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)
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。
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
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
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
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
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)
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。