基于多相流耦合过程数值模拟的茶鲜叶离心式连续脱水设备参数模拟与优化

朱志楠，赵章风*，钟江，周仁桂，张宪

1. 浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室，浙江 杭州 310014；2. 浙江春江茶叶机械有限公司，浙江 杭州 311422

基于多相流耦合过程数值模拟的茶鲜叶离心式连续脱水设备参数模拟与优化

朱志楠1，赵章风1*，钟江1，周仁桂2，张宪1

1. 浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室，浙江 杭州 310014；2. 浙江春江茶叶机械有限公司，浙江 杭州 311422

为提高离心式水洗茶鲜叶脱水率并实现连续脱水，本研究基于离心式脱水原理，引入风道吹风提高茶鲜叶在脱水过程中的离散度，采用离散场—流场的多相流耦合技术，对茶鲜叶离心脱水过程进行数值仿真模拟，对影响茶鲜叶脱水效果的因素进行研究。研究表明，在确定送风方向的基础上，发现在由离心筒内向外送风的情况下，离心筒与螺旋推进器驱动轴的旋转速度差对脱水效果的影响最大，离心筒转速对脱水效果影响次之，风速对脱水效果影响相对较小。

茶叶；离心脱水；风道；多相流耦合

为提高茶叶资源的利用率，夏秋茶成为茶叶深加工的主要原料，但夏秋茶除品质与春茶有差异外，其表面的粉尘、固体污染物和农残含量也较春茶多，而对茶鲜叶进行清洗，将有利于降低粉尘和农残。茶鲜叶表面水自动脱水技术是实现茶鲜叶自动清洗的关键技术之一。国内茶鲜叶的脱水工序多采用离心脱水技术，存在无法连续作业和茶叶易粘附在旋转筒壁上的问题，导致脱水率较低。

目前，国内外直接针对茶叶表面水脱水效率及其影响因素的理论研究较少。为了提高离心机的强度，英国的S. W. Bhero等[1]开发了由连续纤维复合材料合成树脂制成的转子，显著提高了分离机械的强度、性能、刚度、耐磨性和耐腐蚀性。天津大学闻建平等[2]采用基于双流体模型与粒子分散模型相结合的方法，建立多相流模型，并对流化床内气液固三相湍流模型进行模拟仿真，颗粒流在流化床内的流动特性参数与实验获得的数据对比结果吻合良好，所提出的三相流模型及其仿真方法具有良好的可靠性和准确性。Bodhisattwa等[3]利用气固两相流模型对催化剂制备过程中颗粒物料流动、颗粒之间的混合，以及相互之间的热传递过程进行分析，获得了单颗粒以及颗粒流的动力学和运动学的相关数据，且符合实际。高士伟等[4]对茶鲜叶水洗工艺对成茶感官品质影响的研究表明，茶鲜叶经表面水脱水处理后，所得成品茶香高味醇，叶底较均匀；未脱水处理则成品茶香气平淡，叶底晦暗，而水洗方式对成茶品质的影响差异并不明显。周仁桂等[5]对茶鲜叶自动清洗和脱水设备进行研究开发，改变了传统的清洗和脱水方式，实现自动化作业。但以上研究均未考虑设置风场对茶鲜叶脱水的影响，更重要的是未对影响茶鲜叶脱水率的各个因素进行研究。

茶鲜叶在离心脱水过程中，同时受到鲜叶颗粒间的内摩擦力和气流扰动的作用，构成了离散项（茶鲜叶固体颗粒群）-连续相（气流）的两相系统，本研究将基于离散元分析软件（EDEM）与流体动力学软件（FLUENT），通过对茶鲜叶离心脱水过程的数值模拟，分析离散相和连续相相互作用关系，进而优化相关参数，提高茶鲜叶脱水效率并实现连续脱水作业。

1 茶鲜叶离心脱水设备的结构和原理

离心式茶叶脱水设备由螺旋推进器驱动轴、空心轴、进料口、出料口、螺旋推进器、离心脱水部件等构成，脱水设备本体结构示意图如图1所示。螺旋推进器驱动轴和空心轴分别由一个独立的电机驱动，两者同向转动，但有一定的速度差。

经清洗的茶鲜叶由顶部的进料口进入离心脱水设备，落在螺旋推进器的底板上。由于螺旋推进器驱动轴和空心轴之间速度差的存在，螺旋推进器上的螺旋片将茶鲜叶从底部向上至出料口推出，与此同时，茶鲜叶颗粒在离心筒内壁随离心脱水筒转动，茶鲜叶中的水颗粒在离心力的作用下，从分布在离心脱水部件的小孔处甩出，从而达到脱水的效果。最终完成茶鲜叶自动连续式脱水。

转筒中水受到的离心力根据如下公式计算:

式中：G—水的质量；

n—离心筒的转速；

R—离心筒的半径。

经查阅资料，一滴水的质量约为50 mg，在湿茶鲜叶中的平均附着力[5]约为0.054 N，转筒的半径为312 mm，根据式（1），当转筒转速大于560 r·min-1时，茶鲜叶上的表面水形成水颗粒并脱离。

1.1 茶鲜叶和水当量直径的计算

考虑到茶叶颗粒形状不规则，而且茶叶颗粒在气流的影响下，会发生自转，导致其周边的流场具有不稳定性，难以预测，另外考虑到计算机的性能和计算效率，本研究将待脱水的湿茶叶颗粒以两种呈正态分布且大小不同的颗粒表示[6]，并使用粘结模型进行仿真，对于在气流中的球形颗粒而言，颗粒受到拽力的作用，即牛顿绕流阻力，Fq为[7]：

图1 6CTS63型连续式茶鲜叶脱水设备Fig. 1 6CTS63 type continuous dewatering machine of tea leaves

式中，CD为颗粒的绕流阻力系数（无因次阻力系数）；为单位体积空气流体的动能，其中ρ为空气密度，V∞为空气气流与茶叶的相对速度；A为物体垂直于运动方向或来流方向的投影面积。

因此，在不可压缩流体中，对于与来流方向流体具有相同方位的颗粒而言，其阻力系数CD只是Re[8]的函数；而流体的雷诺数Re则与流体速度和颗粒速度的差值有关：

式中，μ为空气的动力粘度，取1.8×10-5Pa·s，dq为球形颗粒的直径，ρ为空气密度，vf为气流速度，vq为颗粒速度。

由式（2）、（3）和（4）得到式（5），式（5）为离散颗粒在气流中所受到拽力Fq与颗粒速度vq和气流速度vf的关系：

根据湿茶叶在受到风的拽力作用时，其处于悬浮状态，则认为其受到的拽力恰好与重力相等，由此可以得出其简化为当量直径的球形颗粒所受到的拽力Fq为:

式中，ua为茶叶颗粒悬浮时的速度，且ua=｜vf－vq｜，ma为茶叶颗粒的质量，dq为茶叶颗粒近似球形颗粒后的当量直径。500 g茶鲜叶中一般有1 000～3 000颗茶叶颗粒，茶叶受到风的拽力作用后悬浮，此时速度一般为5.5～7.0 m·s-1[9]不等。以一颗平均质量为0.8 g，悬浮速度为6.5 m·s-1的茶鲜叶计算，可以得出其当量的球形直径dq=12 mm。同理得出水颗粒的当量球形直径为dw=3.5 mm。

1.2 离散颗粒运动的模型构建

在对离心脱水筒中的物料进行动力学分析时可以将其近似转化为一个质点[10]。在本研究中，将清洗后的茶鲜叶本体和水简化成直径呈正态分布的球形颗粒群，由于鲜叶结构和表面水的作用，茶鲜叶颗粒之间存在粘连现象。在离心式脱水设备内，各独立颗粒的运动满足牛顿第二运动定律，其转动和平动的运动模型如下：

式中，mq为茶鲜叶的质量，vq为茶鲜叶颗粒的速度，vf为气流速度，－vi▽q为压力梯度力，β为动量扩散系数，为茶鲜叶颗粒及水颗粒间的相互作用力，为茶鲜叶颗粒与离心筒壁及螺旋推进器之间的作用力，Iq为茶鲜叶颗粒的转动惯量，wq为茶鲜叶颗粒的

图2 离心脱水筒模型Fig. 2 Model of centrifugal dewatering barrel

2 茶鲜叶脱水过程的数值模拟

2.1 数值模拟流程与参数

茶鲜叶脱水的过程是离散颗粒和连续流体之间动量的传递过程，研究中，通过EDEM角速度，Mq为茶鲜叶颗粒的合外力矩。

1.3 连续气体的模型构建

茶鲜叶在清洗后的离心脱水过程中，离散颗粒群将与空气气流相互影响，两者的运动速度不一，形成运动阻力。在连续气体的模型构建中，引入相体积分数δ，以便通过计算两相之间因相对运动而产生的阻力动量汇实现两相之间的耦合。

在不考虑连续相和离散相之间质量传递的情况下，连续相气体的连续方程和动量守恒方程分别为：

式中，δ为相体积分数，g为重力加速度，V为网格单元体积。

1.4 离心脱水筒模型构建

茶鲜叶的离心脱水过程主要发生在离心脱水筒内，离心筒壁上分布有小孔，在离心力的作用下，经水洗后的茶鲜叶中的水分会从筒壁上的小孔甩出。离心筒具体结构和基本参数如图2和表1所示。和FLUENT联合进行茶鲜叶脱水过程的数值模拟。其中考虑离散颗粒和连续流体动量的相互作用，采用Eulerian模型，对流体采用可压缩、能量方程以及k－ε湍流模型，对离散颗粒采用Gidaspow阻力模型，并采用JKRCohesion接触模型求解[11]。水洗茶鲜叶离心脱水过程数值模拟流程如图3所示。

表1 离心脱水筒基本参数Table 1 Basic parameters of centrifugal dewatering barrel

通过查阅资料，茶鲜叶颗粒与水颗粒的本构参数[6,12-13]见表2所示；数值模拟环境参数见表3所示，其中茶鲜叶颗粒和水颗粒的大小由式（6）所得，茶颗粒数和颗粒总数由模拟仿真时设定，其余各个参数均通过现场试验获得。

图3 数值模拟流程图Fig. 3 Flow diagram of numerical simulation

表2 茶鲜叶和水颗粒本构参数Table 2 The structural parameters of fresh tea leaves and water particles

2.2 送风方式对水洗茶鲜叶离散度的影响

在水洗茶鲜叶的离心脱水过程中，因表面水的存在，将出现茶鲜叶之间、茶鲜叶与筒壁之间的粘连现象，直接影响脱水效率和自动出茶。对离心筒送风，在风力的作用下，把落入离心筒内的茶鲜叶吹散，将提高茶鲜叶的离散度。送风方式有从离心筒外向离心筒内送风和从离心筒内向离心筒外送风两种，因此，以增加茶鲜叶的离散度为目标，对不同的送风方式展开研究。

图4为当从离心筒内向外送风时的耦合仿真云图。如图4-A所示，风充满整个离心筒内部，并由于结构的原因，在离心筒内存在若干旋涡状的风涡。从图4-B可以看出，茶鲜叶和水颗粒导入离心筒后，首先整体上被风吹散，并在局部风涡的作用下，发生进一步的离散，均匀分布在离心筒内。

图5为当从离心筒外向内送风时的耦合仿真云图。与图4比较，风场中没有风涡，茶鲜叶进入离心筒后，被外界的风力压缩，反而出现聚集现象。

表3 数值模拟环境参数Table 3 Environmental parameters of numerical simulation

图4 从离心筒内向外送风的风场矢量和茶鲜叶离散图Fig. 4 Vector of wind field and discrete degree of fresh tea leaves when wind blows out from the barrel

图5 从离心筒外向内送风的风场矢量和茶鲜叶离散图Fig. 5 Vector of wind field and discrete degree of fresh tea leaves when wind blows from out into barrel

参照Gupta[14]提出的以颗粒与颗粒之间的接触数量描述颗粒混合程度的方法，提取茶鲜叶颗粒-水颗粒、茶鲜叶颗粒-茶鲜叶颗粒、水颗粒-水颗粒之间的接触数（Ns）与茶叶颗粒总的接触（Ntotal），通过式（11）计算茶鲜叶和水颗粒在离心脱水筒内的离散度q。

通过数据分析，得出从离心筒内向外送风时水洗茶鲜叶的离散度（图6）和从离心筒外向内送风时水洗茶鲜叶的离散度（图7）。从图6可以看出，当水洗茶输入离心筒瞬间，茶鲜叶颗粒和水颗粒互相聚集，随着茶叶的下落，在风力的作用下，颗粒快速分散，下落1 s时的离散度接近45%。从图7中可以看出，水洗茶鲜叶下落1 s时的离散度接近23%。从离心筒内向外送风，水洗茶鲜叶离散度为从离心筒外向内送风的1.95倍，更利于后续脱水效率的提高及自动出茶。

2.3 茶鲜叶脱水的数值模拟

设置上述各参数，进行茶鲜叶脱水过程的数值模拟，得到如图8所示云图。对模拟数据进行分析，统计脱水后的颗粒中水颗粒的颗粒数，与脱水前颗粒数进行比较，得出离心脱水率为88.21%。

图6 从离心筒内向外送风时水洗茶鲜叶的离散度Fig. 6 Discrete degree of fresh tea leaves when wind blows out from the barrel

图7 从离心筒外向内送风时水洗茶鲜叶的离散度Fig. 7 Discrete degree of fresh tea leaves when wind blows into the barrel

图8 水洗茶鲜叶脱水过程数值模拟Fig. 8 Numerical simulation of dewatering process of fresh leaves of washed tea

3 脱水过程因素分析与试验

3.1 脱水过程因素分析

初步的脱水过程数值模拟证明离心筒转速、螺旋推进器驱动轴与离心筒的旋转速度差、风速、茶叶颗粒大小与茶鲜叶在离心筒内的运动状态有关，同时，离心筒转速及螺旋推进器驱动轴与离心筒的旋转速度差与茶鲜叶脱水时间有关。通过基于EDEM-FLUENT多相流耦合技术进行正交试验[15]，研究不同因素对脱水率的影响。试验因素及水平见表4。

利用正交性原理和数理统计学对各个参数进行正交试验分析，并据此进行脱水过程数值模拟，模拟脱水结束后，用EDEM离散元软件统计从出料口离开的茶颗粒与水颗粒的数量，与最初两者颗粒的数量进行比较并计算，以此获得脱水率数据经整理，所得结果如表5所示。

表4 试验因素及水平Table 4 Experimental factors and levels

表5 正交试验数据分析结果Table 5 Results of orthogonal test data analysis

综合分析表5，可以得出各因素对茶鲜叶脱水率的影响趋势：

（1）B因素所对应的的脱水率均值方差值最大，可见离心筒和螺旋推进器驱动轴的旋转速度差（因素B）对茶鲜叶的脱水率影响最为明显。两者转速差越小，意味着茶鲜叶脱水时间越长，脱水率越高；但从数据可以看到速度差的减小，并未使得脱水率明显提高，这是因为茶鲜叶表面存在不易脱去的较薄水膜，同时，茶鲜叶在离心筒内运动时间过长，将导致茶鲜叶破碎，影响鲜叶质量。

（2）A因素所对应的脱水率均值方差值次之，可见离心筒的转速（因素A）对茶鲜叶的脱水率影响较大。茶鲜叶的脱水率随着离心筒转速的增加先增加后减小。这是由于当离心筒转速在一定范围内增加时，茶鲜叶和水颗粒受到的离心力不断增大，大量的水颗粒从离心筒壁上的小孔甩出；但当转速超过一定范围后，离心力的增大，导致茶鲜叶紧贴离心筒并堵住小孔，阻碍分离水的流出，致使脱水率降低。

（3）D因素所对应的的脱水率均值方差值较小，可见风速（因素D）的大小对茶鲜叶脱水率的影响较小。其主要贡献在于颗粒的分散，在满足茶颗粒离散度要求以后，短时间内，茶鲜叶的脱水主要通过离心作用力实现。

（4）C因素所对应的的脱水率均值方差值最小，可见茶鲜叶颗粒的大小（因素C）对脱水率影响小。在较优水平组合中将略去C因素。

综合上述分析，可以确定离心脱水主要因素的较优水平组合为A2B3D1。

3.2 试验

根据上述理论研究结果，进行了样机设计与试验。如图9所示，试验用茶叶品种为龙井长叶，标准为一芽二叶的夏秋茶，脱水参数根据理论研究结果设定，茶鲜叶水洗后，连续输送至离心脱水机脱水。通过多次试验并称量茶鲜叶脱水前后的质量，计算得其表面脱水率高达92%以上。经现场试验统计，茶鲜叶离心脱水设备的产量约为200 kg·h-1。

图9 茶鲜叶离心式连续脱水机结构及试验现场Fig. 9 Structure of centrifugal and continuous dewatering and testing site

4 结论与讨论

茶鲜叶离心脱水的效率和效果取决于茶叶颗粒和水颗粒所构成的离散场与风所构成的流场之间的有效组合，同时也和离心脱水设备的结构及运动参数相关。若按照传统的研究方法对茶叶的脱水加工设备进行改造和研发则具有较大的盲目性。本研究采用离散场—流场的多相流耦合技术，结合工程实践，开展对茶鲜叶离心脱水设备的研究，取得了较好的结果。研究表明，在由离心筒内向外送风的情况下，离心筒与螺旋推进器驱动轴旋转速度差对脱水效果的影响最大，离心筒转速对脱水效果影响次之，风速对脱水效果影响相对较小。该研究方法具有研发投入低、效率高、目标明确、理论结果与实际相接近等优点，可用于其他茶叶加工设备的研发，且具有现实的工程意义和研究价值。

然而茶鲜叶表面水的脱水过程不仅与结构参数和运动参数相关，还与茶鲜叶的物料特性等相关，可以进行更深层次的研究。同时，本研究受限于计算机计算能力，模拟的颗粒数较少，随着计算机技术的不断发展，可以施加更大数量级的颗粒进行模拟仿真计算，使结果更加接近于实际。

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Study on Parameter Optimization of Centrifugal and Continuous Dewatering of Tea Leaves Based on Numerical Simulation of Multiphase Flow

ZHU Zhinan1, ZHAO Zhangfeng1*, ZHONG Jiang1, ZHOU Rengui2, ZHANG Xian1
1. Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Processing Technology, Ministry of Education, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China; 2. Zhejiang Chunjiang Tea Machinery Co, Ltd, Hangzhou 311422, China

In order to improve the dewatering rate and achieve continuous dewatering, a concept of increasing the dispersion of tea leaves through venting, and using the multiphase flow coupling technology of discrete field - flow field was introduced based on the centrifugal dewatering principle. The centrifugal dewatering process of fresh tea leaves was numerically simulated and verified by experiments to determine the factors affecting the dewatering rate. It was found that the difference of rotational speeds between centrifugal barrel and spiral body had the greatest influence on the dewatering effect in the case that the direction of blowing air was outward from the centrifugal barrel. The centrifugal speed ranked the second on the dewatering effect. The speed of wind had the least effect on the dewatering effect.

tea, centrifugal dewatering, air duct, multiphase flow coupling

TS272.2；S233.75

A

1000-369X(2017)03-280-10

2016-12-12

：2017-02-20

国家科技支撑计划（2014BAD06B06）、国家自然科学基金（31201138）

朱志楠，男，硕士研究生，主要从事农业装备及自动化研究，E-mail：zzn_zjut@163.com。*通讯作者：i12fly@163.com