基于FLUENT 的梗簽二次風(fēng)選裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張鴻強(qiáng)，吳曉剛，潘佳月

（甘肅煙草工業(yè)有限責(zé)任公司天水卷煙廠，甘肅 天水 741020）

ZJ17 卷接機(jī)組是卷煙工業(yè)企業(yè)近年來(lái)應(yīng)用最為普遍的機(jī)型之一，供絲部分是其最為主要的組成部分。目前ZJ17 卷煙機(jī)梗絲二次風(fēng)選存在風(fēng)選過(guò)程不穩(wěn)定、風(fēng)選效果較差的現(xiàn)象，經(jīng)統(tǒng)計(jì)當(dāng)前分離的梗中含絲率均值在7.2%左右，存在明顯的煙絲浪費(fèi)現(xiàn)象。同時(shí)，部分重量輕的梗簽通過(guò)風(fēng)室進(jìn)入吸絲帶，引起煙支重量標(biāo)準(zhǔn)偏差波動(dòng)、煙支表面“刺破”等問(wèn)題，一定程度上會(huì)影響煙支的感官評(píng)吸效果。本文將針對(duì)ZJ17 卷接機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的梗中含絲率較高的問(wèn)題，進(jìn)行深入分析，并利用FLUENT仿真分析軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新型結(jié)構(gòu)的二次風(fēng)選裝置，減少了梗中含絲量，降低了煙支重量標(biāo)準(zhǔn)偏差，節(jié)約了大量的煙絲，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

1 梗絲分離裝置工作原理

當(dāng)前ZJ17 卷煙機(jī)所使用的梗絲二次風(fēng)選裝置是利用懸浮風(fēng)分的原理，其具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 ZJ17 卷煙機(jī)二次風(fēng)選裝置結(jié)構(gòu)圖

工作過(guò)程中，煙梗和煙絲經(jīng)梗簽剔除口3 拋出后，進(jìn)入梗絲分離室中，煙絲在負(fù)壓的作用下處于懸浮狀態(tài)作無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，較重的煙絲及梗簽下落，較輕的煙絲則從負(fù)壓吸風(fēng)口1 處被重新吸附進(jìn)入卷煙機(jī)內(nèi)。使用過(guò)程中可通過(guò)調(diào)整進(jìn)風(fēng)量調(diào)節(jié)板6，調(diào)整風(fēng)選體內(nèi)的風(fēng)速，以達(dá)到改變風(fēng)選效果的目的。

2 梗絲分離裝置內(nèi)部氣流分析

由于當(dāng)前所使用的ZJ17 卷煙機(jī)梗絲二次風(fēng)選裝置在使用過(guò)程中普遍存在調(diào)整不穩(wěn)定，剔除梗簽中梗中含絲率高的現(xiàn)象，因此，根據(jù)當(dāng)前所使用的梗絲分離裝置結(jié)構(gòu)，利用FLUENT 流體分析軟件對(duì)風(fēng)選體內(nèi)氣流情況進(jìn)行了仿真分析，如圖2～3 所示。

圖2 調(diào)整進(jìn)風(fēng)量調(diào)節(jié)板前風(fēng)速云圖

圖3 調(diào)整進(jìn)風(fēng)量調(diào)節(jié)板后風(fēng)速云圖

由上面仿真云圖可以看出，在沒(méi)有進(jìn)行調(diào)節(jié)前，風(fēng)選裝置內(nèi)部主要區(qū)域空氣流速約為6.36e+00 m/s，將調(diào)節(jié)板關(guān)閉1/3，可以發(fā)現(xiàn)該區(qū)域氣流速度變?yōu)?.17e+00m/s,有明顯減小的趨勢(shì)，說(shuō)明在關(guān)閉調(diào)節(jié)板時(shí)風(fēng)選效果變的更差，梗中含絲率更大，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)選裝置內(nèi)部氣流有分層現(xiàn)象。而通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，在其風(fēng)速達(dá)到最大的情況下，仍不能滿足使用要求，因此，可以判定該結(jié)構(gòu)存在一定的缺陷。

3 懸浮煙絲及梗簽的受力分析

為了便于分析，將風(fēng)選體內(nèi)的煙絲、梗簽等抽象為固體顆粒，通過(guò)對(duì)固體顆粒的受力分析，以便深入了解煙絲受力情況，固體顆粒在氣流流場(chǎng)中受到的作用力較多[2]，包括重力、慣性力、Stokes 黏性阻力、Basset 力、Saffman 力等。風(fēng)選分離主要是利用煙絲與梗簽的懸浮力不同，橫向力的作用影響較小，所以分析顆粒在受力時(shí)只考慮縱向力，因此把顆粒的運(yùn)動(dòng)看成簡(jiǎn)單的一維運(yùn)動(dòng)，將煙絲抽象理解為固體顆粒，繪制了如圖4 所示的受力模型分析示意圖[3]。

圖4 煙絲受力模型分析示意圖

下面對(duì)顆粒受到的各種力逐一分析:

1）浮力Ff

式中ρ 為流體密度；

2）阻力（曳力）Fd

式中，ζ——球形顆粒曳力系數(shù)；

ρ——流體密度；

Va——流體速度；

Vb——顆粒的速度。

曳力系數(shù)ζ 與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)雷諾數(shù)Re 和球形度Φs 之間的函數(shù)關(guān)系如下：

當(dāng)Re<1 時(shí)，

當(dāng)Re>1 時(shí)，

其中指數(shù)n 為

n=1+4.45Re-0.11

n=3.39 Re≥500

3）重力Fg

式中m 為顆粒的質(zhì)量；

ρp為顆粒的密度。

利用懸浮分離理論的基本原理，可以得出流體場(chǎng)中的固體顆粒受力平衡方程為：

當(dāng)F>0 時(shí)，顆粒上升；當(dāng)F<0 時(shí)，顆粒沉降；當(dāng)F=0 時(shí)，顆粒懸浮。而通過(guò)上述分析可知，重力Fg的大小主要取決于固體顆粒物的大小以及固體顆粒的密度大小，由于在梗簽二次風(fēng)選裝置中，煙絲結(jié)構(gòu)已確定，因此，無(wú)法從根本上改變重力Fg的大小，同理影響阻力（曳力）Fd的大小因素也無(wú)法改變，只能通過(guò)改變浮力Ff的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)懸浮分離的效果。

4 風(fēng)選裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)固體顆粒在氣流流場(chǎng)中的受力分析，可以看出，在實(shí)際應(yīng)用中，最為直接的改變就是通過(guò)改變浮力的大小來(lái)提高懸浮分離的效果，由于在風(fēng)量一定的情況下，通風(fēng)管截面大小對(duì)風(fēng)速有直接影響，因此建立了如圖5 所示的假象模型[4]，并通過(guò)FLUENT 仿真軟件進(jìn)行了風(fēng)選裝置內(nèi)部氣流流速仿真分析。

圖5 導(dǎo)流板安裝后風(fēng)速云圖

4.1 導(dǎo)流板影響分析

通過(guò)在風(fēng)選裝置底板上加裝導(dǎo)流板，使一次風(fēng)選后梗簽剔除口處的氣流方向發(fā)生改變，已達(dá)到在一次風(fēng)選后梗簽剔除口處形成漩渦氣流的目的，使含梗煙絲多次懸浮，充分松散，而提高梗絲分離效果，通過(guò)FLUENT 軟件對(duì)導(dǎo)流板安裝前后進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果如圖6、圖7 所示，通過(guò)仿真對(duì)比可以看出，在底板上加裝導(dǎo)流塊后，風(fēng)選裝置內(nèi)氣流方向改變，沿外壁流向頂部，有益于煙絲的充分松散，提高風(fēng)選分離效果。

圖6 導(dǎo)流板安裝前風(fēng)速云圖

圖7 導(dǎo)流板安裝后風(fēng)速云圖

4.2 最小截面間隙大小影響分析

同樣通過(guò)FLUENT 軟件對(duì)不同截面大小情況下的風(fēng)選裝置內(nèi)氣流情況進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果如圖8、圖9 所示，通過(guò)仿真對(duì)比可以看出，在最小截面間隙為15mm 時(shí)一次風(fēng)選后梗簽剔除口處的氣流速度可達(dá)到6.24e+01m/s，而在25mm 時(shí)可達(dá)到3.71e+01m/s，與改進(jìn)前該區(qū)域最大值6.36e+00m/s相比較有明顯提升。

圖8 最小截面為15mm 時(shí)風(fēng)速云圖

圖9 最小截面為25mm 時(shí)風(fēng)速云圖

通過(guò)上述對(duì)比試驗(yàn)可以得知，增加導(dǎo)流板和改變最小截面間隙大小，對(duì)風(fēng)選裝置內(nèi)部氣流影響明顯，因此，根據(jù)上述結(jié)論，設(shè)計(jì)了如下新型ZJ17 卷煙機(jī)梗絲二次風(fēng)選裝置，如圖10 所示。

圖10 新型ZJ17 卷煙機(jī)梗絲二次風(fēng)選裝置

在使用過(guò)程中，通過(guò)最小截面間隙調(diào)整桿7 調(diào)節(jié)最小截面間隙大小，當(dāng)通過(guò)最小截面間隙調(diào)整桿7 的調(diào)節(jié)無(wú)法達(dá)到所需要求時(shí)，還可輔助調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量調(diào)節(jié)板6[5]，來(lái)改變內(nèi)部氣流情況。

5 結(jié)論

改進(jìn)后的二次風(fēng)選裝置漂浮室，由于充分利用了負(fù)壓提供的氣流升力和最佳懸浮速度，一方面在一次風(fēng)選剔除口形成了漩渦流，能夠使煙絲實(shí)現(xiàn)漩渦流，達(dá)到煙絲團(tuán)充分松散和多次風(fēng)選的效果，另一方面，能夠方便調(diào)節(jié)內(nèi)部氣流速度，操作簡(jiǎn)單方便，運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)定可靠，使排出的煙梗中所帶煙絲能夠達(dá)到理想的要求，通過(guò)改進(jìn)后試驗(yàn)驗(yàn)證，剔除梗簽中梗中含絲率由之前的平均7.2%降到了3.4%，既降低了梗中含絲率，又降低了煙支單重標(biāo)準(zhǔn)偏差，達(dá)到了提質(zhì)降耗的目的。