變容積密集烤房的CFD分析與試驗研究

葉大鵬 沈碧河 張炳輝 黃俊煒 謝立敏

摘要：為保障密集烤房裝煙密度，降低烘烤的能源消耗，研發一套適用于密集烤房的變容積系統。在完成變容積裝置的設計后，基于CFD方法模擬分析裝置與煙葉的不同距離對烤房內部氣體分布均勻性的影響。通過烘烤試驗獲取實際烘烤數據，對模擬值加以驗證。試驗結果表明：當隔板與煙葉距離為0cm時，流速不均勻系數Kv為0.40，溫度不均勻系數Kt為0.41，距離為10cm時，Kv=0.41，Kt=0.43；距離為20cm時，Kv=0.42，Kt=0.49。裝煙區9個測量點的溫度模擬值與實測值基本吻合，誤差在6%以內。變容積烤房在裝煙量為一半時，相比常規烤房的燃料消耗可節約13.4%。研究結果表明：當隔板與煙葉距離為0cm時烤房內部的氣體分布最均勻；CFD模型與數值模擬結果具有可靠性；變容積裝置具有較好的保溫效果，可保證裝煙密度，降低烤煙能耗。

關鍵詞：密集烤房；變容積；CFD方法；數值模擬

中圖分類號：S229+.2? 文獻標識碼：A? 文章編號：2095-5553 （2024） 03-0090-07

CFD analysis and experimental research on variable volume bulk curing barn

Ye Dapeng1， 2，?Shen Bihe1，?Zhang Binghui3，?Huang Junwei1，?Xie Limin1， 2

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Fujian Agricultural and Forestry University， Fuzhou，350100， China; 2. Key Laboratory of Agricultural Information Perception Technology in Fujian Province， Fuzhou，350100， China; 3. Tobacco Science Research Institute of Fujian Tobacco Monopoly Bureau， Fuzhou， 350003， China）

Abstract：

In order to ensure the density of smoke in the bulk curing barn and reduce the energy consumption of baking， a variable volume system suitable for the bulk curing barn was developed. After the design of the variable volume device was completed， the influence of different distances between the device and tobacco leaves on the uniformity of gas distribution inside the bulk cuing barn was simulated and analyzed based on the CFD method. The actual roasting data was obtained through the roasting test， and the simulated values were verified. The test results showed that when the distance between the separator and the tobacco leaf was 0 cm， the non-uniform coefficient of flow velocity Kv was 0.40， the non-uniform coefficient of temperature Kt was 0.41， Kv=0.41， Kt=0.43 when the distanc was 10cm， Kv=0.42， Kt=0.49 when the distanc was 20cm. The simulated temperature values of 9 measurement points in the cigarette loading area were basically consistent with the measured values， with an error of within 6%. When the capacity of the variable volume curing barn was half， the fuel consumption can be saved by 13.4% compared to the conventional curing room. The research results indicated that when the distance between the partition and the tobacco leaves was 0cm， the gas distribution inside the curing room was the most uniform. The CFD model and numerical simulation results had a certain degree of reliability. The variable volume device has good insulation effects， which can ensure the density of tobacco loading and reduce energy consumption of flue-cured tobacco.

Keywords：bulk curing barn; variable volume; CFD method; numerical simulation

0 引言

密集烤房是專門用于卷煙煙葉烘烤的設備，具有容量大、裝煙密度高等特點［1］?？緹煏r密集烤房的裝煙密度對烤煙的經濟效益有直接關系，裝煙密度過高或過低對于烤煙的經濟效益都有不良的影響?？痉康哪茉纯傁呐c用電量隨著裝煙密度的提高而增加，但分攤到單位重量干煙上的烘烤成本則相對降低。因此為了節省能耗，提高經濟效益，密集烤房的裝煙密度不宜過低；但過高的裝煙密度又將對烤后的煙葉等級造成影響，導致均價降低，降低經濟收益［2］。另外，不合適的裝煙密度會對煙葉內在化學成分協調性和評吸質量帶來不利影響［3］。相關研究表明，裝煙密度為70kg/m3時下烤后煙葉整體品質最高，經濟效益最好［4， 5］。

目前的卷煙生產過程中，鮮煙葉采用逐片采摘烘烤的方式。由于天氣或水肥差異等各方面因素的影響，煙葉成熟速度不同，在一個采收周期內收獲的煙葉裝到烤房后會有所剩余或不足，大多數煙農裝煙時只能改變裝煙密度將烤房裝滿，容易導致裝煙密度過高或過低，無法達到最優裝煙密度，從而增加能耗，影響煙葉品質，降低烤煙經濟效益。因此，尋求一種密集烤房容積調節的方法，可根據裝載的煙葉數量調節烤房的實際烘烤區域，使煙葉保持在最佳裝煙密度下烘烤顯得極為必需。

近些年，CFD方法在研究各種農業設施室內的氣體流場分布中被廣泛應用［68］。在各種畜禽舍的通風換氣與濕熱傳遞分布等問題的研究中，多運用CFD方法進行分析，如：運用計算流體動力學方法對豬舍冬季氣流環境進行研究［9］、對保育豬舍垂直通風進行CFD模擬及擋風板優化設計［10］。一些屋舍結構的優化問題也可通過CFD方法得到較好的解決［11， 12］，對密集烤房的諸如通風孔尺寸、位置之類的結構優化也多使用CFD模擬仿真方法［13， 14］，但有關烤房的容積調節研究卻鮮有報道。

基于以上討論，本文從劃分烤房區域，隔離裝煙區，減小加熱空間的角度研究設計了一套適用于密集烤房的容積調節系統。使每次烤煙總能以最佳裝煙密度進行烘烤，通過烤煙對比實驗確定隔板厚度，利用CFD三維數值模擬方法分析隔板與煙葉的不同距離對裝煙區溫濕度分布均勻性的影響，探究隔板最佳安裝位置，提高烤煙均勻性，并降低能源消耗。

1 材料與方法

1.1 新型密集烤房基本結構與工作原理

目前常用的密集烤房根據熱空氣流動方向的不同可分為氣流上升式與氣流下降式，二者除風機的位置與朝向不同外結構基本相同［15］。實驗所用烤房是一座位于福建省三明市永安市的氣流上升式密集烤房，烤房可分為燃燒室和烘烤室，烘烤室內部尺寸為8.0m×2.7m×3.5m（長×寬×高）。烘烤室的天花板、左右墻面以及大門門板均由5cm厚的聚氨酯夾芯板構成，內部設有煙架，用于承載煙桿?？痉抗ぷ鲿r燃燒室內的氣體被加熱爐加熱，由風機吹向出風口，出風口出來的熱空氣往大門方向移動的同時慢慢上升，與溫度較低的煙葉進行熱交換后到達天花板，通過回風口排出?？痉拷Y構與熱風流動路線如圖1所示。

在圖1所示的烤房中搭建變容積裝置，該變容積裝置主要由保溫面板與鋁合金骨架構成，六塊面板拼接后形成隔板，搭接在煙架上，將烤房內部分隔為裝煙區與無煙區，如圖2所示。

為保證裝置的密閉性，隔板的保溫材料尺寸略大于烤房壁面之間的距離，面板互相擠壓減少空隙，因此，材料需要具備一定的可壓縮性和壓縮復原性；此外，所選取的保溫材料需有較好的隔熱能力以減少裝煙區的能量損耗。常見的保溫材料及其物理性質如表1所示。

氣凝膠氈保溫性能最好但是復原性差且密度過大；聚氨酯保溫性能次之，但易出現鼓包與開裂；酚醛脆性較大，而聚苯乙烯則吸水性高，均無法滿足隔板的要求。珍珠棉保溫性能較好，壓縮性與壓縮復原性良好，密度較小但容易彎曲，可以通過骨架加固，使隔板烘烤時不會在風壓的作用下發生變形。綜上，最終選定EPE高密度珍珠棉作為變容積裝置的保溫材料。

變容積裝置的隔板厚度對裝置的保溫性能影響巨大，隔板厚度越大，不同面板之間相互擠壓后的接觸面積越大，密閉性保溫性越好，但裝置的造價也越高。通過測定不同厚度下裝煙區與無煙區的溫度差確定面板厚度。

綜合考慮每千克干煙的平均烘烤成本與實際生產情況，研究的裝煙量為最佳裝煙密度條件下裝滿烤房容積一半，即在靠近燃燒室的一側，每層裝4m長的煙葉。

1.2 烤房建模與網格劃分

根據現有的烤房結構，等比例建立烘烤室的幾何模型。忽略煙架，觀察窗等所占比重較小的結構。模型由變容積裝置分隔成兩部分，右側裝煙區內的三層煙葉簡化為三個多孔介質區域，模型結構簡單，在ICEM CFD 19.2中劃分六面體結構化網格并進行局部加密，共產生347734個節點，344667個單元，如圖3所示。

1.3 控制方程與模型選擇

煙葉烘烤過程中烤房內部氣體保持流動，整個過程遵循質量、動量和能量三大守恒定律［18］；

質量守恒方程（連續性方程）如式（1）所示。

аρаt+а（ρu）аx+а（ρv）аy+а（ρw）аz=Sm（1）

式中：u、v、w——速度矢量在x、y、z方向分量，m/s；ρ——烤房內流體密度，kg/m3；t——時間，h。動量守恒方程（N-S方程）如式（2）所示。

ааt（ρui）+ааxi（ρuiuj）=－аpаxi+аτijаxj+ρgi+Fi（2）

式中：p——靜壓，Pa；τij——應力張量；gi、Fi——i方向上的重力體積力和外部體積力，N。

能量守恒方程如式（3）所示。

а（ρT）аt+аSymbolQC@（ρuT）=аSymbolQC@kcpgradT+ST（3）

式中：cp——比熱容，J/ （kg·K）；T——溫度，K；k——流體的傳熱系數；ST——黏性耗散項。

煙葉烘烤的空氣流動屬于湍流，選擇標準的k-ε模型進行求解［16］，求解過程中將掛煙區域視為孔隙率為0.87%［17］的連續多孔介質。

1.4 邊界條件與數值計算

運用Ansys Fluent軟件的2022R1版本進行數值求解。將烘烤室的熱空氣入口設置為速度入口，平均風速3.5m/s，溫度42℃，湍流模型采用標準的k-ε模型，入口處設置湍流參數，湍流強度I=3.7%，水力直徑D=0.7m。出口設置為常壓狀態的壓力出口?？痉勘诿媾c天花板設置為絕熱壁面，不考慮其與外界環境的換熱，即以壓力基進行瞬態求解，壓力速度耦合方式為SIMPLE，壓力和動量采用二階迎風離散格式。

2 試驗與分析

為驗證變容積裝置對烤煙燃料消耗的影響，選取同一烤房群內的兩座相鄰烤房進行對比試驗。一座為安裝了變容積裝置的試驗烤房，一座為未裝變容積裝置的對比烤房。在兩座烤房內部搭建溫濕度監測系統，檢測并記錄實時烘烤數據。在烤房兩側壁面與中間煙架三個平面上共布置18個溫濕度探頭，探頭型號為RS485型pvc探頭。在兩座烤房以相同裝煙量，相同開烤時間進行烘烤，通過RS-XZJ-100-Y型監控主機每隔10min記錄一次烘烤數據并發送至云平臺。同時記錄兩座烤房的燃料消耗情況。探頭的安裝位置如圖4所示。

烘烤試驗開始的時間為2023年7月4日，于福建省三明市永安市小陶鎮進行，烘烤時間為250h。

2.1 隔板厚度的確定

變容積裝置隔板的密閉性和保溫性對于烤房的能源消耗有很大影響。隔板的保溫性越好，裝煙區的熱量往無煙區的傳遞越弱，無煙區的溫度也就越低。無煙區與外界溫差越低，烤房的熱量損耗越小，節能效果越明顯。在裝煙量為烤房容積一半的情況下測試隔板厚度為5cm，10cm時的變容積裝置保溫性以確定最佳隔板厚度。

選取以隔板為對稱平面的四個對稱觀測點P6、P7、P14和P16所采集的數據進行對比。其中，P6、P14位于無煙區內，分別距離隔板約90cm與200cm；P7、P16位于有煙區內，距離隔板約90cm與200cm。烘烤過程中，厚度為5cm的隔板隔離下裝煙區與無煙區的溫度變化與溫差如圖5所示。

厚度為10cm的隔板隔離下裝煙區與無煙區的溫度變化與溫差如圖6所示。

由圖5和圖6可以看出，隨著烘烤時間的推移，位于有煙區的P7與P16位置的溫度逐漸上升，在烤房的溫度調控系統作用下，溫度曲線與烤煙烘烤工藝曲線吻合。位于無煙區的P6與P14位置的溫度曲線出現周期性波動，溫度下降處的記錄時間為夜晚，應是夜晚溫度降低所致。P6與P7、P14與P16的溫度差值也出現周期變化，總體呈現上升趨勢，表明隨著烘烤溫度的上升，隔板兩側的溫度差呈增大趨勢。P6的溫度始終小于P7，P14始終小于P16，圖5與圖6中的監測點溫度差值十分接近，表明10cm的隔板保溫性能與5cm相近。但10cm隔板的厚度增加一倍，設備成本提升，綜合考慮設備造價與節能效果，變容積裝置的隔板厚度定為5cm。

2.2 隔板最佳位置確定

2.2.1 不同隔板位置的裝煙室氣體流速場分布

在模擬仿真的后處理階段，選取烤房內距離地面0.35m、1.75m和2.85m的三個水平截面Z1、Z2、Z3與一個垂直地面與隔板的中心截面Y，展示烤房的氣體流速場分布情況。分別創建隔板與煙葉距離為0cm、10cm與20cm的不同模型，三個模型在Z1、Z2、Z3截面上的氣體流速分布如圖7所示。

圖7（a）所示的隔板與煙葉距離為0cm時，空氣從入口進入后向上擴散，Z1截面上方均為煙葉區域，截面上各處氣體擴散速率相近，氣流撞到隔板后回流，隔板附近風速出現周期性波動。Z2截面在隔板一側風速高于燃燒室一側，高速區較分散。Z3氣流在往出口運動時速度逐漸增大。

圖7（b）所示的隔板與煙葉距離為10cm時，在Z2截面的氣流高速區集中的隔板一側，相比圖7（a）中的Z2截面更集中，應是隔板與煙葉區域存在間隙，進入烘烤室的氣流到達隔板后通過間隙上升至天花板，經過Z2截面時往燃燒室運動時速度下降明顯。由于氣體在隔板處快速上升，使得Z3截面的氣流往出口運動的氣體流速增加，平均流速大于圖7（a）。

圖7（c）所示的隔板與煙葉距離為20cm時，隔板與煙葉區域間隙增大，間隙處的氣體流速增大，Z2截面高速區更集中，Z3截面平均流速大于圖7（b）。

2.2.2 不同隔板位置的裝煙室溫度場分布

三個模型的不同溫度場分布如圖8所示。

由圖8（a）可以看出，隔板與煙葉距離為0時，熱空氣由進風口進入后，在到達隔板的過程中，從煙葉區域的最低端向上擴散。在同一水平面各處擴散速度相近，使得同一水平高度的煙葉區域受熱情況相近。圖8（b）中Z1、Z2截面溫度幾乎一致。Z3截面由于出口變窄，在出口附近的角落氣流難以到達，產生低溫區，但該區域無煙葉，影響較小。隨著時間的推移煙葉慢慢達到與進口空氣相近的溫度。

圖8（c）所示隔板與煙葉距離為10cm時，熱空氣在到達隔板時，由于隔板與煙葉存在空隙，入口的空氣進入烘烤室后很快便從空隙處排向出口，溫度傳遞呈“C”型向內發展，煙葉區域慢慢達到均勻的溫度，但比入口處溫度略低。圖8（d）中Z1截面溫度均勻，Z2截面在隔板附近的溫度高于燃燒室一側，Z3截面在裝煙區的中心區域溫度較低。

圖8（e）所示隔板與煙葉距離為20cm時，隔板與煙葉空隙增大，熱空氣進入烘烤室后更快從出口排出，“C”型溫度傳遞更明顯，由于熱空氣與煙葉接觸時間變短，出口下方的煙葉升溫更慢，出現低溫區。圖8（f）中Z1與Z3截面溫度均勻，Z2截面從隔板往燃燒室溫度遞減，兩端溫度差異較大。

2.2.3 最佳隔板位置

引入不均勻系數K［19］描述烤房內部各個物理場的不均勻程度，評價隔板位置對烤房環境的影響。速度場不均勻系數Kv、溫度場不均勻系數Kt的公式如式（4）所示。

Kv，t=1m∑mj=11n∑ni=1（Ti－T-）2（4）

式中：j——水平截面數；i——該水平面上的測量點數；T-——該平面各個測量點的溫度平均值;m——截面總數;n——同一截面的測量點總數。K值越小表明均勻程度越好。

在三個Z截面的裝煙區分別取裝煙區的對角線交點和兩條對角線上的四個四等分點計算不均勻系數，不同隔板位置的Kv與Kt見圖9所示。

由圖9可見，隨著隔板位置與煙葉的距離增大，氣體流速的不均勻系數Kv與溫度不均勻系數Kt均增大。隔板位置的變化與氣體流速的不均勻系數曲線較為平緩，位置變化與溫度不均勻系數曲線陡峭。綜上，隔板距離為0cm時烘烤室的氣體流速場與溫度場均勻程度最好。

2.3 模型可靠性驗證

記錄試驗烤房中裝煙區的9個監測點的烘烤溫度數據，以烘烤時間t=68h時的溫度實測數據與仿真模擬值進行對比，結果如表2所示。

2.4 燃料消耗分析

在試驗烤房與對比烤房內裝煙194桿，占據烤房裝煙容積的一半，裝煙密度為70kg/m3。以顆粒狀生物質燃料作為能量來源。記錄兩座烤房每日的生物質燃料消耗，如圖10所示。

烘烤完畢后，兩座烤房的燃料料斗內均無燃料剩余。由圖10可以看出，在烘烤過程中，試驗烤房每日的燃料消耗量均小于對比烤房，并且在烘烤后期，試驗烤房的燃料消耗明顯減少。整個烘烤實驗中，對比烤房共計消耗生物質燃料820kg，加裝了變容積裝置的試驗烤房共計消耗生物質燃料710kg。相較于對比烤房，試驗烤房共節約燃料110kg，約節省13.4%。

變容積裝置將烘烤室分隔為裝煙區與無煙區，縮小了烤房需要加熱的空間。在烤房沒有滿烤時，從燃燒室進入烘烤室的熱空氣在遇到保溫隔板后更快上升，煙葉更快升溫，減少熱空氣在無煙區運動過程中的能量損耗。另外，變容積裝置使無煙區的溫度與外界溫差減少，降低了烤房無煙區與外界的熱交換產生的熱量損失，達到節約能源的作用。

3 結論

1） 本文設計了一套變容積裝置，并建立了變容積烤房的CFD仿真模型，分析該裝置在新型密集烤房內的安裝位置對烤煙室氣流分布均勻性的影響。模擬結果顯示，當隔板與煙葉距離為0cm時，流速不均勻系數Kv為0.40，溫度不均勻系數Kt為0.41，10cm時Kv=0.41，Kt=0.43，20cm時Kv=0.42，Kt=0.49，隔板安裝在緊靠煙葉的位置裝煙區流場分布最佳。

2） 對比烤煙室內流場分布的模擬和實際烘烤數據測，裝煙區9個測量點的溫度實測值與模擬值基本吻合，相對誤差＜6%，表明所建立的CFD模型及模擬具有可靠性。

3） 變容積裝置的隔板厚度為5cm，材料為EPE保溫棉可保障裝置的密閉性與保溫性。烘烤試驗結果表明，烤房裝煙量為50%時，加裝了變容積裝置的烤房比常規烤房節約13.4%的燃料消耗。

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基金項目：福建省農業信息感知技術重點實驗室項目（2021ZDSYS0101）；中國煙草總公司福建省公司科技計劃項目（2022350000240084）

第一作者：葉大鵬，男，1971年生，福建寧德人，博士，教授；研究方向為農業智能機械。E-mail： ydp@fafu.edu.cn

通訊作者：謝立敏，女，1985年生，福建南平人，博士，講師；研究方向為機器人運動控制。E-mail： lucy_min@163.com