不同导流板位置对风分机仓内风场分布的影响

2022-10-30钱龙黄亚宇

农业装备与车辆工程 2022年6期

钱龙，黄亚宇

（650500 云南省昆明市昆明理工大学）

0 引言

风分是打叶复烤生产线中最重要的生产工序，其原理是根据烟叶和烟梗质量的不同，利用风力将其分离，得到纯净烟叶。风分机是烟草行业中最重要的生产设备，其主要功能是利用风力将烟片从打叶后混合在一起的烟片、烟梗、带梗叶的物料中分离出来，并把带梗的物料输送到后级风分机[1]。风分是打叶复烤生产中的重要环节，直接影响到实物产品得率及烟叶叶片结构，决定打叶复烤的经济效益[2]。风选法是以空气为分选介质的重选法，适应范围广，可使密度、粒度、形状、类型、性质不同的物料在运动的空气流中分离[3]，最重要的是风仓内部风场的分布情况，风场分布的均匀性对风仓内部物料的运动产生极大影响，决定最终风分效果。

近年来的相关研究中，雷振[4]等利用PLC 程序对烘前叶丝分配及控制系统进行改进，解决了之前存在的问题，并采用响应面法对生产过程的叶丝风选参数进行了优化，提高了卷烟的精细化加工；张崟[5]通过对风选设备风机频率的控制，实现了对梗签剔除率、剔除梗签中含丝量的快速调节和精准控制，提高了成品叶丝的纯净度；许雄文[6]等优化了风选参数，设计安装侧向进风调节板，使得梗丝风选后的梗丝纯净度提高到99.4%，稳定了梗丝质量。NAHAL[7]等利用气力技术对脱壳核桃进行分离，研究了进料量、气流速度对分离效果的影响，并发现核桃本身的物理性质和进料的速度对分离效果有很大的影响。

本文以进风口导流板的不同位置为主要研究对象，采用单因素水平设计，通过Fluent 软件进行模拟仿真，利用EnSight 软件对仿真结果进行后处理，进而研究不同导流板位置对风分机内部风场分布情况的影响，得出进风口导流板的最佳安装位置。

1 模型建立与仿真方法

1.1 三维模型的建立

风选技术被广泛运用于各行各业。根据风选物料和控制方式不同，风分机可分为很多种。本文研究的风分机主要由2 个进风口、进料口、2 个物料出口和风刀组成。根据实际模型构建等比例三维模型，如图1 所示。

图1 风分机三维模型Fig.1 3D model of wind sorting warehouse

1.2 工作原理

在打叶复烤生产线中，输送带将一定量的烟叶、烟梗、带梗叶的混合物料匀速输送至进料口，混合物料由进料口落入风仓内部。风由风机吹出并从两进风口进入风仓内，在一定的风力和风刀的辅助风力作用下，利用不同物料的重力不同，将烟叶和带梗叶的物料从混合物料中分离出来，从烟叶出口吹出，进入下一级打叶风分过程。而烟梗从烟梗出口掉落并收集回收利用，实现物料的风分过程。

风分机风仓内部流场的分布情况对仓内物料的运动轨迹影响较大，甚至影响最终的风分效果。仓内风场的分布越均匀，物料所受风力就越均匀，风分效果越佳，否则就会导致风分后烟叶中含梗率增加，增加生产时间和成本。

1.3 仿真方法

计算流体力学简称CFD，是用计算机和各种离散化的数值方法对流体力学问题进行数值模拟和分析，以解决各种实际问题。Fluent 软件用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动，具有强大的前后处理功能，广泛运用于航空航天、机械设计和汽车设计等各个行业[8]。单因素设计，就是从影响实验结果的众多因素中选取一个作为自变量、其他因素都加以控制的设计方法。

烟叶在风分过程中，除了受到风场方向、速度、介质密度影响外，还受烟叶自身密度、形状、姿态、平移速度和转动速度等多种因素的影响[9]。本文主要采用单因素设计方法，以进风口导流板的位置为主要研究对象，通过改变进风口导流板的位置，利用Fluent 对风分机的内部流场进行仿真分析，然后利用EnSight 对仿真结果进行后处理，实现风分机内部流场的可视化分析，进而研究导流板位置的不同对风分机内部流场的分布情况的影响。

2 仿真结果与分析

2.1 仿真参数设置

由于本文以进风口导流板的不同位置为主要研究对象，因此除了改变进风口导流板的不同偏转角度外，其余参数设置和边界条件设置都不变，如：两进风速度、风刀速度、进料口及物料出口的边界条件。

在Fluent 中，依次将不同流体域进行网格划分，设置两进风口的进风速度，烟叶出口和烟梗出口都设置为常压压力出口，并进行相应的仿真参数设置。选择标准k-ε模型。该模型仅适用于不考虑分子粘性的情况，通过湍流动能k方程（式（1））和湍流耗散率ε方程（式（2））进行求解：

式中：Gk——由平均速度梯度引起的湍动能产生；Gb——由浮力影响引起的湍动能产生；YM——可压速湍流脉动膨胀对总耗散率的影响。

2.2 风仓内部流场分析

多次调整进风口导流板的偏转角度和模拟仿真分析，利用EnSight 分别对仿真结果进行后处理分析，对比内部风场的分布情况，进而研究不同导流板位置对风分机内部风场的分布情况的影响程度，以期得到进风口导流板的最佳安装位置。本文主要选取以下3 种典型情况进行对比分析。

2.2.1 导流板原安装位置

该风分机有2 个进风口，且每个进风口处都安装有6 块导流板来改变风的作用方向，起到调节风仓内部流场分布的作用。每块导流板均按照一定偏转角度安装，原安装位置如图2 所示。

图2 导流板原安装位置Fig.2 Original installation location of guide plate

在Fluent 中完成相应的参数及边界条件设置，仿真结束后，将仿真结果导入EnSight。分别在两进风口处创建粒子轨迹，生成速度流线轨迹图，并进行速度着色处理，可以直观清晰地看到风分机内部风场的运动轨迹及其分布情况，速度流线轨迹图如图3 所示。由图3 可见，风分机内部的风场分布情况紊乱。大部分迹线都集中在风仓内部中间位置，出口处也主要集中在中间部分，两边位置风力分布较小，甚至有些地方几乎没有风经过，说明风仓内部风场分布相对不均匀，这会使物料所受风力不均匀，从而增加风分后烟叶的含梗率，降低风分效果。

图3 速度流线轨迹图Fig.3 Trajectory diagram of velocity streamline

2.2.2 导流板向左调整2°

将原进风口的每个导流板都向左偏转2°，在Fluent 中完成模拟仿真后，将仿真结果导入EnSight 进行后处理分析，分别在两进风口处进行粒子轨迹的创建和色彩渲染处理，得到速度流线轨迹图如图4 所示。由图4 可见，内部流线轨迹较紊乱，说明风仓内部风场分布情况不均匀，风力也主要集中在中间位置，出口处速度与风仓内部速度相比变化较小。风分机仓内风场分布不均匀，会对物料运动状态产生很大影响，也会使风分后烟叶的含梗率增加，导致风分效果不佳。