茶葉滾筒式搖青機結構優化設計及內部流場數值模擬研究

楊 君，阮承治*，黃毅彪，張見明

（1.武夷學院機電工程學院，福建武夷山 354300；2.農機智能控制與制造技術福建省高校重點實驗室，福建武夷山 354300；3.武夷學院茶與食品學院/中國烏龍茶產業協同創新中心，福建武夷山 354300）

【研究意義】武夷巖茶產于福建北部的武夷山，屬于烏龍茶，是具有巖韻品質特征的中國十大名茶之一，做茶工藝包括搖青、殺青、揉青成型、烘干、烘焙等工藝。其中，搖青是武夷巖茶制作最關鍵工藝，也是武夷巖茶形成烏龍茶香高、味醇的特有加工工序[1]。目前，搖青工藝采用傳統搖青機作業，工作過程中茶青鮮葉隨滾筒轉動，茶葉與茶葉、茶葉與搖青滾筒內壁發生相互碰撞摩擦，在搖青機械力內外效應下，促使青葉梗中的水分遷移、蒸發，組織結構適度損傷、變形，酶促氧化作用下實現茶葉搖青發酵、茶葉滋味物質及香氣物質形成轉化[2?4]。茶葉搖青過程中，茶青需要人工不時去翻動，耗時耗力。【前人研究進展】近年來，研究學者對茶葉搖青機理及茶機械結構進行了廣泛研究。金心怡等[5]對烏龍茶搖青機理，搖青不同機械運動力及機械摩擦力對茶青鮮葉理化變化做了大量研究試驗。周子維等[6]研究搖青機械力對烏龍茶脂肪族類代謝物的轉變及香氣形成影響，并進行搖青葉烏龍茶花果香成分測定分析。黃毅彪等[7]對烏龍茶振動搖青機理進行研究，分析振動搖青工藝對烏龍茶搖青葉溫、細胞破損率等影響，以及搖青毛茶的生化成分影響。虞文俊等[8]基于Fluent?EDEM耦合殺青滾筒內流場數值模擬，研究得出紅外輻射殺青比電加熱殺青茶葉升溫快、殺青效果好。杜風嬌[9]通過茶葉烘干箱流場進行數值模擬，對烘干箱進氣口優化，改善烘干箱流場均勻性。【本研究切入點】研究學者對茶葉的殺青、揉青成型、烘干、烘焙等相關機械結構設計優化有些研究，但針對茶葉搖青機結構優化設計及流場分析研究鮮見。現有搖青機結構不合理，溫度和風力不均勻，搖青過程中茶青需要人工不時去翻動，勞動強度大，工作效率低，茶葉質量難以保證。【擬解決的關鍵問題】本文針對以上問題，擬研究搖青機的結構優化設計，并對搖青筒CFD數值模擬，以求找到改善搖青筒內流場均勻性的方法，并通過茶葉搖青試驗，驗證對比結構優化設計后的新機型與原機型對武夷巖茶搖青品質影響。

1 滾筒式搖青機結構優化設計

1.1 滾筒式搖青機整體結構與工作原理

滾筒式搖青機整體結構設計如圖1所示，整機由福建武夷山市鑫田機械有限公司制造。搖青機滾筒總長3.0 m，直徑1.1 m，搖青室容積大約10.36 m3。機械結構主要由底架、風機、風管、電加熱、傳動裝置、搖青滾筒等組成。電熱絲加熱裝置放置在離心風機進風入口處，加熱后熱風由風管輸送至搖青滾筒內部，搖青筒內依茶葉品種、等級不同裝入相應鮮葉量，以剛好蓋過籠體軸心為宜，在電機帶動下，搖青筒體旋轉，滾筒內的鮮葉茶青隨滾筒一起轉動，茶葉與茶葉、茶葉與搖青滾筒內壁發生相互接觸和碰撞，適宜溫度下實現茶葉搖青發酵。

圖1 搖青機整體結構Fig.1 The overall structure of the stirring machine

1.2 搖青機結構優化

傳統搖青機熱風在離心風機作用下從風管前端吹送至風管末端，風管末端由于設置擋板、并與搖青筒右側壁鑲接，氣流堵塞導致熱風反彈吹回，造成風管末端一側搖青溫度高、風力強度大，搖青筒不同部位風力強度及溫度不均衡，滾筒式搖青機熱風走向圖見圖2。溫度和風力不均勻影響茶葉搖青發酵，風管末端一側溫度高，搖青所需時間縮短，茶葉搖青發酵更快、引發茶葉紅變和發酵過重，同批次的鮮葉搖青品質差異大。

圖2 滾筒式搖青機熱風走向Fig.2 Hot air trend diagram of roller stirring machine

圖3 搖青筒風管結構Fig.3 The different structures of air duct in the cylindrical tank

本研究對滾筒式搖青機進行優化設計，并對風管結構做了3種優化設計方案：（1）風管模型A，在風管內部增設環形擋風圈導流板，增加流阻，將進入搖青筒內的熱風在導流板作用下引導氣流進入到圓筒內部中間區域、改善搖青筒氣流均勻性；（2）風管模型B，改變送風管圓柱側面孔徑的大小，讓風管入搖青筒內部的風孔口加大；（3）風管模型C，改變風管圓柱側面孔的密度，讓風管入搖青筒內部的風孔密度加大；（4）傳統搖青機風管。風管結構見圖3（a）、（b）、（c）、（d）。

通過對上述3種風管優化結構進行搖青筒流場數值模擬，分析風管機械結構和幾何參數對搖青筒溫度場均勻性的影響。

2 滾筒式搖青機CFD數值模擬

2.1 CFD建模與邊界條件

通過Pro/E建立搖青筒三維模型，計算幾何模型如圖4所示，由送風管、搖青筒模型、進出口組成。為使進口的空氣流動充分均勻，結合實際搖青筒進風口處接離心風機的出風口，將搖青筒的進口處延長一定長度的圓形管道，延長的管道段作為靜止處理（不旋轉），搖青筒及內部風管以一定轉速繞中心軸旋轉，分析加裝環形導流板及不加裝環形導流板送風管兩種工況下搖青筒流場分布，風管優化模型B和模型C搖青筒內流場分析方法則類似。

圖4 搖青筒計算幾何模型Fig.4 Computational geometry model of stirring cylindrical tank

網格劃分借助ANSA軟件進行，首先將幾何進行前處理，即修補幾何面，使符合實際模型。幾何面處理后，進行面網格的劃分，其中孔特征采用1～2 mm，風管采用6 mm。體網格類型為trimmer網格，網格數為10 266 145個網格單元。

流體為不可壓縮氣體，其中空氣密度為1.165 kg/m3，空氣粘度為1.859×10?5Pa·s。進口采用速度入口邊界條件，風管入口實測風速15 m/s，風溫50 ℃（根據茶葉搖青工藝要求），出口采用壓力出口邊界條件，搖青筒出口絕對壓力為外界環境大氣壓0.101 325 MPa，溫度為30 ℃。風管壁面邊界轉速15 r/min，搖青筒壁面邊界轉速15 r/min，環境溫度30 ℃，同時，考慮到進口熱氣流與通風管道進行共軛換熱，即固體域與流體域之間通過interface交接作共軛換熱。根據通風管道的材料屬性，將管道的導熱系數定為50.2 W/（m·k）。

2.2 數學模型

滾筒式搖青機的模型作以下幾個假設：假定搖青茶葉物料為多孔介質；物料與熱空氣之間不存在組分轉移；空氣當成粘性為常數的不可壓縮牛頓流體，且流體流動處于穩態；由于熱風風速較高，搖青筒內熱風流動視為湍流。對流場進行數值模擬時，搖青筒內的熱風流動遵循質量守恒方程、動量守恒方程和能量方程[9?10]。

滾筒式搖青機內部空氣流動表現為三維湍流，可應用兩方程渦黏性k?ε模型。湍流輸運方程包括能量輸送方程及能量耗散方程[11?12]，模型如下：

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k方程：

ε方程：

公式Gk為氣流速度變化引起的湍動能k產生項，文中搖青筒內空氣流體視為不可壓縮流體，C1ε、C2ε為經驗常數，取C1ε=1.45，C2ε=1.92，ε為喘動耗散率、k為湍動能。

2.3 搖青筒流場數值模擬

采用計算流體力學軟件STAR?CCM+對3種風管不同結構優化方案（風管優化模型A、風管優化模型B，風管優化模型C）搖青筒流場進行數值模擬。本文以原始搖青筒模型（工況1）與風管增設環形導流板搖青筒模型（工況2）為例，詳細分析對比兩種工況下搖青筒速度云圖、壓力云圖等流場分布特點。其余兩種風管優化模型搖青筒內流場數值模擬分析方法類似，限于篇幅不再重復列出，僅在論文第3部分對溫度場云圖及速度場分布云圖Matlab統計，給出風管模型B、風管模型C與傳統搖青機風管搖青筒流場分析對比結果。

2.3.1 中間斷面速度場云圖 從軸向斷面速度場云圖5可看出：空氣流動主要特點為工況1滾筒風速在送風口一側方向風速衰減較快，風場分布不均勻，在風管局部風速超過了12 m/s，而風速小的地方僅為1～3 m/s。在搖青筒右側氣流可吹到茶葉，而搖青筒左側基本沒氣流（如圖紅色虛線框），筒內的氣流覆蓋率明顯減小，造搖青筒內各處受熱不均勻，難以保證筒內茶葉溫度均勻一致，影響茶葉的搖青效果。工況2在風管加裝導流板后，對局部加壓，改變局部空氣流動軌跡與速度，導流板附近產生幾處渦流區，加強了氣流循環流動，與茶葉產生充分熱對流。搖青筒內風速分布基本均勻，僅底部存在少部分氣流吹不到茶葉（氣流死區），搖青筒整體風速大致在6～8 m/s范圍，風管加裝導流板使搖青筒內氣流分布均勻、對茶葉搖青工藝有利。

圖5 搖青筒軸向斷面速度場分布云圖Fig.5 The cloud map of the velocity distribution of the axial section in cylindrical tank

2.3.2 中間斷面壓力云圖 搖青筒中間斷面壓力分布云圖如圖6所示，由于風管和滾筒鑲接在一起，在通風管的底部氣流由于堵塞，造成工況1風管末端低壓區域。其中，工況2搖青筒風管加入了環形導流板，工況2相對工況1筒內的較低壓區相對較小，增加導流板后，搖青滾筒內壓強分布發生了變化，不再像工況1的壓力分布局域界限分明，而是整個搖青筒風壓改善更加均勻明顯，僅在風管導流板處出現幾處局部高壓區，主要集中在一、二導風板之間，但主要關注點在搖青筒整體區域，氣流緩慢地從風管四周小孔分散流動到搖青筒體區域，負壓區較小，茶葉在搖青過程中增加了通風對流、對茶葉搖青有利。

圖6 搖青筒軸向斷面壓力分布云圖Fig.6 Pressure distribution of the axial section in cylindrical tank

2.3.4 中間斷面溫度云圖 搖青筒中間斷面溫度云圖如圖7所示，對比兩工況的整體溫度分布，工況2相對工況1的搖青筒上部由于小渦流的作用下，氣流溫度分布相對均勻，熱對流效果好，而工況1由于熱氣流并未產生小渦流促使流場充分流動，導致搖青筒高溫區集中在整個風管中心，影響茶葉的搖青效果，相對工況1而言，工況2的整體溫度分布更均勻、效果更佳，對茶葉搖青有益。

圖7 搖青筒Y斷面溫度分布云圖Fig.7 Temperature distribution of Y section in cylindrical tank

2.3.5 搖青筒徑向截面溫度場云圖 因整個搖青筒直徑1.1 m，長度3 m，為分析搖青筒直徑方向的溫度流場，在搖青筒軸向分別截取X=0.5 m、X=1.5 m、X=2.5 m處搖青筒徑向斷面溫度場云圖分析，從兩種工況斷面溫度場云圖8和圖9可看出：結合截面的溫度場云圖和流場云圖，從單個截面的溫度云圖來看，工況1無渦流產生、溫度較均勻，但是結合速度場云圖來看，靠近搖青筒內壁的溫度主要靠滾筒中心的風管溫度來獲取的，并沒有產生氣流對流換熱；而工況2在各個截面溫度較為均勻，且搖青筒內氣流明顯產生一些小渦流，促進搖青筒氣流對流換熱，其中靠近頂部和中間斷面的溫度均勻性仍有改善空間，還可優化風管導流板的間距及導流板尺寸。因此，搖青筒風管增設環形導風板對于茶葉搖青效果更佳。

圖8 工況1搖青筒徑向斷面溫度場云圖Fig.8 Model 1 temperature distribution of radial cross section in cylindrical tank

圖9 工況2搖青筒徑向斷面溫度場云圖Fig.9 Model 2 temperature distribution of radial cross section section in cylindrical tank

3 結果與分析

3.1 搖青筒溫度場云圖、速度分布云圖統計分析

采用Matlab對搖青筒溫度場及速度場截面分布云圖統計分析，根據云圖顏色值代表不同溫度和風速，分別統計出各顏色所占比例，得到風管模型A、B、C及傳統搖青機風管搖青筒流場截面風速與溫度區間的占比統計表（表1、2）。

從表1可以看出搖青筒風管模型方案A風速在中高速段（5.0～14.9 m/s）占比最高，為64.4%；風管模型B、C、傳統搖青機風管搖青筒內中高速段占比依次為56.4%、47.1%、23.9%，搖青筒空氣流動中高風速占比數據說明風管優化模型A方案中的搖青筒流場中的空氣產生較多渦流區，有效促進空氣流動循環，對茶葉搖青有益；而傳統搖青機風管搖青筒流場統計分析數據顯示低速段風速（4.9 m/s及以下）占比高達65.8%，結合搖青筒軸向斷面速度分布云圖分析，搖青筒內空氣循環流動較差，空氣不通透影響茶葉搖青品質。

表1 不同風管模型搖青筒流場截面速度區間占比Tab.1 The proportions of cross section velocity range of the flow field in stirring cylindrical tank with different air duct models

表2 不同風管優化模型搖青筒流場截面溫度區間占比Tab.2 The proportions of cross section temperature range of the flow field in stirring cylindrical tank with different air duct models

從表2風管優化模型A、B、C及傳統搖青機風管搖青筒流場截面溫度區間占比數據分析可知，傳統搖青機風管雖然搖青筒內溫度在中高溫段（318 K及以上）占比最高，為90.4%；風管優化模型A、B、C搖青筒內中高溫段占比依次為82.5%、80.5%、79.4%，但結合搖青筒軸向斷面溫度分布云圖分析可知，傳統搖青機風管搖青筒高溫區域大部分僅集中在風管內部，熱空氣并未滲透到搖青筒籠體內的茶葉。綜合搖青筒內風速中高速及溫度中高溫段占比數據分析，風管優化模型A方案搖青筒流場均勻性最佳，風管模型B和C搖青筒流場次之，傳統搖青機風管搖青筒流場均勻性最差。

3.2 茶葉搖青試驗

為進一步論證數值模擬的準確性，在武夷山香江茶業有限公司開展了滾筒式搖青機優化樣機與傳統搖青機對比試驗。搖青鮮葉為武夷巖茶肉桂品種茶鮮葉。滾筒式搖青機優化樣機做茶試驗見圖10，做茶過程中溫度/風速巡檢儀溫度傳感器、風速傳感器探頭安置在滾筒搖青機內壁面、通風管外壁及風管中心等16個不同位置點，監測記錄茶葉搖青溫度及搖青筒內風速，采樣數據為8組，用統計分析方法求出監測點溫度和風速變異系數CVT和CVv，反映了溫度、風速觀測值數據離散程度，以此作為評價搖青筒內溫度場和風速場均勻性指標[13]。

公式中：σ為溫度和風速的標準差為溫度和風速的平均值。

圖10 搖青機做茶試驗Fig.10 Prototype and manipulation fresh leaves experiment

從表3統計數據可知：優化樣機監測點溫度和風速標準差小，即監測溫度、風速數據波動性小。溫度變異系數、風速變異系數小，分別為0.58%、4.98%，優化后的搖青機樣機比傳統搖青機筒內溫度和風速更均勻。

表3 搖青筒監測點溫度和風速平均值與標準差Tab.3 The average value and standard deviation of the temperature and wind speed at the monitoring points of the stirring cylinder

優化后的搖青機樣機與傳統搖青機在搖青工藝參數（吹風時間、搖青時間、晾青時間、搖青次數）同等條件下進行做茶品質比較，搖青茶樣經殺青、揉捻、烘干工藝最終形成毛茶。搖青機做出的毛茶茶樣則參照茶葉感官審評方法（GB/T 23776—2009），進行茶葉外形、香氣、茶湯色澤、滋味、葉底感官審評[14?15]，毛茶評審結果見表4。結果表明：優化后的搖青機樣機茶葉搖青品質最好，明顯優于傳統搖青機，優化樣機風管加裝環形導流板后，熱風更容易從風管導流進入搖青筒內，搖青筒內溫度更均勻、空氣流動更通透，保證了搖青鮮茶葉的生物活性，茶葉品質提升一個等級。

表4 搖青毛茶審評結果（同一批次樣品）Tab.4 Evaluation results of semi finished tea（the same batch of samples）

4 結論

本文對滾筒式搖青機進行了優化設計，并對搖青筒風管做了3種優化設計方案。用計算流體力學軟件STAR?CCM+進行搖青筒流場CFD數值模擬，并對溫度場和速度場云圖進行Matlab統計處理，結果表明：風管優化模型A方案最佳，風管中合理增設環形擋風圈導流板，在不大幅度提高流阻的前提下，搖青筒內能夠產生小渦流、增加氣流流動，搖青筒茶葉搖青溫度流場均勻性得到有效改善。

通過樣機搖青試驗并監測記錄搖青筒不同位置點的溫度、風速，統計分析搖青筒溫度、風速變異系數，并對茶樣搖青品質感官評審，試驗結果表明：優化樣機搖青筒溫度變異系數、風速變異系數小，搖青筒搖青溫度均勻、增加氣流對流有利于茶葉搖青工藝，提升茶葉品質。