導風板對片煙復烤干燥室的熱流場影響研究

中圖分類號：S572；TH122 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）08-0210-06

Abstract：At present，theuneven drying phenomenonof tobacco redrying is mainlyafected bytheuniformityof heat flow feld indrying room.Tosolvethis problem，air guideplateswithdiferentstructuresandangles aresetinthedrying room to optimizethe heatflow field distribution.Combined with theturbulence modelandthe porousmediummodel，theCOMSOL simulationmodeloftheflowfieldandthetemperaturefieldcouplingintheup-draughtdryingchamberwasestablished，and the non-uniformcoefcientofflowfieldand temperaturenon-uniformcoeficientwereobtainedbysimulationanalysis.Theesults showed that when the aperture of the air guide plate was 20mm ，the hole distance was 60mm ，and the dip angle was 5^° ，the heatflowfieldonthe tobaccolayer wasuniform，andtheaverage wind speed andaverage temperature were increased.After improving the air guide plate，the upper field inhomogeneity coeficient of the tobacco leaf layer decreased from 20.51% to 13.24% ，the average wind speed increased from 0.68m/s to 0.76m/s ，the temperature inhomogeneity coeficient of the tobacco leaf layer decreased from 12.71% to 7.71% ，and the average temperature increased from 29.44^°C to 30.34^°C ：

Keywords：tobacco redrying；thermal flow field；temperature field；uniformity；air guide plate

0 引言

在煙葉復烤過程中，煙葉的干燥均勻性對于煙葉的品質至關重要[1]。在干燥過程中，流場分布的均勻性直接影響煙葉的干燥均勻性。當煙葉層上的流場分布不均勻時，會導致煙葉層溫度分布不均勻，進而影響煙葉的品質。為提高片煙干燥均勻性，需對干燥室的結構進行優化，以提高流場與溫度場的均勻性。

目前，提高流場與溫度場均勻性的研究主要集中于結構參數優化。張航等通過設計翼型導流板，使熱風均勻分配，提高檳榔的含水率的均勻性。李秋玫等[3通過在進風口處增加不同傾斜角度的變截面對白茶干燥箱結構進行改進，提高系統內部氣流分布均勻性。吳敏等4對紅外熱風聯合干燥機設置兩層均風板，改善氣流流速的均一性，提高物料產品的干燥質量。劉瑞等[5在菊花熱風烘房進風口處安置引風罩，改善熱風烘房的氣流分布的均勻性。安兆元等進行粉絲烘干室流場模擬，在粉絲烘干室中采用引風管道，提高粉絲表面流場的均勻性，改善粉絲含水率的均一性。錢睿等在進風口處設置導流葉片及內部使用方孔徑勻風板，解決熱泵熱風干燥系統中的氣流上升式烘房內流場的均勻性。王振文等8利用在烘房的進風口處安置一定角度的導流板，改善烘房氣流分布的均勻性，解決產品品質不穩定、干燥效率低等問題。王嘉麟等9對花生莢果烘房加裝擋板組合式勻風機構，對比不同角度擋板下烘房內物料表面的風速變異系數，得出最佳的擋板角度。朱伊楓等[10針對頂風機型木材干燥窯內部流場分布不均勻問題，通過增加3塊平面導流板的方式來改善導流方式，優化了窯內流場分布的均勻性。謝煥雄等[11針對小麥箱式通風干燥機內流場不均勻的現象，提出在入風口增加導風柵格以及干燥倉體4個角采用圓弧過渡處理，改善小麥干燥不均勻的現象。孫偉[12]比較不同擋風板結構和位置對干燥箱內氣流的影響，確定最佳的優化方案，提高干燥箱內流場的均勻性。綜上，現有研究主要針對導流板的形狀、安裝位置以及結構參數等對流場均勻性的影響，未見針對開孔式導流板（導風板）對干燥室熱流場均勻性的研究。

為提高干燥室熱流場的均勻性，本文基于COMSOL軟件建立包含導流板、煙葉層以及干燥室的片煙干燥多物理場耦合模型。以導風板的安裝角度、孔徑和孔距為試驗因素，以干燥室內流場和溫度場均勻性為指標進行仿真試驗，通過優化分析得到效果最佳的導風板結構參數。

1模型的建立

1.1 模型幾何尺寸

片煙復烤干燥室（長 × 寬 x 高）為 1.1m×3.708m× 1.6m 。進風口和出風口尺寸（長 x 寬）為 0.610m× 0.425m 。進風口和出風口處于復烤箱一側，上下分布。傳送帶位于 Z=0.6m 的平面上，煙葉層尺寸（長 × 寬 x 高）為 3.7m×1m×0.08m 。傳送帶寬度與干燥室寬度基本相同，煙葉傳送帶寬度為 3.7m 。為使煙葉更加順利地進入復烤箱，出入口寬度為 3.7m ，出入口高度要大于煙葉高度，取 0.2m 。導風板在煙葉層上方，與進風口下邊緣齊平。干燥時，煙葉從右進入復烤箱，進風口吹進熱風經過導風板再吹到煙葉層上，再通過煙葉層從下出風口吹出。干燥室模型如圖1所示。

圖1干燥室簡化模型圖

Fig.1 Simplified model diagram of the drying chamber1.干燥室外壁2.進風口3.導風板4.煙葉層5.出風口

1.2基本假設與數學模型

針對片煙復烤干燥室的結構，構建物理模型，進行仿真時做如下簡化[13]：（1）干燥室外壁隔熱，室內熱量不與外界交換。（2）傳送帶與干燥室外壁之間視為無縫隙傳送，氣流無溢出。3）傳送帶由多孔網絲組成，對干燥室內流場基本不產生影響。（4）煙葉層簡化為多孔介質材料，采用孔隙率、導熱系數和初始溫度等來描述煙葉層的性質和干燥過程。

1.3 多孔介質模型

以片煙作為干燥對象，片煙以一定密度堆積在傳送帶上形成煙葉層。因煙葉層為有孔隙的煙葉堆積固體，可將煙葉層視為多孔介質[14]?？紫堵??_m 反映了孔隙的物理量，定義為孔隙體積和煙葉總體積的比。

式中： V₀ ——材料表觀體積， m³ V_m -材料的絕對體積， m³ ρ₀ -材料體積密度， kg/m³ ρ_m 中 材料密度， kg/m³ 。

在試驗中測量煙葉堆積后的體積和壓縮后體積，自然堆積煙葉層的孔隙率一般為 230kg/m³ 。

1.4流體模型建立

根據復烤箱出口速度計算得到復烤箱內流體的雷諾數為 8.45×10⁴ ，由此可判定復烤箱內形成的流場為湍流。在煙葉進行干燥過程中，氣流具有持續穩定性。氣流滿足連續性動能方程[15]，在COMSOL軟件中進行流場仿真時選擇湍流標準 k-ε 模型，則湍流的動力守恒方程如式（2）所示。

式中： （204號 速度在 x，y，z 方向上的分量；

ρ 流體密度， kg/m³ ：t- -時間，s。

湍流耗散率 ε 方程如式（3）所示。

式中： C_{1ε?C2ε?C3ε} （2 -常數；

u_i 2 流體在 i 方向上的速度分量；

μ 動力黏度；

μ_r 湍流黏度；

k- 湍動能；

Xi i 空間坐標分量；

x—j空間坐標分量；

G_k，G_b —速度梯度；

S_ε ——用戶自定義源項；

σ_ε 1 -ε的湍流普朗特數。

氣流在干燥室內是湍流，堆積煙葉是多孔介質，其內部孔隙小、阻力大以及風速較小，則多孔介質內部流體流動為層流。將湍流流體和多孔介質內氣流流動結合起來進行仿真。在流體傳熱方面，運用非等溫流動接口，將兩部分流體耦合，實現干燥室腔與多孔介質流體流動與傳熱的多物理場耦合。

1.5邊界條件與參數設置

1）邊界條件。針對網帶式片煙復烤干燥室內流場的模擬，其進風口為速度進口邊界條件。入口風速設置為不可壓縮流動，氣流與干燥室壁面無滑移反彈，相對速度為0。出口設置為開放邊界，自由出口，正壓力為0。針對干燥室內傳熱邊界條件，干燥室內煙葉層與周圍介質空間發生對流換熱，干燥室內壁面設置為不導熱，進風口熱風溫度為 50°C 。

2）煙葉導熱系數。煙葉層的導熱系數是描述煙葉導熱性能的參數，反映煙葉對熱量傳遞的能力。煙葉導熱系數 λ 計算如式（4）所示。煙葉層導熱系數隨含水率變化而變化。

λ=0.0016C+0.0492 式中： λ 導熱系數， W/（m?K） ：C 煙葉含水率， % 。

3）煙葉含水率。煙葉平衡含水率 C_e 可以根據Simard平衡含水率模型式（5）進行計算。

式中： C_e —平衡含水率， % ：T- 一氣溫， °C H? —空氣相對濕度， %RH 。

按照空氣濕度，計算得出 C_e 為 0.462 02% 。煙葉層具體參數和其他參數如表1所示[16]

4）網格劃分與求解方法。使用COMSOL軟件建立帶式片煙復烤干燥室模型，選擇較為精細的不均勻六面體和多面體網格劃分。整個帶式片煙復烤干燥室有243541個網格單元。狹窄區域分辨率為0.7，曲率因子為0.6。生成的網格如圖2所示。干燥室內采用穩態模擬，用一階離散方法求解。

表1煙葉層參數 Tab.1Leaf layer parameters

圖2復烤箱有限元網格 Fig.2Finite elementmesh of redringchamber

1.6 評價指標

1）流場不均勻系數。為方便評價煙葉層上流場的均勻性，引進流場不均勻系數 M 對煙葉層上流場的均勻性進行定量分析，流場不均勻系數越小，煙葉層上風速越均勻[17]。

式中： σ_v 1 煙葉層上風速標準差； 煙葉層上風速的平均值；v_i 煙葉層上節點風速；n 煙葉層上測風速的點數。

2）溫度不均勻系數。為方便評價煙葉層上溫度的均勻性，引入溫度不均勻系數 R 對煙葉層上溫度的均勻性進行定量分析。溫度不均勻系數越小，煙葉層上溫度越均勻[17]。

式中： σ_T 煙葉層上表面溫度的標準差； 煙葉層上表面溫度的平均值；T_i 煙葉層上節點溫度；N? -監測點個數，煙葉層上每 1cm 設置一個監測點，共3700個。

2 仿真與分析

2.1未安裝導風板流場分析

對未安裝導風板的復烤箱內流場進行仿真分析，得到復烤箱內流場分布如圖3所示，并評價此時煙葉層上風速的不均勻性。圖3（a）為干燥室側界面流場圖，顯示氣流進入干燥室內的流動情況。氣流集中吹向煙葉層的局部區域后擴散至整個煙葉層。圖3（b）為干燥室煙葉層表面的風速分布圖，左側是進出風口。顯示煙葉層表面風速的分布情況，可以看出煙葉層表面風速分布不均勻。其速度不均勻系數為51.10% ，平均速度為 0.48m/s 。

圖3流場分布Fig.3Flow field distribution

2.2 添加導風板后流場分析

添加導風板可改善干燥室內流場的混亂程度，導風板上分布著密度均勻的透風孔，對氣流具有導向與分配作用，避免熱風以高速集中吹向煙葉層的局部區域，減少煙葉層上風速的不均勻分布。

圖4導風板結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of the air guide plate structure

原導風板結構如圖4所示，透風孔孔徑為 0.02m ，分布均勻，孔距為 0.042m ，導風板平行煙葉層安裝。平行安裝導風板后煙葉層上流場速度分布如圖5所示，比較安裝導風板前，煙葉層上流場的均勻性有所提高，但靠近進風口一側風速較低。其流場不均勻系數為 20.51% ，平均風速為 0.68m/s 。

圖5改進前煙葉層上表面流場分布 Fig.5 Flow field distribution on the upper surface of the tobacco leaf layerbefore the improvement

調整導風板角度后有利于煙葉層上形成較大的湍流團，進而提高煙葉層的干燥速度，同時提高煙葉層上的流場均勻性，如圖6所示。

圖6導風板不同安裝角度下復烤室側視流場分布 Fig.6Flow field distribution of side viewingunder different installation angles of the air guideplate

導風板上透風孔的孔徑與孔距大小影響著氣流在干燥室內的走向與分布，優化的孔徑和孔距有利于使干燥室內形成規則的空氣對流，加快煙葉層與干燥室腔體的氣流交換。為提高煙葉層上風速的均勻性，擬通過改進導風板的透風孔設計和安裝角度。透風孔設計方式考慮出口孔徑d、孔間距S兩個因素（圖4），根據預仿真試驗分析結果，孔徑d設置 10mm?20mm 和 30mm ，共3個水平；孔間距S根據孔徑設置為3d、4d和5d，共3個水平；安裝角度設置為 4^°，5^° 和 6^° 共3個水平，安裝效果如圖7所示，左側為進風口。根據孔徑、孔距和安裝角度設計三因素三水平仿真試驗，得到煙葉層上流場不均勻系數和平均速度仿真試驗結果如圖8和圖9所示，其中A類導風板孔徑為10mm ，B類導風板孔徑為 20mm，C 類導風板孔徑為30mm 。1代表安裝角度為 4^°，2 代表安裝角度為 5^° ，3代表安裝角度為 6^° 。

由圖8可知，在相同角度下，安裝孔徑為 20mm 和30mm 的導風板，隨著孔距的增大，煙葉層上流場不均勻系數升高，安裝孔徑為 10mm 的導風板，隨著孔距的增大，煙葉層上風速不均勻系數降低。安裝孔徑為 30mm 的導風板，煙葉層上流場不均勻系數較高。在孔徑和孔間距相同的情況下，安裝角度為 5^° 的導風板，煙葉層上風速不均勻系數較低。由圖9可知，導風板安裝角度為4°時，煙葉層上平均風速較低。安裝角度為5時，煙葉層上平均風速較高。導風板傾斜一定的角度有利于煙葉層上平均速度的提高。結合圖8和圖9可知，在同種角度下，隨著風速不均勻系數的降低，平均速度提高。通過對比，當導風板角度為 5^° 、孔徑為 20mm 孔距為60mm 時，煙葉層上風速不均勻系數達到最小值13.24% ，此時平均速度為 0.76m/s 安裝導風板后，不僅明顯降低煙葉層上速度不均勻系數，而且提高煙葉層上的平均速度，提升煙葉干燥的均勻性和加快煙葉層與干燥室腔體的對流。圖10為干燥室安裝此結構和角度導風板后的煙葉層速度分布情況，與改進前的風速分布圖相比，改進后低風速區域風速得到明顯的提升，提升局部低風速區域的煙葉層與整體煙葉層干燥速度一致性。

圖10導風板改進后煙葉層表面流場分布 Fig.lOFlow field distribution of the tobacco leaf layer aftertheimprovement

2.3煙葉層溫度分布均勻性分析

無導風板時煙葉層上溫度分布如圖11（a）所示，煙葉層中間位置溫度較高，兩側溫度較低，結合流場圖10可知，煙葉層上表面氣流集中作用于中部然后擴散至整個煙葉層上表面。如圖11（b）所示，加導風板以后，遠離進風口一端煙葉層上溫度較高，原因是在對流干燥的過程中，由流場側視圖看出遠離進風口一側的煙葉層最先受到氣流傳熱，所以升溫較快，靠近進風口一端風速小，升溫較慢。如圖11（c所示，改進導風板以后，靠近進風口一端溫度提升，提升整體煙葉層溫度的均勻性。

圖11煙葉層上溫度分布Fig.11 Temperaturedistribution on the tobacco leaf layei

通過仿真分析得到煙葉層上溫度分布，并計算得到煙葉層上的溫度不均勻系數和平均溫度。圖12為不同導風板結構及安裝角度時，干燥室內煙葉層上溫度不均勻系數。由圖12可知，當導風板孔徑為 20mm 時，煙葉層上溫度不均勻系數較低，孔徑為 30mm 時，煙葉層上溫度不均勻系數較高。針對孔徑為 10mm 的導風板，隨孔距增大，煙葉層上溫度不均勻系數降低；當導風板孔徑為 20mm 和 30mm 時，隨著孔距的增大，煙葉層上溫度不均勻系數增大。當導風板安裝角度為5時，煙葉層上溫度不均勻系數較低。溫度不均勻系數的變化規律與流場不均勻系數變化規律基本一致，說明煙葉層上流場均勻性提高有利于溫度場均勻性的提高。由圖13可知，導風板傾斜4時煙葉層上平均溫度較小，傾斜5時平均溫度較大。當孔徑為 10mm 的導風板時，隨著孔距的增大，平均溫度有升高的趨勢，當導風板孔徑為 20mm 和30mm 時，隨著孔距的增大，平均溫度減小。對比圖12和圖13可知，煙葉層上溫度不均勻系數降低有利于平均溫度的上升。當導風板傾斜角度為 5^° 、孔徑為20mm 以及孔距為 60mm 時，煙葉層上的溫度不均勻系數由 12.71% 降低到 7.71% ，降幅達 39.34% ；煙葉層上平均溫度由 29.44^°C 升高到 30.34^°C ，提高 3.06% 。提高了煙葉層溫度場的均勻性和干燥平均溫度。

3 結論

1）改進導風板結構與安裝角度后，復烤箱內煙葉層上的熱流場均勻性明顯提升。對比煙葉層上的風速不均勻系數，當導風板的孔徑為 20mm 、孔距為60mm 以及傾斜角位為 5^° 時，煙葉層上的流場分布均勻性最好。此時流場不均勻系數由 20.51% 降為

13.24% ，溫度不均勻系數由 12.71% 降為 7.71% 。煙葉層流場的均勻性提高后，煙葉層的溫度不均勻系數明顯降低。表明煙葉層上流場的均勻性對煙葉的溫度均勻性產生積極的影響。

2）改進導風板的結構和角度后，煙葉層上的平均風速明顯增加，同時平均溫度也隨之提高。平均風速由 0.68m/s 提高到 0.76m/s ，平均溫度由 29.44^°C 提高到 30.34^°C ，平均溫度提升速度由 1.18^°C/s 提升到 1.2925^°C/s ，提升 9.5% 。

參考文獻

[1］高萌，李明，王云峰，等．低溫環境下熱泵熱風干燥藏藥性能試驗[J].農業工程學報，2020，36（21）：316—322.Gao Meng，Li Ming，Wang Yunfeng，et al. Performancetest of heatpump under low temperature environment[J].Transactions of the Chinese Society of AgriculturalEngineering，2020，36（21）：316-322.

[2］張航，鄧勝祥．基于Shannon-Wiener指數的干燥過程中物料含水率均勻性計算及驗證[J].農業工程學報，2016，32（20）：290-297.ZhangHang， DengShengxiang.Calculationandverification of material moisture content uniformity duringdrying processbased on Shannon-Wiener index [J].Transactions of the Chinese Society of AgriculturalEngineering，2016，32（20）：290—297.

［3］李秋玫，季旭，蘭青，等．基于CFD的白茶干燥系統氣流場模擬及優化研究［J]．云南師范大學學報（自然科學版），2022，42（4）：6-9.

［4］吳敏，段豪，王振文，等．基于溫濕度控制的紅外熱風聯合干燥機設計與試驗[J].農業機械學報，2020，51（S1）：483-492.Wu Min，Duan Hao，Wang Zhenwen，et al. Design and testof infrared hot air combined dryer based on temperature andhumidity control [J]. Transactions of the Chinese SocietyforAgricultural Machinery，2020， 51（S1）： 483-492.

［5］劉瑞，董繼先，王棟，等．菊花熱風烘房的流場模擬及結構優化[J].機械設計，2021，38（1）：47-54.

［6］安兆元，師占群．新型粉絲烘干室流場模擬與結構優化[J].食品與機械，2022，38（2）：68—73.

［7］錢睿，吳達科，楊明金．基于Fluent的棉花烘房流場均勻性優化[J].中國農機化學報，2023，44（1）：152—161.Qian Rui，Wu Dake，Yang Mingjin. Optimization of flowfield uniformity in cotton oven based on Fluent [J].Journal of Chinese Agricultural Mechanization，2023，44（1）：152—161.

［8］王振文，吳敏，徐新民，等．熱泵烘房結構及參數優化仿真設計[J]．農業機械學報，2020，51（S1）：464—475.of drying room [J].Transactions of the Chinese Societyfor Agricultural Machinery，2020，51（S1）：464-475.

［9］王嘉麟，謝煥雄，李國鵬，等．固定床式花生莢果烘干設備勻風機構設計與仿真[J]．中國農機化學報，2019，40（4）：84-92.Wang Jialin，Xie Huanxiong，Li Guopeng，et al.Designand Simulation of uniform air mechanism of fixed bed typepeanut pod drying equipment [J].Journal of ChineseAgriculturalMechanization，2019，4O（4）：84-92.

[10］朱伊楓，孫麗萍，李季成．干燥窯結構改進對風速流場均勻性的影響[J].農業工程學報，2021，37（24）：327-337.Zhu Yifeng，Sun Liping，Li Jicheng.Effects of structuralimprovement of drying kiln on the uniformity of wind speedflow field [J]．Transactions of the Chinese Society ofAgricultural Engineering，2021，37（24）：327—337.

[11］謝煥雄，王海鷗，胡志超，等．箱式通風干燥機小麥干燥試驗研究[J].農業工程學報，2013，29（1）：64—71.Xie Huanxiong， Wang Haiou， Hu Zhichao，et al.Experimental study on wheat drying in box-type ventilateddryer [J]. Transactions of the Chinese Society ofAgricultural Engineering，2013，29（1）： 64—71.

[12］孫偉．熱泵干燥箱內部流場的數值模擬及特性分析[D].昆明：云南師范大學，2020.

[13］秦基偉，王立華，蔣維，等．基于COMSOL的煙葉復烤干燥過程仿真[J].食品與機械，2021，37（11）：136—141.

[14] Zawawi M H，Saleha A，Salwa A，et al. A review：Fundamentalsofcomputationalfluiddynamics（CFD）[C].AIP ConferenceProceedings.AIPPublishing LLC，2018，2030（1）： 020252.

[15］錢睿，吳達科，楊明金．基于Fluent的棉花烘房流場均勻性優化[J].中國農機化學報，2023，44（1）：152—161.Qian Rui，Wu Dake，Yang Mingjin.Optimization of flowfield uniformity in cotton oven based on Fluent [J].Journal of Chinese Agricultural Mechanization，2023，44（1）： 152-161.

[16] Jiang W，Wang L，Tang J，et al．Calibration andexperimental validation of contact parameters in a discreteelement model for tobacco strips[J]. Processes，2022，10（5）： 998.

[17］龔中良，王鵬凱，李大鵬，等.多溫區網帶式干燥機熱流場分析與結構優化[J].農業工程學報，2021，37（18）：40—47.Gong Zhongliang，Wang Pengkai，Li Dapeng，et al.Thermal flow field analysis and structure optimization ofmulti-temperature zone net belt dryer[J]. Transactions ofthe Chinese Society of Agricultural Engineering，2021，37（18）： 40-47.