基于Fluent-EDEM耦合的茶叶红外杀青机滚筒内流场数值模拟

虞文俊 吴瑞梅 李 红 裴 刚 金山峰 黄超强 朱任章 杨普香 熊爱华

(1. 江西农业大学工学院，江西 南昌 330045；2. 江西省蚕桑茶叶研究所，江西 南昌 330203)

杀青是绿茶加工的第一道关键工序[1]，茶叶杀青必须在短时间内使鲜叶温度升到85 ℃以上[2]，并将叶温保持一定时间，以彻底钝化酶的活性[3-4]。滚筒式杀青机是中国应用最广的一种茶叶杀青机械[5]，但目前多以燃煤、燃气、生物质燃料和电为热源，其中燃煤、燃气的热惯性大，生物质燃料颗粒不易结渣，点火时污染物不易控制，而电加热方式存在能耗高、杀青不均匀等缺陷[6]。红外辐射源能量与辐射温度的4次方呈正比，能提供比对流加热高几十倍的热流密度[7]，具有升温快、能耗低、干燥质量好、环保等优势，广泛用于玉米[8]、稻谷[9]等农产品干燥，也有研究将红外技术用于茶叶的杀青[10]。

目前，鲜茶叶的杀青升温过程主要由制茶师凭经验控制[11]，难以保证茶叶品质。有学者利用流体分析软件模拟鲜茶叶的加热过程，徐海卫等[2]设计了一种三段式螺旋导叶板(进叶导板、出叶导板、工作导板)滚筒杀青机，每段导叶板采用不同的螺旋升角，利用Fluent流体分析软件模拟鲜茶叶的受热状况，以此为参考来优化杀青机结构，但并未研究鲜茶叶在滚筒内的升温情况和滚筒内流场温度场分布。鲜叶在杀青过程中受热情况除受滚筒内温度场分布影响外，还与鲜叶在滚筒内的运动有关。Fluent-EDEM耦合模拟方法能同时考虑温度场和颗粒运动的相互影响，是目前较新的一种模拟多相流数值分析方法[12-13]。施重驹等[14]针对热风滚筒杀青机热能利用率不高、杀青质量和产量受限制等缺陷，利用Fluent-EDEM联合对杀青滚筒内流场温度和离散场进行耦合模拟分析，基于仿真结果，对杀青机导叶板数量、高度和进风口结构进行了优化，优化样机的杀青试验表明，杀青叶质量得到改善，产能提高25%。但有关红外技术[15]在茶叶杀青和干燥方面理论模型研究较少，探索杀青滚筒内温度变化曲线和鲜茶叶升温曲线等相关理论模型，能更准确研究鲜茶叶在红外辐射过程中的物性变化，从而优化杀青机结构。

试验拟研究茶叶红外杀青机在杀青过程中滚筒内温度场的分布及茶叶颗粒的干燥曲线模型，采用Fluent-EDEM耦合方法对滚筒内的杀青温度和鲜茶叶颗粒运动进行模拟，在Fluent软件中将滚筒内流场温度求解至收敛后，利用UDF耦合接口将流场温度信息传递至EDEM中，EDEM根据茶叶颗粒模型和颗粒—流体相间热传递和热辐射模型对颗粒的温度进行迭代计算，将颗粒的运动信息由耦合接口传回至Fluent中，Fluent根据反馈信息进入下一个时间步长迭代，反复多次迭代后，在Fluent中得到杀青过程中滚筒内的温度场分布，在EDEM中得到鲜茶叶在杀青过程中的升温曲线模型。为证明红外辐射的杀青效果，同时对电加热杀青机进行Fluent-EDEM耦合，并将两种杀青机的模拟结果进行对比，为茶叶杀青机的结构优化设计提供理论基础。

1 茶叶红外杀青机整体结构及工作原理

1.1 整体结构

茶叶红外杀青机总体结构如图1所示，由机架、滚筒、红外加热系统、传感系统、驱动系统以及控制系统等组成。滚筒由托轮支撑在支架上，滚筒内壁焊有螺旋叶片，红外加热系统由一根不锈钢空心管悬挂于滚筒中心，2个半椭圆形法兰盘分别安装在空心管两端，法兰盘上开有多个通孔，红外辐射管安装在法兰盘的通孔中；法兰盘上半部固定有不锈钢防护罩，以防止鲜茶叶在滚筒内壁上升过程中掉在辐射管上而烧焦。滚筒内空心轴部分钻有小孔，红外传感器和温湿度传感器的接线从控制柜由空心轴穿过，悬挂在空心管上。鲜茶叶进料和出料在滚筒右端完成，由大电机的正反转驱动滚筒进行正反转，使鲜茶叶在滚筒内来回杀青。排湿风扇安装在带轮右侧面，由带传动带动风扇进行正反转。

1. 机架 2. 风扇罩 3. 排湿风扇 4. 滚筒 5. 不锈钢防护罩 6. 红外加热管 7. 进料斗 8. 出料斗 9. 托轮 10. 大电机 11. 小链轮 12. 链条 13. 大链轮 14. 小电机 15. 皮带 16. 控制系统

图1 茶叶红外杀青机总体结构图

Figure 1 Schematic diagram of tea cylinder de-enzyme machine using infrared source

1.2 工作原理

首先，在控制面板上设定滚筒内鲜茶叶的杀青温度、滚筒内规定的湿度以及杀青时间初始参数，控制系统发出指令，开启红外辐射管，同时启动大电机，带动滚筒反转。当温度传感器检测到滚筒内温度达到设定值时，向控制系统反馈信号，鲜茶叶从进料口进入滚筒内，茶叶在滚筒内随螺旋导叶片的转动进行轴向移动和翻抛并吸收红外辐射热量，鲜茶叶升温并蒸发出水分。当腔内温度超过杀青温度规定的上限值时，控制系统发出指令，关闭其中的数根红外管，保证腔内温度保持在设定的杀青温度范围内，当腔内湿度超过杀青湿度规定的上限值时，控制系统发出指令，开启排湿风扇正转进行排湿。当到达所设定的杀青时间时，大电机反转并使滚筒转速加快，驱动滚筒正转将杀青叶快速从滚筒内排出，同时小电机反转且转速加快，助推杀青叶快速排出以免被烧焦，完成一次杀青全过程。

2 数值模拟及分析

2.1 欧拉耦合数学模型

利用Fluent和EDEM软件模拟茶叶杀青过程，有两种Fluent-EDEM耦合计算模型：Lagrangian模型和Eulerian模型，其中Lagrangian模型只考虑流体相和颗粒相的动量交换，不考虑颗粒相对流体相的作用，且该模型还要求颗粒相模型体积分数不超过15%。而Eulerian模型是基于多相流框架的耦合方法[16]，除考虑流体相和颗粒相之间的动量交换外，还考虑颗粒相对于流体相的影响[14]。因杀青过程中茶叶颗粒与温度场之间存在动量、质量和能量的相互交换。因此，本研究选择Eulerian-Eulerian模型，以考虑茶叶颗粒运动对温度的影响。

2.1.1 Fluent-EDEM 阻力模型 Fluent-EDEM耦合采用一种改进的自由流阻力[17]来计算作用在球形颗粒上的力。阻力系数CD取决于雷诺数Re：

(1)

自由流体阻力方程：Fd=0.5CdρA|ν|ν，

其中：

(2)

式中：

ρ——流体密度，kg/m3；

η——流体的黏度，Pa·s；

L——颗粒球的直径，m；

ν——颗粒与流体间的相对速度，m/s；

α——CFD网格单元的自由体积，m3；

A——颗粒的投影面积，m2。

2.1.2 流体守恒定律 杀青过程中，茶叶颗粒会影响滚筒内的连续相气体运动[14]，故在原有的Eulerian模型上引入一个相体积分数α，如不考虑杀青过程中的传质过程，则质量和动量守恒方程为：

(3)

(4)

式中：

α——空气相的体积率，%；

vi——空气相在笛卡尔坐标i方向上的流速分量，m/s；

τij——黏性应力张量，Pa；

gi——坐标i方向上的体积力，N；

Fi——空气相和颗粒相的相互作用力，N。

2.1.3 热传递理论

(1) 热对流[18]方程：

(5)

式中：

QPF——热量，J；

AP——颗粒表面系数；

ΔTPF——温度差，K；

P、F——分别表示流体相和固体相；

KF——气体热传导系数，W/(m2·K)；

NμP——努赛尔数(流率与传导率的比值)；

dP——颗粒直径，m。

(2) 辐射能量方程：

Q=εσbΑT4，

(6)

式中：

Q——辐射能量，W；

T——绝对温度，K；

A——物质的表面积，m2;

σb——黑体的辐射常数，5.67×10-8W/(m2·K4)；

ε——物体的发射率。

2.2 仿真模型建立

试验研究6CST-60型红外辐射杀青机的滚筒内温度场分布，该模型红外加热系统置于滚筒中心，为简化模拟分析计算，仅对杀青机等直径部分进行杀青过程模拟(鲜茶叶在杀青过程中，主要落在此区域内)，应用PROE 5.0建模软件建立红外杀青机三维模型，导入到ICEM CFD 17.0中进行网格划分，将生成的MESH文件导入至Fluent 17.0中进行温度场分析。为对比红外杀青机的节能效果，研究模拟以电加热方式相同型号6CST-60(以电加热方式的杀青机，其加热源采用通电线圈缠绕在滚筒壁外表面进行加热)滚筒内温度场分布及滚筒内的升温情况，并与红外辐射进行对比，采用与红外辐射模型的相同处理方式，滚筒模型网格划分见图2。

图2 红外和电加热杀青机滚筒网格划分Figure 2 The mesh generation of infrared and electric heating cylinder de-enzyme machine

2.3 初始条件及边界条件确定

2.3.1 红外辐射加热杀青机 Fluent软件参数设置：在入口采用pressure-inlet压力入口条件，压力设为一个标准大气压，湍流强度5%，湍流黏度比10；出口采用pressure-outlet压力出口条件，湍流强度5%，湍流黏度比10；滚筒壁面及螺旋导叶片旋转速度均为35 r/min；红外辐射热源壁面温度为711 K(当加热功率为6 kW时，由红外测温仪测量得到的滚筒内壁实际温度值)，选κ-ε模型，因本杀青机主要以红外辐射为主，故选能量方程和辐射模型，并选用辐射模型里的Discrete Ordinates模型，发射率0.945。EDEM软件参数设置如下：颗粒与颗粒之间的热传递采用Hertz Mindlin with heat conduction模型，颗粒与壁面之间采用Hertz Mindlin(no slip)接触模型，茶叶颗粒温度初始值300 K，茶叶颗粒总数40 000。

2.3.2 电加热杀青机 Fluent软件参数设置除了红外辐射热源壁面温度设为513 K外(当功率为6 kW时，由红外测温仪测量得到的滚筒内壁实际温度)，其他参数设置相同。EDEM软件参数设置与红外辐射加热杀青机条件相同。

2.4 Fluent-EDEM耦合参数设置

在设置耦合参数时，阻力模型采用自由流模型，传热模型选用Li & Mason模型，并同时选辐射模型。耦合过程中，Fluent和EDEM的信息由耦合接口进行交换，则在耦合过程中需要满足一定要求：① Fluent中设置的时间步长必须是EDEM中时间步长的整数倍；② EDEM通常选择Rayleigh时间步长的5%(30%作为时间步长[19]；③ Fluent中网格单元的体积不能小于EDEM中颗粒的体积。表1为茶叶颗粒本构模型参数[20]。

表1 茶叶颗粒本构模型参数Table 1 Parameters of the constitutive model of tea particles

3 鲜茶叶杀青过程中滚筒内温度场分布模拟结果分析

3.1 红外加热与电加热滚筒内温度场分布对比

鲜茶叶在杀青前，先要对滚筒进行预热。由图3可看出，电加热杀青机滚筒内流场温度分布较均匀，而红外杀青机滚筒内流场温度主要集中在滚筒右部及底部。杀青过程中，鲜茶叶随螺旋叶片进行轴向移动及径向抛洒运动，则大部分时间落在滚筒的右部及底部。由此可知，对于本文所研究的红外杀青机，其大部分热量辐射在鲜叶上，热能利用率高，从而提高杀青效率；而电加热结构杀青机，温度场分布均匀，则只有少部分热量作用于鲜茶叶，热能利用率低。

图4(a)为2 s时，茶叶颗粒的温度基本为初始设定温度300 K；图4(b)、(c)分别为20，45 s时，茶叶颗粒被壁面加热并随滚筒转动的抛洒和轴向移动温度分布图。由图4可知，20 s时，茶叶颗粒温度上升到306 K左右，45 s时，上升到318 K左右。模拟结果表明，电加热方式的杀青叶温度在45 s内上升了18 K。

图3 电加热和红外辐射杀青机滚筒内预加热流场温度分布截面图Figure 3 Sectional view of temperature distribution of pre-heating flow field in the cylinder of electric heating and infrared de-enzyme machine

图5(a)为2 s时，茶叶颗粒的温度也为初始设定温度300 K左右；图5(b)、(c)分别为20，45 s时，茶叶颗粒被红外辐射加热并随着滚筒转动在滚筒内的抛洒和轴向移动。由图5可知，20 s时，茶叶颗粒温度上升至320 K左右；45 s时，上升至347 K左右。模拟结果表明，红外辐射方式的杀青叶温度在45 s上升了47 K，比电加热方式高出29 K。在相同杀青时间内，杀青叶在红外杀青机滚筒内的升温速度比在电加热方式升温快161%。由图6可知，当茶叶物性参数相同时，相对于电加热方式，杀青叶受红外辐射加热较电加热升温快得多，杀青效率更高。

图4 电加热机滚筒内茶叶颗粒在不同杀青时间的运动及温度分布Figure 4 The motion trial and temperature distribution of tea particles in different de-enzyme time in the cylinder of electric heating de-enzyme machine

由图7可知，电加热杀青机的颗粒温度分布在312～320 K，该温度段内颗粒数量达到99.35%；红外杀青机的颗粒温度分布在333～369 K，该温度段内颗粒数量达到99.45%。由此可知，在相同杀青时间内，红外杀青机内茶叶颗粒的温度整体较高，在短时间内均达到了快速升温的效果。因此，与电加热杀青机相比，本装置采用的红外加热系统更能符合杀青叶需快速升温以钝化氧化酶活性的杀青要求。

图6 电加热和红外杀青机滚筒内茶叶颗粒在0～45 s的温度曲线Figure 6 Temperature curve of tea particles in 0～45 s in the cylinder of electric heating and infrared de-enzyme machine

综上模拟分析，红外辐射杀青机的热能利用率要高于电加热的，大大提高杀青效率。

3.2 试验验证

为验证模拟过程中模型选择的正确性，本文采用MAX6675温度传感器安置在红外辐射杀青机滚筒内壁面，对滚筒壁面升温情况进行监测，得到壁面升温实测曲线，同时在杀青机模型壁面相同位置处设置监测点，模拟监测点的升温变化。由图8(a)可知，当用3根红外管加热到2 500 s时，滚筒内温度实测值趋于平稳，约为355 K，而模拟值在2 500 s时，基本稳定在351.5 K左右，模拟值与实测值相对误差为0.99%；由图8(b)可知，当采用4根红外管，实测值在2 500 s时，基本稳定在371 K左右；模拟值在2 500 s时，基本稳定在371 K左右，相对误差为0；由图8(c)可知，当采用5根红外管，实测值在2 700 s时，基本稳定在387 K左右；模拟值在2 700 s时，基本稳定在389.5 K左右，相对误差为0.65%左右。经过3组实测与模拟对比，模拟值与实测值的误差都较小，说明杀青机模拟所选模型和参数设置是正确的。

图7 电加热和红外辐射杀青机滚筒内不同温度场下茶叶颗粒数量分布

Figure 7 Quantity distribution of tea particles in different temperature fields in the cylinder of electric heating and infrared de-enzyme machine

4 结论

试验为探讨滚筒内杀青叶的温度变化情况，采用Fluent-EDEM耦合模拟滚筒内流场分布状态，得到了红外杀青机与电加热杀青机的流场温度及茶叶颗粒温度模拟值。模拟结果表明：在相同杀青时间内，红外辐射杀青机内茶叶升温速率约为电加热杀青机的161%，且在相同时间内，红外杀青机滚筒内茶叶颗粒温度整体较高，证明了该装置红外辐射杀青效果优于电加热的。 同时滚筒内螺旋导叶板的螺旋角、倾角、导叶板高度对滚筒内茶叶起着抛洒的作用，对茶叶与滚筒内温度流场的接触会产生影响，因此研究也可以为导叶板的结构参数设计和优化提供依据。

图8 不同数量红外管时壁面实测与模拟曲线的对比Figure 8 Comparison between measured and simulated wall curves of 3, 4 and 5 infrared tubes