基于Fluent 的打葉機內部流場數值模擬

向靖鋒，王立華，黃亞宇

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學 機電工程學院）

0 引言

作為煙葉生產線中第一道原料加工處理工序[1]，煙草打葉效果的好壞直接影響著后續復烤、制絲工藝過程中煙葉的品質，對整個煙葉的生產過程起著至關重要的作用[2-4]。如何提高成品煙草質量、降低打葉復烤加工工藝過程中煙草原料的損耗，是提高煙草行業經濟效益的重點所在。有國內外學者的研究指出，煙葉的物理特性會受到煙葉溫濕度的影響[5]，打葉復烤過程中，煙葉的物化特性對出片率存在一定相關性[6]，通過在一定范圍內對煙葉的含水率和溫度的改變和調控，可以提高打葉過程的質量和降低造碎率[7]。上述研究成果具有較好的參考價值，指出了煙葉物化特性與環境溫度、流場存在一定的聯系，但上述研究方法均未考慮打葉機內部流場對打葉工序的影響。

煙葉是質量與密度較小的物體，其受到空氣流場的影響較大，通過對打葉機箱體內部流場進行研究，可以深入地揭示打葉復烤工藝過程中多相參數與煙葉變化的內在關系與規律。本文基于三維建模軟件與CFD 軟件建立包含打葉機箱體、打葉刀輥、打葉框欄的模型，并對其內部的空氣流體壓力、速度、溫度場模型進行分析研究，同時解決因為流場導致煙葉堆積問題，為更加精細地滿足現代化生產數字模型提供理論基礎。

1 打葉機流場分析及模型建立

1.1 打葉機內部流場分析

打葉機工作過程中，煙葉在傳送帶和一定風力的作用下從進料口進入打葉機內部，并在打葉刀輥的轉動下被打擊破碎，最后通過框欄落入下方出料通道后，從出料口被運輸至下一道煙草加工工序，除固體成分的相互作用外，在整個打葉工序過程中伴隨著空氣流體的熱流作用。整個煙葉打葉機結構模型如圖1 所示。

圖1 打葉機結構模型Fig.1 Leaf threshing machine structure model

1.2 打葉機模型的建立

滑移網格模型（Mesh-motion model）是在求解多運動參考系問題時最精確的理論模型，相對于其他的動網格技術，滑移網格不需要進行網格重構，能夠節約計算機資源，并且在運動計算過程中，網格質量不會發生改變[8]，非常適合對轉子-定子作用的運動模型進行瞬態流場計算。因此，本文采用滑移網格模型對打葉機體內部包含轉子區域（打葉刀輥）與定子區域（打葉機箱體）的流場進行仿真計算。擬以云南省某煙葉復烤廠臥式打葉機為原型，建立適用于滑移網格的三維結構模型，再對模型中的箱體流域和旋轉流體區、旋轉流體區和打葉刀輥區分別實行布爾減法運算，得到可用于滑移網格計算的打葉機流體區域模型，如圖2 所示。

圖2 打葉機流體區域模型Fig.2 Leaf threshing machine fluid region model

建立流體區域模型后，利用Workbench 的mesh 模塊對打葉機箱體模型及旋轉流體區進行網格劃分。考慮到計算機計算效率與計算精度，本文選擇默認CFD 網格劃分方式對模型進行網格劃分，最終得到節點數為40 906、網格單元數為190 441 的網格模型。最終將劃分好的網格模型導入Fluent 軟件進行流場仿真計算。

2 打葉機流場仿真方法

2.1 計算模型選擇

2.1.1 標準的k-ε 湍流模型

由Launder 和Spalding 提出的k-ε 湍流模型能對強旋流的仿真模擬提供較好的計算精度[9]，它主要由湍流動能和耗散率這兩個傳遞方程表達湍流模型，其表達式[10]為

式中：k——湍動能；ε——湍動能耗散率；C1ε，C2ε——常量；σk，σε——k 方程和ε 方程湍流模型常數；Sk，Sε——自定義的湍動能項和湍流耗散源項。

1.1.2 Realizable k-epsilon 模型

Realizable k-epsilon 模型是對標準的k-ε 湍流模型進行部分改進，引入了更加合理的湍流粘度公式，并使用了由準確渦流脈動傳輸方程推導出的新的能量消散率的傳輸方程[11]，因此，選擇更加精確的模擬平面與圓形射流擴散速度的Realizable k-epsilon 模型，能夠使打葉刀輥的旋轉流的計算更加符合真實情況。該模型可表示為[12]

式中：Gk——由層流速度梯度所產生的湍動能項；Gb——由浮力所產生的湍動能項；YM——在可壓縮流動中湍流脈動膨脹到全局流程中對耗散率的貢獻項；C3ε——常量；σk，σε——k 方程和ε 方程湍流模型常數；Sk，Sε——自定義的湍動能項和湍流耗散源項參數。

2.2 邊界條件的設定

要在Fluent 中期望獲得問題的解，必須要指定壁面條件，確定邊界的類型以及流體區域的變量與計算模型，由于打葉機箱體中只有進出口部分為流體可通行壁面，本文按照打葉機結構模型定義進出口邊界，采用常用的流體速度進口和壓力出口邊界條件。進口速度設定為恒定進風速度，壓力出口設置壓力為大氣壓強，流體材料設置為空氣（Air）。將打葉機箱體與打葉機刀輥壁面設置為流體不可通過的墻面（Wall），旋轉流體區域的滑移網格模型并設定一定的旋轉速度，近壁面區域的壁面函數選擇可縮比例壁面函數（Scalabe wall functions）模型。將計算方式改為適用于滑移網格的瞬態方式。

流場參數設定完成后，通過Fluent 湍流模型對打葉機內部流場進行仿真計算，當模型中迭代計算的殘差變化值呈現一定規律性時可認為迭代收斂并停止仿真。

3 數值模擬結果分析

通過后處理模塊建立云圖參考平面，并通過建立云圖獲得打葉機內部流體壓力場分布,如圖3（a）所示。由于打葉刀輥作高速旋轉運動，在其周圍為高速旋轉流體區，流體速度分布與箱體其余通道區域的速度相差較大，導致流速較慢部位云圖色彩區分不明顯，為了將流速較慢部分速度分布更加明顯化，將速度數據以全局矢量箭頭標示和緩速區域霧狀渲染的方式進行繪制，最終獲得速度分布圖如圖3（b）所示。溫度場分布由使用Fluent 后處理中的立體渲染方式繪制，如圖3（c）所示。

圖3 打葉機內部流體壓力、速度、溫度分布圖Fig.3 Pressure,velocity and temperature distribution of fluid in leaf hreshing machine

圖4 打葉機內部旋轉回流分布區域Fig.4 Rotary backflow distribution area inside leaf threshing machine

以上分布圖均為速度入口進風速度為1 m/s，刀輥旋轉速度為541 r/min，順時針旋轉，入口熱風溫度為54 ℃的箱體中心部位結果展示。通過合理范圍內改變速度入口的進風速度（0.1～1.0 m/s，10 個梯度）、溫度（54±6 ℃，3 個梯度）以及打葉刀輥旋轉速度（520～553 r/min，4 個梯度），并對結果進行對比，發現仿真結果中進風速度在一定范圍內改變后，對打葉部位即旋轉流體區的壓強、流體速度影響較小，打葉刀輥轉速改變對內部壓強影響不大、刀輥轉速的提升對旋轉流體區域的空氣流速有較小的提升，打葉機內部的溫度對于進風速度及打葉刀輥的轉動速度變化的反饋不明顯，當恒溫熱流體勻速通過打葉機箱體并趨于穩定后，打葉機內部熱流場幾乎呈現為恒溫環境。

通過對流體流速方向結果觀察發現，在打葉機內部存在3 處旋轉回流區域，如圖4 所示。其中，回流區域1，2 部位處的煙葉會受到重力作用，從而脫離空氣回流區域進入正常的打葉路徑，但回流區域3 處煙葉有可能在流場的作用下形成堆積現象。針對空氣回流導致煙葉在出料區堆積問題，本文提出2 種解決方案：

（1）在出料區右側添加一個進風口，利用新的流場使回流區域3的旋轉流場消除。

（2）在出料口右側設置一塊傾斜擋板，阻斷回流區流場的形成。

根據以上兩種方案，添加新創建的幾何模型和邊界條件，利用Fluent再次進行仿真模擬，最終得到添加進風口和添加傾斜擋板后的出料區流場分布，如圖5、圖6所示。從仿真結果看來，兩種方法均可解決出料口處因旋轉回流導致煙葉堆積問題。

圖5 添加進風口后的出料區流場分布Fig.5 Flow field distribution in discharge area after adding air inlet

圖6 添加傾斜擋板后的出料區流場分布Fig.6 Flow field distribution in discharge area after inclined baffle is added

4 結論

本文通過Fluent 軟件對打葉機內部的流場進行了仿真模擬，并獲得打葉機內部圖像，通過合理范圍內改變速度入口的進風速度、溫度以及打葉刀輥旋轉速度，并對結果進行對比，得到以下結論：

（1）打葉機內部流場在通入恒溫的空氣氣流后，其箱體內部環境呈現出恒溫的穩態趨勢，在打葉過程中，煙葉的物理特性不會因溫度變化而導致較大改變。

（2）合理范圍內的進風速度改變對旋轉流體區域的流場影響較小，打葉刀輥旋轉速度在打葉工藝允許情況下變動后，不會對流場造成過大變化。

（3）出料區會形成旋轉回流流場，可能會導致煙葉打葉過后在出料區形成堆積現象，通過添加底部進風口或者設置傾斜擋板均可消除回流導致的葉片堆積。