基于CFD 的密集式烤房氣流均勻性研究

杜林昕，黃亞宇，查蕾蕾，王俊瑞

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學 機電工程學院）

0 引言

烤房是煙葉烘烤工藝中特定的一種烘烤設備，烤房的優劣直接影響了烤煙質量與烘烤效率的高低。目前國內應用最廣、使用最多的密集式烤房為臥式密集烤房，根據氣流方式不同主要分為氣流上升式、氣流下降式兩種。目前對于兩種氣流方式的優劣之分，國內的研究人員大多也是意見不一。例如，王方鋒[1]等人研究認為，氣流下降式密集烤房相對氣流上升式密集烤房可以提高煙葉烘烤質量。而王能如[2]等人研究認為，氣流上升式密集烤房烤后煙葉色度更好，上等煙、中等煙比例要更高。陳少濱[3]等人研究分析了氣流方式對煙葉烘烤效果的影響，認為密集式烤房加以強制通風后，氣流方式對烘烤煙葉影響并不大，烘烤效果的差異并不明顯。但是他們對于影響氣流均勻性分布的其他因素并沒有深入研究。

本文根據《密集式烤房結構設計試行規定》（試行）中臥式密集式烤房結構要求，以氣流下降式密集烤房為研究對象，確定可能影響烤房內氣流分布均勻性的3 個因素即進風道角度、進風口位置（進風口距離烤房頂端距離）、進風量大小，每個因素設置4 個水平，通過正交試驗方法設計試驗方案，利用CFD 完成數字化模擬仿真分析，確定對于烤房氣流分布均勻性影響最大的因素，并得出最優方案，以優化臥式氣流下降式密集式烤房結構。

1 密集式烤房介紹及計算模型創建

1.1 密集烤房介紹

本文以標準臥式密集式烤房為研究對象，氣流形式為氣流下降式。烤房由加熱室與裝煙室組成，加熱室裝有供熱設備、排濕設備、溫度控制設備、風機等，其結構如圖1 所示。

圖1 臥式氣流下降密集式烤房Fig.1 Horizontal air descending bulk curing barn

通過風機對裝煙室加以強制通風。熱風由加熱室通過進風道進入裝煙室，在裝煙室內部沿頂部向下流動，經過裝煙室內煙葉懸掛區域，帶出煙葉內部水分，再由裝煙室下部回風道回到加熱室，經過排濕窗排濕，再次通過進風道進入裝煙室，形成熱流循環。本文不考慮熱風與煙葉之間的傳質傳熱交換，假設烤房裝煙室完全密封，重點研究在空載狀態下裝煙室內氣流分布均勻性[4]。

1.2 仿真計算模型

根據《密集式烤房結構設計試行規定》（試行）的烤房裝煙室規格參數，對所研究對象密集式烤房加熱室區域經行數字化建模，計算模型參數如表1 所示。

1.3 仿真計算假設及相關參數選擇

應用Fluent 流體計算軟件，考慮計算流體為空氣，即低粘度流體，主要分析烤房內部氣體動能、能量等，并觀察流體的三維非定常隨機運動，所以計算模型選擇標準k-ε 湍流模型。為便于數學模型描述與計算，做出以下假設：（1）烤房裝煙室內部空氣為不可壓縮的理想氣體；（2）烤房裝煙室內部完全密閉，不考慮漏風現象；（3）為簡化數學模型，將裝煙室門、觀察窗等作為墻體處理（即參數設置與墻體一致）。

密集式烤房為追求裝煙室的高保溫性，所以裝煙室內部墻體均勻高保溫性材料聚氨酯（PU）[5]，裝煙室內部用于傳播熱量的介質為空氣。聚氨酯與空氣在Fluent 中所設置的相關參數如表2 所示。

表2 聚氨酯與空氣相關參數Tab.2 Polyurethane and air related parameters

2 正交實驗設計

正交試驗是研究多因素多水平的一種試驗設計方法[6]，該方法根據全面試驗挑選出具有代表性的案例進行試驗。這些被選出的案例具有“均勻分散，齊整可比”的特點。正交試驗設計是分式析因設計的主要方法，當析因設計要求的實驗次數太多時，自然就需要正交試驗設計來減少試驗次數。通過正交表選擇出眾多試驗方案中具有強代表性的試驗條件。

2.1 正交試驗參數選擇

本次正交試驗采用標準臥式密集烤房。假設裝煙室完全密封，在其他影響因素完全相同的情況下，確定影響烤房內部氣流分布均勻性的3 個因素，即：進風道角度(進風道與水平方向夾角)、進風口位置（進風口與烤房頂端距離）、進風量大小（即進風口風速大小），并在每個因素設置3 個試驗水平。正交實驗參數見表3。

表3 正交試驗參數Tab.3 Orthogonal experimental parameters

2.2 正交表設計

本文研究內容涉及到一個三因素三水平實驗，按照全面實驗要求需進行33=27 種組合試驗，而若按照正交表L9(33)，只要9 次試驗，極大減少了工作量，提高了試驗效率。正交試驗表見表4。

表4 正交試驗表Tab.4 Orthogonal test

由正交試驗表4 可知，設計的試驗方案在實驗參數的每一列，3 個水平出現的次數相同，且任意兩列的排列方式均衡齊全，充分保證了挑選出的部分試驗方案包含所有因素的所有水平，而且任意兩列之間的因素組合全部出現，充分保證了3 個因素之間的組合完整，因此該正交試驗的9 組試驗方案具有均勻分散、整齊可比的特點，可以代表全面試驗。

3 試驗結果分析

利用Fluent 軟件仿真進行計算分析。仿真過程中，以烤房進風口為氣流速度入口，設置相應水平的進口氣流速度，進口氣流溫度為46.85 ℃；以烤房回風口設置為壓力出口，出口氣流壓力設置為1 個標準大氣壓，出口氣流溫度為默認外部溫度26.85 ℃。設置瞬態計算，時間步長為0.05，共仿真計算12 000 步，即完成空載烤房600 s 加熱過程仿真。在加熱室長度方向，取中間平面截圖進行分析。

3.1 溫度場分析

通過觀察9 組試驗方案得溫度場云圖，在600 s 加熱條件下，烤房裝煙室內部溫度全部趨近于進口氣流溫度。圖2（a）、圖2（b）分別為隨機選取方案的α1D2V2，α3D1V3長度截面處溫度場云圖。

圖2 隨機試驗方案溫度場長度方向截面云圖Fig.2 Cross section cloud image of temperature field length direction in random test plan

在9 組實驗中，溫度場云圖均與以上兩個方案的結果一致，說明經過600 s 加熱后，烤房內部裝煙室的溫度分布均勻，均達到所設置目標溫度；說明設置的3 個因素對于裝煙室內溫度分布并無顯著影響。

3.2 速度場分析

與溫度場相比，烤房裝煙室內部氣流速度場因不同因素水平發生了非常顯著的變化。圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）分別為隨機選取方案的α1D1V1，α2D3V1，α3D2V1長度截面處速度場矢量圖。

由圖3 可知，不同因素不同水平對仿真試驗方案的裝煙室內部氣流速度分布有巨大影響。針對氣流速度場分布均勻性，對9組試驗進行評價，見表5。

圖3 隨機試驗方案速度場長度方向截面矢量圖Fig.3 Cross section vector diagram of velocity field length direction in random test plan

表5 正交試驗方案速度場均勻性評價表Tab.5 Velocity field uniformity evaluation in orthogonal test plan

根據表5 對于烤房裝煙室內速度場分布均勻性的評分，利用Minitab 軟件進行分析，得出均值響應，見表6。

表6 均值響應表Tab.6 Mean responses

根據表6 分析結果，3 個因素的排秩結果顯示，進風口位置對于烤房裝煙室內部氣流速度場影響最大，進風道角度次之，進風量影響效果相對最小。根據均值，得出均值主效應圖，如圖4所示。

圖4 均值主效應圖Fig.4 Mean main effects plot

由均值主效應圖可以看出，3 個因素水平最高的試驗方案為213，即試驗方案為α2D1V3，根據Minitab 軟件自帶的試驗方案評分預測方法，對試驗方案α2D1V3進行評分預測，預測評價得分為9.122。

3.3 結果驗證

為驗證正交實驗分析結果，對試驗方案α2D1V3進行仿真分析計算，設置其他9 組試驗相同的仿真參數于邊界條件，完成計算后得到其長度方向速度場矢量圖，如圖5 所示。

圖5 方案α3D2V1速度場截面矢量圖Fig.5 Plan α3D2V1cross section vector diagram of velocity field

可以看出，試驗方案α2D1V3其氣流速度場均勻性明顯提高，相對其他實驗方案烤房裝煙室中心處氣流流動明顯，其試驗方案氣流分布均勻性確為最優。

4 結論

根據正交試驗所設計的試驗，通過CFD 模擬仿真方法，利用Fluent 軟件對不同試驗方案進行計算并完成結果分析，對最優結果進行仿真試驗驗證，得出以下結論：

（1）對于臥式氣流下降式密集烤房，通過一段時間的強制通風，裝煙室內部溫度均可達到目標溫度，所選擇烤房結構因素對其影響并不明顯；

（2）所設置的3 個因素對于裝煙室內部氣流速度場均勻性影響顯著，其中對其影響最大的為進風口位置。根據9 組試驗方案分析結果發現，進風口位置向下改動后，烤房內部氣流流場會出現大范圍回流現象；

（3）仿真試驗證明，當進風道角度為5°，進風口位置為0 mm，進風量為20 412 m3/h 時，烤房內部氣流速度場分布最為均勻。

在實際修建臥式氣流下降式密集烤房時，可以根據以上結論對其進行修建，以得到氣流分布更為均勻的烤房結構形式。