基于CFD的烟草烤房热流场分析研究

张贤信，陈 勇，杨 弦

(黔东南州烟草专卖局，贵州凯里556000)



基于CFD的烟草烤房热流场分析研究

张贤信，陈 勇，杨 弦

(黔东南州烟草专卖局，贵州凯里556000)

为了研究烟草烤房内部热空气流场特性，提出了基于CFD烤房热空气循环的假设，建立其在热对流及热传导工作过程中的数值计算模型，采用流体计算软件Fluent结构化网格对烘烤工作过程及流场动力学特性进行了动态模拟仿真。结果表明，对烤房结构进行优化后，其装烟室内部温度分布均匀度得到了提高，水平面温差减小0.19℃，垂直面温差减小1.49℃。

流场 CFD 热对流 热传导 Fluent

0 引言

烟草烤房内部温湿度的均匀性直接影响烤烟的品质，在现阶段烘烤中烤房难以保证上中下三个水平面以及垂直方向上温度的一致性，实际烘烤过程中，烤房智能控制仪取装烟室中段温湿度作为输入参考参数进行烘烤，而装烟室内各个部位温湿度却是不同的，给烘烤控制带来了难题，导致不同位置的烤烟品质参差不齐，且热能利用效率较低。本文为烤房建立一个合理有效的流体模型，并采用CFD对烤房进行热对流分析，为烤房装烟室内部结构进行优化提供了一种有效手段。

1 烟草烤房建模及能耗分析

1.1 烤房基本结构与工作原理

密集型烤房主要分为两种，气流上升式与气流下降式烤房。其二者区别在于烤房结构不一样，热气流流动方向不一样[1]。本文采用气流上升式烤房作为仿真模型。

图1 气流上升式烤房

为对比烤房结构对内部热流场影响，分别建立了两个不同机构的烤房模型，即普通烤房A和结构优化后的烤房B。

烤房B装烟室结构进行了三处结构优化，即在原有烤房A的基础上设置导流斜坡，加装分风板和导流槽；其中，导流斜坡坡度为4.2%(图1(b))，并在距地面高0.5 m处加装分风板(图1(b)、图2(a))，其尺寸为800×2 700，共铺设10块，在进风道入口处加设导流槽(图1(b)、图2(b))；烤房A装烟室内不设置斜坡，不设分风板和导流槽；装烟室规同为8 000×2 700×3 500。

图2 分风板、导流槽

1.2 烟草烤房烘烤消耗能量分析

烟叶在干燥过程中能量主要消耗到三个方面，即首先烟叶会随着干燥加热过程而升温，温度升高到水分在常压下的饱和温度，从而达到水分蒸发散失的条件，这一过程会消耗一定的能量，可称其为预热阶段；然后水分会逐渐的蒸发，这一过程可以称为干燥阶段，干燥阶段的能量主要消耗在水分蒸发部分所需要的能量以及水分蒸发部分气化潜热所需要的能量。考虑上述三方面的耗能，可以写出如下的能量表达式：

Q=ΔMC(Tw-T0)+MCn(T1-T0)+ΔMγ

(1)

式中：M为干燥烟叶的质量；ΔM为烟叶干燥一定时间后的失水量；Tw为烟叶在干燥过程中的测量温度，Tw随着时间的变化而变化，所以Tw可表示为T(t)；T0为烟叶在干燥初始时的测量温度；T1为水在常压下的饱和温度；C为水的比热容，通常取C=4.182 6 kJ/kg·℃；γ为水的气化潜热，考虑到表达式是针对在对流环境中进行干燥的烟叶，那么干燥环境内的气体压力变化不大，这里可取γ=2 260.174 2 kJ/kg；而上式中Cn为烟叶的比热容，不同的烟叶其比热容也是不相同的，为了得出不同烟叶的比热容，可以通过如下式的经验公式进行估算：

Cn=4.2Wa+0.84Wb

(2)

式中：Wa为烟叶中的含水率，Wb为烟叶中固形物的含量。通过上式可以看出烟叶的比热容大小主要取决于它的含水率，且相对于水的比热容要小很多。

2 数学模型的建立

2.1 传热类型

热传导、热辐射和热对流是自然界中热量传递的三种基本方式。在实际烘烤过程中，当烤房内部出现温度梯度时，热量会出高温部分传递到低温部分[4]，热传导用傅里叶定律进行描述，其一般形式为：

(3)

式中：k为材料的导热系数，装烟室壁面使用材料为红砖，其热传导率为k砖=0.25 W/m·K，是较好的绝热、保温材料。分风板和导流槽使用材料为钢材，热传导率k钢=47 W/m·K。

热空气在烤房内部流动，通过与壁面和烟叶间的相对运动将热量带到烤房四周；普通烤房热对流属于自然对流，而密集型烤房则属于强制性对流[5]；对于这种强制对流换热形式用牛顿冷却公式描述：

q=Q/A=hΔt

(4)式中：q为单位面积的固体表面与流体之间在单位时间内交换的热量，称作热流密度，W/m2；h是空气强制热对流系数，取值在20～100之间，在烤房实例中，通过类比法估计h=80 W/m2·K。

2.2 控制方程

密集型烤房装烟室内采用通风手段为强制通风，烤房内部热空气流体是一种较为复杂的三维非稳态、旋转的不规则流体，是典型的湍流[6]，模拟计算时选用具有优越收敛性能和合理精确度的k-ε模型，并假设近壁处空气流动符合标准壁面函数，避免流体在壁面流动时出现失真，更接近于实际烘烤状况。因此，采用k-ε模型来模拟烤房热空气的流动。在实际烘烤中，需要考虑重力对热空气的影响，需引入重力加速度，取g=9.81 m/s2。湍流脉动动能方程(k方程)和湍流耗散率方程(ε方程)分别为：

(5)

(6)

η=Sk/ε S=(2SijSil)0.5

式中，μ为动力粘性系数；μi、μj分别为气流速度在i、j方向上的分量；μt为湍流粘性系数；ρ为密度；Cμ为常数；σk为湍流脉动动能k的湍流Prandtl数；σε为湍流脉动动能耗散率ε的湍流Prandtl数；Cμ、C1ε、C2ε、σk、σε、η0、β均为经验系数，其取值入表1所示。

表1 湍流模型系数

2.3 计算条件

采用Fluent软件对烤房流场分布规律进行仿真时，需要确定模型的边界条件[7]及相关设置。且模型建立基于以下假设：1)除排风口外，烤房内部空气循环时没有向外界环境发生泄露；2)烤房烘烤时，

表2 流体边界条件设置

外界辐射影响较小，故忽略太阳辐射；3)进风口速度均匀。

表3 初始边界条件

图3 烤房模型网格划分

2.4 模型网格划分

烤房模型使用四面体非结构网格进行划分，网格进行光滑后，划分效果如图3所示。

3 计算结果及分析

导入参数进行计算后得到以下结果。

图4 烤房整体温度云图

图4为烤房整体A、B整体的温度云图。可知，整个烤房最高温度位于进风口处为50℃，最低温度位于烤房壁面转角处为40.7℃。

图5为烤房A、B的剖面温度图。从图中可以看出，烤房B整体温度分布明显好于烤房A，尤其是在装烟室中后部。由于空气由高压向低压的流动，遇到墙体产生局部漩涡，造成中后部形成一个死角。

图5 烤房A、B温度分布剖面图

图6为烤房A、B速度流线分布图。从图中可知，空气在装烟室内部做一个涡旋运动，随着风压、风速的增强，热空气到达各个区域的能力越强；通过结构改造以后，可以看出在相同的风压及风速下，空气通过抬升的斜坡和分风板后，空气的均匀性更好。

图6 烤房A、B空气速度流线图

图7 温度测量点

在模型A、B中，以进风口左下角为坐标原点(0，0，0)；温度测量点分别选取上中下三层共18个不同部位的温度测量点，如图7所示。其中点1，2，3，4，5，6为下层同一平面测量点；7，8，9，10，11，12为中层测量点，13，14，15，16，17，18为上层测量点，相同Y坐标为同一垂直平面测量点。

选取18个具体参数如表4所示。

表4 各个测量点测量参数

图8 烤房温度曲线图

从烤房温度分布曲线中(图8)可以看出，烤房A同一水平面温度差最大为0.79℃，同一垂直平面温度差最大为1.73℃；烤房B同一水平面温度差最大为0.6℃，同一垂直平面温度差最大为0.24℃。

4 结束语

通过建立有效可靠的数值计算模型，并选择合理的初始条件、边界条件，可以很好地对了烤房装烟室内部流场分布规律进行模拟；结果表明，通过改造后烤房B水平面最大温度差为0.6℃，相对于烤房A的0.79℃的水平温差减小0.19℃，烤房B水垂直平面最大温度差为0.24℃，相对于烤房A的1.73℃的垂直平面温度差减小1.49℃。该热流场模拟分析方法，为烤房结构优化提供了重要方法。

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[7] 陈付军. 密集烤房供热系统性能比较的研究 [D].郑州:河南农业大学,2008.

The analysis of heat flow field of the curing barn based on the CFD

ZHANG Xianxin，CHEN Yong，YANG Xian

In order to study the characteristics of hot air flow field inside of the curing barn, put forward the assumption of hot air circulation in the curing barn based on CFD, and establish the numerical calculation model of the heat convection and heat conduction model in the working. The process of baking and its flow dynamic characteristics was simulated using software Fluent. Results showed that the uniformity of temperature distribution internal the curing barn was improved after optimizing the structure of curing barn, the difference of water temperature decreased 0.19 ℃ and vertical temperature decreased 1.49 ℃.

flow field, CFD，heat convection，heat conduction, Fluent

TS43

B

1002-6886(2016)06-0028-04

张贤信(1990-)，男，硕士，黔东南州烟草专卖局从事烟叶技术生产。

2016-09-15