圓盤通風(fēng)制曲設(shè)備氣流組織均勻性優(yōu)化

王怡康，王飛飛，徐新華

(華中科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

1 概述

醬油是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛和普遍的調(diào)味品之一。醬油釀制的工藝環(huán)節(jié)很多，通常包括原料處理、降溫接種、制曲、拌曲、發(fā)酵、取油、消毒配兌和包裝等。在整個(gè)工藝過程中，制曲是決定醬油生產(chǎn)成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系著醬油的品質(zhì)[1]。

制曲是米曲霉在原料(如黃豆)上吸取必要的營養(yǎng)物質(zhì)，在合適的溫濕度條件下，在曲池中完成生長的過程，并伴有一定發(fā)酵熱產(chǎn)生。制曲工藝設(shè)備多采用圓盤通風(fēng)制曲設(shè)備。

圓盤通風(fēng)制曲設(shè)備包括上風(fēng)室、曲床(帶孔網(wǎng))、下風(fēng)室和位于曲室內(nèi)部的中心柱(起到連接上風(fēng)室、曲床、下風(fēng)室及支撐作用)等。通風(fēng)(空氣通過位于下風(fēng)室的進(jìn)風(fēng)口，依次流經(jīng)下風(fēng)室、曲床、上風(fēng)室，最后由位于上風(fēng)室的排風(fēng)口排出)是為曲料提供氧氣、水分的重要手段，并能帶走制曲過程中產(chǎn)生的發(fā)酵熱。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，空氣由單一入口進(jìn)入下風(fēng)室，在下風(fēng)室形成明顯的高速和低速區(qū)，造成氣流組織不均勻。下風(fēng)室不均勻的氣流組織易造成部分曲床區(qū)域的發(fā)酵熱無法帶走，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量，因此有必要采取一定措施改善下風(fēng)室內(nèi)氣流組織的均勻性。本文針對(duì)南方某醬油制造廠圓盤通風(fēng)制曲設(shè)備內(nèi)氣流組織不均勻問題，采取測試、數(shù)值模擬方法對(duì)氣流組織優(yōu)化措施進(jìn)行探討。

2 研究對(duì)象

① 物理模型

圓盤通風(fēng)制曲設(shè)備的外形見圖1，結(jié)構(gòu)見圖2。圖2中數(shù)值對(duì)應(yīng)的單位為m。上風(fēng)室與下風(fēng)室由帶孔網(wǎng)(開孔率為5.5%)的曲床隔開。空氣通過進(jìn)風(fēng)口以一定角度送入下風(fēng)室，經(jīng)過曲床后到達(dá)上風(fēng)室，再由排風(fēng)口排出。下風(fēng)室空氣進(jìn)口的寬×高為3.5 m×1.5 m，排風(fēng)口的寬×高為4.6 m×1.8 m。

圖1 圓盤通風(fēng)制曲設(shè)備外形

圖2 圓盤通風(fēng)制曲設(shè)備結(jié)構(gòu)

② 測量方法

為探明氣流組織是否均勻，分別對(duì)上風(fēng)室、下風(fēng)室的橫截面進(jìn)行風(fēng)速測試。測試截面高度分別為：z=0.9、1.8 、2.5 m，位于下風(fēng)室，以下簡稱0.9、1.8、2.5 m測試截面；z=4.0 m，位于上風(fēng)室，以下簡稱4.0 m測試截面。每個(gè)測試截面選取70個(gè)風(fēng)速測點(diǎn)。各測試截面的測點(diǎn)布置見圖3。由圓心向外，分別選取直徑為3、7、11、15、19 m的圓，在每個(gè)圓上布置14個(gè)測點(diǎn)。對(duì)于同一圓上的測點(diǎn)，除進(jìn)風(fēng)口附近測點(diǎn)的夾角為15°外，其他位置測點(diǎn)的夾角均為30°。

圖3 各測試截面的測點(diǎn)布置

除風(fēng)室風(fēng)速外，筆者還對(duì)進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速進(jìn)行了測量，選取20個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)速測量。測量風(fēng)速時(shí)，每個(gè)測點(diǎn)連續(xù)測試300組數(shù)據(jù)，并將算術(shù)平均值作為該處風(fēng)速。總送風(fēng)量根據(jù)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速、進(jìn)風(fēng)口橫截面積計(jì)算得到。采用Swema 3000型微風(fēng)速儀測試風(fēng)速，采用Testo 512型壓力傳感器測試曲床的阻力(通過分別測量上下風(fēng)室壓力得到曲床的阻力)。兩種測量儀器的性能參數(shù)見表1。

表1 兩種測量儀器的性能參數(shù)

③ 數(shù)值模型

采用ANSYS ICEMCFD建立幾何模型(見圖4)，并對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分(見圖5)。近壁面第1個(gè)網(wǎng)格中心節(jié)點(diǎn)距壁面10 mm，增長因子為1.4，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，得到最佳網(wǎng)格數(shù)量為45×104個(gè)。

圖4 幾何模型

圖5 幾何模型的網(wǎng)格劃分

ANSYS FLUENT v16.0求解數(shù)值模型涉及的控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程。控制方程的通用形式為：

式中ρ——空氣密度，kg/m3

φ——?dú)庀鄨鐾ㄓ米兞浚瓤梢允菢?biāo)量也可以是矢量

t——時(shí)間，s

u——速度矢量，m/s

div——散度

Г——輸運(yùn)系數(shù)

grad——梯度

S——?dú)庀嘣错?xiàng)

本文采用基于壓力的求解器、標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型及標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對(duì)幾何模型中的空氣流動(dòng)進(jìn)行求解。采用SIMPLE算法求解壓力與速度耦合，使用二階迎風(fēng)格式精度對(duì)各數(shù)值方程進(jìn)行離散。

進(jìn)風(fēng)口為速度入口，根據(jù)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速測量結(jié)果，擬合并編寫用戶自定義函數(shù)(UDF)用以給定進(jìn)風(fēng)口速度入口邊界條件。排風(fēng)口采用壓力出口邊界。此外，將曲床設(shè)置為多孔介質(zhì)，其阻力特性符合實(shí)測結(jié)果。不考慮空氣相對(duì)濕度變化對(duì)模擬結(jié)果的影響。

④ 不均勻系數(shù)

采用不均勻系數(shù)評(píng)價(jià)圓盤通風(fēng)制曲設(shè)備內(nèi)氣流組織均勻性：不均勻系數(shù)越小，表明氣流組織越均勻，為0時(shí)氣流組織完全均勻。越大，表明氣流組織越不均勻。

不均勻系數(shù)k的表達(dá)式為[2]：

式中k——不均勻系數(shù)

n——測點(diǎn)總數(shù)

ui——第i個(gè)測點(diǎn)的速度，m/s

uav——算術(shù)平均速度，m/s

3 改造前測試結(jié)果與模型驗(yàn)證

① 改造前測試結(jié)果

進(jìn)風(fēng)口的平均進(jìn)風(fēng)風(fēng)速為8.392 m/s，總送風(fēng)量為2 643.4 m3/min。由測試結(jié)果可知，改造前各測試截面上的最大風(fēng)速、最小風(fēng)速、不均勻系數(shù)見表2。由表2可知，位于下風(fēng)室的0.9、1.8、2.5 m測試截面上的最大風(fēng)速與最小風(fēng)速相差較大，不均勻系數(shù)接近甚至超過1，說明這兩個(gè)測試截面上的氣流組織明顯不均勻。相對(duì)而言，位于上風(fēng)室的4.0 m測試截面上的最大風(fēng)速與最小風(fēng)速相差較小，不均勻系數(shù)也比較小，但也存在一定的不均勻性。因此，應(yīng)采取一定措施優(yōu)化圓盤通風(fēng)制曲設(shè)備內(nèi)氣流組織的均勻性，特別是下風(fēng)室的氣流組織均勻性，對(duì)保障產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。

表2 改造前各測試截面上的最大風(fēng)速、最小風(fēng)速、不均勻系數(shù)

② 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，筆者對(duì)比了0.9、1.8、4.0 m測試截面上Oy軸、Ox軸模擬風(fēng)速與測試風(fēng)速，分別見圖6～8。由圖6～8可知，模擬結(jié)果與測試結(jié)果比較吻合，僅在風(fēng)室壁面附近比測試結(jié)果稍高。

圖6 0.9 m測試截面上Ox、Oy軸模擬風(fēng)速與測試風(fēng)速

圖7 1.8 m測試截面上Ox、Oy軸模擬風(fēng)速與測試風(fēng)速

圖8 4.0 m測試截面上Ox、Oy軸模擬風(fēng)速與測試風(fēng)速

4 改造前氣流組織模擬分析

改造前0.9、2.5 m測試截面上的速度分布分別見圖9、10。由圖9、10可知，改造前下風(fēng)室內(nèi)氣流組織明顯不均勻。在0.9 m測試截面上，空氣在進(jìn)風(fēng)口后形成了明顯的高速區(qū)，并延伸至風(fēng)室壁面，導(dǎo)致風(fēng)室內(nèi)壁面的風(fēng)速比較高。在2.5 m測試截面上，受進(jìn)風(fēng)的影響，進(jìn)風(fēng)口后高速區(qū)上部出現(xiàn)了最大流速，遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口一側(cè)的風(fēng)室內(nèi)壁面風(fēng)速比較高。

圖9 改造前0.9 m測試截面上的速度分布

圖10 改造前2.5 m測試截面上的速度分布

5 改造措施及模擬結(jié)果

① 改造措施

為改善圓盤通風(fēng)制曲設(shè)備內(nèi)氣流組織的不均勻性，在圖1基礎(chǔ)上，筆者提出了5種改造措施，分別為：措施1：加寬排風(fēng)口(見圖11)，排風(fēng)口寬度由4.6 m增至9.2 m。措施2：加大下風(fēng)室中心柱直徑(見圖12)，中心柱直徑由1.2 m增至4.0 m。措施3：進(jìn)風(fēng)口增加導(dǎo)流板(見圖13，圖中數(shù)值對(duì)應(yīng)的單位為m)，圖13中局部放大圖中藍(lán)色線段為導(dǎo)流板(高度與進(jìn)風(fēng)口高度一致)。措施4：在進(jìn)風(fēng)口增加導(dǎo)流板的基礎(chǔ)上，加大下風(fēng)室中心柱直徑(見圖14)，中心柱直徑由1.2 m增至4.0 m。措施5：進(jìn)風(fēng)口增設(shè)多孔板罩(見圖15，圖中數(shù)值對(duì)應(yīng)的單位為m)，圖15中局部放大圖的藍(lán)色曲線為多孔板罩(半徑約2.0 m)。

圖11 措施1改造方案

圖12 措施2改造方案

圖13 措施3改造方案

圖14 措施4改造方案

圖15 措施5改造方案

② 改善效果模擬

在模擬時(shí)，改造后圓盤通風(fēng)制曲設(shè)備的邊界條件與改造前保持一致，措施5的孔板開孔率取35%。改造前后0.9、2.5 m測試截面速度分布分別見圖16、17。

由圖16可知，與改造前相比，措施1～3對(duì)改善氣流組織均勻性的作用并不明顯，進(jìn)風(fēng)口后仍存在明顯高速區(qū)，并延伸至風(fēng)室壁面，導(dǎo)致風(fēng)室內(nèi)壁面附近的風(fēng)速比較高。雖然措施4的進(jìn)風(fēng)口后仍存在明顯高速流，但延伸長度縮短，風(fēng)室內(nèi)壁面附近的高速區(qū)也得到有效緩解。與改造前及措施1～4相比，采取措施5后，進(jìn)風(fēng)口后未出現(xiàn)明顯的高速區(qū)，整個(gè)測試截面的氣流組織均勻性得到明顯改善。由圖17可知，在5種措施中，措施5對(duì)2.5 m測試截面氣流組織的改善效果仍最明顯。因此，措施5對(duì)圓盤通風(fēng)制曲設(shè)備氣流組織的改善效果最優(yōu)。

③ 孔板的最佳開孔率

開孔率越低，孔板的均流作用越明顯，但阻力越大[3]。因此，確定兼顧均流作用及阻力的最佳開孔率格外重要。筆者選取開孔率55%、35%、18%進(jìn)行分析。開孔率為55%、35%、18%時(shí)，措施5狀態(tài)下0.9、2.5 m測試截面的速度分布分別見圖18、19。

由圖18可知，孔板開孔率為55%時(shí)，進(jìn)風(fēng)口后出現(xiàn)了明顯高速區(qū)，說明大開孔率不利于氣流組織的均勻。當(dāng)孔板開孔率為18%時(shí)，測試截面的氣流組織與開孔率為35%時(shí)接近，并沒有明顯改善，而且低開孔率的孔板阻力比較大。由圖19可知，孔板開孔率的變化對(duì)2.5 m測試截面氣流組織沒有顯著影響。因此，孔板最佳開孔率選取35%。

圖18 開孔率為55%、35%、18%時(shí)措施5狀態(tài)下0.9 m測試截面速度分布

圖19 開孔率為55%、35%、18%時(shí)措施5狀態(tài)下2.5 m測試截面速度分布

6 實(shí)施效果

采用開孔率為35%的多孔板對(duì)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行改造，改造前后進(jìn)風(fēng)口外觀(下風(fēng)室內(nèi)拍攝)見圖20。

圖20 改造前后的進(jìn)風(fēng)口外觀(在下風(fēng)室內(nèi)拍攝)

改造前后0.9、1.8、2.5、4.0 m測試截面上不均勻系數(shù)見表3。由表3可知，與改造前相比，各測試截面的不均勻系數(shù)均出現(xiàn)了下降，說明措施5對(duì)改善圓盤通風(fēng)制曲設(shè)備內(nèi)氣流組織不均勻問題有效。

表3 改造前后各測試截面不均勻系數(shù)

7 結(jié)論

① 改造前測試結(jié)果：下風(fēng)室的最大風(fēng)速與最小風(fēng)速相差較大，不均勻系數(shù)接近甚至超過1，說明下風(fēng)室的氣流組織明顯不均勻。上風(fēng)室的最大風(fēng)速與最小風(fēng)速相差較小，不均勻系數(shù)也比較小，仍存在一定的不均勻性。

② 改造前模擬結(jié)果：下風(fēng)室內(nèi)氣流組織明顯不均勻。在0.9 m測試截面上，空氣在進(jìn)風(fēng)口后形成了明顯的高速區(qū)，并延伸至風(fēng)室壁面，導(dǎo)致風(fēng)室內(nèi)壁面的風(fēng)速比較高。在2.5 m測試截面上，受進(jìn)風(fēng)影響，進(jìn)風(fēng)口后高速區(qū)上部出現(xiàn)了最大流速，遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口一側(cè)的風(fēng)室內(nèi)壁面風(fēng)速比較高。

③ 改造措施：措施1：加寬排風(fēng)口。措施2：加大下風(fēng)室中心柱直徑。措施3：進(jìn)風(fēng)口增加導(dǎo)流板。措施4：在進(jìn)風(fēng)口增加導(dǎo)流板的基礎(chǔ)上，加大下風(fēng)室中心柱直徑。措施5：進(jìn)風(fēng)口增設(shè)多孔板罩。

④ 與改造前相比，措施1～3對(duì)改善氣流組織均勻性的作用并不明顯，進(jìn)風(fēng)口后仍存在明顯高速區(qū)，并延伸至風(fēng)室壁面，導(dǎo)致風(fēng)室內(nèi)壁面附近的風(fēng)速比較高。雖然措施4的進(jìn)風(fēng)口后仍存在明顯高速流，但延伸長度縮短，風(fēng)室內(nèi)壁面附近的高速區(qū)也得到有效緩解。與改造前及措施1～4相比，采取措施5后，進(jìn)風(fēng)口后未出現(xiàn)明顯的高速區(qū)，測試截面的氣流組織均勻性得到明顯改善。在5種措施中，措施5對(duì)2.5 m測試截面氣流組織的改善效果最明顯。措施5對(duì)圓盤通風(fēng)制曲設(shè)備氣流組織的改善效果最優(yōu)。

⑤ 在研究的孔板開孔率中(55%、35%、18%)，最佳開孔率為35%。

⑥ 改造后測試結(jié)果：與改造前相比，各測試截面上的風(fēng)速分布更加均勻。各測試截面的不均勻系數(shù)均出現(xiàn)了下降，說明措施5對(duì)改善圓盤通風(fēng)制曲設(shè)備內(nèi)氣流組織不均勻問題有效。