基于CFD的红茶发酵房数值仿真分析

何晓波谢知音尹江涛徐中贵

(1.湖北民族大学林学园艺学院，湖北 恩施 445000；2.湖北民族大学智能科学与工程学院，湖北 恩施 445000)

引言

我国是最大的产茶国，近年来红茶产量增幅居所有茶类之首，从2016—2021年我国红茶产量变化来看，产量一直保持增长趋势。根据中国茶叶流通协会数据，2021年中国红茶产量达到43.45万t，同比增长7.47%。发酵是红茶品质形成的关键工序[1]，发酵的好坏决定着红茶色泽的明亮及味道的醇厚，红茶发酵过程中多酚类物质经酶促氧化反应，形成茶黄素(TFs)、茶红素(TRs)和茶褐素(TBs)等有机色素类物质，目前国内外红茶发酵方式主要为传统发酵和设备发酵[2]。传统发酵是将揉捻叶摊放在发酵筐、发酵架上，使其处于自然环境或发酵房内完成的发酵工序，传统发酵影响因素较多，发酵进程难以控制，致品质不稳定、发酵时间长且效率低。设备发酵基本分为箱式发酵机、房式发酵机、连续式发酵机等。箱式发酵机温湿度控制较为精确，但达不到大规模的生产；连续式发酵机在设计时也是为了较好地控制红茶发酵过程的温湿度，并没有实现企业的大规模生产；董春旺等[3]研发的具有翻拌功能的新型滚筒式红茶发酵机，最高产量为120.6～150.7kg，满足单机或流水线的生产要求，在实际企业大规模一次性发酵500kg以上的应用中还是不够；而发酵房具有低成本、高产能的优势，成为本论文研究的一个重点。

发酵工艺中温度与湿度控制最为关键，常规发酵设备中采用温湿度传感器，但获取数据较少、精确度较低。通过使用数值仿真进行验证，得到更丰富数据，可为工艺优化提供重要支撑。诸多学者将CFD应用于室内流场与温度场分析，通过模拟仿真的方法对各种对象进行分析，Awbi H B[4]首次运用CFD研究室内通风问题，对进口边界条件进行分析。霍二光[5]运用CFD对菊花干燥室内部气流组织均匀性进行模拟分析，通过改变烘干室的内部结构，提高了烘干室内气流组织的均匀性。师建芳等[6]运用CFD对单一风机隧道风速进行流场仿真模拟，解决风速不均匀问题，极大减少了试验成本。牟国良等[7]利用CFD对红枣干燥室内部流场进行数值模拟，结合生产成本与进风效果得到最优方案。

现阶段红茶发酵方面的研究主要集中于红茶发酵过程多酚类物质转化，针对整体工艺优化的数值研究几乎为空白。因此，本文采用CFD方法，针对红茶发酵房工艺进行房间内流场与温度场分布的数值建模与仿真分析。针对现有红茶发房酵项目(位于湖北省毛坝镇)进行几何建模与网格划分、加热过程数值建模、求解与分析。本文的研究将揭示现有发酵房内流场与温度场的分布规律，为传统的红茶发酵提供指导性的意见，并为下一步气流组织方式及工艺参数优化奠定坚实的基础。

1 发酵房模型建立

1.1 物理模型的建立

本文所研究的红茶发酵房结构参考项目所在地湖北省猫湾茶厂生产线，发酵房进口使用铝制管材安装固定在距地面0.43m处，发酵房顶部设有出风口，内部放有4组红茶托盘支架，墙体由保温材料和铝合金框架构成，如图1所示，具体结构参数如表1所示。

图1 发酵房实物图

表1 发酵房结构参数

1.2 数学模型

本模拟不涉及能量交换和组分的转移，房内空气简化为定常、不可压缩的流体[8]，模型满足质量、能量与动量3大守恒定律[9]，其控制方程如下。

质量方程：

(1)

动量守恒方程：

(2)

式中，p为静态压力，Pa；τ为重力；F为外部受力，包括其他模型的源项，如多孔介质。

能量守恒方程：

(3)

式中，T为温度，K；cp为比热容，J·kg-1·K-1；k为流体的传热系数，W·m-1·K-1；St为粘性耗散项，W·m-3。

2 网格的划分及参数设置

2.1 网格划分

为了有效展开模拟分析，对发酵房以及红茶托盘支架的结构进行简化。在Workbench中用DesignModeler进行建模，设置内部流场区域，采用Mesh对提取出的流场进行网格划分，网格质量决定着计算结果能否收敛，但网格数量的增加对计算机硬件要求更高，计算量更大，同时网格数量过少通常会获得不够精确的解，或者使计算结果难以收敛。由于发酵房尺寸较大且喷口处速度差明显，因此对进口和出口采用局部加密处理，网格类型为发酵房本体设置四面体网格、进出口及支架设置六面体网格，提取出的内部流场结构及网格划分结果如图2所示。本模型网格划分数目为3×106左右。

图2 模型结构以及网格划分

利用Element Quality进行网格质量检查，要求单元质量越大越好，且平均水平不宜低于0.7。通过图3网格质量分析所示可知，单元网格质量集中于0.88，其平均质量不低于0.7，因此该方法下网格质量达标。

图3 网格质量分析

2.2 边界条件设置与数值求解方法

采用Fluent分离隐式求解器进行稳态计算，能量开启。房内空气属性为不可压缩的理想气体。流域的初始温度设置为26℃。入口边界条件(inlet)设置为速度入口，Option根据仿真方案设置大小。出口边界条件(outlet)设置为压力出口，Option选项设置为Total Pressure。其余边界面设置为壁面，且墙壁绝热，不考虑与外界传热的影响。湍流模型为Realizable k-ε模型，压强为标准大气压，在y轴反方向设置重力-9.81m·s-2。压力以及速度的耦合采用Copple算法，压力和动量插值采用二阶方式。具体参数设置如表2所示。

表2 参数设置

2.3 评价指标

进口速度和温度的不同会引起气流轨迹的变化，导致发酵房内部温度、速度分布各不相同，为定量分析发酵房内部均匀性，需建立评价指标，在发酵房取3个不同高度截面进行评定，每层(5×9)45个检测点，共(3层×45个/层)135个检测点，分别对5种不进口速度和5种不同进口温度进行计算，本文借鉴农业灌溉领域中的喷洒速度表征方法，引入不均匀系数[10]。不均匀系数G越大，说明内部流场越不均匀；G越小，则代表内部流场均匀性越好。

图4 发酵房内监测点平面分布

2.4 仿真方案设计

本文针对湖北省猫湾茶厂的红茶发酵房，以发酵过程的加热工况为主要研究对象，重点考虑影响房内气流及温度分布均匀性因素：进口速度和进口温度。分别固定进口温度与进口速度，由于红茶发酵所需温度为28～32℃，在此范围内茶叶中的多酚类物质能更大程度上转化成茶黄素等有机色素类物质，另外常规工况的风量速度为2～3m·s-1，以此为参考设计仿真试验方案如表3、表4所示。

3 结果与分析

通过上述数值模型与边界条件的确定，实现发酵房内热风加热过程的数值仿真，得到三维发酵房内的速度分布与温度分布，取Y=830mm、Y=1200mm、Y=1570mm 3个不同高度截面进行分析，选择此处作为参考的主要原因是3个高度分别是最下层料层、中间料层及最顶层料层高度。发酵房内部气流速度分布及各截面速度分布如图5a、图5b所示，发酵房内部整体温度分布及各截面温度分布如图5c、图5d所示。为了更细致地展示发酵房内速度与温度的分布，分别计算比较3个平面的速度不均匀系数和温度不均匀系数，得到红茶发酵时最优的工况参数，研究不同工况条件下的速度场与温度场分布规律，进一步研究不同高度截面的速度与温度不均匀性问题，为后续红茶发酵工况优化提供理论支撑。

表3 进口速度影响因素

表4 进口温度影响因素

图5 发酵房气流速度图和整体温度图

3.1 进口速度的影响规律分析

进口边界条件对内部流场与温度场分布有巨大影响，因此针对气流速度场分布均匀性研究，在进口温度为70℃的条件下，分别对进口速度为2m·s-1、2.5m·s-1、3m·s-1、3.5m·s-1、4m·s-1进行模拟仿真分析。通过观察5组试验方案的速度场和温度场云图可知，发酵房内部气流在分布上呈一定的规律性，气流在运动过程中受茶叶料层的影响，流速缓慢增加，出现分层现象。图6a、图6b、图6c分别为随机选取方案在830mm、1200mm、1570mm截面上的速度场分布云图。

图6 不同高度截面速度云图

图7 不同进口速度下各截面速度不均匀系数

由图6可知，速度在高层截面位置处出现明显速度变大区域，整体速度分布较不均匀。图7中速度不均匀系数与进口速度呈正相关趋势，在Y=1570mm截面位置处速度不均匀系数最大，可能由于上层离排风口较近，速度在上层与房顶碰撞形成压强差，截面云图结果与速度不均匀系数变化曲线一致。

图8 不同高度截面温度云图

图9 不同进口速度下各截面温度不均匀系数

由图8可知，随着进口速度增大，最高层出现明显的高温区域，温度分布较不均匀。在最底层和中间层温度不均匀系数与进口速度呈负相关趋势，进口速度增大有利于温度分布均匀，最高层温度不均匀系数整体较大，这是速度在最高层出现紊乱造成的，与图7中最高层速度不均匀系数相吻合。随着进口风速的增大，穿过料层的速度随之增大，但风速的提高并不能使茶叶受热充分，相反发酵室内的均匀性更差。相较而言在进口速度为2m·s-1时不均匀系数整体较小，且速度和温度分布较均匀。

3.2 进口温度的影响规律分析

除进口速度影响之外，进口温度的不同对发酵房内红茶发酵品质有着重要影响。在常规工况的风量条件下，即进口速度为2m·s-1的情况下，进口温度分别取50℃、60℃、70℃、80℃、90℃这5种情况进行仿真计算。图10a、图10b、图10c分别为随机选取方案在830mm、1200mm、1570mm截面上的速度场分布云图。

图10 不同高度截面速度云图

图11 不同进口温度下各截面速度不均匀系数

由图11可知，当进口速度一定时，随着进口温度的增加，各高度层速度均值相仿，发酵房内气流速度无明显变化，温度对速度的影响并不大，但最高层速度不均匀系数整体较大，均匀性较差，与图10中速度云图分布吻合。

图12 不同高度截面温度云图

图13 不同进口温度下各截面温度不均匀系数

由图13可知，当进口的速度一定时，随着温度的增加最上层气流较紊乱，导致最上层温度不均匀系数较大，均匀性较差，温度不均匀系数与进口温度呈正相关趋势，但当进口温度为80℃时，各层截面平均温度高于32℃，超出红茶发酵所需温度的范围。相较而言，当进口温度为70℃时发酵房内部温度不均匀系数较小，整体均匀性较好。

4 结论

本文采用CFD模拟仿真的方法对发酵房内流场温度场进行分析，通过计算分析不同进口温度和速度下发酵房内速度不均匀系数和温度不均匀系数，得到发酵房最优工况参数。根据模拟仿真结果，得到以下结论。

在满足红茶发酵过程所需温度范围(28～32℃)的条件下，进口温度为50℃时，不同高度料层温度分布基本均匀，但底层红茶料层气流较紊乱，70℃情况下各料层气流相较平稳，且室内温度分布均匀满足红茶发酵所需温度条件。

进口速度的不同影响着发酵房内温度场的分布，随着速度的增加，平均速度、温度逐渐趋于稳定，均匀性也有所提高，穿过料层的速度随之增大，但风速的提高并不能使茶叶受热充分，相反发酵室内的速度、温度均匀性更差。相较而言，进口速度为2m·s-1时发酵室内速度、温度均匀性最好。

通过模拟减少测量，降低研制成本，本研究为下一步红茶发酵系统结构优化设计提供参考，使得发酵房内部气流、温度分布更为均匀。