煙葉風分氣固兩相流數值模擬及物理特性測定

宋兆峰，袁銳波，黎 西

（1.昆明理工大學 機電工程學院，昆明 650000；2.昆明理工大學，昆明 650000）

煙葉打葉復烤是指將除雜后的煙葉經過第一次烘烤后，利用打葉工序將煙葉分為純煙葉、葉含梗、光梗，并通過風分機將這3種類型煙葉風力分離，接著對分離出來的純煙葉以及在打葉風分過程中產生的煙葉碎片進行復烤，將其含水率降低，直至符合儲存包裝的工藝過程［1］。目前，打葉復烤工藝主要分為3部分：打葉、風分、復烤。其中，風分工序作為打葉復烤中最重要的一環，其目的是將打葉后的煙葉按不同質量要求進行分離［2－3］，其基本原理為：受重力和流場的影響，較輕的純煙葉呈向上運動趨勢，而光梗、葉含梗煙葉則呈向下沉降的趨勢［4］。然而，目前對于煙葉打葉復烤中風分工藝過程的研究較少，生產線智能化控制方面還待提高，風分過程中還大部分采用人為經驗式的判斷，缺乏系統性的研究。

文獻［5］基于氣固兩相流動力學，采用FLUENT軟件進行數值模擬，選取空氣進口、砂石進口、空氣撒粉出口及風機結構4個條件的優化，提高了風選室的風選效果。文獻［6］以煙葉打葉復烤中的經典馬克風分倉為基礎，采用網均風結構替代鏈板均風結構，使風分效率得以進一步提高。文獻［7］合理優化打輥轉速、風機轉速、爆料輥拋4個工藝書，并將4種參數進行合理組合，使得打葉復烤的風分精度和質量得到保障。文獻［8］通過設置擾流板并調節進風口位置，從而抑制茶葉風選機內部的渦流，結合計算及分析技術，對茶葉風選的效果提升提供了一定的理論依據。文獻［9］引入顏色定性值和光譜定性值兩個跳空椅子，并采用高架庫的調配方法，加強了打葉復烤的均值化效果。文獻［10］和文獻［11］在研究城市生活垃圾分選仿真實驗中，將氣流場看作多相層流，研究分析了影響風選效率的設備的幾何結構。生產線智能化控制方面還有待提高，風分過程中大部分仍采用人為經驗式的判斷，缺乏系統性的研究。

本文基于流體力學和空氣動力學，利用計算機數值模擬技術，建立煙葉轉化當量球型顆粒數學模型，通過圖像識別技術和Fluent氣固兩相流仿真技術，采用圖像識別技術以及建立離散相與煙葉當量球型顆粒轉換數學模型，解決了煙葉風分過程的可視化問題并提高煙葉的風分效果。本文的理論研究將為后續研究學者提供基于煙葉當量球型顆粒轉化的數學模型，從而展開正確的煙葉的數值模擬，同時通過本文的實驗結合仿真研究，將來能在一定程度上對生產企業就如何提高煙葉利用率起到實際的指導作用，以此來代替高昂的人工成本和實驗成本。

1 煙葉與當量球型顆粒轉換

由于煙葉運動的不規則性，難以描述其空氣動力學特性，因此用以球型顆粒代替不規則形狀的煙葉來計算其空氣動力學，參考江蘇大學的李學軍和陳嘉真［12］發明的懸浮速度測定裝置，利用其相關計算模型理論，可以推導出煙葉當量球型顆粒的直徑，為后面煙葉的風分過程數值模擬離散項參數設置奠定理論基礎。

以質量是my，密度是ρy的煙葉為例，可通過上述裝置測得煙葉的懸浮狀態下所受曳力Fy情況。

煙葉顆粒在氣流場中的運動有震蕩移動狀態，震蕩翻滾狀態兩種；其中，震蕩翻滾狀態最突出的特點就是顆粒自身的旋轉，導致其所受曳力系數以及正流投影面積發生瞬態變化。式中ˉCy代表煙葉顆粒曳力系數的均值，ˉAy代表正流投影面積的均值。

當懸浮速度為uy時，與該煙葉顆粒具有相同質量的球型顆粒所受曳力為：

令Fp＝Fy，即

式（1）～（4）中，dt為煙葉體積。

在上述理論公式的基礎上可知：DPM模型煙葉的當量直徑與煙葉密度、懸浮速度、質量3種參數相關。

對于質量的測定，采用微型電子秤測量得到了3種煙葉的單片質量。對于煙葉采用最為廣泛的三角形煙葉作為研究對象；對于葉梗，選擇圓柱度較均勻的長條形狀的光梗。為了保證實驗的準確性，因此在測量3種類型的煙葉質量時，以最先選定煙葉的幾何形狀作為實驗樣本，后續實驗的煙葉形狀按照其進行剪裁。

由于數據數量龐大，以云南某企業生產的煙葉的兩種參數作為標準，同時分別改變其他兩種參數取得每組實驗數據，結果如下：以正常生產煙葉總流量和框欄開口3.0（為定標準，打輥轉速采用以下4個速度指標即：47、48、49、50 r／s來測量得到實驗數據。最終得到3種類型煙葉單片質量，如表1、2所示。

表1 單片純煙葉、葉含梗煙葉質量實驗測量結果

純煙葉47 0.50純煙葉 48 0.57純煙葉 49 0.51純煙葉 50 0.59葉含梗 47 1.21葉含梗 48 1.10葉含梗 49 1.35葉含梗50 1.40

表2 單片光梗質量實驗測量結果

對于懸浮速度的測定，借助懸浮速度測定裝置測量了相應質量和面積形狀的3種類型的煙葉的懸浮速度。本實驗忽略煙葉溫度和濕度對懸浮速度的影響，具體測量結果為3次懸浮速度值的平均值，實驗數據如表3、4所示。

表3 純煙葉、葉含梗煙葉懸浮速度實驗測量結果

表4 光梗懸浮速度實驗測量結果

對于煙葉的密度測量，本文通過求解出煙葉的體積進一步求得密度，煙葉體積視為面積與厚度的乘積。

對于煙葉面積的計算，本文利用Matlab軟件編寫煙葉面積圖像識別程序，通過轉灰度圖片處理、二值化處理、開運算處理、統計連通域的面積4個步驟確定煙葉的面積像素點，如圖1所示。

圖1 煙葉面積Matlab識別

由于3種類型煙葉各自的物理特性和結構特性，因此在識別純煙葉、葉含梗、光梗的時候，需要做出相應調整和修改程序。在計算純煙葉時，改寫上面的面積圖像識別程序運行計算得到總像素點和總面積，如圖2所示。同時，通過游標卡尺測量得到對應純煙葉的厚度0.2 mm。

圖2 純煙葉面積Matlab識別

圖2中直尺為比例尺，10 mm代表17個像素點，可計算單個像素點面積，整片煙葉像素點總數為33 858，通過計算最終將得到整個煙葉的面積1 612.3 mm2。結合所得到的質量公式，最后經過計算研究，最終得到純煙葉的密度，如表5所示。

表5 純煙葉密度實驗結果

在計算光梗時，同計算純煙葉密度方法一樣，獲得光梗的密度，如表6所示。

表6 光梗密度實驗結果

葉含梗煙葉是由純煙葉和光梗組合成，要通過計算面積從而較為精確地計算該類型煙葉密度，因此在識別葉含梗煙葉時，需要將純煙葉部分識別并算出像素點；通過相同方法測量得到對應葉含梗煙葉的葉面積和梗的體積，如圖3所示。

圖3 葉含梗煙葉面積Matlab識別

本次圖像識別后，將葉含梗煙葉中葉、梗分離，通過上面確定光梗體積的方法確定梗的體積，并結合經驗公式

式（5）中，ρg、ρy、ρz分別代表葉含梗、純煙葉、梗的密度，其中λ代表權重，λ與葉含梗中煙葉和梗的占比有關，經過實驗研究和分析，λ取值為0.5。經過計算研究，最終得到葉含梗煙葉的密度，保留小數點后兩位，如表7所示。

表7 葉含梗煙葉密度實驗結果

由以上實驗和計算分析，基于Fluent軟件中的DPM模型，獲得了3種類型煙葉近似球型顆粒直徑dp，如表8所示。

表8 3種類型煙葉近似球型顆粒直徑dp

由上表可以清晰地看出3種類型單片煙葉的當量球型顆粒的情況。為下一步在Fluent軟件中設置煙葉的DPM模型提供理論依據。

2 模型的建立

本文中流體數值模擬的基本過程是：使用UG軟件對臥式風分機進行建模，通過ANSYS軟件的mesh模塊對流體模型進行網格劃分并進行初始條件設置；然后保存mesh格式導人Fluent中，選擇并設置計算方法，邊界條件等；同時在Fluent軟件中的monitor模塊中設置監測器對風分機兩個進口，兩個出口的流量進行監測；最后通過迭代計算結果。

2.1 臥式風分機三維模型建立

臥式風分機采用的是來自于昆明某企業生產設計的WF3601型風分機，如圖4所示。由于設備的結構較為復雜，本文只涉及到風分過程的定性分析，所以對風分機進行簡化處理，去除外部的幾何特征以及形狀不規則的部位。簡化后的臥式風分機與實際的實驗設備臥式風分機比例為1∶1。

圖4 WF3601型臥式風分機

用NX11.0三維軟件建立臥式風分機簡化模型，如圖5所示。

圖5 臥式風分機簡化模型

其中，①、②、③、④、⑤標號分別代表葉片出口、進料口、網帶、出料口、二次拋料輥。臥式風分機總高為2 500 mm，總長為1 800 mm，總寬為2 000 mm。二次拋料錕中心軸直徑100 mm，齒條齒高50 mm；其上設置有弧形擋板，如圖所示。進料口、葉片出口和出料口為長方體，長2 000 mm，寬300 mm。

本文對臥式風分機中的二次拋料錕、網帶、壁面網格的劃分采用六面體網格方法，并在劃分后對網格進行了光滑處理，在理論基礎程度上進一步提高網格質量，如圖6所示。

圖6 風分機網格劃分模型

2.2 數值模擬模型仿真參數設置

模型的選擇：本文采用拉格朗提法理論基礎研究氣相和固相的流體模型，即氣相為氣體，固相為等效的煙葉顆粒；模型采用離散相模型；考慮湍流對煙葉風分的影響，故采用在模擬流體仿真過程中其殘差曲線更加容易收斂的realizablek－ε模型。

邊界條件的選擇：本文邊界條件分為旋轉區域條件和進出口處邊界條件，對于旋轉邊界條件：采用Movingwall壁面函數，轉速為300 r／min。對于進出口邊界條件：設氣相材料為空氣（air），定義為常溫、常壓；同時物料進口和網帶均設為速度入口，其中物料進口出風速2 m／s，網帶處實際風速11m／s。

對于DPM模型，3種類型煙葉和dp采用上述當量球星顆粒得到的結果。根據煙葉在風分室的實際情況，設定Y方向初速度為1.5 m／s，入風口風速為10.5 m／s。

3 氣固兩相流場數值模擬結果及分析

通過前面介紹的數值模擬參數設定，可以獲得煙葉當量球型顆粒在風分流場中的速度與壓力云圖。

3.1 速度場分析結果

圖7能夠反映3種類型煙葉的當量球型顆粒在流場中速度變化趨勢和分布情況。

圖7 3種類型煙葉速度云圖

由圖7（a）可以看出：煙葉速度從4.24 m／s變化到17 m／s，最大速度17 m／s出現在靠近出口位置。這是由于純煙葉的質量最小，當量球型顆粒dp最小，在浮力和風力的作用下從葉片出風口流出。

由圖7（b）可以看出：葉含梗速度的變化呈先增大后減小再增大的趨勢落在二次拋料輥上，變化范圍由2.45 m／s到3.43 m／s。這是由于葉含梗煙葉在重疊空間和重力的影響下落在二次拋料輥，使得速度開始變大。在二次拋料輥的拋散作用下，葉含梗煙葉大量風分至葉片出口，剩余部分的葉含梗煙葉主要因重力的因素落在網帶上，由網帶傳動至物料出口。

由圖7（c）可以看出：包絡在煙葉內的光梗分散于整個流場區域這時速度變化不大且趨于穩定，在二次拋料輥的作用下，此時速度開始從1.97 m／s變化到3.15 m／s，這是由于光梗在氣體的帶動下呈向上運動趨勢，與物料入口處的煙葉發生碰撞、摩擦等，此時在二次拋料輥周圍出現了較為明顯的渦旋。

由圖7（d）可以看出：3種煙葉進入風分室內趨于穩定，3種速度變化趨勢同圖7（a）、（b）、（c），最大速度為煙葉在葉片出口處的16.8 m／s，因為煙葉質量最小，當量球星顆粒最小，出風口壓力最小，流速最大。最小速度出現在中箱體流場區域，因為此時3種類型煙葉在此處開始大量發散，在重力與風力的雙重影響下，形成大渦漩，所以速度最低。

由圖7得出結論：3種類型煙葉在進入風分室流場區域后，經過一段時間穩定后，3種類型煙葉速度均發生變化，速度變化大小由大變小依次為：純煙葉、葉含梗煙葉、光梗；速度最大處發生在葉片出口處，在流場的作用下，葉片出風口處壓力最大；在3種類型煙葉運動到二次拋料輥上后，此處的煙葉形成明顯的渦旋情況，不同于渦旋產生帶來的不良因素，其渦旋對3種類型煙葉減少重疊空間起到有利作用，使其速度呈變大趨勢。

3.2 壓力場結果分析

圖8能夠反映3種類型煙葉的當量球型顆粒在流場中速度變化趨勢和分布情況。

圖8 3種類型煙葉壓力云圖

由圖8（a）可以看出：純煙葉進入風分室流場區域后，壓力變化逐漸增加，在靠近葉片出口處，出現壓力劇降，此時最小壓力為－19 Pa，這是基于空氣動力學理論，當風速增大，葉片出口處形成的空氣負壓隨之增大，從而迫使此處煙葉的壓力變小。

由圖8（b）可以看出：當風分室內氣流場穩定后，葉含梗煙葉集中在中箱體流體區域，在風分室上箱體右部位置，壓力減小并伴隨壓力梯度現象，壓力梯度為200 Pa。

由圖8（c）可以看出：在光梗進入風分室趨于穩定后，在x方向，壓力變化為先增大，當到二次拋料錕周圍時減小100 Pa，整個光梗受到的壓力變化最復雜的位置處于上箱體流場區域，受純煙葉重疊空間的影響，部分光梗被帶到上箱體，此處純煙葉運動速度較大，壓力較小，減少了和光梗的重疊空間，此時光梗開始受重力影響呈下降趨勢，壓力變化為先減小后增大。

由圖8（b）可以看出：在3種類型煙葉進入風分室流場區域后，在上箱體靠近葉片出口處，壓力最小形成負壓，范圍為－19 Pa到0，此處基于流體動力學，風速最大，與流速數值模擬相吻合，有利于純煙葉的風分；中部位置處壓力變化大從而出現壓力梯度現象，壓力變化范圍為100～300 Pa，這是由于中箱體二次拋料錕周圍，壓力小，中箱體中部位置處壓力減小，流速降低；在下箱體靠近物料出口處形成負壓，此時負壓變化較大，最小為－19 Pa。這是由于光梗和葉含梗煙葉質量較大，當量直徑顆粒大，最終由網帶將葉含梗和光梗煙葉送至物料出口。

4 結論

本文基于氣固兩相流仿真模擬技術，采用圖像識別技術，通過實驗確定了純煙葉、葉含梗、光梗3種類型煙葉的當量球型顆粒直徑，仿真分析了氣固兩相流速度場和壓力場，實現了煙葉風分數值模擬過程的可視化，并為后續工作提供了理論基礎。

仿真結果顯示：3種類型煙葉都在風分流場中出現分層現象，在風分機上、中箱體出現大量的渦旋，速度變化梯度范圍較大，在葉片出口和物料出口處產生了負壓；3種類型煙葉速度均發生變化，速度變化大小由大變小依次為：純煙葉，葉含梗煙葉，光梗；純煙葉與部分葉含梗風分至風分出口，光梗落入網袋。該研究對3種煙葉對實際生產中的風分工藝提供了理論依據，同時結合仿真研究，能對生產企業提高煙葉利用率起到實際的指導作用，從而代替高昂的人工成本和實驗成本。