煙葉烘烤干筋期密集烤房熱濕環境數值分析

劉兆宇　羅會龍　陳頤　鄒聰明

摘要：以標準密集烤房為對象，建立計算流體力學（CFD）模型，運用大型模擬軟件（Fluent），對烘烤干筋期密集烤房內部的溫度場、濕度場及氣流組織進行了系統的數值模擬。基于數值模擬結果，分析了密集烘烤典型送風參數下溫度場、濕度場、氣流組織分布的規律及進風口風速與煙葉間隙風速的關系。綜合考慮風機能耗、葉間風速，進風口風速宜選取2.2～3m/s。

關鍵詞：煙葉;干筋期;數值模擬;溫度場;風速場;濕度場;密集烤房

中圖分類號：TS43文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2021）01-0160-06

作者簡介：劉兆宇（1996—），男，湖南邵東人，碩士研究生，主要從事熱泵烘烤及建筑節能相關研究。E-mail：zhaoyuliu123@163.com。

通信作者：羅會龍，博士，教授，主要從事熱泵烘烤及建筑節能相關研究。E-mail：huilongkm@126.com。

進入21世紀后，隨著我國烤煙規模化生產的發展，密集烤房在我國已成為煙葉烘烤設備主要的發展方向[1-2]。烤煙烘烤干筋期是煙葉主脈水分變化的主要階段，同時也是煙葉香氣物質含量和組分變化的關鍵階段[3-6]。在烘烤干筋期，密集烤房內合理的溫度、濕度可以有效提高煙葉烤后的外觀質量，進而提高煙葉烘烤品質[7]，同時干筋期不同的葉間風速對烤后煙葉的香氣品質有直接影響[8-9]。因此，研究烤煙干筋期密集烤房內溫度、濕度分布及氣流組織分布有著重要意義。

近年來，隨著計算流體力學（CFD）的發展，其商業軟件Fluent已廣泛應用于流體和熱量傳遞的數值模擬研究中[10-11]。高維潔等利用Fluent軟件對列管式換熱器性能校核的方法進行了研究[12]。趙海霞等利用Fluent軟件對霧化器霧滴粒徑進行了數值模擬[13]。方文康等利用Fluent軟件研究了多溫區保溫包裝箱不同條件對保溫箱內部溫度場及保溫效果的影響[14]。隨著計算流體力學在農業領域的發展，Fluent軟件在農業工程中的應用也日益增多。徐陽等利用Fluent軟件對水草收割臺進行了結構優化[15]。王娟等利用Fluent對飼草料揉碎機的三維流場進行了數值模擬[16]。段二亞利用Fluent對糧食干燥過程進行了數值模擬研究[17]。

對于煙葉密集烘烤，通過試驗來研究烤房內部熱濕環境不僅浪費人力、物力，還大大地增加了生產成本，因此運用Fluent軟件進行數值模擬研究有著廣闊的應用前景，可以較為精確地分析密集烤房內部溫度場、濕度場及氣流組織分布規律，為最佳的烘烤工藝提供理論依據。在此背景下，本研究運用大型模擬軟件Fluent，對烘烤干筋期密集烤房內部的溫度場、濕度場及氣流組織進行了系統的數值模擬分析。

1材料與方法

1.1基本假設

（1）烤房內的空氣為不可壓縮的理想氣體;（2）烤房的結構密封性良好，沒有漏風現象產生;（3）將烤房內的煙葉視為連續的多孔介質，流體在煙葉區域定義為層流運動，忽略湍流運動的影響;（4）忽略煙葉骨架間的導熱和葉間的輻射傳熱作用，換熱過程中僅涉及對流換熱。

1.2裝煙室物理模型

根據國家煙草總局Q/GDYY019—2011《密集式烤房建設技術規范》建立模型，其尺寸為8200mm×2700mm×3500mm，裝煙室可裝3層煙葉，進風口尺寸為2700mm×400mm，出風口尺寸為1400mm×400mm，裝煙室結構圖如圖1所示。

1.3數學模型

任何流體的流動都遵守質量守恒定律與動量守恒定律，由于裝煙室內的熱空氣流不斷與煙葉中的水分發生熱質交換，密集烤房內的熱濕傳遞及氣流組織的數學模型如下[18-20]：

1.4模型建立及參數設置

1.4.1網格劃分網格劃分見圖2。根據裝煙室原型，以出風口底邊中點為原點建立坐標軸，采用3D建模軟件SolidWorks建立烤房裝煙室模型，使用Fluent前處理軟件ICEM進行網格劃分，為了加快運算速度，使殘差更容易收斂，選用結構化網格，網格數為162360，網格質量為1，滿足模擬精度要求。

1.4.2邊界條件進風口設置為“velocity-inlet”，水蒸氣組分為0;出風口設置為“pressure-outlet”，設置工作環境大氣壓為1個標準大氣壓，出風口壓力為0;裝煙室壁面設置為“wall”，壁面條件設置為絕熱。

1.4.3Fluent參數的設置將網格模型導入Fluent中，Fluent會對網格文件進行初始化檢查，最小體積為1.228069×10-4m3，沒有出現負體積。根據烤房裝煙室模型，湍流模型選用K-epsilon（2eqn）方程，離散控制方程選用SIMPLE算法，設置絕對速度來計算空氣的流速。

2結果與討論

2.1裝煙室氣流場分布及分析

在目前典型的送風條件下（送風溫度T進=340K，進風口風速v進=3m/s，相對濕度=0），截取y=0m截面的速度分布云圖。由圖3-a可知，在裝煙室頂部和底部有明顯的速度梯度變化，熱氣流以3m/s的初速度進入裝煙室后，迅速充滿裝煙室頂部區域，呈現出由裝煙室前部到后部遞減的錐形速度梯度，熱氣流到達裝煙室后部時，速度減至0.85m/s左右，而在裝煙室底部呈現出由裝煙室后部到前部遞增的錐形速度梯度，當熱氣流到達出風口附近時，氣流速度最大，為7.08m/s左右。在煙葉堆積區域，氣流速度最小，同時葉間風速分布均勻，氣流速度為0.28m/s，但在上、中層煙葉和中、下層煙葉層間水平方向上出現了明顯的速度變化，上、中層間速度變化在0.28～0.56m/s，中、下層間速度變化為0.28～0.85m/s。為了更加直觀地觀察煙葉堆積區域的氣流組織分布，設置如圖3-b所示的速度矢量圖，矢量箭頭的大小表示氣流組織的強弱。在煙葉堆積區域，氣流組織整體分布較為均勻，氣流朝著出風口方向運動，但裝煙室前部的氣流組織強度要明顯大于裝煙室后部，并且靠近大門底部的區域氣流組織十分微弱。

本研究分析認為熱空氣進入裝煙室后，由于上層煙葉的阻礙作用，氣流在裝煙室頂部水平流動，隨著熱氣流動能損失，流速逐漸減小，所以頂部呈現遞減的錐形速度梯度。熱空氣進入煙葉堆積區域后進行層流運動，同時受到煙葉的黏性阻力和慣性阻力作用，所以煙葉堆積區域風速較均勻。在進出口的壓差作用下，出風口處出現遞增的錐形速度梯度，并且速度變化較大。

2.2裝煙室溫度場分布及分析

在目前典型的送風條件下（送風溫度T進=340K，進風口風速v進=3m/s，相對濕度=0），截取Y=0m截面的溫度分布云圖，由圖4可知，裝煙室頂部和上層煙葉區域溫度分布均勻，溫度為339.96～340.00K，中層煙葉區域至下層煙葉區域溫度梯度變化較大，且溫度向裝煙室底部遞減，裝煙室底部溫度較低，最低溫度出現在裝煙室大門底部區域，溫度為339.30～339.40K。

為了更直觀地看出水平方向不同位置上的溫度分布情況，本研究截取z=0.8m、z=1.6m、z=2.4m3[CM（15]個截面上的溫度分布云圖。由圖5-a可知，在上層煙葉區域，水平方向上整體溫度分布較為均勻，但在前部出現了輕微的溫度分層，該部分溫度為339.93K左右，水平方向上最大溫差為0.03K。由圖5-b可知，在中層煙葉區域，前部小范圍區域出現了溫度分層現象，在中后部位置更加明顯，水平方向上最大溫差為0.1K左右。由圖5-c可知，在下層煙葉區域，水平方向上的溫度分布不均勻，且出現明顯的分層現象，且溫度由前部向后部遞減，最高溫度出現在最前端中間位置，溫度為339.80K左右，最低溫度出現在最前端左右2個角落處，最低溫度為339.30K左右，水平方向上最大溫差為0.50K左右。

為了研究在不同位置垂直方向上的溫度分布，截取x=2.0m、x=4.0m、x=6.0m這3個截面的溫度分布云圖。由圖6可知，在裝煙室內不同的位置，上層煙葉區域的垂直溫度分布較為均勻，基本沒有溫度變化，溫度為339.96K左右。但在中層和下層煙葉區域，隨著位置的改變，在垂直方向上的溫度梯度有較為明顯的差異。由圖6-a可知，裝煙室前部（靠近出風口一側）垂直方向上的溫度梯度較均勻，溫度由上到下均勻遞減，底部溫度為339.40K左右，最大溫差為0.56K左右。由圖6-b可知，裝煙室中部垂直方向上的溫度梯度在中層煙葉區域較為均勻，但在中、下層煙葉交界區域溫度梯度與裝煙室前部相比變化較大，并且底部低溫區域占比與裝煙室前部相比有所增加，底部最低溫度為339.38K左右，垂直方向上最大溫差為0.58K左右。由圖6-c可知，裝煙室后部垂直方向上的溫度梯度變化最大，并且底部的低溫區域占比較裝煙室前部和中部出現明顯增大，約占垂直平面的1/5左右，最低溫度為339.35K左右，垂直方向上最大溫差為0.61K左右。

本研究分析認為，烘烤過程中在循環風機的作用下，熱空氣流過煙葉區域，將熱量傳遞給煙葉，并帶走煙葉干燥過程中蒸發出的水分，使得煙葉區域的熱濕空氣被新的熱濕空氣替代;同時由于氣流組織分布不均勻，導致裝煙室內水平方向和垂直方向出現溫度梯度，裝煙室前部的氣流組織明顯大于裝煙室后部;因此裝煙室前部區域內的熱濕空氣能夠迅速被氣流組織帶走，使得該區域溫度分布更加均勻，由于裝煙室后部氣流組織十分微弱，滯留的熱空氣不能及時被新的熱空氣所替代，溫度逐漸降低，因此出現較大范圍的低溫區域。

2.3裝煙室濕度場分布及分析

在目前典型的送風條件（送風溫度T進=340K，進風口風速v進=3m/s，相對濕度=0）下，截取x=2.0m、x=6.0m、y=0m、z=1.6m4個代表性的截面組成水蒸氣分布圖（圖7）。由圖7可知，在裝煙室頂部及上層煙葉區域水蒸氣含量極小，水蒸氣質量分數為0～0.0003，但在進風口下部

[FK（W36*3][TPLZY6.TIF][FK）]

區域含有少量水蒸氣，水蒸氣質量分數為0.0014左右。在中層煙葉區域，裝煙室前部水蒸氣含量略低于后部，但整體分布較為均勻，水蒸氣質量分數為0.0011左右。在下層煙葉區域，水蒸氣分布相對最不均勻，裝煙室前部水蒸氣質量分數為0.0014左右，裝煙室后部水蒸氣質量分數為0.0027左右。在裝煙室底部區域水蒸氣含量最高，并且由裝煙室出風口至大門方向逐漸增大，在大門底部區域水蒸氣含量最大，水蒸氣質量分數為0.0038左右。

本研究分析認為，裝煙室前部的氣流組織較強，因此熱空氣與煙葉熱交換后蒸發出的水蒸氣被氣流組織迅速帶走，因此裝煙室前部的水蒸氣含量少于后部。煙葉堆積區域蒸發的水蒸氣跟隨氣流組織運動，上層煙葉蒸發的水蒸氣跟隨氣流向下層運動，所以下層水蒸氣含量要高于上層，同時由于裝煙室前部到后部的氣流組織逐漸減弱，一部分水蒸氣受慣性作用影響滯留在裝煙室底部，在壓差作用下，底部出現遞增的速度梯度，靠近出風口一側的滯留水蒸氣隨著氣流組織向出風口運動，因此底部區域水蒸氣含量較高，并且該區域占比由出風口一側向裝煙室后部逐漸增大。

3進風口風速與煙葉間隙風速的關系

3.1進風口風速對進出口壓差的影響

裝煙室進風口與出風口形成的壓差是裝煙室內氣流組織流動的動力來源，為了研究兩者的聯系，在Fluent軟件中改變入口速度和相對應的邊界條件參數進行模擬。由圖8可知，隨著進風口風速的增加，壓差呈指數上升趨勢。當進風口風速v≤3m/s時，隨著進口風速的增加，壓差緩慢上升，隨著壓差增大，裝煙室內氣流組織增強，能有效提高裝煙室內的溫度、濕度分布的均勻度。當進風口風速v>3m/s時，隨著進風口風速增加，壓差急劇上升，雖然氣流組織明顯增強，但風機能耗也將隨之上升。

3.2進風口風速對煙葉間隙風速的影響

煙葉間隙的氣流流速決定了水分從煙葉內部散失的速度，流速過大會增加相同時間內的能源消

耗，使烤后煙葉香氣淡，辛辣味重，刺激性大[6];而流速過慢則會影響煙葉的干燥速度，降低烘烤效率。采用“3.1”節中相同的方式進行數值模擬。由圖9可知，隨著進風口風速的增加，葉間風速線性增加，并且葉間風速變化幅度較小。宮長榮等指出，煙葉烘烤干筋期葉間風速以0.2～0.3m/s為宜[21]，根據模擬結果，其對應的進風口風速為2.2～3.2m/s，綜合考慮風機能耗，進風口風速宜在2.2～3m/s之間選取。

4結論

基于干筋期密集烤房內的熱濕傳遞及氣流組織數學模型，采用Fluent軟件對密集烤房裝煙室內溫度場、速度場、濕度場進行系統分析，模擬結果表明：

（1）在裝煙室內溫度場、速度場和濕度場三者在同一個位置的分布是相互關聯的。

（2）進風口風速與煙葉間隙風速呈線性關系，并且煙葉風速變化受進風口風速影響較小。

（3）綜合考慮風機能耗和葉間風速，進風口風速宜在2.2～3m/s之間選取。

參考文獻：

[1]鐵燕，和智君，羅會龍.煙葉烘烤密集烤房應用現狀及展望[J].中國農學通報，2009，25（13）：260-262.

[2]段紹米，羅會龍，劉海鵬.煙葉密集烤房的研究應用進展與改進設計[J].江蘇農業科學，2019，47（1）：202-207.

[3]詹軍，武圣江，賀帆，等.密集烘烤干筋期溫濕度對上部煙葉外觀質量和內在品質的影響[J].甘肅農業大學學報，2011，46（6）：29-35.

[4]詹軍，宮長榮，李偉，等.密集烘烤干筋期干球和濕球溫度對煙葉香氣質量的影響[J].湖南農業大學學報（自然科學版），2011，37（5）：484-489.

[5]宮長榮，汪耀富，趙銘欽，等.烘烤過程中煙葉香氣成份變化的研究[J].煙草科技，1995（5）：31-33，27.

[6]白震.烤煙烘烤中干筋期的溫度與香吃味[J].煙草科技，1984（1）：56-60.

[7]沈少君，吳永茂，羅發健，等.密集烘烤干筋期溫濕度對煙葉內在化學成分和評吸質量的影響[J].現代農業科技，2014（24）：170-172，181.

[8]王戰義，王剛，劉闖，等.定色期和干筋期不同葉間風速對煙葉香氣質量的影響[J].浙江農業科學，2014（2）：242-244，248.

[9]黃山.烘烤溫濕度變化對煙葉氧化酶活性及其品質的影響[D].長沙：湖南農業大學，2010.

[10]JohnDA.Computationalfluiddynamics[M].北京：清華大學出版社，2002：88-90.

[11]LimTG，KimYH.Analysisofairflowpatterninplantfactorywithdifferentinletandoutletlocationsusingcomputationalfluiddynamics[J].JournalofBiosystemsEngineering，2014，39（4）：310-317.

[12]高維浩，繩春晨，謝洪濤，等.基于Fluent的列管式換熱器性能校核方法研究[J].低溫與超導，2020，48（3）：70-74.

[13]趙海霞，張獻偉.基于Fluent的霧化器霧滴粒徑的研究[J].機械與電子，2020，38（3）：15-18.

[14]方文康，宋海燕，吳迪.基于Fluent的多溫區保溫包裝箱溫度場仿真分析[J].包裝工程，2020，41（3）：62-69.

[15]徐陽，黃玲.基于CFD的含能材料3D打印機噴嘴[J].兵工自動化，2019，38（6）：57-61.

[16]王娟，王春光，王芳.基于Fluent的9R-40型揉碎機三維流場數值模擬[J].農業工程學報，2010，26（2）：165-169.

[17]段二亞.糧食干燥過程的數值模擬及實驗研究[D].鄭州：河南工業大學，2014：40-74.

[18]沙汀鷗，楊潔，呂歡，等.木材干燥室內部風速場的數值模擬與優化[J].南京林業大學學報（自然科學版），2016，40（1）：129-134.

[19]包亞峰.煙葉烘烤過程中的熱濕分析與優化[D].重慶：重慶大學，2015：22-31.

[20]白志鵬.基于CFD的新型密集烤房流場模擬及其結構優化[D].楊凌：西北農林科技大學，2017：27-35.

[21]宮長榮，周義和，楊煥文.烤煙三段式烘烤導論[M].北京：科學出版社，2005：72-75，174.