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烟叶烘烤干筋期密集烤房热湿环境数值分析

范文

刘兆宇　罗会龙　陈颐　邹聪明

摘要：以标准密集烤房为对象，建立计算流体力学（CFD）模型，运用大型模拟软件（Fluent），对烘烤干筋期密集烤房内部的温度场、湿度场及气流组织进行了系统的数值模拟。基于数值模拟结果，分析了密集烘烤典型送风参数下温度场、湿度场、气流组织分布的规律及进风口风速与烟叶间隙风速的关系。综合考虑风机能耗、叶间风速，进风口风速宜选取2.2～3m/s。

关键词：烟叶;干筋期;数值模拟;温度场;风速场;湿度场;密集烤房

中图分类号：TS43文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2021）01-0160-06

作者简介：刘兆宇（1996—），男，湖南邵东人，硕士研究生，主要从事热泵烘烤及建筑节能相关研究。E-mail：zhaoyuliu123@163.com。

通信作者：罗会龙，博士，教授，主要从事热泵烘烤及建筑节能相关研究。E-mail：huilongkm@126.com。

进入21世纪后，随着我国烤烟规模化生产的发展，密集烤房在我国已成为烟叶烘烤设备主要的发展方向[1-2]。烤烟烘烤干筋期是烟叶主脉水分变化的主要阶段，同时也是烟叶香气物质含量和组分变化的关键阶段[3-6]。在烘烤干筋期，密集烤房内合理的温度、湿度可以有效提高烟叶烤后的外观质量，进而提高烟叶烘烤品质[7]，同时干筋期不同的叶间风速对烤后烟叶的香气品质有直接影响[8-9]。因此，研究烤烟干筋期密集烤房内温度、湿度分布及气流组织分布有着重要意义。

近年来，随着计算流体力学（CFD）的发展，其商业软件Fluent已广泛应用于流体和热量传递的数值模拟研究中[10-11]。高维洁等利用Fluent软件对列管式换热器性能校核的方法进行了研究[12]。赵海霞等利用Fluent软件对雾化器雾滴粒径进行了数值模拟[13]。方文康等利用Fluent软件研究了多温区保温包装箱不同条件对保温箱内部温度场及保温效果的影响[14]。随着计算流体力学在农业领域的发展，Fluent软件在农业工程中的应用也日益增多。徐阳等利用Fluent软件对水草收割台进行了结构优化[15]。王娟等利用Fluent对饲草料揉碎机的三维流场进行了数值模拟[16]。段二亚利用Fluent对粮食干燥过程进行了数值模拟研究[17]。

对于烟叶密集烘烤，通过试验来研究烤房内部热湿环境不仅浪费人力、物力，还大大地增加了生产成本，因此运用Fluent软件进行数值模拟研究有着广阔的应用前景，可以较为精确地分析密集烤房内部温度场、湿度场及气流组织分布规律，为最佳的烘烤工艺提供理论依据。在此背景下，本研究运用大型模拟软件Fluent，對烘烤干筋期密集烤房内部的温度场、湿度场及气流组织进行了系统的数值模拟分析。

1材料与方法

1.1基本假设

（1）烤房内的空气为不可压缩的理想气体;（2）烤房的结构密封性良好，没有漏风现象产生;（3）将烤房内的烟叶视为连续的多孔介质，流体在烟叶区域定义为层流运动，忽略湍流运动的影响;（4）忽略烟叶骨架间的导热和叶间的辐射传热作用，换热过程中仅涉及对流换热。

1.2装烟室物理模型

根据国家烟草总局Q/GDYY019—2011《密集式烤房建设技术规范》建立模型，其尺寸为8200mm×2700mm×3500mm，装烟室可装3层烟叶，进风口尺寸为2700mm×400mm，出风口尺寸为1400mm×400mm，装烟室结构图如图1所示。

1.3数学模型

任何流体的流动都遵守质量守恒定律与动量守恒定律，由于装烟室内的热空气流不断与烟叶中的水分发生热质交换，密集烤房内的热湿传递及气流组织的数学模型如下[18-20]：

1.4模型建立及参数设置

1.4.1网格划分网格划分见图2。根据装烟室原型，以出风口底边中点为原点建立坐标轴，采用3D建模软件SolidWorks建立烤房装烟室模型，使用Fluent前处理软件ICEM进行网格划分，为了加快运算速度，使残差更容易收敛，选用结构化网格，网格数为162360，网格质量为1，满足模拟精度要求。

1.4.2边界条件进风口设置为“velocity-inlet”，水蒸气组分为0;出风口设置为“pressure-outlet”，设置工作环境大气压为1个标准大气压，出风口压力为0;装烟室壁面设置为“wall”，壁面条件设置为绝热。

1.4.3Fluent参数的设置将网格模型导入Fluent中，Fluent会对网格文件进行初始化检查，最小体积为1.228069×10-4m3，没有出现负体积。根据烤房装烟室模型，湍流模型选用K-epsilon（2eqn）方程，离散控制方程选用SIMPLE算法，设置绝对速度来计算空气的流速。

2结果与讨论

2.1装烟室气流场分布及分析

在目前典型的送风条件下（送风温度T进=340K，进风口风速v进=3m/s，相对湿度=0），截取y=0m截面的速度分布云图。由图3-a可知，在装烟室顶部和底部有明显的速度梯度变化，热气流以3m/s的初速度进入装烟室后，迅速充满装烟室顶部区域，呈现出由装烟室前部到后部递减的锥形速度梯度，热气流到达装烟室后部时，速度减至0.85m/s左右，而在装烟室底部呈现出由装烟室后部到前部递增的锥形速度梯度，当热气流到达出风口附近时，气流速度最大，为7.08m/s左右。在烟叶堆积区域，气流速度最小，同时叶间风速分布均匀，气流速度为0.28m/s，但在上、中层烟叶和中、下层烟叶层间水平方向上出现了明显的速度变化，上、中层间速度变化在0.28～0.56m/s，中、下层间速度变化为0.28～0.85m/s。为了更加直观地观察烟叶堆积区域的气流组织分布，设置如图3-b所示的速度矢量图，矢量箭头的大小表示气流组织的强弱。在烟叶堆积区域，气流组织整体分布较为均匀，气流朝着出风口方向运动，但装烟室前部的气流组织强度要明显大于装烟室后部，并且靠近大门底部的区域气流组织十分微弱。

本研究分析认为热空气进入装烟室后，由于上层烟叶的阻碍作用，气流在装烟室顶部水平流动，随着热气流动能损失，流速逐渐减小，所以顶部呈现递减的锥形速度梯度。热空气进入烟叶堆积区域后进行层流运动，同时受到烟叶的黏性阻力和惯性阻力作用，所以烟叶堆积区域风速较均匀。在进出口的压差作用下，出风口处出现递增的锥形速度梯度，并且速度变化较大。

2.2装烟室温度场分布及分析

在目前典型的送风条件下（送风温度T进=340K，进风口风速v进=3m/s，相对湿度=0），截取Y=0m截面的温度分布云图，由图4可知，装烟室顶部和上层烟叶区域温度分布均匀，温度为339.96～340.00K，中层烟叶区域至下层烟叶区域温度梯度变化较大，且温度向装烟室底部递减，装烟室底部温度较低，最低温度出现在装烟室大门底部区域，温度为339.30～339.40K。

为了更直观地看出水平方向不同位置上的温度分布情况，本研究截取z=0.8m、z=1.6m、z=2.4m3[CM（15]个截面上的温度分布云图。由图5-a可知，在上层烟叶区域，水平方向上整体温度分布较为均匀，但在前部出现了轻微的温度分层，该部分温度为339.93K左右，水平方向上最大温差为0.03K。由图5-b可知，在中层烟叶区域，前部小范围区域出现了温度分层现象，在中后部位置更加明显，水平方向上最大温差为0.1K左右。由图5-c可知，在下层烟叶区域，水平方向上的温度分布不均匀，且出现明显的分层现象，且温度由前部向后部递减，最高温度出现在最前端中间位置，温度为339.80K左右，最低温度出现在最前端左右2个角落处，最低温度为339.30K左右，水平方向上最大温差为0.50K左右。

为了研究在不同位置垂直方向上的温度分布，截取x=2.0m、x=4.0m、x=6.0m这3个截面的温度分布云图。由图6可知，在装烟室内不同的位置，上层烟叶区域的垂直温度分布较为均匀，基本没有温度变化，温度为339.96K左右。但在中层和下层烟叶区域，随着位置的改变，在垂直方向上的温度梯度有较为明显的差异。由图6-a可知，装烟室前部（靠近出风口一侧）垂直方向上的温度梯度较均匀，温度由上到下均匀递减，底部温度为339.40K左右，最大温差为0.56K左右。由图6-b可知，装烟室中部垂直方向上的温度梯度在中层烟叶区域较为均匀，但在中、下层烟叶交界区域温度梯度与装烟室前部相比变化较大，并且底部低温区域占比与装烟室前部相比有所增加，底部最低温度为339.38K左右，垂直方向上最大溫差为0.58K左右。由图6-c可知，装烟室后部垂直方向上的温度梯度变化最大，并且底部的低温区域占比较装烟室前部和中部出现明显增大，约占垂直平面的1/5左右，最低温度为339.35K左右，垂直方向上最大温差为0.61K左右。

本研究分析认为，烘烤过程中在循环风机的作用下，热空气流过烟叶区域，将热量传递给烟叶，并带走烟叶干燥过程中蒸发出的水分，使得烟叶区域的热湿空气被新的热湿空气替代;同时由于气流组织分布不均匀，导致装烟室内水平方向和垂直方向出现温度梯度，装烟室前部的气流组织明显大于装烟室后部;因此装烟室前部区域内的热湿空气能够迅速被气流组织带走，使得该区域温度分布更加均匀，由于装烟室后部气流组织十分微弱，滞留的热空气不能及时被新的热空气所替代，温度逐渐降低，因此出现较大范围的低温区域。

2.3装烟室湿度场分布及分析

在目前典型的送风条件（送风温度T进=340K，进风口风速v进=3m/s，相对湿度=0）下，截取x=2.0m、x=6.0m、y=0m、z=1.6m4个代表性的截面组成水蒸气分布图（图7）。由图7可知，在装烟室顶部及上层烟叶区域水蒸气含量极小，水蒸气质量分数为0～0.0003，但在进风口下部

[FK（W36*3][TPLZY6.TIF][FK）]

区域含有少量水蒸气，水蒸气质量分数为0.0014左右。在中层烟叶区域，装烟室前部水蒸气含量略低于后部，但整体分布较为均匀，水蒸气质量分数为0.0011左右。在下层烟叶区域，水蒸气分布相对最不均匀，装烟室前部水蒸气质量分数为0.0014左右，装烟室后部水蒸气质量分数为0.0027左右。在装烟室底部区域水蒸气含量最高，并且由装烟室出风口至大门方向逐渐增大，在大门底部区域水蒸气含量最大，水蒸气质量分数为0.0038左右。

本研究分析认为，装烟室前部的气流组织较强，因此热空气与烟叶热交换后蒸发出的水蒸气被气流组织迅速带走，因此装烟室前部的水蒸气含量少于后部。烟叶堆积区域蒸发的水蒸气跟随气流组织运动，上层烟叶蒸发的水蒸气跟随气流向下层运动，所以下层水蒸气含量要高于上层，同时由于装烟室前部到后部的气流组织逐渐减弱，一部分水蒸气受惯性作用影响滞留在装烟室底部，在压差作用下，底部出现递增的速度梯度，靠近出风口一侧的滞留水蒸气随着气流组织向出风口运动，因此底部区域水蒸气含量较高，并且该区域占比由出风口一侧向装烟室后部逐渐增大。

3进风口风速与烟叶间隙风速的关系

3.1进风口风速对进出口压差的影响

装烟室进风口与出风口形成的压差是装烟室内气流组织流动的动力来源，为了研究两者的联系，在Fluent软件中改变入口速度和相对应的边界条件参数进行模拟。由图8可知，随着进风口风速的增加，压差呈指数上升趋势。当进风口风速v≤3m/s时，随着进口风速的增加，压差缓慢上升，随着压差增大，装烟室内气流组织增强，能有效提高装烟室内的温度、湿度分布的均匀度。当进风口风速v>3m/s时，随着进风口风速增加，压差急剧上升，虽然气流组织明显增强，但风机能耗也将随之上升。

3.2进风口风速对烟叶间隙风速的影响

烟叶间隙的气流流速决定了水分从烟叶内部散失的速度，流速过大会增加相同时间内的能源消

耗，使烤后烟叶香气淡，辛辣味重，刺激性大[6];而流速过慢则会影响烟叶的干燥速度，降低烘烤效率。采用“3.1”节中相同的方式进行数值模拟。由图9可知，随着进风口风速的增加，叶间风速线性增加，并且叶间风速变化幅度较小。宫长荣等指出，烟叶烘烤干筋期叶间风速以0.2～0.3m/s为宜[21]，根据模拟结果，其对应的进风口风速为2.2～3.2m/s，综合考虑风机能耗，进风口风速宜在2.2～3m/s之间选取。

4结论

基于干筋期密集烤房内的热湿传递及气流组织数学模型，采用Fluent软件对密集烤房装烟室内温度场、速度场、湿度场进行系统分析，模拟结果表明：

（1）在装烟室内温度场、速度场和湿度场三者在同一个位置的分布是相互关联的。

（2）进风口风速与烟叶间隙风速呈线性关系，并且烟叶风速变化受进风口风速影响较小。

（3）综合考虑风机能耗和叶间风速，进风口风速宜在2.2～3m/s之间选取。

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