基于EnSight 的滾筒烘絲過程可視化分析

王陽，黃亞宇，周永長

（650093 云南省 昆明市 昆明理工大學 冶金與能源工程學院）

0 引言

隨著科技創新的與時俱進，煙草制絲技術也在逐漸向智能制造發展。制絲工藝質量控制的優劣嚴重影響煙草產品的質量，而制絲工藝中關鍵的步驟之一是干燥烘絲。

烘絲工序是制絲生產中的主要加工工藝之一，目前最常用的烘絲技術是氣流烘絲和滾筒烘絲。氣流烘絲既可以獲得較高的填充值，又有較好的含水率均勻性，且具有干燥時間短、熱效率高等優點，因此近年來在煙草行業被廣泛應用。氣流烘絲干燥的工藝要求：（1）具有工藝氣體溫度和風量、排潮量、排潮負壓、模擬水、蒸汽自動調節和含水率自動控制功能；（2）采用高溫氣流快速干燥，干燥時間6～10 s，可使物料膨脹效果好，填充能力高；（3）燃燒爐溫度可達300 ℃；（4）噴氣和噴水量可連續調整，滿足干燥氣流的濕度要求。煙葉的烘絲過程不僅對煙葉中的含水率有直接影響，還對煙絲后續加工與處理有著密不可分的關系。在對滾筒烘絲機參數與煙葉加工質量的研究中，周凱敏[1]等研究了切絲寬度、烘絲方式對不同規格卷煙的煙支物理質量、主流煙氣常規指標和卷煙機臺運行情況的影響規律等；陳翠玲[2]等主要研究了制絲線增溫增濕和滾筒烘絲工序加工對葉絲香味組分的影響等；陳彬[3]分析了霓虹的滾筒式烘絲機在生產過程中的自動化功能控制因素所起的作用；胡福[4]等為揭示加料滾筒內復雜系統的內在關系和規律，通過仿真數據、高速攝像圖像處理技術與試驗驗證，構建了加料過程物料混合均勻性評價指標體系等；李俏[5]等采用顆粒軌道數學模型應用于滾筒混料機內氣固兩相流場研究；完顏振海[6]等為提高數值仿真后處理的效率,滿足分布式仿真系統在數值仿真數據方面的可視化需求以及實現仿真試驗過程的可視化,基于EnSight 的二次開發開展數值仿真可視化系統設計。近年來，煙草研究人員主要是通過仿真與實驗結合的方法對滾筒內部煙絲顆粒的運動、傳熱和傳質等過程進行仿真模擬，而本文采用顆粒數學模型應用于滾筒混料機內氣固兩相流場研究，通過EnSight 仿真計算模擬煙絲在滾筒內部的運動過程和煙絲在干燥過程中的溫度變化以及烘絲效果的影響等問題從運動的角度進行研究，以期望能在一定程度上對生產實際起到參考作用。

1 模型建立與仿真原理

1.1 滾筒烘絲機模型的建立

本文用卷煙廠的制絲干燥設備為研究對象，其型號為KLD-2。此設備的構造比較復雜，由于其主要的干燥過程是在干燥滾筒內部發生，為了更好地建立數學仿真模型計算，分析干燥滾筒內部的煙絲運動的規律，本文對滾筒烘絲機的外形進行適當的簡化，采用一段式加熱方式。為便于建模，簡化抄板的結構，采用整體式實心的螺旋薄板結構。簡化后的滾筒模型如圖1 所示。

圖1 滾筒烘絲機簡化模型的建立Fig.1 Establishment of a simplified model for the drum dryer

1.2 仿真計算原理

EDEM 軟件用于模擬工業生產中的顆粒處理，以進行生產制造過程的仿真和分析。本文利用EDEM 離散元軟件將煙絲葉片做離散顆粒處理，快速創建顆粒實體的參數化模型。為了盡可能真實地模擬煙絲單元顆粒的運動過程，將其設計劃分為由一個或者多個顆粒組成的離散單元。

當前，計算流體動力學（CDF）成為廣泛應用于工業領域的模擬流體現象的工具，商業CFD 代碼，可以建模多階段，湍流燃燒和傳熱，這些代碼甚至能夠使用拉格朗日方法跟蹤稀疏系統中的離散粒子（粒子體積小于10%）（FLUENTANSYS2006），然而這些方法不適用于密集填充系統，因為在這類代碼中可用的多相連續介質方法不能準確捕捉大塊顆粒的行為以及流體和顆粒相之間的相互作用。本文基于Fluent流體動力學相關理論，建立滾筒烘絲機流場數字化數值模型，分析了從側面進風對滾筒烘絲機內部煙絲物料的溫度過程的影響。

EnSight 軟件是一款尖端的可視化與后處理軟件，可以結合計算流體動力學、有限元分析、計算機輔助設計、多體動力學的結果到同一個視圖中。本文使用EnSight 軟件觀測在熱風作用下滾筒中運動的煙絲粒子運動軌跡。

2 滾筒烘絲煙絲運動狀態可視化分析

本文以KLD-2 型滾筒烘絲機為研究對象，然后對簡化后的三維模型流體域進行網格劃分，將煙絲顆粒離散元建模和流體分析耦合（如圖2所示），研究滾筒中煙絲顆粒在熱風作用下的溫度場分布規律，確定進風口風速，以及煙絲在滾筒內部的主要加熱升溫區域等方面的研究分析，為下一步煙絲與熱風氣體兩相耦合過程中的煙絲顆粒受熱等溫度傳遞過程提供支持。

圖2 滾筒烘絲有無實體表面可視化效果圖Fig.2 Visual renderings of drum baked tobacco with or without solid surface

2.1 熱風流場速度分析

2.1.1 用EnSight 軟件進行流場速度分析

熱風是以0.56 m/s 的初速度從入料口端面進入滾筒內。理論上，熱氣體從側面入料口進入滾筒內部時，其速度應該呈逐漸減小的趨勢，但據熱風速度圖（如圖3 所示，為方便觀察圖中把滾筒隱藏），僅在滾筒進風口端可以看出速度有較明顯的變化，如圖3（a）進風口出風速變化圖所示，添加探針后可得到進風口速度為0.608 m/s，速度較快，從圖3（b）出風口處速度變化圖中可以看出，熱風速度為0.588 m/s，且速度基本穩定。

圖3 進出風口處風速變化圖Fig.3 Variation of wind speed at inlet and outlet

由此可知，熱風在進入滾筒內部后速度基本趨于穩定，在0.56～0.58 m/s 的范圍內，如圖4 所示。熱風進入恒速運動階段。

圖4 熱風在進入滾筒內部后速度Fig.4 Speed of hot air after entering the drum

2.1.2 在Fluent 中分析和提取熱風流場的速度的分析參數

熱風是以0.56 m/s 的初速度從入料口端面進入滾筒內部，據速度云圖5（a）進風口處風速、5（b）出風口處風速表明，僅在滾筒進風口端和滾筒末端出風口周圍速度有較明顯的變化，熱風在進入滾筒內部后速度基本穩定在0.51～0.53m/s 的范圍內，熱風進入恒速運動階段。據速度云圖5（c）反映了滾筒內部熱風橫截面的速度變化情況。從圖中可以得出，熱風在進入滾筒內部后因抄板的原因會帶動熱風氣體做圓周運動，所以在靠近滾筒壁和抄板附近的熱風速度增大。

圖5 熱風風速變化云圖Fig.5 Cloud image of hot wind speed variation

從總體看，熱風氣體的速度分布從滾筒軸線中心向外呈梯度變化的趨勢逐漸增加。

2.2 熱風流場溫度變化分析

2.2.1 用EnSight 軟件進行熱風流場溫度分析能量譜分布分析

熱風從側面進入滾筒后在進風口處溫度變化有少部分不均勻。如圖6（a）熱風入風口處溫度圖所示，可以看出，在熱風入口處有少部分高溫現象，呈現有滾筒壁和側面向軸線中心快速減小的趨勢。如圖6（b）熱風出風口處溫度變化所示，熱風進入到滾筒中后部熱風溫度進入恒溫階段，熱風溫度穩定在415～416 K。

圖6 熱風溫度圖Fig.6 Hot air temperature diagram

從圖7 中可以看出，滾筒壁和抄板位置附近的溫度最高，可達420 K，且溫度從滾筒壁和抄板向滾筒中心成逐漸遞減的趨勢，主要原因是由另一個由滾筒壁和抄板組成的加熱源通過薄板向滾筒內部傳遞熱量與熱風，構成復合溫度場干燥煙絲。

圖7 熱風進入滾筒內部溫度著色圖Fig.7 Coloring diagram of the temperature of hot air entering the drum

2.2.2 在Fluent 中分析和提取熱風流場的速度的分析參數

本次分析主要傳熱方式是滾筒壁面和抄板的熱傳導的方式。滾筒內部的復合溫度場分布規律如圖8 所示。可以看出，熱風在滾筒壁和抄板附近處的溫度最高，其溫度變化范圍在434～444 K之間。

圖8 進出風口處溫度變化云圖Fig.8 Cloud image of temperature change at inlet and outlet

根據圖9 橫截面圖可以看出，熱風從入風口到出風口溫度呈梯度的逐漸遞增的規律變化，低溫熱風從入風口進入滾筒內部后與滾筒內壁和抄板的高溫度進行了溫度和能量的交換與傳遞，形成了穩定的煙絲干燥溫度場。由此可以看出，在對熱風流場進行分析的時候，EnSight 軟件的立體渲染效果極佳，有極精確的熱風運動路徑線，可以清晰地看出熱風在進入滾筒內部后抄板帶動熱風氣體做圓周運動，而且可以直接反應出熱風的溫度變化。

圖9 熱風溫度變化橫截面云圖Fig.9 Cross section cloud diagram of hot air temperature variation

2.3 煙絲粒子溫度變化規律分析

利用EnSight 分析模塊進行分析，可以進一步得到煙絲顆粒干燥過程中的溫度變化分布情況，可以看出滾筒內煙絲顆粒的溫度變化規律圖。如圖10 所示，通過對不同溫度的煙絲進行著色。從熱流圖中可以看出，煙絲顆粒在受到熱風作用下開始的溫度分布極不均勻。如圖10 所示，煙絲粒子在熱風作用下運動到出料口運動時間約為189 s，為方便觀察，設定步長為13 s，在運動到第26 s 時高溫可達到519.27 K。

圖10 滾筒內煙絲運動的溫度著色Fig.10 Temperature colouring of tobacco moving in the drum

隨著煙絲在滾筒內螺旋前進和干燥時間的增加，煙絲的溫度逐漸升高，且煙絲顆粒的溫度會隨著干燥過程的持續而發生不斷變化。如圖11所示，最終在滾筒的后中部位煙溫度達到平衡。

圖11 煙絲在滾筒中后部分溫度著色Fig.11 Partial temperature colouring of tobacco in the drum

可以得出，隨著滾筒轉動和煙絲不斷螺旋前進的過程中，煙絲在滾筒內部的不同位置會有不同的溫度，在t=10 s 煙絲顆粒群的溫度雖有一定的升高，主要集中在241～252 K 范圍內，而且隨著干燥的持續發生，可能會有少部分煙絲顆粒的溫度偏高，從而導致了干燥烘絲不均勻。

2.4 煙絲物料在滾筒中的運動周期

本文模擬煙絲物料在滾筒中的運動周期，分為2 個過程：第1 過程是煙絲物料在滾筒中隨滾筒轉速和抄板做勻速圓周運動。如圖12 所示，粒子在滾筒中隨轉速和抄板的速度呈現勻速圓周運動；第2 過程如圖13 所示，當煙絲物料隨滾筒轉動到一定高度后，在其自身重力和熱風共同作用下做類似拋物線運動軌跡的飄落拋灑運動。

圖12 煙絲物料在滾筒中隨轉速和抄板做勻速圓周運動Fig.12 Tobacco material moving in a uniform circular motion in the drum with speed and plate

圖13 煙絲物料在滾筒中拋灑階段煙絲粒子的速度Fig.13 Speed of tobacco particles in the spraying stage of tobacco material in the drum

3 結語

現有的商業CFD 和DEM 代碼現在能夠模擬流體和顆粒之間的傳熱，可用于復雜的工業應用。利用DEM 解決方案中的Fluent 耦合模塊，結合CFD 求解器Fluent 和DEM 求解器EDEM，對滾筒烘絲運動狀態進行分析，但該耦合無法實現熱風作用下煙絲粒子在滾筒中的運動軌跡可視化。

綜上所述，選擇使用EnSight 軟件對煙絲粒子在滾筒中的運動狀態進行可視化分析可行，該分析方法有精確的熱風運動路徑線，可以清晰地看出熱風在進入滾筒內部后抄板帶動熱風氣體做圓周運動，且可以直接反應出熱風的溫度、速度變化。但從側面進風的進風方式存在不足，熱風進風口處溫度分布不均勻，在后續工作中有必要對其改進。

結果表明，該耦合模型正確地捕捉了熱風作用下煙絲粒子在滾筒中的運動狀態。