茶葉滾筒式搖青機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及內(nèi)部流場數(shù)值模擬研究

楊 君，阮承治*，黃毅彪，張見明

（1.武夷學(xué)院機電工程學(xué)院，福建武夷山 354300；2.農(nóng)機智能控制與制造技術(shù)福建省高校重點實驗室，福建武夷山 354300；3.武夷學(xué)院茶與食品學(xué)院/中國烏龍茶產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，福建武夷山 354300）

【研究意義】武夷巖茶產(chǎn)于福建北部的武夷山，屬于烏龍茶，是具有巖韻品質(zhì)特征的中國十大名茶之一，做茶工藝包括搖青、殺青、揉青成型、烘干、烘焙等工藝。其中，搖青是武夷巖茶制作最關(guān)鍵工藝，也是武夷巖茶形成烏龍茶香高、味醇的特有加工工序[1]。目前，搖青工藝采用傳統(tǒng)搖青機作業(yè)，工作過程中茶青鮮葉隨滾筒轉(zhuǎn)動，茶葉與茶葉、茶葉與搖青滾筒內(nèi)壁發(fā)生相互碰撞摩擦，在搖青機械力內(nèi)外效應(yīng)下，促使青葉梗中的水分遷移、蒸發(fā)，組織結(jié)構(gòu)適度損傷、變形，酶促氧化作用下實現(xiàn)茶葉搖青發(fā)酵、茶葉滋味物質(zhì)及香氣物質(zhì)形成轉(zhuǎn)化[2?4]。茶葉搖青過程中，茶青需要人工不時去翻動，耗時耗力?！厩叭搜芯窟M展】近年來，研究學(xué)者對茶葉搖青機理及茶機械結(jié)構(gòu)進行了廣泛研究。金心怡等[5]對烏龍茶搖青機理，搖青不同機械運動力及機械摩擦力對茶青鮮葉理化變化做了大量研究試驗。周子維等[6]研究搖青機械力對烏龍茶脂肪族類代謝物的轉(zhuǎn)變及香氣形成影響，并進行搖青葉烏龍茶花果香成分測定分析。黃毅彪等[7]對烏龍茶振動搖青機理進行研究，分析振動搖青工藝對烏龍茶搖青葉溫、細(xì)胞破損率等影響，以及搖青毛茶的生化成分影響。虞文俊等[8]基于Fluent?EDEM耦合殺青滾筒內(nèi)流場數(shù)值模擬，研究得出紅外輻射殺青比電加熱殺青茶葉升溫快、殺青效果好。杜風(fēng)嬌[9]通過茶葉烘干箱流場進行數(shù)值模擬，對烘干箱進氣口優(yōu)化，改善烘干箱流場均勻性?！颈狙芯壳腥朦c】研究學(xué)者對茶葉的殺青、揉青成型、烘干、烘焙等相關(guān)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化有些研究，但針對茶葉搖青機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及流場分析研究鮮見?，F(xiàn)有搖青機結(jié)構(gòu)不合理，溫度和風(fēng)力不均勻，搖青過程中茶青需要人工不時去翻動，勞動強度大，工作效率低，茶葉質(zhì)量難以保證?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文針對以上問題，擬研究搖青機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，并對搖青筒CFD數(shù)值模擬，以求找到改善搖青筒內(nèi)流場均勻性的方法，并通過茶葉搖青試驗，驗證對比結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后的新機型與原機型對武夷巖茶搖青品質(zhì)影響。

1 滾筒式搖青機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

1.1 滾筒式搖青機整體結(jié)構(gòu)與工作原理

滾筒式搖青機整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，整機由福建武夷山市鑫田機械有限公司制造。搖青機滾筒總長3.0 m，直徑1.1 m，搖青室容積大約10.36 m3。機械結(jié)構(gòu)主要由底架、風(fēng)機、風(fēng)管、電加熱、傳動裝置、搖青滾筒等組成。電熱絲加熱裝置放置在離心風(fēng)機進風(fēng)入口處，加熱后熱風(fēng)由風(fēng)管輸送至搖青滾筒內(nèi)部，搖青筒內(nèi)依茶葉品種、等級不同裝入相應(yīng)鮮葉量，以剛好蓋過籠體軸心為宜，在電機帶動下，搖青筒體旋轉(zhuǎn)，滾筒內(nèi)的鮮葉茶青隨滾筒一起轉(zhuǎn)動，茶葉與茶葉、茶葉與搖青滾筒內(nèi)壁發(fā)生相互接觸和碰撞，適宜溫度下實現(xiàn)茶葉搖青發(fā)酵。

圖1 搖青機整體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of the stirring machine

1.2 搖青機結(jié)構(gòu)優(yōu)化

傳統(tǒng)搖青機熱風(fēng)在離心風(fēng)機作用下從風(fēng)管前端吹送至風(fēng)管末端，風(fēng)管末端由于設(shè)置擋板、并與搖青筒右側(cè)壁鑲接，氣流堵塞導(dǎo)致熱風(fēng)反彈吹回，造成風(fēng)管末端一側(cè)搖青溫度高、風(fēng)力強度大，搖青筒不同部位風(fēng)力強度及溫度不均衡，滾筒式搖青機熱風(fēng)走向圖見圖2。溫度和風(fēng)力不均勻影響茶葉搖青發(fā)酵，風(fēng)管末端一側(cè)溫度高，搖青所需時間縮短，茶葉搖青發(fā)酵更快、引發(fā)茶葉紅變和發(fā)酵過重，同批次的鮮葉搖青品質(zhì)差異大。

圖2 滾筒式搖青機熱風(fēng)走向Fig.2 Hot air trend diagram of roller stirring machine

圖3 搖青筒風(fēng)管結(jié)構(gòu)Fig.3 The different structures of air duct in the cylindrical tank

本研究對滾筒式搖青機進行優(yōu)化設(shè)計，并對風(fēng)管結(jié)構(gòu)做了3種優(yōu)化設(shè)計方案：（1）風(fēng)管模型A，在風(fēng)管內(nèi)部增設(shè)環(huán)形擋風(fēng)圈導(dǎo)流板，增加流阻，將進入搖青筒內(nèi)的熱風(fēng)在導(dǎo)流板作用下引導(dǎo)氣流進入到圓筒內(nèi)部中間區(qū)域、改善搖青筒氣流均勻性；（2）風(fēng)管模型B，改變送風(fēng)管圓柱側(cè)面孔徑的大小，讓風(fēng)管入搖青筒內(nèi)部的風(fēng)孔口加大；（3）風(fēng)管模型C，改變風(fēng)管圓柱側(cè)面孔的密度，讓風(fēng)管入搖青筒內(nèi)部的風(fēng)孔密度加大；（4）傳統(tǒng)搖青機風(fēng)管。風(fēng)管結(jié)構(gòu)見圖3（a）、（b）、（c）、（d）。

通過對上述3種風(fēng)管優(yōu)化結(jié)構(gòu)進行搖青筒流場數(shù)值模擬，分析風(fēng)管機械結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)對搖青筒溫度場均勻性的影響。

2 滾筒式搖青機CFD數(shù)值模擬

2.1 CFD建模與邊界條件

通過Pro/E建立搖青筒三維模型，計算幾何模型如圖4所示，由送風(fēng)管、搖青筒模型、進出口組成。為使進口的空氣流動充分均勻，結(jié)合實際搖青筒進風(fēng)口處接離心風(fēng)機的出風(fēng)口，將搖青筒的進口處延長一定長度的圓形管道，延長的管道段作為靜止處理（不旋轉(zhuǎn)），搖青筒及內(nèi)部風(fēng)管以一定轉(zhuǎn)速繞中心軸旋轉(zhuǎn)，分析加裝環(huán)形導(dǎo)流板及不加裝環(huán)形導(dǎo)流板送風(fēng)管兩種工況下?lián)u青筒流場分布，風(fēng)管優(yōu)化模型B和模型C搖青筒內(nèi)流場分析方法則類似。

圖4 搖青筒計算幾何模型Fig.4 Computational geometry model of stirring cylindrical tank

網(wǎng)格劃分借助ANSA軟件進行，首先將幾何進行前處理，即修補幾何面，使符合實際模型。幾何面處理后，進行面網(wǎng)格的劃分，其中孔特征采用1～2 mm，風(fēng)管采用6 mm。體網(wǎng)格類型為trimmer網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為10 266 145個網(wǎng)格單元。

流體為不可壓縮氣體，其中空氣密度為1.165 kg/m3，空氣粘度為1.859×10?5Pa·s。進口采用速度入口邊界條件，風(fēng)管入口實測風(fēng)速15 m/s，風(fēng)溫50 ℃（根據(jù)茶葉搖青工藝要求），出口采用壓力出口邊界條件，搖青筒出口絕對壓力為外界環(huán)境大氣壓0.101 325 MPa，溫度為30 ℃。風(fēng)管壁面邊界轉(zhuǎn)速15 r/min，搖青筒壁面邊界轉(zhuǎn)速15 r/min，環(huán)境溫度30 ℃，同時，考慮到進口熱氣流與通風(fēng)管道進行共軛換熱，即固體域與流體域之間通過interface交接作共軛換熱。根據(jù)通風(fēng)管道的材料屬性，將管道的導(dǎo)熱系數(shù)定為50.2 W/（m·k）。

2.2 數(shù)學(xué)模型

滾筒式搖青機的模型作以下幾個假設(shè)：假定搖青茶葉物料為多孔介質(zhì)；物料與熱空氣之間不存在組分轉(zhuǎn)移；空氣當(dāng)成粘性為常數(shù)的不可壓縮牛頓流體，且流體流動處于穩(wěn)態(tài)；由于熱風(fēng)風(fēng)速較高，搖青筒內(nèi)熱風(fēng)流動視為湍流。對流場進行數(shù)值模擬時，搖青筒內(nèi)的熱風(fēng)流動遵循質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量方程[9?10]。

滾筒式搖青機內(nèi)部空氣流動表現(xiàn)為三維湍流，可應(yīng)用兩方程渦黏性k?ε模型。湍流輸運方程包括能量輸送方程及能量耗散方程[11?12]，模型如下：

錄播教室是多媒體教室的一種。錄播教室通過錄播系統(tǒng)把現(xiàn)場攝錄的音視頻及多媒體電腦的畫面進行同步錄制，生成標(biāo)準(zhǔn)化的流媒體文件。錄播教室就是信息化教學(xué)的具體應(yīng)用。

k方程：

ε方程：

公式Gk為氣流速度變化引起的湍動能k產(chǎn)生項，文中搖青筒內(nèi)空氣流體視為不可壓縮流體，C1ε、C2ε為經(jīng)驗常數(shù)，取C1ε=1.45，C2ε=1.92，ε為喘動耗散率、k為湍動能。

2.3 搖青筒流場數(shù)值模擬

采用計算流體力學(xué)軟件STAR?CCM+對3種風(fēng)管不同結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案（風(fēng)管優(yōu)化模型A、風(fēng)管優(yōu)化模型B，風(fēng)管優(yōu)化模型C）搖青筒流場進行數(shù)值模擬。本文以原始搖青筒模型（工況1）與風(fēng)管增設(shè)環(huán)形導(dǎo)流板搖青筒模型（工況2）為例，詳細(xì)分析對比兩種工況下?lián)u青筒速度云圖、壓力云圖等流場分布特點。其余兩種風(fēng)管優(yōu)化模型搖青筒內(nèi)流場數(shù)值模擬分析方法類似，限于篇幅不再重復(fù)列出，僅在論文第3部分對溫度場云圖及速度場分布云圖Matlab統(tǒng)計，給出風(fēng)管模型B、風(fēng)管模型C與傳統(tǒng)搖青機風(fēng)管搖青筒流場分析對比結(jié)果。

2.3.1 中間斷面速度場云圖 從軸向斷面速度場云圖5可看出：空氣流動主要特點為工況1滾筒風(fēng)速在送風(fēng)口一側(cè)方向風(fēng)速衰減較快，風(fēng)場分布不均勻，在風(fēng)管局部風(fēng)速超過了12 m/s，而風(fēng)速小的地方僅為1～3 m/s。在搖青筒右側(cè)氣流可吹到茶葉，而搖青筒左側(cè)基本沒氣流（如圖紅色虛線框），筒內(nèi)的氣流覆蓋率明顯減小，造搖青筒內(nèi)各處受熱不均勻，難以保證筒內(nèi)茶葉溫度均勻一致，影響茶葉的搖青效果。工況2在風(fēng)管加裝導(dǎo)流板后，對局部加壓，改變局部空氣流動軌跡與速度，導(dǎo)流板附近產(chǎn)生幾處渦流區(qū)，加強了氣流循環(huán)流動，與茶葉產(chǎn)生充分熱對流。搖青筒內(nèi)風(fēng)速分布基本均勻，僅底部存在少部分氣流吹不到茶葉（氣流死區(qū)），搖青筒整體風(fēng)速大致在6～8 m/s范圍，風(fēng)管加裝導(dǎo)流板使搖青筒內(nèi)氣流分布均勻、對茶葉搖青工藝有利。

圖5 搖青筒軸向斷面速度場分布云圖Fig.5 The cloud map of the velocity distribution of the axial section in cylindrical tank

2.3.2 中間斷面壓力云圖 搖青筒中間斷面壓力分布云圖如圖6所示，由于風(fēng)管和滾筒鑲接在一起，在通風(fēng)管的底部氣流由于堵塞，造成工況1風(fēng)管末端低壓區(qū)域。其中，工況2搖青筒風(fēng)管加入了環(huán)形導(dǎo)流板，工況2相對工況1筒內(nèi)的較低壓區(qū)相對較小，增加導(dǎo)流板后，搖青滾筒內(nèi)壓強分布發(fā)生了變化，不再像工況1的壓力分布局域界限分明，而是整個搖青筒風(fēng)壓改善更加均勻明顯，僅在風(fēng)管導(dǎo)流板處出現(xiàn)幾處局部高壓區(qū)，主要集中在一、二導(dǎo)風(fēng)板之間，但主要關(guān)注點在搖青筒整體區(qū)域，氣流緩慢地從風(fēng)管四周小孔分散流動到搖青筒體區(qū)域，負(fù)壓區(qū)較小，茶葉在搖青過程中增加了通風(fēng)對流、對茶葉搖青有利。

圖6 搖青筒軸向斷面壓力分布云圖Fig.6 Pressure distribution of the axial section in cylindrical tank

2.3.4 中間斷面溫度云圖 搖青筒中間斷面溫度云圖如圖7所示，對比兩工況的整體溫度分布，工況2相對工況1的搖青筒上部由于小渦流的作用下，氣流溫度分布相對均勻，熱對流效果好，而工況1由于熱氣流并未產(chǎn)生小渦流促使流場充分流動，導(dǎo)致?lián)u青筒高溫區(qū)集中在整個風(fēng)管中心，影響茶葉的搖青效果，相對工況1而言，工況2的整體溫度分布更均勻、效果更佳，對茶葉搖青有益。

圖7 搖青筒Y斷面溫度分布云圖Fig.7 Temperature distribution of Y section in cylindrical tank

2.3.5 搖青筒徑向截面溫度場云圖 因整個搖青筒直徑1.1 m，長度3 m，為分析搖青筒直徑方向的溫度流場，在搖青筒軸向分別截取X=0.5 m、X=1.5 m、X=2.5 m處搖青筒徑向斷面溫度場云圖分析，從兩種工況斷面溫度場云圖8和圖9可看出：結(jié)合截面的溫度場云圖和流場云圖，從單個截面的溫度云圖來看，工況1無渦流產(chǎn)生、溫度較均勻，但是結(jié)合速度場云圖來看，靠近搖青筒內(nèi)壁的溫度主要靠滾筒中心的風(fēng)管溫度來獲取的，并沒有產(chǎn)生氣流對流換熱；而工況2在各個截面溫度較為均勻，且搖青筒內(nèi)氣流明顯產(chǎn)生一些小渦流，促進搖青筒氣流對流換熱，其中靠近頂部和中間斷面的溫度均勻性仍有改善空間，還可優(yōu)化風(fēng)管導(dǎo)流板的間距及導(dǎo)流板尺寸。因此，搖青筒風(fēng)管增設(shè)環(huán)形導(dǎo)風(fēng)板對于茶葉搖青效果更佳。

圖8 工況1搖青筒徑向斷面溫度場云圖Fig.8 Model 1 temperature distribution of radial cross section in cylindrical tank

圖9 工況2搖青筒徑向斷面溫度場云圖Fig.9 Model 2 temperature distribution of radial cross section section in cylindrical tank

3 結(jié)果與分析

3.1 搖青筒溫度場云圖、速度分布云圖統(tǒng)計分析

采用Matlab對搖青筒溫度場及速度場截面分布云圖統(tǒng)計分析，根據(jù)云圖顏色值代表不同溫度和風(fēng)速，分別統(tǒng)計出各顏色所占比例，得到風(fēng)管模型A、B、C及傳統(tǒng)搖青機風(fēng)管搖青筒流場截面風(fēng)速與溫度區(qū)間的占比統(tǒng)計表（表1、2）。

從表1可以看出搖青筒風(fēng)管模型方案A風(fēng)速在中高速段（5.0～14.9 m/s）占比最高，為64.4%；風(fēng)管模型B、C、傳統(tǒng)搖青機風(fēng)管搖青筒內(nèi)中高速段占比依次為56.4%、47.1%、23.9%，搖青筒空氣流動中高風(fēng)速占比數(shù)據(jù)說明風(fēng)管優(yōu)化模型A方案中的搖青筒流場中的空氣產(chǎn)生較多渦流區(qū)，有效促進空氣流動循環(huán)，對茶葉搖青有益；而傳統(tǒng)搖青機風(fēng)管搖青筒流場統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)顯示低速段風(fēng)速（4.9 m/s及以下）占比高達65.8%，結(jié)合搖青筒軸向斷面速度分布云圖分析，搖青筒內(nèi)空氣循環(huán)流動較差，空氣不通透影響茶葉搖青品質(zhì)。

表1 不同風(fēng)管模型搖青筒流場截面速度區(qū)間占比Tab.1 The proportions of cross section velocity range of the flow field in stirring cylindrical tank with different air duct models

表2 不同風(fēng)管優(yōu)化模型搖青筒流場截面溫度區(qū)間占比Tab.2 The proportions of cross section temperature range of the flow field in stirring cylindrical tank with different air duct models

從表2風(fēng)管優(yōu)化模型A、B、C及傳統(tǒng)搖青機風(fēng)管搖青筒流場截面溫度區(qū)間占比數(shù)據(jù)分析可知，傳統(tǒng)搖青機風(fēng)管雖然搖青筒內(nèi)溫度在中高溫段（318 K及以上）占比最高，為90.4%；風(fēng)管優(yōu)化模型A、B、C搖青筒內(nèi)中高溫段占比依次為82.5%、80.5%、79.4%，但結(jié)合搖青筒軸向斷面溫度分布云圖分析可知，傳統(tǒng)搖青機風(fēng)管搖青筒高溫區(qū)域大部分僅集中在風(fēng)管內(nèi)部，熱空氣并未滲透到搖青筒籠體內(nèi)的茶葉。綜合搖青筒內(nèi)風(fēng)速中高速及溫度中高溫段占比數(shù)據(jù)分析，風(fēng)管優(yōu)化模型A方案搖青筒流場均勻性最佳，風(fēng)管模型B和C搖青筒流場次之，傳統(tǒng)搖青機風(fēng)管搖青筒流場均勻性最差。

3.2 茶葉搖青試驗

為進一步論證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，在武夷山香江茶業(yè)有限公司開展了滾筒式搖青機優(yōu)化樣機與傳統(tǒng)搖青機對比試驗。搖青鮮葉為武夷巖茶肉桂品種茶鮮葉。滾筒式搖青機優(yōu)化樣機做茶試驗見圖10，做茶過程中溫度/風(fēng)速巡檢儀溫度傳感器、風(fēng)速傳感器探頭安置在滾筒搖青機內(nèi)壁面、通風(fēng)管外壁及風(fēng)管中心等16個不同位置點，監(jiān)測記錄茶葉搖青溫度及搖青筒內(nèi)風(fēng)速，采樣數(shù)據(jù)為8組，用統(tǒng)計分析方法求出監(jiān)測點溫度和風(fēng)速變異系數(shù)CVT和CVv，反映了溫度、風(fēng)速觀測值數(shù)據(jù)離散程度，以此作為評價搖青筒內(nèi)溫度場和風(fēng)速場均勻性指標(biāo)[13]。

公式中：σ為溫度和風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差為溫度和風(fēng)速的平均值。

圖10 搖青機做茶試驗Fig.10 Prototype and manipulation fresh leaves experiment

從表3統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知：優(yōu)化樣機監(jiān)測點溫度和風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差小，即監(jiān)測溫度、風(fēng)速數(shù)據(jù)波動性小。溫度變異系數(shù)、風(fēng)速變異系數(shù)小，分別為0.58%、4.98%，優(yōu)化后的搖青機樣機比傳統(tǒng)搖青機筒內(nèi)溫度和風(fēng)速更均勻。

表3 搖青筒監(jiān)測點溫度和風(fēng)速平均值與標(biāo)準(zhǔn)差Tab.3 The average value and standard deviation of the temperature and wind speed at the monitoring points of the stirring cylinder

優(yōu)化后的搖青機樣機與傳統(tǒng)搖青機在搖青工藝參數(shù)（吹風(fēng)時間、搖青時間、晾青時間、搖青次數(shù)）同等條件下進行做茶品質(zhì)比較，搖青茶樣經(jīng)殺青、揉捻、烘干工藝最終形成毛茶。搖青機做出的毛茶茶樣則參照茶葉感官審評方法（GB/T 23776—2009），進行茶葉外形、香氣、茶湯色澤、滋味、葉底感官審評[14?15]，毛茶評審結(jié)果見表4。結(jié)果表明：優(yōu)化后的搖青機樣機茶葉搖青品質(zhì)最好，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)搖青機，優(yōu)化樣機風(fēng)管加裝環(huán)形導(dǎo)流板后，熱風(fēng)更容易從風(fēng)管導(dǎo)流進入搖青筒內(nèi)，搖青筒內(nèi)溫度更均勻、空氣流動更通透，保證了搖青鮮茶葉的生物活性，茶葉品質(zhì)提升一個等級。

表4 搖青毛茶審評結(jié)果（同一批次樣品）Tab.4 Evaluation results of semi finished tea（the same batch of samples）

4 結(jié)論

本文對滾筒式搖青機進行了優(yōu)化設(shè)計，并對搖青筒風(fēng)管做了3種優(yōu)化設(shè)計方案。用計算流體力學(xué)軟件STAR?CCM+進行搖青筒流場CFD數(shù)值模擬，并對溫度場和速度場云圖進行Matlab統(tǒng)計處理，結(jié)果表明：風(fēng)管優(yōu)化模型A方案最佳，風(fēng)管中合理增設(shè)環(huán)形擋風(fēng)圈導(dǎo)流板，在不大幅度提高流阻的前提下，搖青筒內(nèi)能夠產(chǎn)生小渦流、增加氣流流動，搖青筒茶葉搖青溫度流場均勻性得到有效改善。

通過樣機搖青試驗并監(jiān)測記錄搖青筒不同位置點的溫度、風(fēng)速，統(tǒng)計分析搖青筒溫度、風(fēng)速變異系數(shù)，并對茶樣搖青品質(zhì)感官評審，試驗結(jié)果表明：優(yōu)化樣機搖青筒溫度變異系數(shù)、風(fēng)速變異系數(shù)小，搖青筒搖青溫度均勻、增加氣流對流有利于茶葉搖青工藝，提升茶葉品質(zhì)。