基于EDEM-FLUENT耦合的ZJ17卷烟机梗签分离数值模拟与试验

刘小川　蔡培良　樊瑜瑾　李哲坤　杨剑锋

摘  要： 为减少ZJ17卷烟机组在生产烟支时的烟丝浪费，降低梗中含丝率，基于计算模型更加准确真实的EDEM-FULENT耦合仿真技术，建立更加接近实物的梗签、烟丝颗粒模型，对ZJ17卷烟机组生产时真空浮选腔的负压分离在不同负压下进行了数值模拟与仿真分析，并以曲靖卷烟厂生产的“云烟（软紫）”品牌烟丝为试验对象进行试验，结果表明：①最佳分离负压为-1.2 KPa，可使梗中含丝率由20.27%降低至1.80%，每台ZJ17卷烟机组每年可节约成品烟丝超过3000 kg;②EDEM-FLUENT耦合仿真技术针对烟草行业同样具有可行性，且较之FLUENT具有更高的准确性。

关键词： EDEM-FLUENT耦合;烟丝;梗签;ZJ17卷烟机组;真空浮选腔;负压分离;模拟

中图分类号： TS433    文献标识码： 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

在實际生产调查中发现，红云红河烟草（集团）有限责任公司曲靖卷烟厂ZJ17卷烟机组梗签分离回收装置的分离效果不甚理想，分离出的梗签中通常仍含有20%以上的烟丝，长此以往，将会造成烟丝巨大的浪费。针对机组存在的问题，林朝辉等将二次分离装置烟丝送料管道改为“S”形，提高了分离效率[1];广东中烟梅州卷烟厂通过增加第三次风分来实现梗签的充分分离[2];张皓天等通过对比圆形浮选腔与方形浮选腔，并设置二次离心风分来优化分离效率[3]。但是这些改进主要是通过改变装置内部结构来提升分离效果，因此可能会对卷烟机组的整体性能以及烟丝质量造成影响。分离负压是影响分离效率的重要因素，但在目前的生产中尚无关于负压设定的相关标准。而吴磊等通过FLUENT对圆锥管及Z型风道进行了烟丝气力输送特性的研究[4];朱德勇等基于FLUENT对不同风速下Z型风道的梗丝分离进行了模拟[5]。但是由于FLUENT算法的缺陷性，这些研究的仿真模型均是球体，与梗签、烟丝实物在流场中的受力有较大差异，且仅仅基于FLUENT的算法会忽视颗粒运动过程中的碰撞，因此这些研究的模拟分析仍不够完善。针对FLUENT的固有缺陷，心男通过EDEM-FLUENT的耦合技术对不同进气压、不同转速下的气吹式排种器进行了模拟，发现仿真结果与试验结果非常接近[6]，王建明等通过EDEM-FLUENT耦合技术对搅拌罐内多相流的混合进行了数值模拟[7]，初步证明了耦合技术的可行性。因此，可以通过EDEM-Fluent耦合仿真模拟技术，对不同分离负压条件下浮选腔内的流场以及颗粒的运动分布进行模拟分析，并进行实验验证，从而选取最优化控制参数，以达到降低烟丝消耗量的目的。目前国内尚无针对烟丝、梗签颗粒基于EDEM-FLUENT耦合技术的研究，使用此方法进行烟丝、梗签颗粒负压分离的数值模拟对梗签分离装置的设计以及烟厂的精益化生产具有重要意义。

1  分离负压范围的确定

ZJ17卷烟机组梗签分离装置结构如图1所示，其真空浮选腔是处于垂直方向得负压风道系统，而影响烟丝、梗签颗粒上升或者下降的就是腔内空气的流体速度V空气与烟丝、梗签颗粒的沉降速度V沉降。在真空浮选腔中，当V空气>V沉降时，较轻的烟丝就会上升，并从上方出口处进入烟丝送料管道;当V空气

2  模拟方法的选择

因为浮选腔中安装有侧壁挡块和下挡块，所以在烟丝、梗签进行负压分离的过程中存在大量的碰撞，其中包括烟丝、梗签颗粒对器壁的碰撞以及颗粒与颗粒之间的碰撞，而这些碰撞正是颗粒在浮选腔中无规则上下飘动的重要因素之一。但是由于FLUENT算法的局限性，其在模拟运算的过程中并没有考虑碰撞的因素，因此运算结果与实际误差较大。针对此问题，可以通过UDF程序将FLUENT与EDEM进行耦合，其优点在于：能够真实地把烟丝、梗签颗粒的各项物理属性表现出来，通过计算悬浮腔内空气流场与颗粒间作用力，模拟分析出碰撞带来的影响，并通过颗粒运动方程计算出各个颗粒得瞬态分布及运动轨迹，从而更能准确地模拟出空气和烟丝、梗签颗粒相互作用得影响[11]。EDEM-FLUENT耦合求解过程如图2所示。

3  建立仿真模型

使用Solid works对真空浮选腔建立3D模型，如图3所示。当浮选腔工作时空气充满了腔体，因此使用Fill工具建立流域，且流域模型尺寸与腔体尺寸相同。再导入Meshing划分网格，并设置相应的进压口in1、落料口in2、出压口out与壁面wall，如图4所示。

在进行仿真模拟之前，需对EDEM及FLUENT进行前处理设置。在EDEM中，选择Hertz-Mindlin无滑动碰撞模型，设置壁面为304不锈钢，重力加速度–9.81 m/s2，时间步长为3×10–6，内部网格尺寸为3 mm，划分网格118080个。304不锈钢、烟丝、梗签材料属性与相互作用系数如表1、表2所示。

在EDEM中对梗签与烟丝颗粒的建模，使用球形颗粒堆叠出较为接近实际的颗粒形状，可将仿真过程中颗粒受力的误差计算减小到最低，其算法准确性已远超fluent传统仿真中单纯的球形颗粒[12]。烟丝常呈长丝状，梗签常呈粗条状，其颗粒模型如图5、图6所示。设置颗粒工厂时，根据实际情况将in1设置为梗签、烟丝颗粒入口，入射速度均为2.8 m/s，梗签颗粒产生速率为80个/s，入射时间5 s，产生颗粒总数400个，长度在3～15 mm之间随机生成;烟丝颗粒产生速率为24个/s，入射时间5 s，产生颗粒总数120个，长度在3～25 mm之间随机生成。

在FLUENT中，选择Lagrangian耦合方式[13-14]，进口压力处于标准大气压，出口负压为变量设定，采用PISO迭代方式，并设置时间步长0.05。

4  仿真分析

4.1  不同负压对分离效果的影响

为在计算所得负压范围–0.8 KPa～–1.3 KPa中，寻得一个准确的风分负压使得生产“云烟（软紫）”品牌的ZJ17卷烟机组的生产效益达到最高，因而设定12组不同出口负压进行分离仿真，通过EDEM后处理模块对真空浮选腔上出口捕获的烟丝颗粒、逃逸的梗签颗粒与下出口捕获的梗签颗粒、逃逸的烟丝颗粒进行统计分析。为了评价分离效果，引入梗中含丝率（下方出口中烟丝质量占比）与丝中含梗率（上方出口中梗签质量占比），得到仿真结果如表3所示。当分离负压小于–0.7 KPa时，梗签颗粒全部通过下方落料口落入梗签收集料斗，随着负压逐渐增大，逃逸的梗签逐渐增多，捕获到的烟丝颗粒也逐渐增多，梗中含丝率也随着负压的增大而减小，并在–1.2 KPa时达到最低，之后逐渐增大，丝中含梗率则总体呈现增大的趋势。负压超过1500Pa后，虽然捕获的烟丝质量逐渐减少，但此时丝中含梗率过大，已超出“云烟（软紫）”的生产工艺标准。而在–0.8～–1.3 KPa范围内，–1.2 KPa时捕获的烟丝质量最大，但与–1.3KPa时相比差距不大，且丝中含梗率也仍在工艺标准范围内。但考虑到–1.3 KPa时的完全分离时间多出了5.1 s，因此选择–1.2 KPa作为对ZJ17卷烟机生产的“云烟（软紫）”品牌综合经济效益提升最大的最佳分离负压。

4.2  颗粒的运动分析

梗签、烟丝颗粒以斜45°向下的方向从in1射入真空浮选腔，在重力、浮力、气压梯度力、附加质量力等[9]的作用下在腔内上下浮动，在经过颗粒之间以及颗粒与器壁之间的相互摩擦、碰撞之后，各个颗粒的运动更为复杂。在–1.2 KPa条件下，仿真过程中各颗粒的运动情况如图7所示。在分离过程中，烟丝、梗签颗粒的运动速度不相同，其变化规律如图8所示。烟丝、梗签颗粒进入真空浮选腔后在负压的作用下作匀加速运动，在2 s左右达到最大值，随后梗签颗粒逐渐减速至5.6 m/s的速度并上下波动直至分离。烟丝颗粒则一直减速，并在8s左右的时间减为0，说明烟丝颗粒在此时已完全分离。

5  试验设计

为验证仿真结果，以红云红河烟草（集团）有限责任公司曲靖卷烟厂生产的“云烟（软紫）”品牌卷烟为实验对象，选择一台在产ZJ17卷烟机组为試验设备，在10天中每一天的相同时间段内进行一次对比试验（共计10次），并且保证每次都是同一批次的烟丝进行对比试验，在测试过程中不得更改ZJ17卷烟机任何设置。在不同负压下，在真空浮选腔下方落料口收集落料1 min，并对其中的梗签、烟丝进行统计分析，结果如表4所示。

6  数据分析

由表4可知，通过ZJ17卷烟机组生产“云烟（软紫）”品牌烟支时，在–1.2 KPa下，真空悬浮腔会浪费较少的烟丝，梗中含丝率最低，且其总体的变化趋势也是先减后增，这与仿真结果基本一致。而且较使用最佳分离负压前，梗中含丝率自20.27%降低至1.80%，若全年工作时间260天，使用最佳分离负压后每台机组全年可节约成品烟丝超过3000kg，极大地减少了烟丝消耗。

7  结论

基于EDEM-FLUENT耦合技術，建立形态更接近于实物的梗签、烟丝颗粒模型，对ZJ17卷烟机组生产的“云烟（软紫）”品牌烟丝在不同负压下进行了梗签负压分离的数值模拟与仿真分析，并进行了试验，结果表明：①最佳分离负压为–1.2 KPa，可使梗中含丝率由20.27%降低至1.80%，每台ZJ17卷烟机组每年可节约成品烟丝超过3000 kg;②EDEM-FLUENT耦合仿真技术针对烟草行业同样具有可行性，且较之FLUENT具有更高的适用性与准确性;③目前国内尚无针对烟草行业的基于EDEM-FLUENT耦合仿真研究，可对以后烟草行业的仿真模拟提供参考。

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