煙葉風(fēng)分氣固兩相流數(shù)值模擬及物理特性測定

宋兆峰，袁銳波，黎 西

（1.昆明理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，昆明 650000；2.昆明理工大學(xué)，昆明 650000）

煙葉打葉復(fù)烤是指將除雜后的煙葉經(jīng)過第一次烘烤后，利用打葉工序?qū)熑~分為純煙葉、葉含梗、光梗，并通過風(fēng)分機將這3種類型煙葉風(fēng)力分離，接著對分離出來的純煙葉以及在打葉風(fēng)分過程中產(chǎn)生的煙葉碎片進行復(fù)烤，將其含水率降低，直至符合儲存包裝的工藝過程［1］。目前，打葉復(fù)烤工藝主要分為3部分：打葉、風(fēng)分、復(fù)烤。其中，風(fēng)分工序作為打葉復(fù)烤中最重要的一環(huán)，其目的是將打葉后的煙葉按不同質(zhì)量要求進行分離［2－3］，其基本原理為：受重力和流場的影響，較輕的純煙葉呈向上運動趨勢，而光梗、葉含梗煙葉則呈向下沉降的趨勢［4］。然而，目前對于煙葉打葉復(fù)烤中風(fēng)分工藝過程的研究較少，生產(chǎn)線智能化控制方面還待提高，風(fēng)分過程中還大部分采用人為經(jīng)驗式的判斷，缺乏系統(tǒng)性的研究。

文獻［5］基于氣固兩相流動力學(xué)，采用FLUENT軟件進行數(shù)值模擬，選取空氣進口、砂石進口、空氣撒粉出口及風(fēng)機結(jié)構(gòu)4個條件的優(yōu)化，提高了風(fēng)選室的風(fēng)選效果。文獻［6］以煙葉打葉復(fù)烤中的經(jīng)典馬克風(fēng)分倉為基礎(chǔ)，采用網(wǎng)均風(fēng)結(jié)構(gòu)替代鏈板均風(fēng)結(jié)構(gòu)，使風(fēng)分效率得以進一步提高。文獻［7］合理優(yōu)化打輥轉(zhuǎn)速、風(fēng)機轉(zhuǎn)速、爆料輥拋4個工藝書，并將4種參數(shù)進行合理組合，使得打葉復(fù)烤的風(fēng)分精度和質(zhì)量得到保障。文獻［8］通過設(shè)置擾流板并調(diào)節(jié)進風(fēng)口位置，從而抑制茶葉風(fēng)選機內(nèi)部的渦流，結(jié)合計算及分析技術(shù)，對茶葉風(fēng)選的效果提升提供了一定的理論依據(jù)。文獻［9］引入顏色定性值和光譜定性值兩個跳空椅子，并采用高架庫的調(diào)配方法，加強了打葉復(fù)烤的均值化效果。文獻［10］和文獻［11］在研究城市生活垃圾分選仿真實驗中，將氣流場看作多相層流，研究分析了影響風(fēng)選效率的設(shè)備的幾何結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)線智能化控制方面還有待提高，風(fēng)分過程中大部分仍采用人為經(jīng)驗式的判斷，缺乏系統(tǒng)性的研究。

本文基于流體力學(xué)和空氣動力學(xué)，利用計算機數(shù)值模擬技術(shù)，建立煙葉轉(zhuǎn)化當(dāng)量球型顆粒數(shù)學(xué)模型，通過圖像識別技術(shù)和Fluent氣固兩相流仿真技術(shù)，采用圖像識別技術(shù)以及建立離散相與煙葉當(dāng)量球型顆粒轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型，解決了煙葉風(fēng)分過程的可視化問題并提高煙葉的風(fēng)分效果。本文的理論研究將為后續(xù)研究學(xué)者提供基于煙葉當(dāng)量球型顆粒轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)模型，從而展開正確的煙葉的數(shù)值模擬，同時通過本文的實驗結(jié)合仿真研究，將來能在一定程度上對生產(chǎn)企業(yè)就如何提高煙葉利用率起到實際的指導(dǎo)作用，以此來代替高昂的人工成本和實驗成本。

1 煙葉與當(dāng)量球型顆粒轉(zhuǎn)換

由于煙葉運動的不規(guī)則性，難以描述其空氣動力學(xué)特性，因此用以球型顆粒代替不規(guī)則形狀的煙葉來計算其空氣動力學(xué)，參考江蘇大學(xué)的李學(xué)軍和陳嘉真［12］發(fā)明的懸浮速度測定裝置，利用其相關(guān)計算模型理論，可以推導(dǎo)出煙葉當(dāng)量球型顆粒的直徑，為后面煙葉的風(fēng)分過程數(shù)值模擬離散項參數(shù)設(shè)置奠定理論基礎(chǔ)。

以質(zhì)量是my，密度是ρy的煙葉為例，可通過上述裝置測得煙葉的懸浮狀態(tài)下所受曳力Fy情況。

煙葉顆粒在氣流場中的運動有震蕩移動狀態(tài)，震蕩翻滾狀態(tài)兩種；其中，震蕩翻滾狀態(tài)最突出的特點就是顆粒自身的旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致其所受曳力系數(shù)以及正流投影面積發(fā)生瞬態(tài)變化。式中ˉCy代表煙葉顆粒曳力系數(shù)的均值，ˉAy代表正流投影面積的均值。

當(dāng)懸浮速度為uy時，與該煙葉顆粒具有相同質(zhì)量的球型顆粒所受曳力為：

令Fp＝Fy，即

式（1）～（4）中，dt為煙葉體積。

在上述理論公式的基礎(chǔ)上可知：DPM模型煙葉的當(dāng)量直徑與煙葉密度、懸浮速度、質(zhì)量3種參數(shù)相關(guān)。

對于質(zhì)量的測定，采用微型電子秤測量得到了3種煙葉的單片質(zhì)量。對于煙葉采用最為廣泛的三角形煙葉作為研究對象；對于葉梗，選擇圓柱度較均勻的長條形狀的光梗。為了保證實驗的準(zhǔn)確性，因此在測量3種類型的煙葉質(zhì)量時，以最先選定煙葉的幾何形狀作為實驗樣本，后續(xù)實驗的煙葉形狀按照其進行剪裁。

由于數(shù)據(jù)數(shù)量龐大，以云南某企業(yè)生產(chǎn)的煙葉的兩種參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，同時分別改變其他兩種參數(shù)取得每組實驗數(shù)據(jù)，結(jié)果如下：以正常生產(chǎn)煙葉總流量和框欄開口3.0（為定標(biāo)準(zhǔn)，打輥轉(zhuǎn)速采用以下4個速度指標(biāo)即：47、48、49、50 r／s來測量得到實驗數(shù)據(jù)。最終得到3種類型煙葉單片質(zhì)量，如表1、2所示。

表1 單片純煙葉、葉含梗煙葉質(zhì)量實驗測量結(jié)果

純煙葉47 0.50純煙葉 48 0.57純煙葉 49 0.51純煙葉 50 0.59葉含梗 47 1.21葉含梗 48 1.10葉含梗 49 1.35葉含梗50 1.40

表2 單片光梗質(zhì)量實驗測量結(jié)果

對于懸浮速度的測定，借助懸浮速度測定裝置測量了相應(yīng)質(zhì)量和面積形狀的3種類型的煙葉的懸浮速度。本實驗忽略煙葉溫度和濕度對懸浮速度的影響，具體測量結(jié)果為3次懸浮速度值的平均值，實驗數(shù)據(jù)如表3、4所示。

表3 純煙葉、葉含梗煙葉懸浮速度實驗測量結(jié)果

表4 光梗懸浮速度實驗測量結(jié)果

對于煙葉的密度測量，本文通過求解出煙葉的體積進一步求得密度，煙葉體積視為面積與厚度的乘積。

對于煙葉面積的計算，本文利用Matlab軟件編寫煙葉面積圖像識別程序，通過轉(zhuǎn)灰度圖片處理、二值化處理、開運算處理、統(tǒng)計連通域的面積4個步驟確定煙葉的面積像素點，如圖1所示。

圖1 煙葉面積Matlab識別

由于3種類型煙葉各自的物理特性和結(jié)構(gòu)特性，因此在識別純煙葉、葉含梗、光梗的時候，需要做出相應(yīng)調(diào)整和修改程序。在計算純煙葉時，改寫上面的面積圖像識別程序運行計算得到總像素點和總面積，如圖2所示。同時，通過游標(biāo)卡尺測量得到對應(yīng)純煙葉的厚度0.2 mm。

圖2 純煙葉面積Matlab識別

圖2中直尺為比例尺，10 mm代表17個像素點，可計算單個像素點面積，整片煙葉像素點總數(shù)為33 858，通過計算最終將得到整個煙葉的面積1 612.3 mm2。結(jié)合所得到的質(zhì)量公式，最后經(jīng)過計算研究，最終得到純煙葉的密度，如表5所示。

表5 純煙葉密度實驗結(jié)果

在計算光梗時，同計算純煙葉密度方法一樣，獲得光梗的密度，如表6所示。

表6 光梗密度實驗結(jié)果

葉含梗煙葉是由純煙葉和光梗組合成，要通過計算面積從而較為精確地計算該類型煙葉密度，因此在識別葉含梗煙葉時，需要將純煙葉部分識別并算出像素點；通過相同方法測量得到對應(yīng)葉含梗煙葉的葉面積和梗的體積，如圖3所示。

圖3 葉含梗煙葉面積Matlab識別

本次圖像識別后，將葉含梗煙葉中葉、梗分離，通過上面確定光梗體積的方法確定梗的體積，并結(jié)合經(jīng)驗公式

式（5）中，ρg、ρy、ρz分別代表葉含梗、純煙葉、梗的密度，其中λ代表權(quán)重，λ與葉含梗中煙葉和梗的占比有關(guān)，經(jīng)過實驗研究和分析，λ取值為0.5。經(jīng)過計算研究，最終得到葉含梗煙葉的密度，保留小數(shù)點后兩位，如表7所示。

表7 葉含梗煙葉密度實驗結(jié)果

由以上實驗和計算分析，基于Fluent軟件中的DPM模型，獲得了3種類型煙葉近似球型顆粒直徑dp，如表8所示。

表8 3種類型煙葉近似球型顆粒直徑dp

由上表可以清晰地看出3種類型單片煙葉的當(dāng)量球型顆粒的情況。為下一步在Fluent軟件中設(shè)置煙葉的DPM模型提供理論依據(jù)。

2 模型的建立

本文中流體數(shù)值模擬的基本過程是：使用UG軟件對臥式風(fēng)分機進行建模，通過ANSYS軟件的mesh模塊對流體模型進行網(wǎng)格劃分并進行初始條件設(shè)置；然后保存mesh格式導(dǎo)人Fluent中，選擇并設(shè)置計算方法，邊界條件等；同時在Fluent軟件中的monitor模塊中設(shè)置監(jiān)測器對風(fēng)分機兩個進口，兩個出口的流量進行監(jiān)測；最后通過迭代計算結(jié)果。

2.1 臥式風(fēng)分機三維模型建立

臥式風(fēng)分機采用的是來自于昆明某企業(yè)生產(chǎn)設(shè)計的WF3601型風(fēng)分機，如圖4所示。由于設(shè)備的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，本文只涉及到風(fēng)分過程的定性分析，所以對風(fēng)分機進行簡化處理，去除外部的幾何特征以及形狀不規(guī)則的部位。簡化后的臥式風(fēng)分機與實際的實驗設(shè)備臥式風(fēng)分機比例為1∶1。

圖4 WF3601型臥式風(fēng)分機

用NX11.0三維軟件建立臥式風(fēng)分機簡化模型，如圖5所示。

圖5 臥式風(fēng)分機簡化模型

其中，①、②、③、④、⑤標(biāo)號分別代表葉片出口、進料口、網(wǎng)帶、出料口、二次拋料輥。臥式風(fēng)分機總高為2 500 mm，總長為1 800 mm，總寬為2 000 mm。二次拋料錕中心軸直徑100 mm，齒條齒高50 mm；其上設(shè)置有弧形擋板，如圖所示。進料口、葉片出口和出料口為長方體，長2 000 mm，寬300 mm。

本文對臥式風(fēng)分機中的二次拋料錕、網(wǎng)帶、壁面網(wǎng)格的劃分采用六面體網(wǎng)格方法，并在劃分后對網(wǎng)格進行了光滑處理，在理論基礎(chǔ)程度上進一步提高網(wǎng)格質(zhì)量，如圖6所示。

圖6 風(fēng)分機網(wǎng)格劃分模型

2.2 數(shù)值模擬模型仿真參數(shù)設(shè)置

模型的選擇：本文采用拉格朗提法理論基礎(chǔ)研究氣相和固相的流體模型，即氣相為氣體，固相為等效的煙葉顆粒；模型采用離散相模型；考慮湍流對煙葉風(fēng)分的影響，故采用在模擬流體仿真過程中其殘差曲線更加容易收斂的realizablek－ε模型。

邊界條件的選擇：本文邊界條件分為旋轉(zhuǎn)區(qū)域條件和進出口處邊界條件，對于旋轉(zhuǎn)邊界條件：采用Movingwall壁面函數(shù)，轉(zhuǎn)速為300 r／min。對于進出口邊界條件：設(shè)氣相材料為空氣（air），定義為常溫、常壓；同時物料進口和網(wǎng)帶均設(shè)為速度入口，其中物料進口出風(fēng)速2 m／s，網(wǎng)帶處實際風(fēng)速11m／s。

對于DPM模型，3種類型煙葉和dp采用上述當(dāng)量球星顆粒得到的結(jié)果。根據(jù)煙葉在風(fēng)分室的實際情況，設(shè)定Y方向初速度為1.5 m／s，入風(fēng)口風(fēng)速為10.5 m／s。

3 氣固兩相流場數(shù)值模擬結(jié)果及分析

通過前面介紹的數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)定，可以獲得煙葉當(dāng)量球型顆粒在風(fēng)分流場中的速度與壓力云圖。

3.1 速度場分析結(jié)果

圖7能夠反映3種類型煙葉的當(dāng)量球型顆粒在流場中速度變化趨勢和分布情況。

圖7 3種類型煙葉速度云圖

由圖7（a）可以看出：煙葉速度從4.24 m／s變化到17 m／s，最大速度17 m／s出現(xiàn)在靠近出口位置。這是由于純煙葉的質(zhì)量最小，當(dāng)量球型顆粒dp最小，在浮力和風(fēng)力的作用下從葉片出風(fēng)口流出。

由圖7（b）可以看出：葉含梗速度的變化呈先增大后減小再增大的趨勢落在二次拋料輥上，變化范圍由2.45 m／s到3.43 m／s。這是由于葉含梗煙葉在重疊空間和重力的影響下落在二次拋料輥，使得速度開始變大。在二次拋料輥的拋散作用下，葉含梗煙葉大量風(fēng)分至葉片出口，剩余部分的葉含梗煙葉主要因重力的因素落在網(wǎng)帶上，由網(wǎng)帶傳動至物料出口。

由圖7（c）可以看出：包絡(luò)在煙葉內(nèi)的光梗分散于整個流場區(qū)域這時速度變化不大且趨于穩(wěn)定，在二次拋料輥的作用下，此時速度開始從1.97 m／s變化到3.15 m／s，這是由于光梗在氣體的帶動下呈向上運動趨勢，與物料入口處的煙葉發(fā)生碰撞、摩擦等，此時在二次拋料輥周圍出現(xiàn)了較為明顯的渦旋。

由圖7（d）可以看出：3種煙葉進入風(fēng)分室內(nèi)趨于穩(wěn)定，3種速度變化趨勢同圖7（a）、（b）、（c），最大速度為煙葉在葉片出口處的16.8 m／s，因為煙葉質(zhì)量最小，當(dāng)量球星顆粒最小，出風(fēng)口壓力最小，流速最大。最小速度出現(xiàn)在中箱體流場區(qū)域，因為此時3種類型煙葉在此處開始大量發(fā)散，在重力與風(fēng)力的雙重影響下，形成大渦漩，所以速度最低。

由圖7得出結(jié)論：3種類型煙葉在進入風(fēng)分室流場區(qū)域后，經(jīng)過一段時間穩(wěn)定后，3種類型煙葉速度均發(fā)生變化，速度變化大小由大變小依次為：純煙葉、葉含梗煙葉、光梗；速度最大處發(fā)生在葉片出口處，在流場的作用下，葉片出風(fēng)口處壓力最大；在3種類型煙葉運動到二次拋料輥上后，此處的煙葉形成明顯的渦旋情況，不同于渦旋產(chǎn)生帶來的不良因素，其渦旋對3種類型煙葉減少重疊空間起到有利作用，使其速度呈變大趨勢。

3.2 壓力場結(jié)果分析

圖8能夠反映3種類型煙葉的當(dāng)量球型顆粒在流場中速度變化趨勢和分布情況。

圖8 3種類型煙葉壓力云圖

由圖8（a）可以看出：純煙葉進入風(fēng)分室流場區(qū)域后，壓力變化逐漸增加，在靠近葉片出口處，出現(xiàn)壓力劇降，此時最小壓力為－19 Pa，這是基于空氣動力學(xué)理論，當(dāng)風(fēng)速增大，葉片出口處形成的空氣負(fù)壓隨之增大，從而迫使此處煙葉的壓力變小。

由圖8（b）可以看出：當(dāng)風(fēng)分室內(nèi)氣流場穩(wěn)定后，葉含梗煙葉集中在中箱體流體區(qū)域，在風(fēng)分室上箱體右部位置，壓力減小并伴隨壓力梯度現(xiàn)象，壓力梯度為200 Pa。

由圖8（c）可以看出：在光梗進入風(fēng)分室趨于穩(wěn)定后，在x方向，壓力變化為先增大，當(dāng)?shù)蕉螔伭襄K周圍時減小100 Pa，整個光梗受到的壓力變化最復(fù)雜的位置處于上箱體流場區(qū)域，受純煙葉重疊空間的影響，部分光梗被帶到上箱體，此處純煙葉運動速度較大，壓力較小，減少了和光梗的重疊空間，此時光梗開始受重力影響呈下降趨勢，壓力變化為先減小后增大。

由圖8（b）可以看出：在3種類型煙葉進入風(fēng)分室流場區(qū)域后，在上箱體靠近葉片出口處，壓力最小形成負(fù)壓，范圍為－19 Pa到0，此處基于流體動力學(xué)，風(fēng)速最大，與流速數(shù)值模擬相吻合，有利于純煙葉的風(fēng)分；中部位置處壓力變化大從而出現(xiàn)壓力梯度現(xiàn)象，壓力變化范圍為100～300 Pa，這是由于中箱體二次拋料錕周圍，壓力小，中箱體中部位置處壓力減小，流速降低；在下箱體靠近物料出口處形成負(fù)壓，此時負(fù)壓變化較大，最小為－19 Pa。這是由于光梗和葉含梗煙葉質(zhì)量較大，當(dāng)量直徑顆粒大，最終由網(wǎng)帶將葉含梗和光梗煙葉送至物料出口。

4 結(jié)論

本文基于氣固兩相流仿真模擬技術(shù)，采用圖像識別技術(shù)，通過實驗確定了純煙葉、葉含梗、光梗3種類型煙葉的當(dāng)量球型顆粒直徑，仿真分析了氣固兩相流速度場和壓力場，實現(xiàn)了煙葉風(fēng)分?jǐn)?shù)值模擬過程的可視化，并為后續(xù)工作提供了理論基礎(chǔ)。

仿真結(jié)果顯示：3種類型煙葉都在風(fēng)分流場中出現(xiàn)分層現(xiàn)象，在風(fēng)分機上、中箱體出現(xiàn)大量的渦旋，速度變化梯度范圍較大，在葉片出口和物料出口處產(chǎn)生了負(fù)壓；3種類型煙葉速度均發(fā)生變化，速度變化大小由大變小依次為：純煙葉，葉含梗煙葉，光梗；純煙葉與部分葉含梗風(fēng)分至風(fēng)分出口，光梗落入網(wǎng)袋。該研究對3種煙葉對實際生產(chǎn)中的風(fēng)分工藝提供了理論依據(jù)，同時結(jié)合仿真研究，能對生產(chǎn)企業(yè)提高煙葉利用率起到實際的指導(dǎo)作用，從而代替高昂的人工成本和實驗成本。