煙支吸附裝置流場分析與優化設計

李小平，蘇杰，李俊鋒，廖茂正

煙支吸附裝置流場分析與優化設計

李小平1，蘇杰2，李俊鋒1，廖茂正1

（1.中煙機械集團 常德煙草機械有限責任公司，湖南 常德 415000； 2.湖南大學 汽車車身先進設計與制造國家重點實驗室，長沙 410082）

針對煙支傳遞與包裝平穩性差的缺點，采用計算流體動力學（CFD）方法對煙支吸附通道內部流場進行三維數值分析。研究關鍵部位流動特性，分析流速、壓力分布及湍流耗散，提出結構改進方案。流場壓力和流速在煙支吸附口與風機連接位置分布不合理，拐角處湍流動能高，煙支吸附口至風機位置壓力損失為5 268 Pa。風機管道存在逆壓梯度，產生氣流漩渦，壓力損失值為14 000 Pa，高于工業需求。優化模型中，風機管道包含2個拐角時，壓力損失降低了7 000 Pa，煙支吸附效果提升了350%。風機管道包含一個拐角時，壓力損失降低了6 200 Pa，煙支吸附效果提升了390%，通道流場分布合理性得到改善。基于仿真結果，優化風機與出風口管道連接方式，通過流場分析可為煙支吸附裝置的優化設計提供一定技術支持。

煙支吸附裝置；負壓通道；結構優化；CFD分析；流動特性

國際加熱卷煙市場的迅猛發展，成為煙草行業未來發展的必然趨勢。為了提高生產質量，采用煙支吸附裝置接收水松紙搓裹機生產的加熱卷煙并進行雙排檢測。對于高速卷接機組，接裝機到包裝機的輸送過程中，短煙支易脫落產生打橫現象[1]。因此，有必要在煙支吸附口與風機間設計合理的負壓吸附通道。

煙支吸附裝置主要應用于煙支搓接、交接、輸送與剔除等場合。周沅楨等[2]研究細支煙質量評估方法，分析了卷制煙的質量穩定性。歐育健等[3]建立接煙輪交接系統計算模型，開展PROTOS2–2卷接機組蜘蛛手的掉絲測試[4]，提高了煙支交接的穩定性。吳小超等[5]提出針對卷包機組設備效率的評價指標體系。葛新鋒等[6]設計基于機器視覺的條煙分揀系統，解決了人工識別準確率低與勞動強度大的問題。

傳統的實驗方法成本高且難度大，通道內部流動特征無法全面量化，具有一定的局限性。隨著數值算法的改善和計算能力的提高，基于數值模擬的流道結構優化成為煙草機械研究熱點。Geng等[7]基于歐拉–歐拉數值模型與離散單元法[8]研究了干燥機中煙草顆粒流化特性，發現顆粒聚集容易形成粒子簇。徐靜等[9]采用計算流體動力學方法，研究了ZJ119–MAX接裝機通道內的流場分布。發現通道拐角氣流漩渦大，漸擴管道的逆壓梯度不利于煙支吸附。孫志偉等[10]建立了煙氣在濾嘴內的CFD模型。Geng等[11-12]討論了煙絲在流化床提升管中的分布特性，發現柔性顆粒在流化過程中主要表現為彎曲形態，模擬結果與實驗結果具有較好的一致性。

為提高卷接機組的生產效率，開展了以關鍵零部件性能提升和結構優化為目標的諸多研究。關存春等[13]利用流化床技術改進供絲系統，減少煙絲與壁面的接觸，降低了煙絲碎絲率。李榮等[14]調節阻尼板的角度，提高了煙梗與煙絲的分離度。張二強等[15]研究煙草流態化設備的氣固流動特性，發現弧形導流板結構可以改善煙絲的偏料問題。耿凡等[16]結合實驗與數值模擬分析了送風量與進料量對煙絲濃度分布的影響，為解決煙絲纏繞與結團問題提供了理論支持。

綜上所述，吸附裝置[17]的合理設計是煙支平穩交接的前提。基于計算流體動力學方法的數值模擬能夠直觀呈現空氣的流動特征，在先前的研究中取得了與實驗一致的計算結果。本文結合RNG–雙方程湍流模型對煙支吸附通道內氣流運動進行研究，提出風機連接管道的結構改進方案。研究結果為負壓通道的設計和優化提供一定的技術支撐。

1 工作原理

接裝機正常工作時，風機為傳動軸上的轂輪提供負壓。氣流經風機連接底盤進入到配氣板，然后作用在承煙槽上，如圖1a所示。煙支吸附通道由4個區域組成，包括煙支吸附口、軟管、風機連接底盤和風機管道。圖1b為煙支交接時煙支吸附口的局部放大圖。轂輪圓周上均勻布置20個承煙槽，每個槽上等間隔布置6個吸附口，吸附口孔徑為4 mm，孔深為40 mm。在交煙過程中，承煙槽內外氣流形成壓力差，致使煙支吸附在接煙輪上。

圖1c為煙支吸附原理圖。交煙過程中煙支方向隨轂輪轉動，若煙支表面朝下，應確保負壓通道產生的壓力遠大于煙支重力。不考慮離心力，煙支受力分析如下：

式（1）中壓力P計算如下：

式中：為承煙槽的圓孔半徑；1與2分別為煙支吸附口內部與外界壓力。

接裝機工作時，氣流運動通道見圖2。采用非結構化的四面體網格對負壓通道的幾何模型進行網格劃分，并對網格質量進行檢查。其中最小單元長度為1 mm，最大單元長度為3 mm，網格過渡緩慢。網格節點數為174 580，單元數為854 842。平均網格質量高于0.85，滿足數值模擬要求。

1.負壓風機；2.風機管道；3.風機連接底盤；4.煙支吸附口；5.軟管； 6.配氣板；7.配氣座；8.承煙槽；9.轂輪；10.煙支。

圖2 CFD計算模型

2 流場數學模型

2.1 控制方程

氣體流動方程主要由連續性方程與動量方程描述。

1）連續性方程：

式中：為氣體密度；u為直角坐標系x下氣體速度。

2）動量方程：

式中：為氣體壓力；為重力加速度；為動力黏度；δ為克羅內克爾符號。

湍流模型利用Boussinesq假設把雷諾應力和平均速度梯度聯系起來：

–雙方程湍流模型具有較好的魯棒性和穩定性，常用于管道流動的數值模擬研究，但不能很好地計算流線曲率對湍流的細微影響。考慮到煙支吸附管道的復雜性，當前工作采用RNG–湍流方程。

3）RNG–湍流方程：

2.2 邊界條件

煙支吸附負壓通道的風機型號為HRD 7 FU*– 105/15.0。風力系統通過抽風口對通道內的流場提供能量輸入，包括煙支吸附區、軟管和風機連接底盤。主風機的性能參數及空氣物理性能如表1所示。

各負壓通道氣流入口均為壓力入口邊界=0 Pa，通道外表面為無滑移壁面，風機管道出口設置為速度出口邊界條件。由于風機額定容積流量為50 m3/min，氣流出口表面積為22 698 mm2，計算得到負壓風機額定工作時的出口邊界速度=?36.713 m/s。

應用有限體積方法對流體控制方程進行離散，壓力項和動量項采用二階迎風格式格式離散，Navier–Stokes方程采用基于速度–壓力隱式耦合關系的Coupled算法求解。經過10 000步迭代后，計算參數的殘差達到收斂標準1×10?5。

表1 風機性能參數及空氣物理性能

Tab.1 Fan performance parameters and physical properties of air

3 初始模型流動特征

3.1 壓力分析

圖3表示優化前煙支吸附通道的壓力分布。由于入口壓力設置為0，以下所涉及的壓力均為相對壓力。部分吸附口形成了良好的壓力梯度，能夠吸附承煙槽上的煙支，如圖3a所示。Inlet 1、Inlet 6與Inlet 7未出現明顯的壓力梯度，說明空氣流動性較差。

圖3b為軟管壓力分布，平均壓降為1 500 Pa。Inlet 6壓降最大為2 606 Pa，說明該位置流速最大，空氣流通性較好。吸附口Inlet 1距離風機最遠，軟管壓力差為837 Pa，說明此處流速相對較低。

圖3 煙支吸附通道壓力分布

圖4為風機管道壓力分布，煙支吸附口與渦形管道之間壓差為5 268 Pa，風機管道內壓力損失為8 732 Pa，為整個裝置能量消耗最大的部分。渦形風機管道與柱形管道連接位置壓力發生突變，由5 268 Pa變為18 000 Pa，最大壓降為12 732 Pa。主要原因包括：連接口管道直徑變小，壓降增加；管道連接口處存在一個拐點，空氣在慣性力作用下撞擊通道壁面，導致局部流速驟增，因此壓力損失明顯。

負壓風機全壓差為16 000 Pa，通道壓力損失為14 000 Pa，則煙支吸附口處負壓約為?2 000 Pa。假設煙支質量為1 g，則重力為0.01 N。由式（2）可知壓差力為0.151 N，壓差力為煙支重力的15.1倍。

四是要適應黨員廉政建設的新形勢。中央辦公廳印發的《關于推進“兩學一做”學習教育常態化制度化的意見》指出：通過推進“兩學一做”學習教育常態化制度化，引導廣大黨員做到政治合格、執行紀律合格、品德合格、發揮作用合格。

3.2 速度分析

圖5a為煙支吸附通道的流速分布。可以看出，Inlet 2、3、5、6、8的速度梯度一致，轂輪附近空氣平穩流動。從煙支吸附口到軟管，空氣流速逐漸增加。在吸附口與軟管連接處，流速最高達到33 m/s。軟管連接負壓通道底盤的布置形式，減少了通過流道結構連接[9]帶來的壓力損失，更加有利于煙支吸附。既避免了通道加工帶來的經濟損失，又減少了安裝時間。但是，煙支吸附口Inlet 1、4、7右側轂輪的空氣速度梯度并不明顯。

圖4 風機出口壓降

圖5b選取軟管中心截面空氣速度進行分析。6根軟管（Inlet 2—7）與風機距離較近，空氣流速基本一致，底盤內部空氣流速平緩。但是，吸附口Inlet 1、8底部出現了局部湍流，空氣流速降低至0 m/s。

圖6a為風機出口速度矢量，平均流速為40 m/s。渦形風機管道與柱形管道連接位置的面積減小，導致空氣流速由44 m/s增加到115 m/s。圖6b、c為煙支吸附口局部空氣流速矢量圖，每個吸附口空氣均由外界吸入，向軟管匯集。軟管與吸附口交接處，流速最高。距離吸附口越近，流速矢量圖越密集，說明流動效果越好。Inlet 1–1、Inlet 1–3流動速度幾乎為0，說明該結構中部分吸附口空氣流動阻力較大。

3.3 湍流分析

圖7a為負壓通道的湍流動能分布，風機管道的接口位置湍流強度最大。通道截面發生變化，多股氣流匯集，導致流速紊亂。通道流線分布能夠直觀反映空氣在流道內的運動情況，如圖7b所示。空氣由煙支吸附口吸入負壓通道，流向風機出口。Inlet 8距離風機較遠，底部氣流軌跡間斷。Inlet 1底部同樣出現旋流與氣流不連續現象。結合圖5b軟管流速分布云圖可以發現，當前結構中通道兩側的氣流阻力較大。主要原因包括：風機連接管道存在3個拐角，空氣與壁面多次碰撞，湍流耗散較大，導致壓力損失高于工業需求。因此，應該對風機管道結構進行局部優化。

4 優化模型流動特征

基于數值模擬結果，提出2種風機管道優化方案，如圖8所示。模型A包含2個120°的拐角，空氣在管道內部流動時方向變化次數減少。模型B的渦形管道和柱形管道安裝在負壓通道下方，包含一個90°的拐角，氣流與管道壁面僅發生一次碰撞。

圖9為優化模型A的流動特征，風機管道內壓力平穩過渡，并未出現壓力突變現象。通道內部最大壓差為7 000 Pa，風機管道內的壓差損失為3 000 Pa。與優化前煙支吸附通道相比，通道壓力損失降低了7 000 Pa，優化性能提高了50%；風機管道內壓力損失降低了5 732 Pa，優化性能提高了65.6%。負壓風機全壓差為16 000 Pa，則煙支吸附口處負壓應為?9 000 Pa，由式（2）可知壓差力為0.68 N，壓差力為煙支重力的68倍，能夠確保煙支停留在承煙槽內。

圖6 煙支吸附通道速度矢量

圖7 煙支吸附通道湍流分布

圖8 煙支吸附通道優化模型

風機渦形管道與柱形管道連接位置的截面面積減小，空氣流速增加。如圖9b所示，平均空氣流速由20 m/s增加到53 m/s。由于慣性力的影響，拐角內側空氣流速達到57 m/s，外側空氣流速小，速度為30 m/s。相比于初始模型，空氣在風機管道內平穩流動，平均速度為41 m/s。

圖10為優化模型B的流動特征，煙支吸附通道的壓差為6 200 Pa，風機管道損失壓差為2 476 Pa。與優化前煙支吸附通道相比，空氣流動效果明顯改善。通道壓力損失降低了7 800 Pa，優化性能提高了55.7%；風機管道內壓力損失降低了6 256 Pa，優化性能提高了71.6%。負壓風機全壓差為16 000 Pa，則煙支吸附口處負壓應為?9 800 Pa。由式（2）可知壓差力為0.739 9 N，壓差力為煙支重力的73.99倍。因此，能夠確保煙支的吸附與交接。

圖10b為風機管道的流速云圖。外側空氣流速為20 m/s，彎道內側空氣流速增大到57 m/s。在柱形管道的拐角處，外側與內側空氣流速接近一致，說明通道湍流耗散降低。相較于初始模型與優化模型A，模型B的拐角減少，空氣流動阻力降低，平均速度為45 m/s。

圖11為2種優化方案中煙支吸附通道的流線分布。與圖7b相比，氣流在軟管底部不連續的現象消失，流動均勻性提高，證明了優化結構的可行性。模型B中氣流阻力最小，壓力損失最低，煙支吸附口流速高于模型A中煙支吸附口流速。

表2為優化模型性能對比結果。2種風機管道優化方案的通道壓力損失均有效降低，平均流速得到改善。優化模型A與優化模型B的煙支吸附力分別提升了350%與390%，說明煙支吸附性能隨風機連接管道拐角減少而提高。

圖9 優化模型A的流動特征

圖10 優化模型B的流動特征

圖11 煙支吸附通道流線分布

表2 優化模型性能對比

Tab.2 Comparison of optimization model performance

5 結語

基于計算流體動力學方法，開展煙支吸附通道流場數值模擬。研究負壓通道內部流場分布規律，揭示煙支吸附機理，提出風機與連接管道的結構優化方案，并量化了壓力損失與煙支吸附性能。主要研究結論如下：

1）初始模型空氣流動性差，吸附口到軟管平均壓降為1 500 Pa。由于接煙輪轂輪安裝在吸附口一側，Inlet 1、Inlet 6和Inlet 7的壓力并未均勻過渡。流場壓力和流速在煙支吸附口與風機連接位置分布不合理，拐角處湍流動能較高。風機管道壓力損失為14 000 Pa，高于工業需求。

2）優化結構提高了負壓通道內的平均流速，有利于空氣平穩流動。煙支吸附通道壓差降低，減少了流動過程中的能量損失。2種優化方案中，吸附口到軟管的平均壓降分別為1 300 Pa與1 200 Pa，優化模型A的通道壓力損失降低了7 000 Pa，煙支吸附效果提升了350%。優化模型B的通道壓力損失降低了6 200 Pa，煙支吸附效果提升了390%，空氣流速與流線分布得到較大改善，證明了文中的結構優化方法是可行的。

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Flow Field Analysis and Optimization Design of Cigarette Adsorption Unit

LI Xiao-ping1, SU Jie2, LI Jun-feng1, LIAO Mao-zheng1

(1. Changde Tobacco Machinery Co., Ltd., China Tobacco Machinery Group, Hunan Changde 415000, China; 2. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082, China)

The work aims to carry out three-dimensional numerical analysis on the internal flow field in the cigarette adsorption channel with CFD method aiming at the poor stability of cigarette transfer and packaging. The flow characteristics of key parts were studied, the flow velocity, pressure distribution and turbulent dissipation were analyzed, and the structural improvement scheme was proposed. The distribution of flow field pressure and velocity was unreasonable at the connection position between the cigarette adsorption port and the fan, the turbulent kinetic energy at the corner was large, and the pressure loss between the cigarette adsorption port and the fan was 5 268 Pa. A large adverse pressure gradient was observed in the fan pipe. Thus, airflow vortex was caused and pressure loss was 14 000 Pa, which was higher than the industrial demand. In the optimized model, when the fan pipe contained two corners, the pressure loss was reduced by 7 000 Pa and the cigarette adsorption effect was increased by 350%. When the fan pipe contained a corner, the pressure loss was reduced by 6 200 Pa, the cigarette adsorption effect was increased by 390%, and the rationality of field flow distribution channel was improved. Based on the simulation results, the connection mode between the fan and the outlet pipe is optimized, and the flow field analysis can provide technical support for the optimization design of the cigarette adsorption unit.

cigarette adsorption unit; negative pressure channel; structural optimization; CFD analysis; flow characteristics

O359

A

1001-3563(2023)09-0289-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.09.035

2022?06?24

國家自然科學基金（52075153）；湖南省重點研發基金（2020WK2032）

李小平（1964—），男，高級工程師，主要研究方向為卷煙機械的設計及開發。

蘇杰（1996—），男，博士，主要研究方向為流體動力學、多相流、離散元模型、圖像處理。

責任編輯：曾鈺嬋