò)計(jì)算懸浮腔內(nèi)空氣流場(chǎng)與顆粒間作用力，模擬分析出碰撞帶來(lái)的影響，并通過(guò)顆粒運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算出各個(gè)顆粒得瞬態(tài)分布及運(yùn)動(dòng)軌跡，從而更能準(zhǔn)確地模擬出空氣和煙絲、梗簽顆粒相互作用得影響[11]。EDEM-FLUENT耦合求解過(guò)程如圖2所示。

3 ?建立仿真模型

使用Solid works對(duì)真空浮選腔建立3D模型，如圖3所示。當(dāng)浮選腔工作時(shí)空氣充滿了腔體，因此使用Fill工具建立流域，且流域模型尺寸與腔體尺寸相同。再導(dǎo)入Meshing劃分網(wǎng)格，并設(shè)置相應(yīng)的進(jìn)壓口in1、落料口in2、出壓口out與壁面wall，如圖4所示。

在進(jìn)行仿真模擬之前，需對(duì)EDEM及FLUENT進(jìn)行前處理設(shè)置。在EDEM中，選擇Hertz-Mindlin無(wú)滑動(dòng)碰撞模型，設(shè)置壁面為304不銹鋼，重力加速度–9.81?m/s2，時(shí)間步長(zhǎng)為3×10–6，內(nèi)部網(wǎng)格尺寸為3?mm，劃分網(wǎng)格118080個(gè)。304不銹鋼、煙絲、梗簽材料屬性與相互作用系數(shù)如表1、表2所示。

在EDEM中對(duì)梗簽與煙絲顆粒的建模，使用球形顆粒堆疊出較為接近實(shí)際的顆粒形狀，可將仿真過(guò)程中顆粒受力的誤差計(jì)算減小到最低，其算法準(zhǔn)確性已遠(yuǎn)超fluent傳統(tǒng)仿真中單純的球形顆粒[12]。煙絲常呈長(zhǎng)絲狀，梗簽常呈粗條狀，其顆粒模型如圖5、圖6所示。設(shè)置顆粒工廠時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況將in1設(shè)置為梗簽、煙絲顆粒入口，入射速度均為2.8?m/s，梗簽顆粒產(chǎn)生速率為80個(gè)/s，入射時(shí)間5?s，產(chǎn)生顆?？倲?shù)400個(gè)，長(zhǎng)度在3～15?mm之間隨機(jī)生成;煙絲顆粒產(chǎn)生速率為24個(gè)/s，入射時(shí)間5?s，產(chǎn)生顆?？倲?shù)120個(gè)，長(zhǎng)度在3～25?mm之間隨機(jī)生成。

在FLUENT中，選擇Lagrangian耦合方式[13-14]，進(jìn)口壓力處于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，出口負(fù)壓為變量設(shè)定，采用PISO迭代方式，并設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)0.05。

4 ?仿真分析

4.1 ?不同負(fù)壓對(duì)分離效果的影響

為在計(jì)算所得負(fù)壓范圍–0.8?KPa～–1.3?KPa中，尋得一個(gè)準(zhǔn)確的風(fēng)分負(fù)壓使得生產(chǎn)“云煙（軟紫）”品牌的ZJ17卷煙機(jī)組的生產(chǎn)效益達(dá)到最高，因而設(shè)定12組不同出口負(fù)壓進(jìn)行分離仿真，通過(guò)EDEM后處理模塊對(duì)真空浮選腔上出口捕獲的煙絲顆粒、逃逸的梗簽顆粒與下出口捕獲的梗簽顆粒、逃逸的煙絲顆粒進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。為了評(píng)價(jià)分離效果，引入梗中含絲率（下方出口中煙絲質(zhì)量占比）與絲中含梗率（上方出口中梗簽質(zhì)量占比），得到仿真結(jié)果如表3所示。當(dāng)分離負(fù)壓小于–0.7?KPa時(shí)，梗簽顆粒全部通過(guò)下方落料口落入梗簽收集料斗，隨著負(fù)壓逐漸增大，逃逸的梗簽逐漸增多，捕獲到的煙絲顆粒也逐漸增多，梗中含絲率也隨著負(fù)壓的增大而減小，并在–1.2?KPa時(shí)達(dá)到最低，之后逐漸增大，絲中含梗率則總體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。負(fù)壓超過(guò)1500Pa后，雖然捕獲的煙絲質(zhì)量逐漸減少，但此時(shí)絲中含梗率過(guò)大，已超出“云煙（軟紫）”的生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)。而在–0.8～–1.3?KPa范圍內(nèi)，–1.2?KPa時(shí)捕獲的煙絲質(zhì)量最大，但與–1.3KPa時(shí)相比差距不大，且絲中含梗率也仍在工藝標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。但考慮到–1.3?KPa時(shí)的完全分離時(shí)間多出了5.1?s，因此選擇–1.2?KPa作為對(duì)ZJ17卷煙機(jī)生產(chǎn)的“云煙（軟紫）”品牌綜合經(jīng)濟(jì)效益提升最大的最佳分離負(fù)壓。

4.2 ?顆粒的運(yùn)動(dòng)分析

梗簽、煙絲顆粒以斜45°向下的方向從in1射入真空浮選腔，在重力、浮力、氣壓梯度力、附加質(zhì)量力等[9]的作用下在腔內(nèi)上下浮動(dòng)，在經(jīng)過(guò)顆粒之間以及顆粒與器壁之間的相互摩擦、碰撞之后，各個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)更為復(fù)雜。在–1.2?KPa條件下，仿真過(guò)程中各顆粒的運(yùn)動(dòng)情況如圖7所示。在分離過(guò)程中，煙絲、梗簽顆粒的運(yùn)動(dòng)速度不相同，其變化規(guī)律如圖8所示。煙絲、梗簽顆粒進(jìn)入真空浮選腔后在負(fù)壓的作用下作勻加速運(yùn)動(dòng)，在2?s左右達(dá)到最大值，隨后梗簽顆粒逐漸減速至5.6?m/s的速度并上下波動(dòng)直至分離。煙絲顆粒則一直減速，并在8s左右的時(shí)間減為0，說(shuō)明煙絲顆粒在此時(shí)已完全分離。

5??試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證仿真結(jié)果，以紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司曲靖卷煙廠生產(chǎn)的“云煙（軟紫）”品牌卷煙為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，選擇一臺(tái)在產(chǎn)ZJ17卷煙機(jī)組為試驗(yàn)設(shè)備，在10天中每一天的相同時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行一次對(duì)比試驗(yàn)（共計(jì)10次），并且保證每次都是同一批次的煙絲進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，在測(cè)試過(guò)程中不得更改ZJ17卷煙機(jī)任何設(shè)置。在不同負(fù)壓下，在真空浮選腔下方落料口收集落料1?min，并對(duì)其中的梗簽、煙絲進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表4所示。

6??數(shù)據(jù)分析

由表4可知，通過(guò)ZJ17卷煙機(jī)組生產(chǎn)“云煙（軟紫）”品牌煙支時(shí)，在–1.2?KPa下，真空懸浮腔會(huì)浪費(fèi)較少的煙絲，梗中含絲率最低，且其總體的變化趨勢(shì)也是先減后增，這與仿真結(jié)果基本一致。而且較使用最佳分離負(fù)壓前，梗中含絲率自20.27%降低至1.80%，若全年工作時(shí)間260天，使用最佳分離負(fù)壓后每臺(tái)機(jī)組全年可節(jié)約成品煙絲超過(guò)3000kg，極大地減少了煙絲消耗。

7??結(jié)論

基于EDEM-FLUENT耦合技術(shù)，建立形態(tài)更接近于實(shí)物的梗簽、煙絲顆粒模型，對(duì)ZJ17卷煙機(jī)組生產(chǎn)的“云煙（軟紫）”品牌煙絲在不同負(fù)壓下進(jìn)行了梗簽負(fù)壓分離的數(shù)值模擬與仿真分析，并進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明：①最佳分離負(fù)壓為–1.2?KPa，可使梗中含絲率由20.27%降低至1.80%，每臺(tái)ZJ17卷煙機(jī)組每年可節(jié)約成品煙絲超過(guò)3000?kg;②EDEM-FLUENT耦合仿真技術(shù)針對(duì)煙草行業(yè)同樣具有可行性，且較之FLUENT具有更高的適用性與準(zhǔn)確性;③目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)針對(duì)煙草行業(yè)的基于EDEM-FLUENT耦合仿真研究，可對(duì)以后煙草行業(yè)的仿真模擬提供參考。

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