基于EDEM-FLUENT耦合的ZJ17卷煙機梗簽分離數值模擬與試驗

劉小川　蔡培良　樊瑜瑾　李哲坤　楊劍鋒

摘 ?要： 為減少ZJ17卷煙機組在生產煙支時的煙絲浪費，降低梗中含絲率，基于計算模型更加準確真實的EDEM-FULENT耦合仿真技術，建立更加接近實物的梗簽、煙絲顆粒模型，對ZJ17卷煙機組生產時真空浮選腔的負壓分離在不同負壓下進行了數值模擬與仿真分析，并以曲靖卷煙廠生產的“云煙（軟紫）”品牌煙絲為試驗對象進行試驗，結果表明：①最佳分離負壓為-1.2?KPa，可使梗中含絲率由20.27%降低至1.80%，每臺ZJ17卷煙機組每年可節約成品煙絲超過3000?kg;②EDEM-FLUENT耦合仿真技術針對煙草行業同樣具有可行性，且較之FLUENT具有更高的準確性。

關鍵詞：?EDEM-FLUENT耦合;煙絲;梗簽;ZJ17卷煙機組;真空浮選腔;負壓分離;模擬

中圖分類號：?TS433????文獻標識碼：?A????DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.02.016

【Abstract】： In order to reduce the waste of tobacco in the production of ZJ17 cigarette maker and reduce the shred content in slivers， a closer model of stem and tobacco particle was established based on the EDEM-FULENT coupling simulation technology which has more accurate calculation models， The negative pressure separation in the vacuum flotation chamber when the ZJ17 cigarette maker produced was simulated and analyzed under different negative pressures. And the "Yunyan （Soft Purple）" brand tobacco in Qujing Cigarette Factory was tested. The results indicated that： 1） The best separation negative pressure is -1.2?KPa， which can reduce the shred content in the tobacco?from 20.27% to 1.8%. Each ZJ17 cigarette maker can save 1500?kg of finished tobacco every year. 2）?The EDEM-?FLUENT coupling simulation technology is also feasible for the tobacco industry， and has higher accuracy than FLUENT.

【Key words】： EDEM-FLUENT coupling; Cut tobacco; Sliver; ZJ17 cigarette maker; Vacuum floating chamber; Negative pressure separation; Simulation

0??引言

在實際生產調查中發現，紅云紅河煙草（集團）有限責任公司曲靖卷煙廠ZJ17卷煙機組梗簽分離回收裝置的分離效果不甚理想，分離出的梗簽中通常仍含有20%以上的煙絲，長此以往，將會造成煙絲巨大的浪費。針對機組存在的問題，林朝輝等將二次分離裝置煙絲送料管道改為“S”形，提高了分離效率[1];廣東中煙梅州卷煙廠通過增加第三次風分來實現梗簽的充分分離[2];張皓天等通過對比圓形浮選腔與方形浮選腔，并設置二次離心風分來優化分離效率[3]。但是這些改進主要是通過改變裝置內部結構來提升分離效果，因此可能會對卷煙機組的整體性能以及煙絲質量造成影響。分離負壓是影響分離效率的重要因素，但在目前的生產中尚無關于負壓設定的相關標準。而吳磊等通過FLUENT對圓錐管及Z型風道進行了煙絲氣力輸送特性的研究[4];朱德勇等基于FLUENT對不同風速下Z型風道的梗絲分離進行了模擬[5]。但是由于FLUENT算法的缺陷性，這些研究的仿真模型均是球體，與梗簽、煙絲實物在流場中的受力有較大差異，且僅僅基于FLUENT的算法會忽視顆粒運動過程中的碰撞，因此這些研究的模擬分析仍不夠完善。針對FLUENT的固有缺陷，心男通過EDEM-FLUENT的耦合技術對不同進氣壓、不同轉速下的氣吹式排種器進行了模擬，發現仿真結果與試驗結果非常接近[6]，王建明等通過EDEM-FLUENT耦合技術對攪拌罐內多相流的混合進行了數值模擬[7]，初步證明了耦合技術的可行性。因此，可以通過EDEM-Fluent耦合仿真模擬技術，對不同分離負壓條件下浮選腔內的流場以及顆粒的運動分布進行模擬分析，并進行實驗驗證，從而選取最優化控制參數，以達到降低煙絲消耗量的目的。目前國內尚無針對煙絲、梗簽顆?；贓DEM-FLUENT耦合技術的研究，使用此方法進行煙絲、梗簽顆粒負壓分離的數值模擬對梗簽分離裝置的設計以及煙廠的精益化生產具有重要意義。

1 ?分離負壓范圍的確定

ZJ17卷煙機組梗簽分離裝置結構如圖1所示，其真空浮選腔是處于垂直方向得負壓風道系統，而影響煙絲、梗簽顆粒上升或者下降的就是腔內空氣的流體速度V空氣與煙絲、梗簽顆粒的沉降速度V沉降。在真空浮選腔中，當V空氣>V沉降時，較輕的煙絲就會上升，并從上方出口處進入煙絲送料管道;當V空氣

2 ?模擬方法的選擇

因為浮選腔中安裝有側壁擋塊和下擋塊，所以在煙絲、梗簽進行負壓分離的過程中存在大量的碰撞，其中包括煙絲、梗簽顆粒對器壁的碰撞以及顆粒與顆粒之間的碰撞，而這些碰撞正是顆粒在浮選腔中無規則上下飄動的重要因素之一。但是由于FLUENT算法的局限性，其在模擬運算的過程中并沒有考慮碰撞的因素，因此運算結果與實際誤差較大。針對此問題，可以通過UDF程序將FLUENT與EDEM進行耦合，其優點在于：能夠真實地把煙絲、梗簽顆粒的各項物理屬性表現出來，通過計算懸浮腔內空氣流場與顆粒間作用力，模擬分析出碰撞帶來的影響，并通過顆粒運動方程計算出各個顆粒得瞬態分布及運動軌跡，從而更能準確地模擬出空氣和煙絲、梗簽顆粒相互作用得影響[11]。EDEM-FLUENT耦合求解過程如圖2所示。

3 ?建立仿真模型

使用Solid works對真空浮選腔建立3D模型，如圖3所示。當浮選腔工作時空氣充滿了腔體，因此使用Fill工具建立流域，且流域模型尺寸與腔體尺寸相同。再導入Meshing劃分網格，并設置相應的進壓口in1、落料口in2、出壓口out與壁面wall，如圖4所示。

在進行仿真模擬之前，需對EDEM及FLUENT進行前處理設置。在EDEM中，選擇Hertz-Mindlin無滑動碰撞模型，設置壁面為304不銹鋼，重力加速度–9.81?m/s2，時間步長為3×10–6，內部網格尺寸為3?mm，劃分網格118080個。304不銹鋼、煙絲、梗簽材料屬性與相互作用系數如表1、表2所示。

在EDEM中對梗簽與煙絲顆粒的建模，使用球形顆粒堆疊出較為接近實際的顆粒形狀，可將仿真過程中顆粒受力的誤差計算減小到最低，其算法準確性已遠超fluent傳統仿真中單純的球形顆粒[12]。煙絲常呈長絲狀，梗簽常呈粗條狀，其顆粒模型如圖5、圖6所示。設置顆粒工廠時，根據實際情況將in1設置為梗簽、煙絲顆粒入口，入射速度均為2.8?m/s，梗簽顆粒產生速率為80個/s，入射時間5?s，產生顆粒總數400個，長度在3～15?mm之間隨機生成;煙絲顆粒產生速率為24個/s，入射時間5?s，產生顆?？倲?20個，長度在3～25?mm之間隨機生成。

在FLUENT中，選擇Lagrangian耦合方式[13-14]，進口壓力處于標準大氣壓，出口負壓為變量設定，采用PISO迭代方式，并設置時間步長0.05。

4 ?仿真分析

4.1 ?不同負壓對分離效果的影響

為在計算所得負壓范圍–0.8?KPa～–1.3?KPa中，尋得一個準確的風分負壓使得生產“云煙（軟紫）”品牌的ZJ17卷煙機組的生產效益達到最高，因而設定12組不同出口負壓進行分離仿真，通過EDEM后處理模塊對真空浮選腔上出口捕獲的煙絲顆粒、逃逸的梗簽顆粒與下出口捕獲的梗簽顆粒、逃逸的煙絲顆粒進行統計分析。為了評價分離效果，引入梗中含絲率（下方出口中煙絲質量占比）與絲中含梗率（上方出口中梗簽質量占比），得到仿真結果如表3所示。當分離負壓小于–0.7?KPa時，梗簽顆粒全部通過下方落料口落入梗簽收集料斗，隨著負壓逐漸增大，逃逸的梗簽逐漸增多，捕獲到的煙絲顆粒也逐漸增多，梗中含絲率也隨著負壓的增大而減小，并在–1.2?KPa時達到最低，之后逐漸增大，絲中含梗率則總體呈現增大的趨勢。負壓超過1500Pa后，雖然捕獲的煙絲質量逐漸減少，但此時絲中含梗率過大，已超出“云煙（軟紫）”的生產工藝標準。而在–0.8～–1.3?KPa范圍內，–1.2?KPa時捕獲的煙絲質量最大，但與–1.3KPa時相比差距不大，且絲中含梗率也仍在工藝標準范圍內。但考慮到–1.3?KPa時的完全分離時間多出了5.1?s，因此選擇–1.2?KPa作為對ZJ17卷煙機生產的“云煙（軟紫）”品牌綜合經濟效益提升最大的最佳分離負壓。

4.2 ?顆粒的運動分析

梗簽、煙絲顆粒以斜45°向下的方向從in1射入真空浮選腔，在重力、浮力、氣壓梯度力、附加質量力等[9]的作用下在腔內上下浮動，在經過顆粒之間以及顆粒與器壁之間的相互摩擦、碰撞之后，各個顆粒的運動更為復雜。在–1.2?KPa條件下，仿真過程中各顆粒的運動情況如圖7所示。在分離過程中，煙絲、梗簽顆粒的運動速度不相同，其變化規律如圖8所示。煙絲、梗簽顆粒進入真空浮選腔后在負壓的作用下作勻加速運動，在2?s左右達到最大值，隨后梗簽顆粒逐漸減速至5.6?m/s的速度并上下波動直至分離。煙絲顆粒則一直減速，并在8s左右的時間減為0，說明煙絲顆粒在此時已完全分離。

5??試驗設計

為驗證仿真結果，以紅云紅河煙草（集團）有限責任公司曲靖卷煙廠生產的“云煙（軟紫）”品牌卷煙為實驗對象，選擇一臺在產ZJ17卷煙機組為試驗設備，在10天中每一天的相同時間段內進行一次對比試驗（共計10次），并且保證每次都是同一批次的煙絲進行對比試驗，在測試過程中不得更改ZJ17卷煙機任何設置。在不同負壓下，在真空浮選腔下方落料口收集落料1?min，并對其中的梗簽、煙絲進行統計分析，結果如表4所示。

6??數據分析

由表4可知，通過ZJ17卷煙機組生產“云煙（軟紫）”品牌煙支時，在–1.2?KPa下，真空懸浮腔會浪費較少的煙絲，梗中含絲率最低，且其總體的變化趨勢也是先減后增，這與仿真結果基本一致。而且較使用最佳分離負壓前，梗中含絲率自20.27%降低至1.80%，若全年工作時間260天，使用最佳分離負壓后每臺機組全年可節約成品煙絲超過3000kg，極大地減少了煙絲消耗。

7??結論

基于EDEM-FLUENT耦合技術，建立形態更接近于實物的梗簽、煙絲顆粒模型，對ZJ17卷煙機組生產的“云煙（軟紫）”品牌煙絲在不同負壓下進行了梗簽負壓分離的數值模擬與仿真分析，并進行了試驗，結果表明：①最佳分離負壓為–1.2?KPa，可使梗中含絲率由20.27%降低至1.80%，每臺ZJ17卷煙機組每年可節約成品煙絲超過3000?kg;②EDEM-FLUENT耦合仿真技術針對煙草行業同樣具有可行性，且較之FLUENT具有更高的適用性與準確性;③目前國內尚無針對煙草行業的基于EDEM-FLUENT耦合仿真研究，可對以后煙草行業的仿真模擬提供參考。

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