茶叶滚筒式摇青机结构优化设计及内部流场数值模拟研究

杨 君，阮承治*，黄毅彪，张见明

（1.武夷学院机电工程学院，福建武夷山 354300；2.农机智能控制与制造技术福建省高校重点实验室，福建武夷山 354300；3.武夷学院茶与食品学院/中国乌龙茶产业协同创新中心，福建武夷山 354300）

【研究意义】武夷岩茶产于福建北部的武夷山，属于乌龙茶，是具有岩韵品质特征的中国十大名茶之一，做茶工艺包括摇青、杀青、揉青成型、烘干、烘焙等工艺。其中，摇青是武夷岩茶制作最关键工艺，也是武夷岩茶形成乌龙茶香高、味醇的特有加工工序[1]。目前，摇青工艺采用传统摇青机作业，工作过程中茶青鲜叶随滚筒转动，茶叶与茶叶、茶叶与摇青滚筒内壁发生相互碰撞摩擦，在摇青机械力内外效应下，促使青叶梗中的水分迁移、蒸发，组织结构适度损伤、变形，酶促氧化作用下实现茶叶摇青发酵、茶叶滋味物质及香气物质形成转化[2−4]。茶叶摇青过程中，茶青需要人工不时去翻动，耗时耗力。【前人研究进展】近年来，研究学者对茶叶摇青机理及茶机械结构进行了广泛研究。金心怡等[5]对乌龙茶摇青机理，摇青不同机械运动力及机械摩擦力对茶青鲜叶理化变化做了大量研究试验。周子维等[6]研究摇青机械力对乌龙茶脂肪族类代谢物的转变及香气形成影响，并进行摇青叶乌龙茶花果香成分测定分析。黄毅彪等[7]对乌龙茶振动摇青机理进行研究，分析振动摇青工艺对乌龙茶摇青叶温、细胞破损率等影响，以及摇青毛茶的生化成分影响。虞文俊等[8]基于Fluent−EDEM耦合杀青滚筒内流场数值模拟，研究得出红外辐射杀青比电加热杀青茶叶升温快、杀青效果好。杜风娇[9]通过茶叶烘干箱流场进行数值模拟，对烘干箱进气口优化，改善烘干箱流场均匀性。【本研究切入点】研究学者对茶叶的杀青、揉青成型、烘干、烘焙等相关机械结构设计优化有些研究，但针对茶叶摇青机结构优化设计及流场分析研究鲜见。现有摇青机结构不合理，温度和风力不均匀，摇青过程中茶青需要人工不时去翻动，劳动强度大，工作效率低，茶叶质量难以保证。【拟解决的关键问题】本文针对以上问题，拟研究摇青机的结构优化设计，并对摇青筒CFD数值模拟，以求找到改善摇青筒内流场均匀性的方法，并通过茶叶摇青试验，验证对比结构优化设计后的新机型与原机型对武夷岩茶摇青品质影响。

1 滚筒式摇青机结构优化设计

1.1 滚筒式摇青机整体结构与工作原理

滚筒式摇青机整体结构设计如图1所示，整机由福建武夷山市鑫田机械有限公司制造。摇青机滚筒总长3.0 m，直径1.1 m，摇青室容积大约10.36 m3。机械结构主要由底架、风机、风管、电加热、传动装置、摇青滚筒等组成。电热丝加热装置放置在离心风机进风入口处，加热后热风由风管输送至摇青滚筒内部，摇青筒内依茶叶品种、等级不同装入相应鲜叶量，以刚好盖过笼体轴心为宜，在电机带动下，摇青筒体旋转，滚筒内的鲜叶茶青随滚筒一起转动，茶叶与茶叶、茶叶与摇青滚筒内壁发生相互接触和碰撞，适宜温度下实现茶叶摇青发酵。

图1 摇青机整体结构Fig.1 The overall structure of the stirring machine

1.2 摇青机结构优化

传统摇青机热风在离心风机作用下从风管前端吹送至风管末端，风管末端由于设置挡板、并与摇青筒右侧壁镶接，气流堵塞导致热风反弹吹回，造成风管末端一侧摇青温度高、风力强度大，摇青筒不同部位风力强度及温度不均衡，滚筒式摇青机热风走向图见图2。温度和风力不均匀影响茶叶摇青发酵，风管末端一侧温度高，摇青所需时间缩短，茶叶摇青发酵更快、引发茶叶红变和发酵过重，同批次的鲜叶摇青品质差异大。

图2 滚筒式摇青机热风走向Fig.2 Hot air trend diagram of roller stirring machine

图3 摇青筒风管结构Fig.3 The different structures of air duct in the cylindrical tank

本研究对滚筒式摇青机进行优化设计，并对风管结构做了3种优化设计方案：（1）风管模型A，在风管内部增设环形挡风圈导流板，增加流阻，将进入摇青筒内的热风在导流板作用下引导气流进入到圆筒内部中间区域、改善摇青筒气流均匀性；（2）风管模型B，改变送风管圆柱侧面孔径的大小，让风管入摇青筒内部的风孔口加大；（3）风管模型C，改变风管圆柱侧面孔的密度，让风管入摇青筒内部的风孔密度加大；（4）传统摇青机风管。风管结构见图3（a）、（b）、（c）、（d）。

通过对上述3种风管优化结构进行摇青筒流场数值模拟，分析风管机械结构和几何参数对摇青筒温度场均匀性的影响。

2 滚筒式摇青机CFD数值模拟

2.1 CFD建模与边界条件

通过Pro/E建立摇青筒三维模型，计算几何模型如图4所示，由送风管、摇青筒模型、进出口组成。为使进口的空气流动充分均匀，结合实际摇青筒进风口处接离心风机的出风口，将摇青筒的进口处延长一定长度的圆形管道，延长的管道段作为静止处理（不旋转），摇青筒及内部风管以一定转速绕中心轴旋转，分析加装环形导流板及不加装环形导流板送风管两种工况下摇青筒流场分布，风管优化模型B和模型C摇青筒内流场分析方法则类似。

图4 摇青筒计算几何模型Fig.4 Computational geometry model of stirring cylindrical tank

网格划分借助ANSA软件进行，首先将几何进行前处理，即修补几何面，使符合实际模型。几何面处理后，进行面网格的划分，其中孔特征采用1～2 mm，风管采用6 mm。体网格类型为trimmer网格，网格数为10 266 145个网格单元。

流体为不可压缩气体，其中空气密度为1.165 kg/m3，空气粘度为1.859×10−5Pa·s。进口采用速度入口边界条件，风管入口实测风速15 m/s，风温50 ℃（根据茶叶摇青工艺要求），出口采用压力出口边界条件，摇青筒出口绝对压力为外界环境大气压0.101 325 MPa，温度为30 ℃。风管壁面边界转速15 r/min，摇青筒壁面边界转速15 r/min，环境温度30 ℃，同时，考虑到进口热气流与通风管道进行共轭换热，即固体域与流体域之间通过interface交接作共轭换热。根据通风管道的材料属性，将管道的导热系数定为50.2 W/（m·k）。

2.2 数学模型

滚筒式摇青机的模型作以下几个假设：假定摇青茶叶物料为多孔介质；物料与热空气之间不存在组分转移；空气当成粘性为常数的不可压缩牛顿流体，且流体流动处于稳态；由于热风风速较高，摇青筒内热风流动视为湍流。对流场进行数值模拟时，摇青筒内的热风流动遵循质量守恒方程、动量守恒方程和能量方程[9−10]。

滚筒式摇青机内部空气流动表现为三维湍流，可应用两方程涡黏性k−ε模型。湍流输运方程包括能量输送方程及能量耗散方程[11−12]，模型如下：

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k方程：

ε方程：

公式Gk为气流速度变化引起的湍动能k产生项，文中摇青筒内空气流体视为不可压缩流体，C1ε、C2ε为经验常数，取C1ε=1.45，C2ε=1.92，ε为喘动耗散率、k为湍动能。

2.3 摇青筒流场数值模拟

采用计算流体力学软件STAR−CCM+对3种风管不同结构优化方案（风管优化模型A、风管优化模型B，风管优化模型C）摇青筒流场进行数值模拟。本文以原始摇青筒模型（工况1）与风管增设环形导流板摇青筒模型（工况2）为例，详细分析对比两种工况下摇青筒速度云图、压力云图等流场分布特点。其余两种风管优化模型摇青筒内流场数值模拟分析方法类似，限于篇幅不再重复列出，仅在论文第3部分对温度场云图及速度场分布云图Matlab统计，给出风管模型B、风管模型C与传统摇青机风管摇青筒流场分析对比结果。

2.3.1 中间断面速度场云图 从轴向断面速度场云图5可看出：空气流动主要特点为工况1滚筒风速在送风口一侧方向风速衰减较快，风场分布不均匀，在风管局部风速超过了12 m/s，而风速小的地方仅为1～3 m/s。在摇青筒右侧气流可吹到茶叶，而摇青筒左侧基本没气流（如图红色虚线框），筒内的气流覆盖率明显减小，造摇青筒内各处受热不均匀，难以保证筒内茶叶温度均匀一致，影响茶叶的摇青效果。工况2在风管加装导流板后，对局部加压，改变局部空气流动轨迹与速度，导流板附近产生几处涡流区，加强了气流循环流动，与茶叶产生充分热对流。摇青筒内风速分布基本均匀，仅底部存在少部分气流吹不到茶叶（气流死区），摇青筒整体风速大致在6～8 m/s范围，风管加装导流板使摇青筒内气流分布均匀、对茶叶摇青工艺有利。

图5 摇青筒轴向断面速度场分布云图Fig.5 The cloud map of the velocity distribution of the axial section in cylindrical tank

2.3.2 中间断面压力云图 摇青筒中间断面压力分布云图如图6所示，由于风管和滚筒镶接在一起，在通风管的底部气流由于堵塞，造成工况1风管末端低压区域。其中，工况2摇青筒风管加入了环形导流板，工况2相对工况1筒内的较低压区相对较小，增加导流板后，摇青滚筒内压强分布发生了变化，不再像工况1的压力分布局域界限分明，而是整个摇青筒风压改善更加均匀明显，仅在风管导流板处出现几处局部高压区，主要集中在一、二导风板之间，但主要关注点在摇青筒整体区域，气流缓慢地从风管四周小孔分散流动到摇青筒体区域，负压区较小，茶叶在摇青过程中增加了通风对流、对茶叶摇青有利。

图6 摇青筒轴向断面压力分布云图Fig.6 Pressure distribution of the axial section in cylindrical tank

2.3.4 中间断面温度云图 摇青筒中间断面温度云图如图7所示，对比两工况的整体温度分布，工况2相对工况1的摇青筒上部由于小涡流的作用下，气流温度分布相对均匀，热对流效果好，而工况1由于热气流并未产生小涡流促使流场充分流动，导致摇青筒高温区集中在整个风管中心，影响茶叶的摇青效果，相对工况1而言，工况2的整体温度分布更均匀、效果更佳，对茶叶摇青有益。

图7 摇青筒Y断面温度分布云图Fig.7 Temperature distribution of Y section in cylindrical tank

2.3.5 摇青筒径向截面温度场云图 因整个摇青筒直径1.1 m，长度3 m，为分析摇青筒直径方向的温度流场，在摇青筒轴向分别截取X=0.5 m、X=1.5 m、X=2.5 m处摇青筒径向断面温度场云图分析，从两种工况断面温度场云图8和图9可看出：结合截面的温度场云图和流场云图，从单个截面的温度云图来看，工况1无涡流产生、温度较均匀，但是结合速度场云图来看，靠近摇青筒内壁的温度主要靠滚筒中心的风管温度来获取的，并没有产生气流对流换热；而工况2在各个截面温度较为均匀，且摇青筒内气流明显产生一些小涡流，促进摇青筒气流对流换热，其中靠近顶部和中间断面的温度均匀性仍有改善空间，还可优化风管导流板的间距及导流板尺寸。因此，摇青筒风管增设环形导风板对于茶叶摇青效果更佳。

图8 工况1摇青筒径向断面温度场云图Fig.8 Model 1 temperature distribution of radial cross section in cylindrical tank

图9 工况2摇青筒径向断面温度场云图Fig.9 Model 2 temperature distribution of radial cross section section in cylindrical tank

3 结果与分析

3.1 摇青筒温度场云图、速度分布云图统计分析

采用Matlab对摇青筒温度场及速度场截面分布云图统计分析，根据云图颜色值代表不同温度和风速，分别统计出各颜色所占比例，得到风管模型A、B、C及传统摇青机风管摇青筒流场截面风速与温度区间的占比统计表（表1、2）。

从表1可以看出摇青筒风管模型方案A风速在中高速段（5.0～14.9 m/s）占比最高，为64.4%；风管模型B、C、传统摇青机风管摇青筒内中高速段占比依次为56.4%、47.1%、23.9%，摇青筒空气流动中高风速占比数据说明风管优化模型A方案中的摇青筒流场中的空气产生较多涡流区，有效促进空气流动循环，对茶叶摇青有益；而传统摇青机风管摇青筒流场统计分析数据显示低速段风速（4.9 m/s及以下）占比高达65.8%，结合摇青筒轴向断面速度分布云图分析，摇青筒内空气循环流动较差，空气不通透影响茶叶摇青品质。

表1 不同风管模型摇青筒流场截面速度区间占比Tab.1 The proportions of cross section velocity range of the flow field in stirring cylindrical tank with different air duct models

表2 不同风管优化模型摇青筒流场截面温度区间占比Tab.2 The proportions of cross section temperature range of the flow field in stirring cylindrical tank with different air duct models

从表2风管优化模型A、B、C及传统摇青机风管摇青筒流场截面温度区间占比数据分析可知，传统摇青机风管虽然摇青筒内温度在中高温段（318 K及以上）占比最高，为90.4%；风管优化模型A、B、C摇青筒内中高温段占比依次为82.5%、80.5%、79.4%，但结合摇青筒轴向断面温度分布云图分析可知，传统摇青机风管摇青筒高温区域大部分仅集中在风管内部，热空气并未渗透到摇青筒笼体内的茶叶。综合摇青筒内风速中高速及温度中高温段占比数据分析，风管优化模型A方案摇青筒流场均匀性最佳，风管模型B和C摇青筒流场次之，传统摇青机风管摇青筒流场均匀性最差。

3.2 茶叶摇青试验

为进一步论证数值模拟的准确性，在武夷山香江茶业有限公司开展了滚筒式摇青机优化样机与传统摇青机对比试验。摇青鲜叶为武夷岩茶肉桂品种茶鲜叶。滚筒式摇青机优化样机做茶试验见图10，做茶过程中温度/风速巡检仪温度传感器、风速传感器探头安置在滚筒摇青机内壁面、通风管外壁及风管中心等16个不同位置点，监测记录茶叶摇青温度及摇青筒内风速，采样数据为8组，用统计分析方法求出监测点温度和风速变异系数CVT和CVv，反映了温度、风速观测值数据离散程度，以此作为评价摇青筒内温度场和风速场均匀性指标[13]。

公式中：σ为温度和风速的标准差为温度和风速的平均值。

图10 摇青机做茶试验Fig.10 Prototype and manipulation fresh leaves experiment

从表3统计数据可知：优化样机监测点温度和风速标准差小，即监测温度、风速数据波动性小。温度变异系数、风速变异系数小，分别为0.58%、4.98%，优化后的摇青机样机比传统摇青机筒内温度和风速更均匀。

表3 摇青筒监测点温度和风速平均值与标准差Tab.3 The average value and standard deviation of the temperature and wind speed at the monitoring points of the stirring cylinder

优化后的摇青机样机与传统摇青机在摇青工艺参数（吹风时间、摇青时间、晾青时间、摇青次数）同等条件下进行做茶品质比较，摇青茶样经杀青、揉捻、烘干工艺最终形成毛茶。摇青机做出的毛茶茶样则参照茶叶感官审评方法（GB/T 23776—2009），进行茶叶外形、香气、茶汤色泽、滋味、叶底感官审评[14−15]，毛茶评审结果见表4。结果表明：优化后的摇青机样机茶叶摇青品质最好，明显优于传统摇青机，优化样机风管加装环形导流板后，热风更容易从风管导流进入摇青筒内，摇青筒内温度更均匀、空气流动更通透，保证了摇青鲜茶叶的生物活性，茶叶品质提升一个等级。

表4 摇青毛茶审评结果（同一批次样品）Tab.4 Evaluation results of semi finished tea（the same batch of samples）

4 结论

本文对滚筒式摇青机进行了优化设计，并对摇青筒风管做了3种优化设计方案。用计算流体力学软件STAR−CCM+进行摇青筒流场CFD数值模拟，并对温度场和速度场云图进行Matlab统计处理，结果表明：风管优化模型A方案最佳，风管中合理增设环形挡风圈导流板，在不大幅度提高流阻的前提下，摇青筒内能够产生小涡流、增加气流流动，摇青筒茶叶摇青温度流场均匀性得到有效改善。

通过样机摇青试验并监测记录摇青筒不同位置点的温度、风速，统计分析摇青筒温度、风速变异系数，并对茶样摇青品质感官评审，试验结果表明：优化样机摇青筒温度变异系数、风速变异系数小，摇青筒摇青温度均匀、增加气流对流有利于茶叶摇青工艺，提升茶叶品质。