基于Fluent-EDEM耦合的茶葉紅外殺青機(jī)滾筒內(nèi)流場數(shù)值模擬

虞文俊 吳瑞梅 李 紅 裴 剛 金山峰 黃超強(qiáng) 朱任章 楊普香 熊愛華

(1. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江西 南昌 330045；2. 江西省蠶桑茶葉研究所，江西 南昌 330203)

殺青是綠茶加工的第一道關(guān)鍵工序[1]，茶葉殺青必須在短時(shí)間內(nèi)使鮮葉溫度升到85 ℃以上[2]，并將葉溫保持一定時(shí)間，以徹底鈍化酶的活性[3-4]。滾筒式殺青機(jī)是中國應(yīng)用最廣的一種茶葉殺青機(jī)械[5]，但目前多以燃煤、燃?xì)?、生物質(zhì)燃料和電為熱源，其中燃煤、燃?xì)獾臒釕T性大，生物質(zhì)燃料顆粒不易結(jié)渣，點(diǎn)火時(shí)污染物不易控制，而電加熱方式存在能耗高、殺青不均勻等缺陷[6]。紅外輻射源能量與輻射溫度的4次方呈正比，能提供比對流加熱高幾十倍的熱流密度[7]，具有升溫快、能耗低、干燥質(zhì)量好、環(huán)保等優(yōu)勢，廣泛用于玉米[8]、稻谷[9]等農(nóng)產(chǎn)品干燥，也有研究將紅外技術(shù)用于茶葉的殺青[10]。

目前，鮮茶葉的殺青升溫過程主要由制茶師憑經(jīng)驗(yàn)控制[11]，難以保證茶葉品質(zhì)。有學(xué)者利用流體分析軟件模擬鮮茶葉的加熱過程，徐海衛(wèi)等[2]設(shè)計(jì)了一種三段式螺旋導(dǎo)葉板(進(jìn)葉導(dǎo)板、出葉導(dǎo)板、工作導(dǎo)板)滾筒殺青機(jī)，每段導(dǎo)葉板采用不同的螺旋升角，利用Fluent流體分析軟件模擬鮮茶葉的受熱狀況，以此為參考來優(yōu)化殺青機(jī)結(jié)構(gòu)，但并未研究鮮茶葉在滾筒內(nèi)的升溫情況和滾筒內(nèi)流場溫度場分布。鮮葉在殺青過程中受熱情況除受滾筒內(nèi)溫度場分布影響外，還與鮮葉在滾筒內(nèi)的運(yùn)動有關(guān)。Fluent-EDEM耦合模擬方法能同時(shí)考慮溫度場和顆粒運(yùn)動的相互影響，是目前較新的一種模擬多相流數(shù)值分析方法[12-13]。施重駒等[14]針對熱風(fēng)滾筒殺青機(jī)熱能利用率不高、殺青質(zhì)量和產(chǎn)量受限制等缺陷，利用Fluent-EDEM聯(lián)合對殺青滾筒內(nèi)流場溫度和離散場進(jìn)行耦合模擬分析，基于仿真結(jié)果，對殺青機(jī)導(dǎo)葉板數(shù)量、高度和進(jìn)風(fēng)口結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化樣機(jī)的殺青試驗(yàn)表明，殺青葉質(zhì)量得到改善，產(chǎn)能提高25%。但有關(guān)紅外技術(shù)[15]在茶葉殺青和干燥方面理論模型研究較少，探索殺青滾筒內(nèi)溫度變化曲線和鮮茶葉升溫曲線等相關(guān)理論模型，能更準(zhǔn)確研究鮮茶葉在紅外輻射過程中的物性變化，從而優(yōu)化殺青機(jī)結(jié)構(gòu)。

試驗(yàn)擬研究茶葉紅外殺青機(jī)在殺青過程中滾筒內(nèi)溫度場的分布及茶葉顆粒的干燥曲線模型，采用Fluent-EDEM耦合方法對滾筒內(nèi)的殺青溫度和鮮茶葉顆粒運(yùn)動進(jìn)行模擬，在Fluent軟件中將滾筒內(nèi)流場溫度求解至收斂后，利用UDF耦合接口將流場溫度信息傳遞至EDEM中，EDEM根據(jù)茶葉顆粒模型和顆粒—流體相間熱傳遞和熱輻射模型對顆粒的溫度進(jìn)行迭代計(jì)算，將顆粒的運(yùn)動信息由耦合接口傳回至Fluent中，F(xiàn)luent根據(jù)反饋信息進(jìn)入下一個(gè)時(shí)間步長迭代，反復(fù)多次迭代后，在Fluent中得到殺青過程中滾筒內(nèi)的溫度場分布，在EDEM中得到鮮茶葉在殺青過程中的升溫曲線模型。為證明紅外輻射的殺青效果，同時(shí)對電加熱殺青機(jī)進(jìn)行Fluent-EDEM耦合，并將兩種殺青機(jī)的模擬結(jié)果進(jìn)行對比，為茶葉殺青機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1 茶葉紅外殺青機(jī)整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

茶葉紅外殺青機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由機(jī)架、滾筒、紅外加熱系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等組成。滾筒由托輪支撐在支架上，滾筒內(nèi)壁焊有螺旋葉片，紅外加熱系統(tǒng)由一根不銹鋼空心管懸掛于滾筒中心，2個(gè)半橢圓形法蘭盤分別安裝在空心管兩端，法蘭盤上開有多個(gè)通孔，紅外輻射管安裝在法蘭盤的通孔中；法蘭盤上半部固定有不銹鋼防護(hù)罩，以防止鮮茶葉在滾筒內(nèi)壁上升過程中掉在輻射管上而燒焦。滾筒內(nèi)空心軸部分鉆有小孔，紅外傳感器和溫濕度傳感器的接線從控制柜由空心軸穿過，懸掛在空心管上。鮮茶葉進(jìn)料和出料在滾筒右端完成，由大電機(jī)的正反轉(zhuǎn)驅(qū)動滾筒進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，使鮮茶葉在滾筒內(nèi)來回殺青。排濕風(fēng)扇安裝在帶輪右側(cè)面，由帶傳動帶動風(fēng)扇進(jìn)行正反轉(zhuǎn)。

1. 機(jī)架 2. 風(fēng)扇罩 3. 排濕風(fēng)扇 4. 滾筒 5. 不銹鋼防護(hù)罩 6. 紅外加熱管 7. 進(jìn)料斗 8. 出料斗 9. 托輪 10. 大電機(jī) 11. 小鏈輪 12. 鏈條 13. 大鏈輪 14. 小電機(jī) 15. 皮帶 16. 控制系統(tǒng)

圖1 茶葉紅外殺青機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖

Figure 1 Schematic diagram of tea cylinder de-enzyme machine using infrared source

1.2 工作原理

首先，在控制面板上設(shè)定滾筒內(nèi)鮮茶葉的殺青溫度、滾筒內(nèi)規(guī)定的濕度以及殺青時(shí)間初始參數(shù)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，開啟紅外輻射管，同時(shí)啟動大電機(jī)，帶動滾筒反轉(zhuǎn)。當(dāng)溫度傳感器檢測到滾筒內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，向控制系統(tǒng)反饋信號，鮮茶葉從進(jìn)料口進(jìn)入滾筒內(nèi)，茶葉在滾筒內(nèi)隨螺旋導(dǎo)葉片的轉(zhuǎn)動進(jìn)行軸向移動和翻拋并吸收紅外輻射熱量，鮮茶葉升溫并蒸發(fā)出水分。當(dāng)腔內(nèi)溫度超過殺青溫度規(guī)定的上限值時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，關(guān)閉其中的數(shù)根紅外管，保證腔內(nèi)溫度保持在設(shè)定的殺青溫度范圍內(nèi)，當(dāng)腔內(nèi)濕度超過殺青濕度規(guī)定的上限值時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，開啟排濕風(fēng)扇正轉(zhuǎn)進(jìn)行排濕。當(dāng)?shù)竭_(dá)所設(shè)定的殺青時(shí)間時(shí)，大電機(jī)反轉(zhuǎn)并使?jié)L筒轉(zhuǎn)速加快，驅(qū)動滾筒正轉(zhuǎn)將殺青葉快速從滾筒內(nèi)排出，同時(shí)小電機(jī)反轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速加快，助推殺青葉快速排出以免被燒焦，完成一次殺青全過程。

2 數(shù)值模擬及分析

2.1 歐拉耦合數(shù)學(xué)模型

利用Fluent和EDEM軟件模擬茶葉殺青過程，有兩種Fluent-EDEM耦合計(jì)算模型：Lagrangian模型和Eulerian模型，其中Lagrangian模型只考慮流體相和顆粒相的動量交換，不考慮顆粒相對流體相的作用，且該模型還要求顆粒相模型體積分?jǐn)?shù)不超過15%。而Eulerian模型是基于多相流框架的耦合方法[16]，除考慮流體相和顆粒相之間的動量交換外，還考慮顆粒相對于流體相的影響[14]。因殺青過程中茶葉顆粒與溫度場之間存在動量、質(zhì)量和能量的相互交換。因此，本研究選擇Eulerian-Eulerian模型，以考慮茶葉顆粒運(yùn)動對溫度的影響。

2.1.1 Fluent-EDEM 阻力模型 Fluent-EDEM耦合采用一種改進(jìn)的自由流阻力[17]來計(jì)算作用在球形顆粒上的力。阻力系數(shù)CD取決于雷諾數(shù)Re：

(1)

自由流體阻力方程：Fd=0.5CdρA|ν|ν，

其中：

(2)

式中：

ρ——流體密度，kg/m3；

η——流體的黏度，Pa·s；

L——顆粒球的直徑，m；

ν——顆粒與流體間的相對速度，m/s；

α——CFD網(wǎng)格單元的自由體積，m3；

A——顆粒的投影面積，m2。

2.1.2 流體守恒定律 殺青過程中，茶葉顆粒會影響滾筒內(nèi)的連續(xù)相氣體運(yùn)動[14]，故在原有的Eulerian模型上引入一個(gè)相體積分?jǐn)?shù)α，如不考慮殺青過程中的傳質(zhì)過程，則質(zhì)量和動量守恒方程為：

(3)

(4)

式中：

α——空氣相的體積率，%；

vi——空氣相在笛卡爾坐標(biāo)i方向上的流速分量，m/s；

τij——黏性應(yīng)力張量，Pa；

gi——坐標(biāo)i方向上的體積力，N；

Fi——空氣相和顆粒相的相互作用力，N。

2.1.3 熱傳遞理論

(1) 熱對流[18]方程：

(5)

式中：

QPF——熱量，J；

AP——顆粒表面系數(shù)；

ΔTPF——溫度差，K；

P、F——分別表示流體相和固體相；

KF——?dú)怏w熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m2·K)；

NμP——努賽爾數(shù)(流率與傳導(dǎo)率的比值)；

dP——顆粒直徑，m。

(2) 輻射能量方程：

Q=εσbΑT4，

(6)

式中：

Q——輻射能量，W；

T——絕對溫度，K；

A——物質(zhì)的表面積，m2;

σb——黑體的輻射常數(shù)，5.67×10-8W/(m2·K4)；

ε——物體的發(fā)射率。

2.2 仿真模型建立

試驗(yàn)研究6CST-60型紅外輻射殺青機(jī)的滾筒內(nèi)溫度場分布，該模型紅外加熱系統(tǒng)置于滾筒中心，為簡化模擬分析計(jì)算，僅對殺青機(jī)等直徑部分進(jìn)行殺青過程模擬(鮮茶葉在殺青過程中，主要落在此區(qū)域內(nèi))，應(yīng)用PROE 5.0建模軟件建立紅外殺青機(jī)三維模型，導(dǎo)入到ICEM CFD 17.0中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將生成的MESH文件導(dǎo)入至Fluent 17.0中進(jìn)行溫度場分析。為對比紅外殺青機(jī)的節(jié)能效果，研究模擬以電加熱方式相同型號6CST-60(以電加熱方式的殺青機(jī)，其加熱源采用通電線圈纏繞在滾筒壁外表面進(jìn)行加熱)滾筒內(nèi)溫度場分布及滾筒內(nèi)的升溫情況，并與紅外輻射進(jìn)行對比，采用與紅外輻射模型的相同處理方式，滾筒模型網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 紅外和電加熱殺青機(jī)滾筒網(wǎng)格劃分Figure 2 The mesh generation of infrared and electric heating cylinder de-enzyme machine

2.3 初始條件及邊界條件確定

2.3.1 紅外輻射加熱殺青機(jī) Fluent軟件參數(shù)設(shè)置：在入口采用pressure-inlet壓力入口條件，壓力設(shè)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，湍流強(qiáng)度5%，湍流黏度比10；出口采用pressure-outlet壓力出口條件，湍流強(qiáng)度5%，湍流黏度比10；滾筒壁面及螺旋導(dǎo)葉片旋轉(zhuǎn)速度均為35 r/min；紅外輻射熱源壁面溫度為711 K(當(dāng)加熱功率為6 kW時(shí)，由紅外測溫儀測量得到的滾筒內(nèi)壁實(shí)際溫度值)，選κ-ε模型，因本殺青機(jī)主要以紅外輻射為主，故選能量方程和輻射模型，并選用輻射模型里的Discrete Ordinates模型，發(fā)射率0.945。EDEM軟件參數(shù)設(shè)置如下：顆粒與顆粒之間的熱傳遞采用Hertz Mindlin with heat conduction模型，顆粒與壁面之間采用Hertz Mindlin(no slip)接觸模型，茶葉顆粒溫度初始值300 K，茶葉顆?？倲?shù)40 000。

2.3.2 電加熱殺青機(jī) Fluent軟件參數(shù)設(shè)置除了紅外輻射熱源壁面溫度設(shè)為513 K外(當(dāng)功率為6 kW時(shí)，由紅外測溫儀測量得到的滾筒內(nèi)壁實(shí)際溫度)，其他參數(shù)設(shè)置相同。EDEM軟件參數(shù)設(shè)置與紅外輻射加熱殺青機(jī)條件相同。

2.4 Fluent-EDEM耦合參數(shù)設(shè)置

在設(shè)置耦合參數(shù)時(shí)，阻力模型采用自由流模型，傳熱模型選用Li & Mason模型，并同時(shí)選輻射模型。耦合過程中，F(xiàn)luent和EDEM的信息由耦合接口進(jìn)行交換，則在耦合過程中需要滿足一定要求：① Fluent中設(shè)置的時(shí)間步長必須是EDEM中時(shí)間步長的整數(shù)倍；② EDEM通常選擇Rayleigh時(shí)間步長的5%(30%作為時(shí)間步長[19]；③ Fluent中網(wǎng)格單元的體積不能小于EDEM中顆粒的體積。表1為茶葉顆粒本構(gòu)模型參數(shù)[20]。

表1 茶葉顆粒本構(gòu)模型參數(shù)Table 1 Parameters of the constitutive model of tea particles

3 鮮茶葉殺青過程中滾筒內(nèi)溫度場分布模擬結(jié)果分析

3.1 紅外加熱與電加熱滾筒內(nèi)溫度場分布對比

鮮茶葉在殺青前，先要對滾筒進(jìn)行預(yù)熱。由圖3可看出，電加熱殺青機(jī)滾筒內(nèi)流場溫度分布較均勻，而紅外殺青機(jī)滾筒內(nèi)流場溫度主要集中在滾筒右部及底部。殺青過程中，鮮茶葉隨螺旋葉片進(jìn)行軸向移動及徑向拋灑運(yùn)動，則大部分時(shí)間落在滾筒的右部及底部。由此可知，對于本文所研究的紅外殺青機(jī)，其大部分熱量輻射在鮮葉上，熱能利用率高，從而提高殺青效率；而電加熱結(jié)構(gòu)殺青機(jī)，溫度場分布均勻，則只有少部分熱量作用于鮮茶葉，熱能利用率低。

圖4(a)為2 s時(shí)，茶葉顆粒的溫度基本為初始設(shè)定溫度300 K；圖4(b)、(c)分別為20，45 s時(shí)，茶葉顆粒被壁面加熱并隨滾筒轉(zhuǎn)動的拋灑和軸向移動溫度分布圖。由圖4可知，20 s時(shí)，茶葉顆粒溫度上升到306 K左右，45 s時(shí)，上升到318 K左右。模擬結(jié)果表明，電加熱方式的殺青葉溫度在45 s內(nèi)上升了18 K。

圖3 電加熱和紅外輻射殺青機(jī)滾筒內(nèi)預(yù)加熱流場溫度分布截面圖Figure 3 Sectional view of temperature distribution of pre-heating flow field in the cylinder of electric heating and infrared de-enzyme machine

圖5(a)為2 s時(shí)，茶葉顆粒的溫度也為初始設(shè)定溫度300 K左右；圖5(b)、(c)分別為20，45 s時(shí)，茶葉顆粒被紅外輻射加熱并隨著滾筒轉(zhuǎn)動在滾筒內(nèi)的拋灑和軸向移動。由圖5可知，20 s時(shí)，茶葉顆粒溫度上升至320 K左右；45 s時(shí)，上升至347 K左右。模擬結(jié)果表明，紅外輻射方式的殺青葉溫度在45 s上升了47 K，比電加熱方式高出29 K。在相同殺青時(shí)間內(nèi)，殺青葉在紅外殺青機(jī)滾筒內(nèi)的升溫速度比在電加熱方式升溫快161%。由圖6可知，當(dāng)茶葉物性參數(shù)相同時(shí)，相對于電加熱方式，殺青葉受紅外輻射加熱較電加熱升溫快得多，殺青效率更高。

圖4 電加熱機(jī)滾筒內(nèi)茶葉顆粒在不同殺青時(shí)間的運(yùn)動及溫度分布Figure 4 The motion trial and temperature distribution of tea particles in different de-enzyme time in the cylinder of electric heating de-enzyme machine

由圖7可知，電加熱殺青機(jī)的顆粒溫度分布在312～320 K，該溫度段內(nèi)顆粒數(shù)量達(dá)到99.35%；紅外殺青機(jī)的顆粒溫度分布在333～369 K，該溫度段內(nèi)顆粒數(shù)量達(dá)到99.45%。由此可知，在相同殺青時(shí)間內(nèi)，紅外殺青機(jī)內(nèi)茶葉顆粒的溫度整體較高，在短時(shí)間內(nèi)均達(dá)到了快速升溫的效果。因此，與電加熱殺青機(jī)相比，本裝置采用的紅外加熱系統(tǒng)更能符合殺青葉需快速升溫以鈍化氧化酶活性的殺青要求。

圖6 電加熱和紅外殺青機(jī)滾筒內(nèi)茶葉顆粒在0～45 s的溫度曲線Figure 6 Temperature curve of tea particles in 0～45 s in the cylinder of electric heating and infrared de-enzyme machine

綜上模擬分析，紅外輻射殺青機(jī)的熱能利用率要高于電加熱的，大大提高殺青效率。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證模擬過程中模型選擇的正確性，本文采用MAX6675溫度傳感器安置在紅外輻射殺青機(jī)滾筒內(nèi)壁面，對滾筒壁面升溫情況進(jìn)行監(jiān)測，得到壁面升溫實(shí)測曲線，同時(shí)在殺青機(jī)模型壁面相同位置處設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，模擬監(jiān)測點(diǎn)的升溫變化。由圖8(a)可知，當(dāng)用3根紅外管加熱到2 500 s時(shí)，滾筒內(nèi)溫度實(shí)測值趨于平穩(wěn)，約為355 K，而模擬值在2 500 s時(shí)，基本穩(wěn)定在351.5 K左右，模擬值與實(shí)測值相對誤差為0.99%；由圖8(b)可知，當(dāng)采用4根紅外管，實(shí)測值在2 500 s時(shí)，基本穩(wěn)定在371 K左右；模擬值在2 500 s時(shí)，基本穩(wěn)定在371 K左右，相對誤差為0；由圖8(c)可知，當(dāng)采用5根紅外管，實(shí)測值在2 700 s時(shí)，基本穩(wěn)定在387 K左右；模擬值在2 700 s時(shí)，基本穩(wěn)定在389.5 K左右，相對誤差為0.65%左右。經(jīng)過3組實(shí)測與模擬對比，模擬值與實(shí)測值的誤差都較小，說明殺青機(jī)模擬所選模型和參數(shù)設(shè)置是正確的。

圖7 電加熱和紅外輻射殺青機(jī)滾筒內(nèi)不同溫度場下茶葉顆粒數(shù)量分布

Figure 7 Quantity distribution of tea particles in different temperature fields in the cylinder of electric heating and infrared de-enzyme machine

4 結(jié)論

試驗(yàn)為探討滾筒內(nèi)殺青葉的溫度變化情況，采用Fluent-EDEM耦合模擬滾筒內(nèi)流場分布狀態(tài)，得到了紅外殺青機(jī)與電加熱殺青機(jī)的流場溫度及茶葉顆粒溫度模擬值。模擬結(jié)果表明：在相同殺青時(shí)間內(nèi)，紅外輻射殺青機(jī)內(nèi)茶葉升溫速率約為電加熱殺青機(jī)的161%，且在相同時(shí)間內(nèi)，紅外殺青機(jī)滾筒內(nèi)茶葉顆粒溫度整體較高，證明了該裝置紅外輻射殺青效果優(yōu)于電加熱的。 同時(shí)滾筒內(nèi)螺旋導(dǎo)葉板的螺旋角、傾角、導(dǎo)葉板高度對滾筒內(nèi)茶葉起著拋灑的作用，對茶葉與滾筒內(nèi)溫度流場的接觸會產(chǎn)生影響，因此研究也可以為導(dǎo)葉板的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù)。

圖8 不同數(shù)量紅外管時(shí)壁面實(shí)測與模擬曲線的對比Figure 8 Comparison between measured and simulated wall curves of 3, 4 and 5 infrared tubes