李 俏

（廣東理工學(xué)院 智能制造學(xué)院，廣東肇慶 526100）

0 引言

對煙葉進(jìn)行加香加料是卷煙生產(chǎn)的一道重要工序，其加料工藝過程具有一定的復(fù)雜性，煙葉與料液的混合好壞直接影響卷煙的質(zhì)量。因此，對加料機(jī)內(nèi)煙葉、料液與空壓氣的混合流動特性的研究對提高卷煙生產(chǎn)質(zhì)量有著重要的意義。沈選舉[1]應(yīng)用ANSYS/FLOTRAN分析軟件以及相關(guān)理論對6 400 kg/h的煙草膨脹設(shè)備進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，基于對其內(nèi)流場數(shù)值模擬與研究得出了內(nèi)流場各種特性的云圖分布圖，得出最為理想的結(jié)構(gòu)形式。周暉等[2]應(yīng)用CFD對煙絲的輸送過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，為了得到氣力輸送煙絲的流動狀態(tài)與管壁上的壓力分布，通過對比不同實(shí)際工況如輸送風(fēng)速下的分布規(guī)律，得出最優(yōu)分布規(guī)律，研究結(jié)果可改善氣力輸送煙絲工作參數(shù)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)。王棟梁等[3]對三維軟件建立的加料機(jī)模型，運(yùn)用CFD軟件基于歐拉-歐拉數(shù)值模型，根據(jù)實(shí)際工況設(shè)置對應(yīng)的邊界條件，對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)內(nèi)流場仿真模擬。唐向陽等[4]對三維軟件建立的煙草雜物剔除器結(jié)構(gòu)，運(yùn)用CFD仿真技術(shù)構(gòu)建了流場數(shù)值仿真模型，通過對比4種不同工況下結(jié)構(gòu)內(nèi)的壓力與速度分布規(guī)律，研究結(jié)果認(rèn)為在整個煙草雜物剔除器系統(tǒng)里的風(fēng)壓部分至關(guān)重要。

本文運(yùn)用CFD/FLUENT仿真模擬技術(shù)對滾筒正常溫度下煙葉、空壓氣以及料液的加料流動特性進(jìn)行模擬，主要研究加料機(jī)內(nèi)煙葉濃度分布、料液顆粒運(yùn)動軌跡及質(zhì)量濃度分布，通過正交試驗(yàn)確定影響物料混合流動特性因素的影響順序和最優(yōu)組合，為加料多相流流動特性分析和煙葉加料裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考價值[5]。

1 模型建立

1.1 幾何模型

以云南省昆明某卷煙廠滾筒式一級加料機(jī)設(shè)備為研究對象，根據(jù)在生產(chǎn)一線現(xiàn)場測量的加料機(jī)尺寸參數(shù)及其結(jié)構(gòu)特征，考慮研究內(nèi)容主要是分析滾筒加料機(jī)內(nèi)部三相流場運(yùn)動特性，使用三維軟件UG主要建立加料工藝執(zhí)行部分滾筒加料機(jī)三維結(jié)構(gòu)模型，包括加料滾筒、耙釘與加料噴嘴，滾筒直徑2 150 mm；滾筒長度5 000 mm；滾筒傾斜角度1～3°。加料噴嘴劃分網(wǎng)格時，忽略倒角和倒圓等幾何特征，簡單處理局部形狀不規(guī)則的部位?？紤]旋轉(zhuǎn)邊界參數(shù)變化劇烈，劃分網(wǎng)格時設(shè)置邊界層，單元數(shù)量為3 038 928。滾筒加料機(jī)的三維結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格圖如圖1所示。

圖1 加料機(jī)的三維結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格圖Fig.1 3D structure and mesh chart of the feeder

1.2 模擬工藝參數(shù)

滾筒內(nèi)部物質(zhì)流動特性受各工藝參數(shù)影響，因此，對滾筒內(nèi)部加料工藝過程的仿真基于一級加料設(shè)備實(shí)際生產(chǎn)線的各性能參數(shù)，如表1所示。

表1 設(shè)備性能參數(shù)Tab.1 Equipment performance parameters

通過從某卷煙廠現(xiàn)場對煙葉葉片任意采集的數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類，如表2所示。煙葉形狀不規(guī)則，其中長條形形狀所占比例最大，因此，設(shè)置煙葉葉片等效為同等體積下的球形顆粒進(jìn)行理論仿真模擬。根據(jù)固體顆粒自由懸浮速度的不規(guī)則形狀的修正系數(shù)規(guī)則[6]，以及對煙葉葉片實(shí)際尺寸的測量統(tǒng)計(jì)，可得煙葉顆粒的工況參數(shù)。

表2 煙葉形狀分類Tab.2 Tobacco leaf shape classification

根據(jù)上述模擬設(shè)備工藝參數(shù)，設(shè)置邊界條件：各相速度在進(jìn)口處均勻分布，壓力在進(jìn)口處設(shè)置為0.25 MPa，水力直徑設(shè)置為0.1 m，壁面設(shè)置為無滑移。假定煙葉顆粒與液滴接觸后，經(jīng)過壁面時反彈，旋轉(zhuǎn)到加料機(jī)進(jìn)料端時停止相互作用，料液被煙葉吸附。模擬溫度條件設(shè)置為工藝風(fēng)溫度50 ℃。通過FLUENT15軟件對數(shù)值模型進(jìn)行求解，應(yīng)用二階迎風(fēng)格式，收斂標(biāo)準(zhǔn)定為因子的殘差為10-5時模擬計(jì)算結(jié)束。模擬工況見表3。

表3 模擬工況Tab.3 Simulation conditions

1.3 物理模型

在建模過程中的基本假設(shè)：料液、空壓氣為連續(xù)相，煙葉顆粒為分散相，在質(zhì)量、動量和能量平衡前提下，結(jié)合雙流體模型及粒子分散模型，在Lagrange坐標(biāo)系中計(jì)算顆粒相；基于雙流體模型，在Euler坐標(biāo)系中，計(jì)算在煙葉顆粒作用下的其他兩相流的流動情況[7-8]。基于上述基本假設(shè)，計(jì)算物理模型應(yīng)用多相流模型和湍流模型。

2 計(jì)算結(jié)果及討論

2.1 煙葉濃度分布

2.1.1 加料機(jī)轉(zhuǎn)速對煙葉濃度分布的影響

基于正交試驗(yàn)方法對加料機(jī)的混合流動特性進(jìn)行模擬，煙葉顆粒粒徑為10 mm，煙葉容積率為35%時，不同加料機(jī)轉(zhuǎn)速工況下Z=0 mm斷面上、加料機(jī)耙釘壁上煙葉濃度分布如圖2所示。

圖2 不同滾筒轉(zhuǎn)速時Z=0 mm斷面及加料機(jī)與耙釘壁煙葉濃度分布圖Fig.2 Distribution diagrams of Z=0 mm section and tobacco leaf concentration in the drum and the nail wall at different drum speeds

煙葉濃度在不同加料機(jī)轉(zhuǎn)速下分布相似，且大部分煙葉濃度集中在下側(cè)壁上。隨著加料機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，上側(cè)壁上的煙葉濃度分布增加，下側(cè)壁上的煙葉濃度含量亦增加，耙釘周圍、加料機(jī)壁與中間分布規(guī)律不均勻。

2.1.2 煙葉容積率對煙葉濃度分布的影響

煙葉顆粒粒徑10 mm，加料機(jī)轉(zhuǎn)速9 rad/min時，不同加料機(jī)轉(zhuǎn)速工況下，Z=0 mm斷面上、加料機(jī)與耙釘壁煙葉濃度分布如圖3所示。

圖3 不同煙葉容積率時Z=0 mm斷面與加料機(jī)與耙釘壁上煙葉濃度分布圖Fig.3 Distribution diagram of tobacco leaf concentration on the Z=0 mm section and the wall of the drum and the nail wall at different tobacco leaf volume ratios

不同煙葉容積率下，對煙葉濃度分布影響與不同加料機(jī)轉(zhuǎn)速的結(jié)果相似。隨著煙葉容積率的增大，煙葉從加料機(jī)下端及加料機(jī)上側(cè)壁區(qū)域逐漸向上端轉(zhuǎn)移分布。此外，加料機(jī)上下側(cè)壁與耙釘周圍的煙葉濃度分布，與煙葉容積率的增大不成正相關(guān)，在煙葉容積率較小時，整個加料機(jī)壁煙葉分布更均勻，且上側(cè)壁煙葉分布更多。總體分析，煙葉濃度易于聚集的區(qū)域變化不明顯。

2.2 液滴運(yùn)動軌跡分布及濃度分布

2.2.1 加料機(jī)轉(zhuǎn)速對液滴運(yùn)動軌跡分布及濃度分布的影響

煙葉顆粒粒徑為10 mm，煙葉容積率為35%時，不同加料機(jī)轉(zhuǎn)速工況下，整個區(qū)域液滴運(yùn)動軌跡分布及質(zhì)量分布如圖4所示。料液從噴嘴噴出后，其運(yùn)動軌跡毫無規(guī)律可循。當(dāng)加料機(jī)轉(zhuǎn)速較小時，加料機(jī)旋轉(zhuǎn)更適應(yīng)液滴的運(yùn)動，液滴顆粒更接近加料機(jī)的運(yùn)動方程。且在加料機(jī)轉(zhuǎn)速為9 rad/min時，料液廣泛分布在加料機(jī)內(nèi)，能有更大面積與煙葉混合，混料更均勻。

圖4 不同轉(zhuǎn)速時加料機(jī)整個區(qū)域液滴運(yùn)動軌跡及質(zhì)量濃度分布圖Fig.4 The droplet motion trajectory and mass concentration distribution diagram of the whole area of the drum at different speeds

由料液質(zhì)量濃度圖可得，其分布情況與運(yùn)動軌跡規(guī)律相似，隨著加料機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，料液更多分布在加料機(jī)內(nèi)上側(cè)壁。料液從噴嘴噴出后，在加料機(jī)內(nèi)形成大量液膜，液膜順著其運(yùn)動軌跡流動，有利于煙葉、料液與空壓氣三相的傳送介質(zhì)以及傳送熱量過程。

2.2.2 煙葉容積率對液滴運(yùn)動軌跡分布及濃度分布的影響

煙葉顆粒粒徑10 mm，加料機(jī)轉(zhuǎn)速9 rad/min時，不同加料機(jī)轉(zhuǎn)速工況下，整個區(qū)域液滴運(yùn)動軌跡分布及質(zhì)量分布如圖5所示。煙葉容積率越小，液滴運(yùn)動軌跡越趨向于加料機(jī)上側(cè)壁。隨著煙葉容積率增大，液滴向加料機(jī)中間運(yùn)動，分布范圍更廣。

圖5 不同煙葉容積率時加料機(jī)整個區(qū)域液滴運(yùn)動軌跡及質(zhì)量濃度分布圖Fig.5 The droplet motion trajectory and mass concentration distribution diagram of the whole area of the drum under different volumetric ratios of tobacco leaves

3 正交試驗(yàn)

在煙葉加料加工的實(shí)際工況中，煙葉與料液相互作用面積是主要關(guān)注的特性之一，是各影響因素相互作用的結(jié)果。各影響因素對加料機(jī)混合流動特性的作用不同，表明需要對影響大小進(jìn)行排序并得出最優(yōu)組合[12]。采用正交試驗(yàn)方法制定試驗(yàn)方案[13-17]，研究各影響因素對加料機(jī)內(nèi)流動特性的影響順序和最優(yōu)組合。

以減少煙葉廢料與提高料液利用率為評價煙葉和料液混合效果的關(guān)鍵參考指標(biāo)，選取3個試驗(yàn)因素，分別為加料機(jī)轉(zhuǎn)速、煙葉體積分?jǐn)?shù)及煙葉顆粒粒徑，對每個因素取3個水平，以煙葉濃度分布為評價指標(biāo)。正交試驗(yàn)選取的影響因素水平與試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 加料機(jī)流動特性的影響因素水平與正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 The level of influencing factors and orthogonal experimental results of the flow characteristics of the feeder

由表4可得，對加料機(jī)內(nèi)煙葉與料液相互作用面積影響最大的是煙葉顆粒粒徑，這一因素在實(shí)際運(yùn)行時應(yīng)重點(diǎn)考慮，其他因素影響大小的排序：煙葉顆粒粒徑＞加料機(jī)轉(zhuǎn)速＞煙葉容積率。且模擬工況下的最優(yōu)組合：加料機(jī)轉(zhuǎn)速9 rad/min、煙葉容積率35%、煙葉顆粒粒徑10 mm。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證及討論

為驗(yàn)證上述正交試驗(yàn)法得出的最優(yōu)組合在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中的可行性及有效性，以某卷煙廠某制絲加料工藝生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)工況設(shè)置為表4。由于實(shí)際生產(chǎn)線上測量料液濃度存在裝置體積大、不利于固定等問題，故在試驗(yàn)驗(yàn)證中主要從料液的利用率、加料的均勻性與煙葉的損耗量3個指標(biāo)來進(jìn)行驗(yàn)證[18-19]。其中料液的利用率與加料均勻性依據(jù)YC/T353-2010《卷煙加料均勻性的測定》，以檢測加料后片煙樣品中1，2-丙二醇的量來表征上述兩指標(biāo)；煙葉的損耗量以加料后加料機(jī)內(nèi)片煙粘附情況得出。

由試驗(yàn)結(jié)果表5可知，各試驗(yàn)工況結(jié)果排序與數(shù)值仿真、正交試驗(yàn)吻合較好，試驗(yàn)5即上述最優(yōu)組合工況的試驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)最好，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的合理性與實(shí)用性。其中圖6給出最優(yōu)組合工況與工況5下的煙片粘附及損耗圖對比，其煙片損耗有明顯的降低。

表5 試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Experimental results

圖6 煙片粘附及損耗對比Fig.6 Comparison of cigarette adhesion and loss

5 結(jié)語

（1）在模擬工況下，加料機(jī)轉(zhuǎn)速與煙葉容積率對煙葉濃度分布的影響規(guī)律相似。

（2）加料機(jī)轉(zhuǎn)速、煙葉容積率及煙葉顆粒粒徑對煙葉與料液相互作用面積影響大小的排列：煙葉顆粒粒徑＞加料機(jī)轉(zhuǎn)速＞煙葉容積率。在各影響因素的最優(yōu)組合下，液滴對滾筒旋轉(zhuǎn)運(yùn)動適應(yīng)性最好，在滾筒內(nèi)分布區(qū)域最大，與煙葉相互作用面積最大。

（3）試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的合理性與實(shí)用性。所建立的數(shù)值模型可為制絲加料過程性能特性研究提供參考，優(yōu)化結(jié)果對加料工藝效果有明顯提升，給企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)提供借鑒與參考。