基于Fluent-EDEM的茶葉紅外殺青機優化與試驗研究*

劉 剛,熊愛華*,吳瑞梅,虞文俊,黃俊仕,滕 杰,張賢溪,楊代勤

（1.江西農業大學 工學院,江西 南昌 330045;2.江西農業大學 農學院,江西 南昌 330045）

0 引 言

殺青是綠茶初加工的一道關鍵工序,鮮茶葉殺青時必須在短時間內升溫到85 ℃以上[1],以快速鈍化酶的氧化活性,保留鮮葉內的茶多酚[2]、氨基酸[3]等成分。

而殺青裝置中的滾筒錐角、導葉板高度和傾角、螺旋角及滾筒轉速直接影響殺青葉的升溫速率和茶葉品質[4]。比如,導葉板螺旋角和傾角設計不合理,會造成殺青滾筒內水氣逸散不暢,出現紅梗甚至成品茶帶有水悶氣等[5];殺青機滾筒轉速設置不合理,會造成鮮茶葉在殺青過程易斷碎和形成堆積,影響茶葉的外形和品質[6]。

因此,對殺青機結構參數進行優化,獲得最優滾筒結構和運動參數,對提高茶葉品質、殺青效率具有重要意義。

目前,對茶葉殺青工藝參數和殺青裝備的研究主要憑經驗或通過實驗對比茶葉品質來進行。何春雷等人[7]采用茶樣感官評審方法,在茶坯含水量、滾筒溫度、投葉量、干燥時間等相同條件下,探究了不同滾筒轉速對茶葉品質的影響。高華峰等人[8]通過實驗,對比了熱蒸汽混合殺青與傳統殺青所制的綠茶感官品質,對熱蒸汽混合殺青機的適用性進行了驗證。

對鮮葉殺青過程狀況憑經驗控制,可能會導致茶葉品質不穩定?；诖?也有學者利用仿真軟件模擬滾筒內殺青溫度場分布對殺青機結構進行了優化設計。

李志杰等人[9]借助EDEM軟件,分析了殺青過程中茶葉顆粒的溫度分布,探討了滾筒轉速、導葉板數量及導葉板傾角大小對殺青效果的影響。施重駒等人[10]利用EDEM-Fluent耦合技術,探討了熱風殺青過程中滾筒轉速、導葉板數量、導葉板高度、導葉板寬度及熱風進風口結構對殺青質量的影響。徐海衛等人[11]借助Fluent軟件,分析了在螺旋升角不變情況下,分段設計的導葉板在殺青過程中的受熱狀況,并證實了分段設計結構能有效提高殺青品質。虞文俊等人[12]運用Fluent-EDEM,耦合仿真了紅外殺青機與電加熱殺青機的殺青過程,對比了兩種殺青機滾筒內流場溫度分布和殺青結束后茶葉顆粒溫度分布,得出了紅外殺青機殺青效率、熱能利用率、殺青效果均優于電加熱殺青機的結論。

以上研究雖已對殺青機結構的多個參數進行了仿真試驗分析,但是針對殺青裝置中的滾筒錐角、導葉板高度和傾角、螺旋角及滾筒轉速參數組合研究未有見到。

殺青質量與殺青裝置中的滾筒錐角、導葉板高度和傾角、螺旋角及滾筒轉速密切相關,而該結構參數并非單獨作用,各參數會綜合影響殺青質量。

在前期研究基礎上,筆者采用Fluent-EDEM耦合仿真分析方法,研究6CST-60型茶葉紅外殺青機的滾筒錐角、導葉板傾角、導葉板螺旋角、導葉板高度及滾筒轉速對殺青質量的影響,設計五因素四水平正交試驗,探尋不同參數組合下,滾筒內部溫度分布及茶葉顆粒升溫速率狀況,優化得出茶葉紅外殺青機滾筒結構最優結構參數,從而可提高茶葉品質、殺青效率等。

1 殺青機結構及工作原理

1.1 殺青機結構

6CST-60型茶葉紅外殺青機主要由滾筒、機架、紅外加熱系統、溫濕度傳感器、進料口、出料口、托輪、電機以及排濕系統等組成[13]。

殺青機總體結構如圖1所示。

圖1中,進、出料斗固定在滾筒右側的機架上,呈上、下分布;滾筒正轉,鮮茶葉經由上方的進料斗導入,滾筒反轉,殺青葉由下方的出料斗導出;滾筒直接放置在4個托輪上（為增大摩擦力、提高傳動精度、減少振動,托輪的接觸表面纏繞有橡膠,并利用滾筒外壁的法蘭進行左右限位,以此達到穩定工作目的）;紅外加熱系統依靠機身左側懸臂梁固定在滾筒內部中心位置,數根紅外加熱管安裝在2個半橢圓形法蘭盤的通孔上,紅外加熱管上方布置半橢圓擋葉罩,防止茶葉拋灑過程中懸掛在紅外加熱管壁上燒焦;溫、濕度傳感器由空心軸中部下方空洞處伸出,實時監測滾筒內部溫、濕度變化;排濕風扇聯接在懸臂梁左端,風扇與軸分別固定在軸承的內外圈上,由電機通過皮帶驅動,可迅速排除滾筒內高溫水蒸汽,降低溫度,同時提高出茶效率。

其主要技術參數如表1所示。

表1 紅外殺青機主要技術參數

紅外加熱系統總體結構如圖2所示。

1.2 工作原理

首先,筆者設定滾筒內部殺青溫度及濕度閾值、殺青時間和滾筒轉速;啟動驅動系統,通過鏈傳動驅動主動托輪正轉,托輪帶動滾筒反轉;同時啟動紅外加熱系統,對滾筒內部進行快速預加熱,待滾筒內部溫度達到設定值時,鮮茶葉經進料口和導葉板導入滾筒內,進行紅外輻射殺青。

茶葉顆粒在滾筒內運動過程可簡化為3個階段:

（1）滾筒內螺旋導葉板隨滾筒的轉動做勻速圓周運動,茶葉在導葉板的帶動下做勻速圓周運動;

（2）茶葉在導葉板螺旋角作用下向前移動;

（3）一定高度的導葉板將茶葉顆粒提升時,當超過茶葉的遠休止角時,茶葉顆粒開始做拋灑運動。

殺青過程中,溫濕度傳感器實時監測腔內的溫度和濕度變化,若滾筒內溫度高于（或低于）殺青溫度規定上限值（或下限值）時,紅外加熱系統關閉（或開啟）其中數根紅外加熱管;當滾筒內濕度值超過設定值時,風扇正轉,排出濕氣;殺青完成后,滾筒正轉,排濕風扇開啟,滾筒錐角輔助出茶,殺青葉快速沿出料斗排出。

2 仿真正交試驗設計

筆者以滾筒錐角、滾筒轉速、導葉板螺旋角、導葉板傾角、導葉板高度為因素,設計了一個五因素四水平的仿真正交試驗。筆者將Fluent與EDEM耦合對正交試驗各參數進行仿真模擬（考慮到單次模擬殺青時間過長,以35 s內茶葉的平均升溫速率最大為最優目標）。

試驗因素水平如表2所示。

表2 試驗因素及水平

3 仿真模擬過程建立

3.1 殺青過程仿真控制方程

筆者研究模擬多組不同滾筒結構參數下鮮茶葉殺青過程中茶葉的運動與能量的交換。每組試驗模型中,顆粒相體積分數均低于15%,殺青過程中茶葉、滾筒、氣流運動并存,茶葉與茶葉之間接觸頻繁,茶葉與氣流相互作用明顯,且之間存在動量、質量、能量交換,屬于典型的顆粒流體復雜系統[14],因此,筆者選用歐拉—歐拉模型（Eulerian-Eulerian model）。

考慮到殺青過程中茶葉顆粒會影響滾筒內連續相氣體運動,筆者在原有Eulerian模型上引入一個相體積分數α,理想狀態下,其流體各守恒方程為:

（1）質量守恒公式:

（1）

（2）動量守恒公式:

（2）

式中:α—氣相體積分數,%;νi—氣相流速在方向上分量,m/s;τij—黏性應力張量,Pa;gi—方向體積力,N;Fi—氣相與固相的相互作用力,N。

基于Fluent-EDEM耦合接口,筆者計算流場對茶葉顆粒的作用力,引用一種優化自由流阻力[15]。阻力系數Cd取決于雷諾數Re:

（4）

其中:

（3）

式中:η—流體的黏度,Pa·s;L—顆粒球的直徑,m;ν—顆粒與流體相對速度,m/s;α—CFD網格單元的自由體積,m3。

其曳力計算方程為:

（5）

β可由下式得出:

（6）

式中:ν—顆粒體積,m3;ε—孔隙率。

在殺青過程中,茶葉顆粒相互接觸頻繁,需要考慮顆粒之間的熱傳導,其熱通量QP1P2;茶葉隨著滾筒運動的過程中茶葉和空氣對流換熱,其熱通量QPF;同時,茶葉會吸收紅外輻射能量Qf。

所有熱流量計算好后,每個顆粒的溫度隨時間變化量由下式更新[16,17]:

（7）

hc可由下式得到:

（8）

式中:mp—茶葉顆粒質量,kg;cp—茶葉顆粒比熱容,J/（kg·K）;T—茶葉顆粒溫度,K;P,F—空氣和茶葉顆粒,無量綱;KF—空氣熱傳導系數,W/（m2·K）;Nμp—努賽爾數（流率與傳導率比值）,無量綱;dp—茶葉顆粒直徑,m;Ap—茶葉顆粒表面系數,無量綱;ΔTPF—空氣和茶葉溫度差,K;ε—紅外管發射率,無量綱;σb—黑體輻射常數,σb=5.67×10-8W/（m2·K4）;A—茶葉表面積,TH—紅外管溫度,K;TC—茶葉溫度,K;FN—茶葉顆粒法向接觸力,N;r*—茶葉顆粒平均半徑,m;E*—有效楊氏模量,GPa。

3.2 Fluent-EDEM耦合仿真

殺青過程可簡化為茶葉顆粒（固體相）與溫度場（流體相）之間的流固雙向耦合仿真過程。筆者利用計算流體動力學軟件Fluent17.0和離散元法軟件EDEM2.7,進行雙向耦合仿真茶葉殺青過程。

滾筒內溫度場數據由Fluent求解器求解,茶葉顆粒的運動狀態及相間作用力（顆粒與顆粒之間、顆粒與滾筒間接觸碰撞）由EDEM求解,溫度場信息通過統一光盤格式（universal disc format,UDF）耦合接口傳遞給EDEM,EDEM根據熱傳遞模型和熱輻射模型對茶葉顆粒溫度進行求解,并計算茶葉顆粒之間的相互作用力,更新顆粒溫度及顆粒位置信息,將溫度及位置信息按原耦合接口路徑,傳回至Fluent流場中,進行下一次迭代求解溫度場;

經多次迭代至結果收斂后,分別在Fluent和EDEM中獲取殺青過程中滾筒溫度場分布和茶葉顆粒升溫曲線。

3.3 仿真三維模型建立

根據各試驗組的殺青機滾筒結構參數（滾筒錐角、導葉板螺旋角、導葉板傾角、導葉板高度）對應水平,筆者利用proe5.0建立各紅外殺青機三維模型,將各紅外殺青機三維模型導入到ICEM CFD17.0中,進行網格劃分,分別導入至EDEM2.7和Fluent17.0中進行參數設置。

在ICEM CFD17.0中,筆者根據其材料屬性、邊界類別、流體域類別、交界面等因素,將模型劃分為多個part,并將滾筒內部設置為動區域和靜區域兩個流體域,用interface交界面進行區分。五因素四水平正交試驗所需的16組試驗組模型均采用相同的處理方式。

紅外殺青機滾筒有限元模型網格劃分如圖3所示。

3.4 初始條件及邊界條件確定

（1）EDEM參數設置。為有效模擬分析殺青過程中茶葉平均升溫速率,確保茶葉顆?？倲?考慮仿真計算數據量及復雜程度,筆者將茶葉簡化為理想的球狀顆粒,顆粒半徑10 mm。

茶葉顆粒相關參數[10]1052如表3所示。

表3 茶葉顆粒本構參數

筆者將該參數應用到茶葉顆粒的模擬計算之中（計算顆粒之間的作用力和顆粒的升溫）。茶葉顆粒之間的傳熱是由滾筒內顆粒運動時相互碰撞接觸而產生,因此,顆粒與顆粒之間的接觸模型選擇帶有熱傳導的基本接觸模型;Temperature Update built-in選項參數設置3 800,茶葉顆粒設置z軸方向的重力加速度,EDEM Geometry部分滾筒運動設置Linear Rotation,滾筒入口處設置虛擬顆粒工廠,茶葉顆粒總數40 000,茶葉初始溫度300 K,設置仿真時間步長2e-5s,約占瑞麗時間步長（Rayleigh time step）的27.6%,仿真時長35 s,仿真文件保存時間間隔0.05 s,單元尺寸2.5 R;

（2）Fluent參數設置。筆者選擇基于pressure-Based求解器,時間設置為穩態,重力設置z軸方向。該仿真過程涉及紅外輻射能量交換,因此,控制方程打開能量模型、標準湍流K-ε模型、輻射DO模型（discrete ordinates model）。

設置邊界條件為:壓力入口,P=0.1 MPa;壓力出口;滾筒壁面與導葉板轉速相同（為各組試驗因素中滾筒轉速設定值）;壁面溫度711 K（由紅外測溫槍測得6CST-60型紅外輻射殺青機工作時滾筒內壁實際溫度值）,發射率為0.945。

Fluent-EDEM耦合過程中,運算結果數據通過UDF耦合接口交換,為滿足數據傳輸需要,筆者設置時間步長時Fluent應比EDEM長且必須為整數倍關系;為保證仿真結果收斂,顆粒在仿真時應時刻處于計算域內,EDEM中茶葉顆粒體積應小于Fluent中滾筒網格最小單元。

4 仿真試驗結果與分析

4.1 仿真試驗樣本集獲取

筆者選用具有代表性的L16（45）試驗表,進行樣本集為16組的正交試驗數據采集;通過Fluent-EDEM耦合仿真分析,得到仿真時間35 s時,殺青機滾筒內茶葉顆粒的運動軌跡、滾筒內部及茶葉顆粒的溫度分布。

其正交試驗方案及結果如表4所示。

表4 試驗方案及結果

筆者選取具有代表性的4組仿真結果進行分析,即試驗2（1-2-2-2-2）、試驗6（2-2-1-4-3）、試驗10（3-2-4-3-1）、試驗15（4-3-2-4-1）。在35 s時,試驗組紅外殺青機滾筒內茶葉顆粒運動及溫度分布,如圖4所示。

從圖4（a,e）中可以看出:試驗2中茶葉顆粒拋灑點高,分散度較差,溫度主要分布在320 K左右,且溫度分布區域較大;

從圖4（b,f）中可以看出:試驗6中滾筒轉速較低,茶葉顆粒拋灑點較低,茶葉堆積,不利于紅外輻射的吸收,顆粒溫度主要分布在315 K左右,溫度分布較均勻;

從圖4（c,g）中可以看出:試驗10中滾筒轉速較大,茶葉顆粒拋灑點高,受導葉板螺旋角影響大,顆粒拋灑方向與水平方向偏差大,造成堆積,顆粒落點集中滾筒一側,不利于吸收能量和排濕,低溫和高溫顆粒較多,溫度均勻性較差,茶葉顆粒溫度主要分布在325 K左右;

從圖4（d,h）中可以看出:試驗15中滾筒轉速、導葉板傾角適中,茶葉顆粒拋灑點高,分散度好,顆粒溫度主要分布在325 K左右,溫度分布均勻性較好。

模擬結果表明:顆粒拋灑路徑越靠近熱源,分散度越高,其升溫速率越高,溫度分布均勻性越好;而拋灑路徑及分散度受滾筒轉速、導葉板傾角、導葉板螺旋角、導葉板高度、滾筒錐度綜合影響。

筆者研究進一步對試驗結果進行極差分析,得到各參數最佳組合。

4.2 極差分析

筆者對正交試驗結果進行極差分析,分析其影響因素主次關系及最優水平組合。

正交試驗極差分析如表5所示。

比較表5中極差R值大?。≧越大表示對試驗結果影響越大）可知:

滾筒結構參數和滾筒轉速對茶葉升溫速率影響順序為:滾筒轉速（C）>導葉板螺旋角（A）>導葉板傾角（B）>導葉板高度（E）>滾筒錐角（D）;

對比表5中Ki值（Ki值表示任一列上水平號為i

表5 極差分析

時所對應的試驗結果之和,優化目標為最大升溫速率,因此選取Ki值最大時i為最優水平號）可得出:茶葉升溫速率數值最優水平組為:A1B4C4E4D3,即茶葉殺青機滾筒結構最優參數為:導葉板螺旋角15°、導葉板傾角21°、滾筒轉速37 r/min、導葉板高度55 mm、滾筒錐角2°。

4.3 方差分析

為了進一步驗證分析結果,筆者對試驗進行了方差分析[18]。由于五因素四水平正交試驗的總自由度為0,無法進行整體方差分析。因而筆者將其中一個影響較低的因素剔除后,總自由度為3,然后再利用SPSAS統計分析軟件進行分析,根據極差分析得到的各因素的主次關系,優先剔除D（滾筒錐角）因素后進行方差分析,得出F值為2.153,顯著性水平為0.288;再剔除E（導葉板高度）因素,得到F值為3.816,顯著性水平為0.149。

分析結果表明：剔除E因素比剔除D因素的模型顯著水平更低。

因此,筆者以剔除E因素的模型為參考,進行方差分析,分析結果如表6所示。

表6 方差分析

由表6中各因素的F值可知:因素A（導葉板螺旋角）、B（導葉板傾角）、C（滾筒轉速）的F值均在[3.49,5.953]區間內,而D（滾筒錐角）因素的F值在[2.61,3.49]區間內。

這表明：導葉板螺旋角、導葉板傾角、滾筒轉速對茶葉升溫速率影響顯著,而滾筒錐角對茶葉升溫速率影響顯著。

5 樣機試驗

根據優化得到的滾筒結構參數,再基于6CST-60型茶葉紅外殺青機,筆者試制了優化后茶葉紅外殺青機樣機,如圖5所示。

該樣機在某農機公司進行殺青試驗（總共試驗3次）,試驗材料來源于某茶廠,試驗將鮮茶葉進行攤青處理。

筆者分別將等重量攤青茶葉3 kg投入優化前與優化后的殺青機中,分別進行自動殺青,以投葉與出茶完成時間段作為殺青總時長,由制茶大師鑒定殺青葉品質,對殺青效率進行比較,結果如表7所示。

表7 優化前后紅外殺青機試驗對比

試驗結果表明:優化前殺青機單次平均殺青約為4.6 min,而優化后殺青機單次平均殺青時間約為3.5 min,平均每小時殺青效率約為51.4 kg/h,比優化前效率平均提高了31.6%;優化后紅外殺青葉的色澤更翠綠,香氣更純正。

6 結束語

筆者采用Fluent-EDEM耦合方法,仿真模擬了殺青機滾筒內茶葉顆粒的運動軌跡、滾筒內部及茶葉顆粒的溫度分布,探究了6CST-60型茶葉紅外殺青機的滾筒錐角、導葉板傾角、導葉板螺旋角、導葉板高度及滾筒轉速對殺青質量的綜合影響,運用五因素四水平正交試驗,分析了殺青機滾筒結構參數對滾筒內部溫度分布,以及茶葉顆粒升溫速率狀況。

研究結論如下:

（1）紅外茶葉殺青機滾筒結構參數對茶葉升溫速率影響順序為:滾筒轉速>導葉板螺旋角>導葉板傾角>導葉板高度>滾筒錐角;

（2）紅外茶葉殺青機滾筒結構最優參數組:導葉板螺旋角15°、導葉板傾角21°、滾筒轉速37 r/min、導葉板高度55 mm、滾筒錐角2°;

（3）優化后殺青機的殺青效率提升至51.4 kg/h,效率提高了31.6%,其殺青葉的色澤更翠綠,香氣更純正,成品茶葉滋味也更加醇厚。

由于時間和實驗室資源有限,筆者只進行了五因素四水平的仿真正交試驗,來確定滾筒結構最佳參數,試驗水平固定。在今后的研究中,筆者將增加試驗組樣本容量,并利用神經網絡算法進行建模,結合遺傳算法尋優,找到所有試驗水平范圍內的最佳參數組合。