基于Fluent 的打叶机内部流场数值模拟

向靖锋，王立华，黄亚宇

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大学 机电工程学院）

0 引言

作为烟叶生产线中第一道原料加工处理工序[1]，烟草打叶效果的好坏直接影响着后续复烤、制丝工艺过程中烟叶的品质，对整个烟叶的生产过程起着至关重要的作用[2-4]。如何提高成品烟草质量、降低打叶复烤加工工艺过程中烟草原料的损耗，是提高烟草行业经济效益的重点所在。有国内外学者的研究指出，烟叶的物理特性会受到烟叶温湿度的影响[5]，打叶复烤过程中，烟叶的物化特性对出片率存在一定相关性[6]，通过在一定范围内对烟叶的含水率和温度的改变和调控，可以提高打叶过程的质量和降低造碎率[7]。上述研究成果具有较好的参考价值，指出了烟叶物化特性与环境温度、流场存在一定的联系，但上述研究方法均未考虑打叶机内部流场对打叶工序的影响。

烟叶是质量与密度较小的物体，其受到空气流场的影响较大，通过对打叶机箱体内部流场进行研究，可以深入地揭示打叶复烤工艺过程中多相参数与烟叶变化的内在关系与规律。本文基于三维建模软件与CFD 软件建立包含打叶机箱体、打叶刀辊、打叶框栏的模型，并对其内部的空气流体压力、速度、温度场模型进行分析研究，同时解决因为流场导致烟叶堆积问题，为更加精细地满足现代化生产数字模型提供理论基础。

1 打叶机流场分析及模型建立

1.1 打叶机内部流场分析

打叶机工作过程中，烟叶在传送带和一定风力的作用下从进料口进入打叶机内部，并在打叶刀辊的转动下被打击破碎，最后通过框栏落入下方出料通道后，从出料口被运输至下一道烟草加工工序，除固体成分的相互作用外，在整个打叶工序过程中伴随着空气流体的热流作用。整个烟叶打叶机结构模型如图1 所示。

图1 打叶机结构模型Fig.1 Leaf threshing machine structure model

1.2 打叶机模型的建立

滑移网格模型（Mesh-motion model）是在求解多运动参考系问题时最精确的理论模型，相对于其他的动网格技术，滑移网格不需要进行网格重构，能够节约计算机资源，并且在运动计算过程中，网格质量不会发生改变[8]，非常适合对转子-定子作用的运动模型进行瞬态流场计算。因此，本文采用滑移网格模型对打叶机体内部包含转子区域（打叶刀辊）与定子区域（打叶机箱体）的流场进行仿真计算。拟以云南省某烟叶复烤厂卧式打叶机为原型，建立适用于滑移网格的三维结构模型，再对模型中的箱体流域和旋转流体区、旋转流体区和打叶刀辊区分别实行布尔减法运算，得到可用于滑移网格计算的打叶机流体区域模型，如图2 所示。

图2 打叶机流体区域模型Fig.2 Leaf threshing machine fluid region model

建立流体区域模型后，利用Workbench 的mesh 模块对打叶机箱体模型及旋转流体区进行网格划分。考虑到计算机计算效率与计算精度，本文选择默认CFD 网格划分方式对模型进行网格划分，最终得到节点数为40 906、网格单元数为190 441 的网格模型。最终将划分好的网格模型导入Fluent 软件进行流场仿真计算。

2 打叶机流场仿真方法

2.1 计算模型选择

2.1.1 标准的k-ε 湍流模型

由Launder 和Spalding 提出的k-ε 湍流模型能对强旋流的仿真模拟提供较好的计算精度[9]，它主要由湍流动能和耗散率这两个传递方程表达湍流模型，其表达式[10]为

式中：k——湍动能；ε——湍动能耗散率；C1ε，C2ε——常量；σk，σε——k 方程和ε 方程湍流模型常数；Sk，Sε——自定义的湍动能项和湍流耗散源项。

1.1.2 Realizable k-epsilon 模型

Realizable k-epsilon 模型是对标准的k-ε 湍流模型进行部分改进，引入了更加合理的湍流粘度公式，并使用了由准确涡流脉动传输方程推导出的新的能量消散率的传输方程[11]，因此，选择更加精确的模拟平面与圆形射流扩散速度的Realizable k-epsilon 模型，能够使打叶刀辊的旋转流的计算更加符合真实情况。该模型可表示为[12]

式中：Gk——由层流速度梯度所产生的湍动能项；Gb——由浮力所产生的湍动能项；YM——在可压缩流动中湍流脉动膨胀到全局流程中对耗散率的贡献项；C3ε——常量；σk，σε——k 方程和ε 方程湍流模型常数；Sk，Sε——自定义的湍动能项和湍流耗散源项参数。

2.2 边界条件的设定

要在Fluent 中期望获得问题的解，必须要指定壁面条件，确定边界的类型以及流体区域的变量与计算模型，由于打叶机箱体中只有进出口部分为流体可通行壁面，本文按照打叶机结构模型定义进出口边界，采用常用的流体速度进口和压力出口边界条件。进口速度设定为恒定进风速度，压力出口设置压力为大气压强，流体材料设置为空气（Air）。将打叶机箱体与打叶机刀辊壁面设置为流体不可通过的墙面（Wall），旋转流体区域的滑移网格模型并设定一定的旋转速度，近壁面区域的壁面函数选择可缩比例壁面函数（Scalabe wall functions）模型。将计算方式改为适用于滑移网格的瞬态方式。

流场参数设定完成后，通过Fluent 湍流模型对打叶机内部流场进行仿真计算，当模型中迭代计算的残差变化值呈现一定规律性时可认为迭代收敛并停止仿真。

3 数值模拟结果分析

通过后处理模块建立云图参考平面，并通过建立云图获得打叶机内部流体压力场分布,如图3（a）所示。由于打叶刀辊作高速旋转运动，在其周围为高速旋转流体区，流体速度分布与箱体其余通道区域的速度相差较大，导致流速较慢部位云图色彩区分不明显，为了将流速较慢部分速度分布更加明显化，将速度数据以全局矢量箭头标示和缓速区域雾状渲染的方式进行绘制，最终获得速度分布图如图3（b）所示。温度场分布由使用Fluent 后处理中的立体渲染方式绘制，如图3（c）所示。

图3 打叶机内部流体压力、速度、温度分布图Fig.3 Pressure,velocity and temperature distribution of fluid in leaf hreshing machine

图4 打叶机内部旋转回流分布区域Fig.4 Rotary backflow distribution area inside leaf threshing machine

以上分布图均为速度入口进风速度为1 m/s，刀辊旋转速度为541 r/min，顺时针旋转，入口热风温度为54 ℃的箱体中心部位结果展示。通过合理范围内改变速度入口的进风速度（0.1～1.0 m/s，10 个梯度）、温度（54±6 ℃，3 个梯度）以及打叶刀辊旋转速度（520～553 r/min，4 个梯度），并对结果进行对比，发现仿真结果中进风速度在一定范围内改变后，对打叶部位即旋转流体区的压强、流体速度影响较小，打叶刀辊转速改变对内部压强影响不大、刀辊转速的提升对旋转流体区域的空气流速有较小的提升，打叶机内部的温度对于进风速度及打叶刀辊的转动速度变化的反馈不明显，当恒温热流体匀速通过打叶机箱体并趋于稳定后，打叶机内部热流场几乎呈现为恒温环境。

通过对流体流速方向结果观察发现，在打叶机内部存在3 处旋转回流区域，如图4 所示。其中，回流区域1，2 部位处的烟叶会受到重力作用，从而脱离空气回流区域进入正常的打叶路径，但回流区域3 处烟叶有可能在流场的作用下形成堆积现象。针对空气回流导致烟叶在出料区堆积问题，本文提出2 种解决方案：

（1）在出料区右侧添加一个进风口，利用新的流场使回流区域3的旋转流场消除。

（2）在出料口右侧设置一块倾斜挡板，阻断回流区流场的形成。

根据以上两种方案，添加新创建的几何模型和边界条件，利用Fluent再次进行仿真模拟，最终得到添加进风口和添加倾斜挡板后的出料区流场分布，如图5、图6所示。从仿真结果看来，两种方法均可解决出料口处因旋转回流导致烟叶堆积问题。

图5 添加进风口后的出料区流场分布Fig.5 Flow field distribution in discharge area after adding air inlet

图6 添加倾斜挡板后的出料区流场分布Fig.6 Flow field distribution in discharge area after inclined baffle is added

4 结论

本文通过Fluent 软件对打叶机内部的流场进行了仿真模拟，并获得打叶机内部图像，通过合理范围内改变速度入口的进风速度、温度以及打叶刀辊旋转速度，并对结果进行对比，得到以下结论：

（1）打叶机内部流场在通入恒温的空气气流后，其箱体内部环境呈现出恒温的稳态趋势，在打叶过程中，烟叶的物理特性不会因温度变化而导致较大改变。

（2）合理范围内的进风速度改变对旋转流体区域的流场影响较小，打叶刀辊旋转速度在打叶工艺允许情况下变动后，不会对流场造成过大变化。

（3）出料区会形成旋转回流流场，可能会导致烟叶打叶过后在出料区形成堆积现象，通过添加底部进风口或者设置倾斜挡板均可消除回流导致的叶片堆积。