基于Fluent 的打葉機(jī)內(nèi)部流場數(shù)值模擬

向靖鋒，王立華，黃亞宇

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院）

0 引言

作為煙葉生產(chǎn)線中第一道原料加工處理工序[1]，煙草打葉效果的好壞直接影響著后續(xù)復(fù)烤、制絲工藝過程中煙葉的品質(zhì)，對(duì)整個(gè)煙葉的生產(chǎn)過程起著至關(guān)重要的作用[2-4]。如何提高成品煙草質(zhì)量、降低打葉復(fù)烤加工工藝過程中煙草原料的損耗，是提高煙草行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重點(diǎn)所在。有國內(nèi)外學(xué)者的研究指出，煙葉的物理特性會(huì)受到煙葉溫濕度的影響[5]，打葉復(fù)烤過程中，煙葉的物化特性對(duì)出片率存在一定相關(guān)性[6]，通過在一定范圍內(nèi)對(duì)煙葉的含水率和溫度的改變和調(diào)控，可以提高打葉過程的質(zhì)量和降低造碎率[7]。上述研究成果具有較好的參考價(jià)值，指出了煙葉物化特性與環(huán)境溫度、流場存在一定的聯(lián)系，但上述研究方法均未考慮打葉機(jī)內(nèi)部流場對(duì)打葉工序的影響。

煙葉是質(zhì)量與密度較小的物體，其受到空氣流場的影響較大，通過對(duì)打葉機(jī)箱體內(nèi)部流場進(jìn)行研究，可以深入地揭示打葉復(fù)烤工藝過程中多相參數(shù)與煙葉變化的內(nèi)在關(guān)系與規(guī)律。本文基于三維建模軟件與CFD 軟件建立包含打葉機(jī)箱體、打葉刀輥、打葉框欄的模型，并對(duì)其內(nèi)部的空氣流體壓力、速度、溫度場模型進(jìn)行分析研究，同時(shí)解決因?yàn)榱鲌鰧?dǎo)致煙葉堆積問題，為更加精細(xì)地滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)數(shù)字模型提供理論基礎(chǔ)。

1 打葉機(jī)流場分析及模型建立

1.1 打葉機(jī)內(nèi)部流場分析

打葉機(jī)工作過程中，煙葉在傳送帶和一定風(fēng)力的作用下從進(jìn)料口進(jìn)入打葉機(jī)內(nèi)部，并在打葉刀輥的轉(zhuǎn)動(dòng)下被打擊破碎，最后通過框欄落入下方出料通道后，從出料口被運(yùn)輸至下一道煙草加工工序，除固體成分的相互作用外，在整個(gè)打葉工序過程中伴隨著空氣流體的熱流作用。整個(gè)煙葉打葉機(jī)結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。

圖1 打葉機(jī)結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Leaf threshing machine structure model

1.2 打葉機(jī)模型的建立

滑移網(wǎng)格模型（Mesh-motion model）是在求解多運(yùn)動(dòng)參考系問題時(shí)最精確的理論模型，相對(duì)于其他的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，滑移網(wǎng)格不需要進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu)，能夠節(jié)約計(jì)算機(jī)資源，并且在運(yùn)動(dòng)計(jì)算過程中，網(wǎng)格質(zhì)量不會(huì)發(fā)生改變[8]，非常適合對(duì)轉(zhuǎn)子-定子作用的運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行瞬態(tài)流場計(jì)算。因此，本文采用滑移網(wǎng)格模型對(duì)打葉機(jī)體內(nèi)部包含轉(zhuǎn)子區(qū)域（打葉刀輥）與定子區(qū)域（打葉機(jī)箱體）的流場進(jìn)行仿真計(jì)算。擬以云南省某煙葉復(fù)烤廠臥式打葉機(jī)為原型，建立適用于滑移網(wǎng)格的三維結(jié)構(gòu)模型，再對(duì)模型中的箱體流域和旋轉(zhuǎn)流體區(qū)、旋轉(zhuǎn)流體區(qū)和打葉刀輥區(qū)分別實(shí)行布爾減法運(yùn)算，得到可用于滑移網(wǎng)格計(jì)算的打葉機(jī)流體區(qū)域模型，如圖2 所示。

圖2 打葉機(jī)流體區(qū)域模型Fig.2 Leaf threshing machine fluid region model

建立流體區(qū)域模型后，利用Workbench 的mesh 模塊對(duì)打葉機(jī)箱體模型及旋轉(zhuǎn)流體區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格劃分?？紤]到計(jì)算機(jī)計(jì)算效率與計(jì)算精度，本文選擇默認(rèn)CFD 網(wǎng)格劃分方式對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終得到節(jié)點(diǎn)數(shù)為40 906、網(wǎng)格單元數(shù)為190 441 的網(wǎng)格模型。最終將劃分好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent 軟件進(jìn)行流場仿真計(jì)算。

2 打葉機(jī)流場仿真方法

2.1 計(jì)算模型選擇

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)的k-ε 湍流模型

由Launder 和Spalding 提出的k-ε 湍流模型能對(duì)強(qiáng)旋流的仿真模擬提供較好的計(jì)算精度[9]，它主要由湍流動(dòng)能和耗散率這兩個(gè)傳遞方程表達(dá)湍流模型，其表達(dá)式[10]為

式中：k——湍動(dòng)能；ε——湍動(dòng)能耗散率；C1ε，C2ε——常量；σk，σε——k 方程和ε 方程湍流模型常數(shù)；Sk，Sε——自定義的湍動(dòng)能項(xiàng)和湍流耗散源項(xiàng)。

1.1.2 Realizable k-epsilon 模型

Realizable k-epsilon 模型是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的k-ε 湍流模型進(jìn)行部分改進(jìn)，引入了更加合理的湍流粘度公式，并使用了由準(zhǔn)確渦流脈動(dòng)傳輸方程推導(dǎo)出的新的能量消散率的傳輸方程[11]，因此，選擇更加精確的模擬平面與圓形射流擴(kuò)散速度的Realizable k-epsilon 模型，能夠使打葉刀輥的旋轉(zhuǎn)流的計(jì)算更加符合真實(shí)情況。該模型可表示為[12]

式中：Gk——由層流速度梯度所產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；Gb——由浮力所產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；YM——在可壓縮流動(dòng)中湍流脈動(dòng)膨脹到全局流程中對(duì)耗散率的貢獻(xiàn)項(xiàng)；C3ε——常量；σk，σε——k 方程和ε 方程湍流模型常數(shù)；Sk，Sε——自定義的湍動(dòng)能項(xiàng)和湍流耗散源項(xiàng)參數(shù)。

2.2 邊界條件的設(shè)定

要在Fluent 中期望獲得問題的解，必須要指定壁面條件，確定邊界的類型以及流體區(qū)域的變量與計(jì)算模型，由于打葉機(jī)箱體中只有進(jìn)出口部分為流體可通行壁面，本文按照打葉機(jī)結(jié)構(gòu)模型定義進(jìn)出口邊界，采用常用的流體速度進(jìn)口和壓力出口邊界條件。進(jìn)口速度設(shè)定為恒定進(jìn)風(fēng)速度，壓力出口設(shè)置壓力為大氣壓強(qiáng)，流體材料設(shè)置為空氣（Air）。將打葉機(jī)箱體與打葉機(jī)刀輥壁面設(shè)置為流體不可通過的墻面（Wall），旋轉(zhuǎn)流體區(qū)域的滑移網(wǎng)格模型并設(shè)定一定的旋轉(zhuǎn)速度，近壁面區(qū)域的壁面函數(shù)選擇可縮比例壁面函數(shù)（Scalabe wall functions）模型。將計(jì)算方式改為適用于滑移網(wǎng)格的瞬態(tài)方式。

流場參數(shù)設(shè)定完成后，通過Fluent 湍流模型對(duì)打葉機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行仿真計(jì)算，當(dāng)模型中迭代計(jì)算的殘差變化值呈現(xiàn)一定規(guī)律性時(shí)可認(rèn)為迭代收斂并停止仿真。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過后處理模塊建立云圖參考平面，并通過建立云圖獲得打葉機(jī)內(nèi)部流體壓力場分布,如圖3（a）所示。由于打葉刀輥?zhàn)鞲咚傩D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在其周圍為高速旋轉(zhuǎn)流體區(qū)，流體速度分布與箱體其余通道區(qū)域的速度相差較大，導(dǎo)致流速較慢部位云圖色彩區(qū)分不明顯，為了將流速較慢部分速度分布更加明顯化，將速度數(shù)據(jù)以全局矢量箭頭標(biāo)示和緩速區(qū)域霧狀渲染的方式進(jìn)行繪制，最終獲得速度分布圖如圖3（b）所示。溫度場分布由使用Fluent 后處理中的立體渲染方式繪制，如圖3（c）所示。

圖3 打葉機(jī)內(nèi)部流體壓力、速度、溫度分布圖Fig.3 Pressure,velocity and temperature distribution of fluid in leaf hreshing machine

圖4 打葉機(jī)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)回流分布區(qū)域Fig.4 Rotary backflow distribution area inside leaf threshing machine

以上分布圖均為速度入口進(jìn)風(fēng)速度為1 m/s，刀輥旋轉(zhuǎn)速度為541 r/min，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，入口熱風(fēng)溫度為54 ℃的箱體中心部位結(jié)果展示。通過合理范圍內(nèi)改變速度入口的進(jìn)風(fēng)速度（0.1～1.0 m/s，10 個(gè)梯度）、溫度（54±6 ℃，3 個(gè)梯度）以及打葉刀輥旋轉(zhuǎn)速度（520～553 r/min，4 個(gè)梯度），并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果中進(jìn)風(fēng)速度在一定范圍內(nèi)改變后，對(duì)打葉部位即旋轉(zhuǎn)流體區(qū)的壓強(qiáng)、流體速度影響較小，打葉刀輥轉(zhuǎn)速改變對(duì)內(nèi)部壓強(qiáng)影響不大、刀輥轉(zhuǎn)速的提升對(duì)旋轉(zhuǎn)流體區(qū)域的空氣流速有較小的提升，打葉機(jī)內(nèi)部的溫度對(duì)于進(jìn)風(fēng)速度及打葉刀輥的轉(zhuǎn)動(dòng)速度變化的反饋不明顯，當(dāng)恒溫?zé)崃黧w勻速通過打葉機(jī)箱體并趨于穩(wěn)定后，打葉機(jī)內(nèi)部熱流場幾乎呈現(xiàn)為恒溫環(huán)境。

通過對(duì)流體流速方向結(jié)果觀察發(fā)現(xiàn)，在打葉機(jī)內(nèi)部存在3 處旋轉(zhuǎn)回流區(qū)域，如圖4 所示。其中，回流區(qū)域1，2 部位處的煙葉會(huì)受到重力作用，從而脫離空氣回流區(qū)域進(jìn)入正常的打葉路徑，但回流區(qū)域3 處煙葉有可能在流場的作用下形成堆積現(xiàn)象。針對(duì)空氣回流導(dǎo)致煙葉在出料區(qū)堆積問題，本文提出2 種解決方案：

（1）在出料區(qū)右側(cè)添加一個(gè)進(jìn)風(fēng)口，利用新的流場使回流區(qū)域3的旋轉(zhuǎn)流場消除。

（2）在出料口右側(cè)設(shè)置一塊傾斜擋板，阻斷回流區(qū)流場的形成。

根據(jù)以上兩種方案，添加新創(chuàng)建的幾何模型和邊界條件，利用Fluent再次進(jìn)行仿真模擬，最終得到添加進(jìn)風(fēng)口和添加傾斜擋板后的出料區(qū)流場分布，如圖5、圖6所示。從仿真結(jié)果看來，兩種方法均可解決出料口處因旋轉(zhuǎn)回流導(dǎo)致煙葉堆積問題。

圖5 添加進(jìn)風(fēng)口后的出料區(qū)流場分布Fig.5 Flow field distribution in discharge area after adding air inlet

圖6 添加傾斜擋板后的出料區(qū)流場分布Fig.6 Flow field distribution in discharge area after inclined baffle is added

4 結(jié)論

本文通過Fluent 軟件對(duì)打葉機(jī)內(nèi)部的流場進(jìn)行了仿真模擬，并獲得打葉機(jī)內(nèi)部圖像，通過合理范圍內(nèi)改變速度入口的進(jìn)風(fēng)速度、溫度以及打葉刀輥旋轉(zhuǎn)速度，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到以下結(jié)論：

（1）打葉機(jī)內(nèi)部流場在通入恒溫的空氣氣流后，其箱體內(nèi)部環(huán)境呈現(xiàn)出恒溫的穩(wěn)態(tài)趨勢，在打葉過程中，煙葉的物理特性不會(huì)因溫度變化而導(dǎo)致較大改變。

（2）合理范圍內(nèi)的進(jìn)風(fēng)速度改變對(duì)旋轉(zhuǎn)流體區(qū)域的流場影響較小，打葉刀輥旋轉(zhuǎn)速度在打葉工藝允許情況下變動(dòng)后，不會(huì)對(duì)流場造成過大變化。

（3）出料區(qū)會(huì)形成旋轉(zhuǎn)回流流場，可能會(huì)導(dǎo)致煙葉打葉過后在出料區(qū)形成堆積現(xiàn)象，通過添加底部進(jìn)風(fēng)口或者設(shè)置傾斜擋板均可消除回流導(dǎo)致的葉片堆積。