基于Fluent 仿真的烟叶流体运动轨迹数值模拟

2021-10-04赵丰袁锐波黎西

农业装备与车辆工程 2021年9期

赵丰，袁锐波，黎西

（650504 云南省昆明市昆明理工大学机电工程学院）

0 引言

烟叶风分作为打叶复烤中最重要的工序之一，对后续工序和卷烟感官品质都有重要影响[1-2]。烟叶风分器是实现烟叶风分的最主要的设备，其工作原理是经打叶后的烟叶[3]（含纯叶片、叶梗和梗）经一次抛料辊后，以一定速度被抛进风分室，由于物料自身质量的不同以及在均匀上升的气流场中悬浮速度的差异，在恒定的风速下将打叶后的烟叶进行叶梗分离，把合格的叶片与叶梗分离开来，使叶片与叶梗均达到相应的质量标准[4-5]。

目前国内外对烟叶风分过程的研究较少，特别是烟叶风分过程的可视化模拟，并且在实际的烟叶风分过程中也多是凭经验判断，这种方式缺乏科学性且明显限制了烟叶风分效率的提高，也不能满足精细化生产的要求，因此在风分过程的“灰箱”基础之上继续探索“白箱”模型是有必要的[6-7]。本文是在多流场（风场、重力场及烟叶流体等）作用下对烟叶风分过程的研究，通过在烟叶风分生产线采集到的数据，优选出叶含梗量最少的工况，利用离散元法对风分过程进行模拟仿真，具体分析烟叶在风分过程中的运动情况，提高仿真的精度及可靠性，满足精细化生产的要求[8]。

1 理论建模

经定量称重后（如图1 所示），将打叶后的烟叶大致分为3 种：（1）不含梗或含梗较少的叶片；（2）叶梗或含梗多的烟片；（3）纯梗。风分时，打叶后的烟叶在抛料辊的作用下被抛入风分风场中，通过空气动力学原理将两种类型烟叶按适当结构和比例分离，然后往复进行如上过程，直至物料中含梗率等指标符合相应质量要求。在风分室中，每一个烟叶片都受到其自身重力和气流对它向上的浮力，质量小的烟叶在流场的作用下上浮，质量大的叶梗则在重力的作用下下降。为便于从理论上研究，考虑到烟叶形状的复杂性，我们设定烟叶类型为DPM 模型的球形颗粒[9]。烟叶在风分器风分过程中受到3 个作用力，烟叶自身重力G、浮力Ff和曳力。

图1 烟叶定量称重Fig.1 Quantitative weighing of tobacco leaves

（1）重力

重力是指烟叶在风分室内的运动中受到的引力。

式中：ρy——烟叶颗粒密度，kg/m3；V——烟叶球形颗粒的DPM 体积，m3；R——烟叶球形颗粒的DPM 半径，mm；my——烟叶颗粒实际质量，kg；g——重力加速度，9.81 m/s2；

（2）曳力

曳力是指流体与固体颗粒之间有相对运动，此时会发生动量传递。颗粒表面对流体有阻力，流体则对颗粒表面有曳力。由于风分室内风力的存在，烟叶可看作固体颗粒，大量烟叶颗粒在风分室内的运动又组成了流体的运动。考虑到烟叶颗粒在流场中所做的运动主要在水平和垂直方向，因此烟叶颗粒在流场中的曳力Fy表示公式为

式中：Cd——曳力系数；Ap——球体垂直于气流作用力最大横截面积，m2；ρ——常温常压下的空气密度，kg/m3；uf——气相速度，m/s；up——气流场中的烟叶颗粒产生的速度，m/s；

（3）浮力

浮力是指气体中的烟叶颗粒，受到气体向上托起的力。

再由牛顿第二运动定律∑F=mya，建立烟叶颗粒在风分流场中的运动数学模型如下：

将式（1）—式（4）化简为

由上述分析可以得到，烟叶在风分室内运动时的动态特性主要与烟叶垂直于气流作用力最大横截面积、烟叶颗粒半径及密度、曳力系数等因素有关。

2 试验结果

本次试验数据采集的某烟厂打叶复烤生产线（如图2 所示）的现场数据。本次试验根据烟叶风分生产实际的工艺参数设定的工况框栏开口分别为2.8、3.0、3.2、3.4、3.6，打辊转速分别为47 r/s、48 r/s、49 r/s、50 r/s 进行试验。试验过程为先对风分烟叶进行称重，记录每组试验烟叶的总重量（如图1 所示），然后调整风分器工况参数，使风分器开始工作，待风分器工作稳定后，保持设定的框栏开口不变，打辊转速根据预先设定的参数依次改变，此时记录风分过程中风分出来的叶重、梗重、叶梗。在风分过程中，烟叶不可避免会有造碎率，且在风分生产过程中会产生一定的损耗。为保证试验得到的风分数据的精度及可靠性，实验分3 次进行，分别记录3 组数据，最终得到各工况下最优的出片率试验数据。如表1 所示。

图2 烟叶风分装置Fig.2 Tobacco air separation device

风分出总量一定的情况下，考虑到风分器出梗的量变化不大（出梗率较稳定），当风分出叶含梗的量最少时，即此时风分出的纯叶片的含量也最大，忽略每次采集的总重量不同及在风分过程中造碎率的影响，现将表1 中的不同工况下采集到实验的数据，优选出叶含梗量最少的4 组数据，如表2 所示，结合每组风分过程的工况及3种烟叶类型的占比，作为仿真中DPM 模型流量建立的基础，进行烟叶风分过程的仿真。

将表中采集到的数据进行线性处理，得到在打辊转速分别为47，48，49，50 r/s 的工况下随着框栏开口的增大（2.8，3.0，3.2，3.4），风分后所得叶含梗的比重变化曲线图（见图3），发现叶含梗最少时，烟叶出片率越好。如图3 所示，横坐标为框栏开口，纵坐标为风分出的叶含梗所占比重，4 种不同的曲线表示在风分过程中随着预先设定的4 种打辊转速的条件下，依次改变框栏开口的大小，得到的叶含梗所占比重的值。

图3 叶含梗所占比重-框栏开口Fig.3 Proportion of leaves containing stems-frame opening

从图3 可以看出，当打辊转速为47 r/s 时，依次改变框栏开口（2.0，3.0，3.2，3.4），风分后所得叶含梗比重变化趋势是先减少后增大，且在框栏开口为3.0 处时叶含梗比重最少，约为37%，而此时所得纯烟叶片的量最多，约为51%，即此种工况下风分后所得烟叶叶片的含量较多，风分效果也较好。此时再增大框栏开口，所得烟叶叶片的量反而减少。可见，在此打辊转速下，并不是框栏开口越大越好；当打辊转速为48 r/s 时，依次改变框栏开口，风分后所得叶含梗比重变化趋势是先减少后增加再减少，且在框栏开口为3.4 时，叶含梗占比量最少，约为36%，而此时所得纯烟叶片的量最多，约为54%，即此时风分后所得烟叶叶片的含量较多，出片率效果很好。在此打辊转速条件下，适当增大框栏开口，可以有效提高烟叶的风分效率；当打辊转速为49 r/s 时，依次改变框栏开口，风分后所得叶含梗比重变化趋势逐渐减少，且在框栏开口为3.4 时，叶含梗比重最少为35%，而所得纯烟叶片的量最多，为55%，即此种工况下风分后所得烟叶叶片的含量较多，此时的风分效果很好，在此打辊转速工况下，适当增大框栏开口，对提高烟叶叶片的比重更明显；当打辊转速为50 r/s 时，依次改变框栏开口（2.0，3.0，3.2，3.4），风分后所得叶含梗的比重变化趋势先减少后增加再减少，且在框栏开口为3.0 时，所得叶含梗比重最少为36%，而纯叶片的量最多，为52%，即此种工况下风分后所得烟叶叶片的含量较多，此时的风分效果很好。此时再增加打辊转速，所得纯叶片的量反而有所减少。

3 烟叶风分仿真结果分析

通过从某烟厂烟叶风分生产线实地考察后发现，在烟叶风分实际生产中对于风分室内叶片和叶梗的运动状态无法观察，为了模拟出烟叶在风分室内部的运动状态，本文通过优选得到4 组最佳出片率的工况，利用离散元法对这一过程进行模拟分析，使我们可以更直观地得到烟叶和烟梗在风分过程中的运动轨迹。首先建立烟叶分风机的三维模型，选择三维画图软件SolidWorks2016；然后将烟叶分风机的三维模型导出，保存为.x_t 格式，将分风机的三维模型导入Workbench 19.0 中，对烟叶分风机进行网格划分；随后在Fluent 中进行烟叶风分过程的仿真模拟。

由于烟叶颗粒是离散型的，因此选择离散相模型。在烟叶风分过程中考虑到湍流模型的影响，这里选择realizable k-ε 湍流模型（如图4 所示），壁面条件设置为Moving wall，坐标系为旋转坐标系,其它部位设置为绝对坐标系，气相材料设置为空气，且为常温、常压。物料进口和网带均设置为速度入口，烟叶颗粒进料口速度设置为1.2 m/s，进风口的风速设为11 m/s，二次抛料辊转速为30 r/s。添加烟叶的DPM 离散相模型，设置沿Y 方向初速度为1.2 m/s。射流源设置为surface，烟叶类型选择惯性颗间粒inert，烟叶材料属性设定为中等密度值，然后再对离散相的边界条件进行设置。入风口设置为escape，进料口和壁面设置为reflect，两个出料口设置为trap。设置完成后可得到烟叶颗粒风分过程仿真的速度和轨迹云图。

图4 边界条件设置Fig.4 Boundary condition setting

如图5 所示，烟叶颗粒以一定初速度（一次抛料）进入风分室流场区域，在流场中的速度开始变化，此时烟叶颗粒在进料口、二次抛料辊和烟叶出口处速度较大，速度最大为1.40 m/s。在风分流场中部区域，由于此时烟叶颗粒已经大量分散，并且在进风口风力及二次抛料的影响下，易形成涡流，此时烟叶颗粒处于涡流中间，导致烟叶颗粒速度较小，但也对大量烟叶颗粒在流场内形成的重叠空间的减少有很好的作用。其中，纯烟叶叶片和含梗叶片速度变化较明显，叶片颗粒在出料口的速度最大。在整个速度流场内，4种工况下的烟叶颗粒速度也略有差异，这说明不同工况对颗粒的运动产生了影响。

图5 4 种工况下颗粒在流场中的速度图Fig.5 Velocity diagram of particles in flow field under four working conditions

如图6 所示，4 种工况下纯烟叶颗粒以一定速度进入风分室内，受风分室内各流场因素的影响，其开始向风分器出料口的方向运动，而梗和带梗的烟叶由于自身重力的影响发生沉降，由于大量烟叶颗粒流体在风分室内受到风及重力场的影响易形成重叠空间，而部分纯烟叶由于受到风分室内重叠空间的影响会发生沉降，因此会由进料口降落到二次抛料辊，经过二次抛料辊对烟叶颗粒的抛洒，纯烟叶颗粒及部分带梗的烟叶（带有极少量梗的叶片）在风力的作用下向出料口运动并被风分出去，剩下的梗及带梗的烟叶沉降到传送带，被带出风分室并进行下一工序。

对比图6 可以发现，图6（a）中风分出的烟叶颗粒大多是由一次抛料风分出来的，且烟叶颗粒大部分分散在风分室中部；图6（b）和图6（c）中风分出的烟叶颗粒是由一次抛料和二次抛料风分出来的，且烟叶颗粒在风分室内的分散效果较好；图6（d）中风分出的烟叶颗粒是由一次抛料和二次抛料风分出来的，而且烟叶颗粒在风分室内的停留时间较长，最长停留时间为6.3 s。在整个风分流场内，4 种工况下的烟叶颗粒运动轨迹也略有差异，这说明不同工况对颗粒在流场内停留的时间产生了影响。