卷烟工艺中CFD的应用与展望

张斌，陈国杰，4，张振峰，周曦，2

（1.南华大学土木学院，湖南 衡阳 421000；2.建筑环境控制技术湖南省工程实验室，湖南 衡阳 421000；3.装配式建筑节能技术湖南省重点实验室，湖南 衡阳 421000；4.建筑环境气载污染物治理与放射性防护国家地方联合工程研究中心，湖南 衡阳 421000）

0 引言

卷烟工艺是研究将烟叶原料和卷烟材料加工为卷烟，以实现卷烟生产的“优质、低耗、高效、安全”为目标，以“先进、合理、经济、适用”为原则[1]。卷烟工艺主要包括烟叶的生产和初加工、卷烟产品设计以及卷烟加工工艺[2]。目前，我国已成为世界第一大烟草生产大国，同时也是世界最大的烟草消费市场。烟草行业是我国国家税收的重要来源，是我国一个重要的经济主体[5]。2021年，我国烟草行业实现工商税利总额为13.5万亿元实现税利总额的历史新高。

CFD（计算流体力学）由计算机科学、流体力学、数值分析等多个学科交叉组成[3]，是以Navier-Stokes方程为基础，将有限的离散点上的变量代替原来在时间和空间上连续的物理量[6]，用数值法对其离散数值进行求解，即可得到流场内不同位置的物理量的分布状况，以及物理量随时间的变化情况[7-9]。

CFD兴起于上世纪七十年代，由于其可以求解理论分析与实验难以解决的问题，近年来，CFD被广泛应用于卷烟工艺。在烟草行业，仅靠实验研究来解决实际工程问题，存在高成本和低效率的不足之处[10]，而通过CFD技术研究卷烟加工过程中烟叶运动轨迹，不仅有利于制定高效的试验方案[1]，还能提升工艺水平，优化设备构件。

总结了CFD在卷烟工艺中的研究现状，重点对打叶复烤工艺以及制丝工艺、卷接包工艺进行研究，以便为CFD应用提供参考，以及更好地解决烟草行业中复杂的工程问题。

1 CFD在打叶复烤中的应用

打叶复烤是烟叶生产和初加工中的关键工艺流程[11]，是保证卷烟产品外观、内在等质量均匀性的重要环节[12]。它是将原来卷烟厂的打叶风分工序和复烤厂的复烤工序结合起来，形成的一种新型工艺方法[13]。其主要流程为：将除杂后的烟叶经过首次烘烤后，通过打叶风分技术对烟叶进行梗叶分离，然后对分离出的纯烟叶及在打叶风分过程中产生的烟叶碎片进行复烤，控制烟叶含水率，最后将其储存包装[10]。本文主要对打叶工序和风分工序进行探讨。

1.1 打叶工序

打叶工序作为烟叶生产线中第一道原料加工处理工序[14]，打叶质量会直接影响后续的烟叶制丝和卷接包工艺质量，对整个烟叶生产过程起着至关作用[15]。起初，国内学者以实验的方式研究打叶参数对打叶质量的影响，但只能看出打叶后的效果。为了研究打叶机内部烟叶的运动状态和断裂情况，向靖锋等[16]建立打叶过程数字化模型，利用DEM软件模拟打叶机内部烟叶运动状况，得到的破碎效果与实际效果相似。王俊瑞，黄亚宇[17]基于烟叶颗粒黏结模型，应用EDEM模拟打叶过程，以去梗率为指标，分析其对打叶后烟叶片型结构的影响。

虽上述学者已对打叶过程进行研究，但忽略了一些问题，例如打叶机内部的流场对烟叶的影响，流场的均匀性和稳定性是打叶过程中的重要影响因素。为了探究打叶机内部空气运动规律，向靖锋等[18]运用Fluent对打叶机内部流场进行数值模拟，结果表明在合理范围内，改变风速对旋转流体区域的流场影响较小。文章主要考虑打叶参数对打叶机内部流场的影响，没有考虑流场对打叶效果的影响。

1.2 风分工序

风分工序是打叶复烤生产中的关键环节，风分效率直接影响打叶复烤的经济效益指标[16]。袁玉通等[19]以经典马克（MacTavish）风分仓为研究对象，对其结构、进出料方式和选料方式等进行优化，并通过CFD对仓内流场进行仿真，通过变异系数法判定流场均匀性，最后得出风分仓内流场分布对梗叶分离效率有较大影响。陆俊平等[20]运用Ansys Fluent对风分器内进行流场模拟，根据模拟结果对风分器出料装置及风分出料工艺进行优化设计，得到一种新型柔性落料器，最后通过试验检测得出新型柔性落料器对风分器内风场均匀性的改善作用明显。昆明理工大学黎西[10]以WF3601卧式风分机为原型，基于Fluent的DPM模型对风分机内烟叶风分过程进行数值模拟，分析烟叶在风分室内速度场与压力场的变化情况，并通过实验数据联合研究分析，得到不同工况对流场和风分效果的影响。上述学者通过离散元结合数值模拟实现烟叶风分的可视化，但烟叶形状不确定，且烟叶在流场中存在震荡、碰撞和摩擦等运动状况，不能准确描述烟叶的空气动力学特性。

为了更加准确地模拟出烟叶颗粒在仓内的运动情况，昆明理工大学赵丰[21]基于气固两相耦合方法，通过Fluent和EDEM进行耦合仿真，利用UDF耦合接口实现两个软件环境之间的交互作用，得到更贴近实际的风分流场和烟叶在流场中的运动状态，且用SPSS软件对不同工况参数与风分效率进行了相关性分析，得出风选风速与风分效率之间的相关性最强。昆明理工大学贾同鹏等[22]基于CFD-DEM耦合方法分析了不同进风风速下，物料在风分仓内的运动过程及受力变化规律，而风分仓内存在流场速度梯度和压力梯度，出料口处负压区域增大且仓内压力升高，增加了物料能量损耗，进而影响风分效率。目前对烟叶在风分过程中的运动状态的研究已取得初步成果，还可以多考虑烟叶在风分过程中的影响因素，如烟叶的含水率，风机频率等。

目前国内研究人员应用CFD对打叶复烤中有关烟叶打叶风分的研究已取得初步成果，根据研究成果，可以看出将CFD应用于打叶复烤工艺，能有效提升打叶效果和风分效率，从而提高烟叶质量。但对打叶机和风分机的研究和设计仍存不足，如：没有考虑打叶机内部流场对烟叶的影响；针对风分机内流场进行仿真分析，忽略了风分机内部的部分结构，网带、导风板等对流场的影响；在数值模拟中以椭圆形颗粒物代替烟叶、烟梗等，与实际烟叶存在较大差异，会影响模拟结果的准确性；对不同工况参数的设置大多凭借经验，缺乏科学的理论依据；对烟叶、烟梗在风分器内部运动状态的研究不全面。

2 CFD在制丝工艺中的应用

在卷烟生产过程中，制丝工艺是工序最繁琐的[23]。制丝工艺主要目的：（1）确保卷制烟丝质量稳定，保证原料配比均匀、香精香料施用均匀、烟丝宽度合适、水分均匀等；（2）制出的烟丝填充量多，增加烟丝韧性，节约原料；（3）尽可能减少烟丝造碎，降低材料损耗[24]。制丝工艺包括烟片处理、制梗丝、制叶丝、掺配加香[25]。主要流程：烟叶回潮、配比等；润梗、烘梗丝等[26]；烟草薄片润泽与切丝等工序；最后再将叶丝、梗丝掺配均匀，经冷却后加香加料[23]。

由于烟叶加香加料是制丝工艺中最后一道核心工序，是卷烟制品形成特色的重要保障[27]。因此在卷烟制丝过程中，国内外学者目前主要对烟叶加香加料过程进行CFD的应用。而加香加料工序主要分为两个部分：一是利用喷嘴对料液进行雾化破碎形成液滴雾化场，二是向滚筒内抛撒烟叶，使其与雾化场进行接触混合。因此，CFD应用的关键点在于加香加料工序，而加料喷嘴与加香滚筒属于工序中的关键设备。应用现状具体见表1[27-30]。

表1 CFD在加香加料工序中的应用

除了对加料喷嘴和加香滚筒的研究之外，不少学者也对烟叶回潮进行CFD仿真。赵永祥等[31]针对隧道式叶丝回潮机在生产过程中存在的排气罩吸风速度快、风量大等问题，对排气罩结构进行优化，结果表明优化结构能减少排气罩内叶丝沉积现象，提高叶丝利用率和产品质量。徐敏等[32]基于回潮筒工作原理，使用Fluent对回潮筒加水及烟丝运动进行模拟，根据模拟结果调整回潮筒内喷嘴数量及布局。

总之，不少学者已将CFD应用于卷烟制丝工艺中，取得的研究成果为工艺参数设置及设备优化提供参考。但卷烟制丝过程是一个复杂的多物理场耦合过程，还需对此进行深入研究。研究可根据如下几点进行：（1）对烟丝与香料进行流固耦合计算时，可考虑温度场的影响；（2）对制丝工艺后，研究烟丝质量变化情况；（3）对工艺参数的选择，尽可能考虑周全，细化研究过程；（4）完善试验方案等。

3 CFD在卷接包工艺中的应用

在卷烟生产中，卷接包工艺主要负责烟支成型及卷烟包装[33]，包括喂丝、烟支卷制、滤嘴接装、烟支包装等工序[25]。其工艺任务为充分发挥设备效率，按规格及质量标准，将烟丝卷制成烟支，然后接装滤嘴，最后通过包装机械将其包装成小包或条包等[34]。目前，国内学者主要对卷接包工艺中不同设备的内部流场进行研究，应用CFD模拟烟叶在设备内部的运动情况。工艺设备中就包括卷接机组、包装机、喂丝机等。

3.1 卷接机组

卷接机组主要由卷烟机和接装机组成，而梗签分离装置是其中很重要的分离回收设备[35]。为了探求不同气流速度下梗丝分离率以及颗粒在流场内的运动情况，朱德勇等[36]通过CFD对一种新型在线梗丝分离回收装置中流场、烟丝和烟梗颗粒运动轨迹进行数值模拟，结果表明该装置中风速是影响烟丝和梗签混合物分离的主要因素。顾宗幸等[37]建立流体域模型，利用Fluent模拟颗粒相运动轨迹，结果显示，当入射速度为8 m/s时，在离心分离腔内能有效分离梗丝，进一步提高烟丝利用率。昆明理工大学郑新虎[38]以二次梗丝混合物的分离装置为原型建立简化模型，利用Fluent模拟不同风选气压下悬浮腔体内的气相流场，得出当气压为-0.22 MPa时流场分布较为均匀，符合理想分离条件。

在卷烟生产中，会遇到不同的生产问题，国内学者根据不同需求设计了不同的分离装置。张皓天等[39]在ZJ17卷接机组的基础上设计了一种外置式梗签分离装置，应用Ansys Fluent对两种真空悬浮腔进行仿真分析，结果表明方形腔体的梗丝分离效果优于圆柱形腔体；将离心分离腔体设计为“马蹄形”，有利于流速发生变化，减少烟丝造碎。南华大学李贝贝[40]设计了一种新型梗签二级分离装置，能将梗签和烟丝在线分离，分离后烟丝重新送入烟丝料仓，梗签物进入吸梗系统集中处理，应用CFD对梗签二级分离装置模型进行仿真分析，得到不同送风风速下分离腔体内的气相流场和压力云图。从上述学者的研究成果来看，研究梗签分离装置时考虑不全，如：忽略了装置内压力损失；没有深入研究烟丝、烟梗颗粒物在管道内的运动轨迹；未对设备的外形、尺寸等进行优化设计。

3.2 包装机

在卷接包工艺中，包装工艺同样也是很重要的，CFD主要应用于包装机内部流场研究。针对包装过程中出现的PE膜收缩不紧致、温度均匀性较差等问题，杨旭东等应用fluent对包装机进行仿真，结果表明：采用网筛结构的进口装置可增大进风口阻力，有效改善离心风机所引起的涡流强度，腔内温度和速度的波动范围较小，设备内部温度均匀性更好。文章主要研究设备内部的温度场，对设备内部流场的研究有所欠缺，可深入研究设备内流场变化情况；针对性解决包装机存在的问题。

3.3 其他工艺设备

李荣等[42]对柔性喂丝机均分盘内烟丝流场进行CFD仿真分析，对优化后的A型、B型均分盘以及原均分盘进行仿真分析并进行现场对比测试，结果表明：喂丝机采用B型均分盘的流场内风速梯度变化明显，送丝效果良好并可有效避免烟丝堵塞现象。湖南大学朱敏智[43]利用线吸丝率模型对流化床流场进行了CFD仿真，在ProE中建立回丝系统的三维模型；对回丝流道进行CFD仿真，验证流道合理性，结合原理与实际得到回丝系统压强与生产速度之间的关系。

由上述可知，在卷接包工艺中，CFD主要应用于设备内部的烟叶运动。卷烟的卷接包装过程也是一个多物理场耦合的过程，但大部分学者往往只对单一物理场进行研究，下一步可对不同物理场的耦合进行研究；在建立烟丝颗粒模型时，需更贴近实际烟丝颗粒；对设备内部流场进行模拟时，需多考虑设备结构方面的影响。

4 总结与展望

在卷烟行业中，CFD已应用于打叶复烤工艺中的打叶机和风分机等的流场模拟和优化设计，制丝工艺中加料喷嘴、加香滚筒、叶丝回潮机和回潮筒的模拟研究和结构优化，卷接包工艺中的梗签分离装置、包装机、喂丝机和流化床等的流场、温度场的模拟和优化设计，并取得了较好的效果。

在卷烟生产中，CFD无论是应用在打叶复烤，还是制丝工艺中，亦或是卷接包工艺中，研究的都不够全面。在打叶复烤中，没有考虑打叶机内部流场对烟叶的影响；忽略了风分机内部的部分结构，网带、导风板等对流场的影响；在数值模拟中以椭圆形颗粒物代替烟叶、烟梗等，与实际烟叶存在较大差异。在制丝工艺中，对烟丝与香料进行流固耦合计算时，没有考虑温度场的影响；对卷烟制丝过程后烟丝质量变化情况的研究较少；对工艺参数的选择，考虑不全。在卷接包工艺中，对设备内部压力损失的研究较少；对设备的外形和尺寸还有待进一步优化；对影响梗签分离效果的因素考虑不全面等。

不仅如此，CFD还有望应用于：（1）不同卷烟工艺中不同设备内部流场均匀性研究。对打叶复烤中打叶机和风分机内部的流场均匀性进行全面的研究分析，充分考虑打叶机和风分机内部构造对烟叶流动的影响；对卷接包工艺中梗签分离装置的流场分析。（2）对卷烟加工过程中烟叶温度和含水率变化研究等，主要研究除流场外，设备内部温度场及烟叶含水率对烟叶质量的影响。将CFD应用于卷烟工艺中，能在一定程度上为研究烟叶运动提供参考价值，从而提升卷烟品质。