曲房加濕的數(shù)值模擬及試驗(yàn)

吳相東，田建平*，黃海飛，黃丹，楊海栗，高劍

（1.四川輕化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川自貢 643002） （2.四川輕化工大學(xué)釀酒生物技術(shù)及應(yīng)用四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川自貢 643002）

大曲的優(yōu)劣直接影響著酒的品質(zhì)和產(chǎn)量，而曲房的環(huán)境濕度對(duì)大曲成品質(zhì)量產(chǎn)生重要影響[1,2]。在大曲霉菌、酵母菌大量生長(zhǎng)的前緩期，需保持低溫高濕的環(huán)境以促進(jìn)大曲微生物的生長(zhǎng)[3]。目前，為防止夏天曲坯表面水分被高溫蒸干，以及冬天提高環(huán)境溫度及濕度，需通過(guò)開(kāi)關(guān)門窗和向地面或曲堆覆蓋物上撒入大量水以維持合適的曲房發(fā)酵環(huán)境[4,5]。傳統(tǒng)加濕方式存在人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、難以精準(zhǔn)調(diào)控、且地面容易積水而滋生細(xì)菌等問(wèn)題，造成不同批次或不同位置的曲塊發(fā)酵質(zhì)量差異性過(guò)大。超聲波加濕裝置具有加濕效率較高和對(duì)溫度場(chǎng)影響較小等優(yōu)點(diǎn)，而被方思貞等[6]用于氣調(diào)保鮮運(yùn)輸車進(jìn)行對(duì)果蔬保濕。胡松濤等[7]在煙廠對(duì)比超聲波加濕和蒸汽加濕兩種方案，并得到超聲波加濕運(yùn)行費(fèi)用較低的結(jié)論。因此，本文設(shè)計(jì)一款采用超聲波加濕器的管道裝置用于解決曲房加濕難題。

為探究不同的水霧輸送管道直徑、開(kāi)孔數(shù)、開(kāi)孔直徑對(duì)管道式加濕裝置的加濕效率和加濕均勻性的影響，建立曲房瞬態(tài)三維湍流模型對(duì)曲房加濕過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析曲房加濕視內(nèi)部的相對(duì)濕度分布規(guī)律及各點(diǎn)位相對(duì)濕度的差異性。并通過(guò)現(xiàn)有的曲房發(fā)酵試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)相應(yīng)點(diǎn)位溫濕度的變化進(jìn)行驗(yàn)證，證明了曲房加濕模型的有效性，為以后曲房濕度控制提供理論模型。再通過(guò)曲房發(fā)酵試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行曲房加濕過(guò)程的單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，解析不同參數(shù)下各因素對(duì)加濕效果的影響規(guī)律，得到其結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的兩種較優(yōu)組合，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比和驗(yàn)證其加濕性能，最終確定加濕裝置最優(yōu)參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)曲房的快速的、均勻的加濕，改善曲房環(huán)境污染和加濕不均勻的問(wèn)題，為后續(xù)的曲房濕度控制提供依據(jù)。

1 物理模型

已建立的曲房發(fā)酵試驗(yàn)平臺(tái)，是將曲塊放入曲房中的曲架上發(fā)酵，再在曲塊和輸送管道上鋪一層稻草用于保溫保濕，溫濕度流場(chǎng)主要?jiǎng)恿?lái)源于輸送風(fēng)機(jī)，熱源通過(guò)兩側(cè)送風(fēng)孔板調(diào)整曲房?jī)?nèi)部溫度，加濕器產(chǎn)生的水霧通過(guò)加濕管道并借助送風(fēng)機(jī)調(diào)整曲房?jī)?nèi)部相對(duì)濕度。為了減少不必要的計(jì)算量，提高仿真效率，對(duì)曲房外部的輸送管道和曲房中的曲架進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。以1:1的曲房尺寸建立數(shù)字模型，總體尺寸為3000 mm×2360 mm×1080 mm，包含曲塊、加濕管道、送風(fēng)孔板三個(gè)實(shí)體，其中加濕管道直徑80 mm、開(kāi)孔數(shù)目為8、開(kāi)孔直徑為20 mm。曲架上放有三層，每層四塊曲堆，曲堆總體尺寸為1300 mm×1300 mm×700 mm，每層曲塊間存在50 mm的間隙。

2 數(shù)學(xué)模型

建立曲房中加濕過(guò)程流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，大曲在發(fā)酵過(guò)程中會(huì)產(chǎn)熱產(chǎn)濕且對(duì)氣流產(chǎn)生阻力，故將其作為多孔介質(zhì)處理[8]?；灸Ｐ桶呵康乃矐B(tài)通用控制方程、多孔介質(zhì)模型和組分輸送模型和k-ε模型。

2.1 瞬態(tài)通用控制方程

為表征曲房加濕過(guò)程流場(chǎng)變化，采用有限體積法中的瞬態(tài)通用控制方程，包括質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程[9,10]：

式中：

ρ——密度，kg/m3；

u——速度，m/s；

t——時(shí)間，s；

φ——廣義變量；

?！鄬?duì)應(yīng)的φ廣義擴(kuò)散系數(shù)；

S——廣義源項(xiàng)。

2.2 多孔介質(zhì)模型

為模擬大曲對(duì)流場(chǎng)的阻力及本身發(fā)酵過(guò)程中的產(chǎn)熱產(chǎn)濕，采用多孔介質(zhì)模型來(lái)模擬大曲的濕熱耦合傳遞。其方程如下[11,12]：

式中：

Si——i方向動(dòng)量源項(xiàng)；

C——慣性阻力系數(shù)；

D——黏性阻力系數(shù)；

|v|——空氣流動(dòng)速率，m/s；

μ——空氣動(dòng)力黏度，N·s/m2；

vj——空氣j方向流速，m/s。

其中：

式中：

dp——多孔介質(zhì)的當(dāng)量直徑，m；

φ——多孔介質(zhì)空隙率，%。

2.3 組分輸送模型

無(wú)論是發(fā)酵過(guò)程還是加濕過(guò)程，均涉及水蒸氣的流動(dòng)及傳遞，且在傳遞過(guò)程中不涉及化學(xué)反應(yīng)，故在此過(guò)程中需滿足組分輸送質(zhì)量守恒方程，其方程如下[13,14]

式中：

ρ為第i種組分的密度，kg/m3；

Yi為組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

▽為拉普拉斯算子；

Si為組分源項(xiàng)，kg/(m3·s)。

3 初始及邊界條件的設(shè)定

3.1 邊界條件

曲房的流體動(dòng)力來(lái)自水霧輸送風(fēng)機(jī)，對(duì)模型進(jìn)行雷諾數(shù)求解，其公式如下[15,16]：

求解得曲房的雷諾數(shù)達(dá)104以上，為高雷諾數(shù)紊流模型，判定該模型處于不可壓縮湍流狀態(tài)，故采用k-ε模型。

將加濕管道入口設(shè)置為質(zhì)量流入口，相對(duì)濕度為100%，溫度為298.65 K，質(zhì)量流量為0.02 kg/s，H2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.02；將曲房左右兩邊的送風(fēng)孔板設(shè)置為壓力出口，表壓為0 Pa。據(jù)實(shí)際情況各壁面取為對(duì)流邊界條件，曲房模型各固體材料特性根據(jù)工程中的實(shí)際參數(shù)選取，如表1所示。

表1 自定義材料屬性Table 1 Custom material properties

3.2 多孔介質(zhì)物性參數(shù)計(jì)算

孔隙率是指多孔介質(zhì)材料中孔隙體積與總體積之比，其公式如下[17]：

式中：

ρb——材料的表觀密度，kg/m3；

ρp——固體材料密度，kg/m3。

隨機(jī)抽取100個(gè)大曲制造原料（粉碎的小麥粒），利用游標(biāo)卡尺可測(cè)得麥粒的長(zhǎng)、寬、厚。由橢圓體體積與球體體積相等可得：

式中：

dp——平均當(dāng)量直徑，mm；

ap、bp、cp——分別為長(zhǎng)、寬、厚二分之一的平均值，mm。

將曲塊的密度作為表觀密度，曲塊烘干粉碎壓實(shí)后的密度作為固體材料密度，代入公式（7）得大曲孔隙率約為0.2。通過(guò)測(cè)量可得小麥顆粒長(zhǎng)、寬、厚平均值分別為2.05 mm、1.23 mm、1.05 mm，代入公式（8）可得，小麥粒的平均當(dāng)量直徑dp為2.76 mm。將孔隙率φ與平均當(dāng)量直徑dp代入公式（3）（4）中可得曲塊黏性阻力系數(shù)3.13×108，慣性阻力系數(shù)1.26×105。送風(fēng)孔板孔隙率為0.31，送風(fēng)擋板黏性阻力系數(shù)為7.4×106，慣性阻力系數(shù)為4506。

3.3 模型求解

在流場(chǎng)初始化時(shí)，曲房相對(duì)濕度初始值為75%，溫度為299.65 K；大曲初始相對(duì)濕度為80%，溫度為300.85 K，并添加各固體材料特性。運(yùn)用Fluent瞬態(tài)求解器對(duì)曲房溫濕度耦合進(jìn)行求解，利用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，結(jié)合組分輸送模型和多孔介質(zhì)模型，采用有限容積法，添加全局重力場(chǎng)g=9.8 m/s2。設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)0.5 s，時(shí)間步數(shù)為1000，每步最長(zhǎng)迭代次數(shù)設(shè)為50次。

4 模擬結(jié)果與分析

通過(guò)Fluent的迭代運(yùn)算，曲房?jī)?nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)濕度從75%升高至90%的過(guò)程共耗費(fèi)160.5 s。曲堆表面的溫濕度分布分別如圖2、3所示，曲堆上表面溫度略低，相對(duì)濕度較高，是因?yàn)樗F從輸送管道中直接吹向曲堆上表面而產(chǎn)生直接影響；每層曲間和同一層不同曲堆間相對(duì)濕度及溫度均偏高，這是由于曲塊本身作為熱源及濕源，間隙不利于散熱散濕所導(dǎo)致。曲堆表面相對(duì)濕度差值為9.8%。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的正確性，在曲房加濕實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)加濕過(guò)程中曲房?jī)?nèi)溫濕度變化情況。試驗(yàn)所用的儀器多樂(lè)信DRS-03A型超聲波加濕器、賽特TSI9545便攜式熱線熱球風(fēng)速儀、盛世瑞恩DB4200-DB171-10-N型分體式溫濕度傳感器[18]。溫濕度傳感器采集空間內(nèi)不同點(diǎn)位，其點(diǎn)位分布如4圖所示。

打開(kāi)空調(diào)機(jī)組和加濕器對(duì)曲房?jī)?nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)曲房?jī)?nèi)部的溫度達(dá)到25±0.5 ℃，濕度為75%±2%時(shí)，空調(diào)機(jī)組停止工作，超聲波加濕裝置持續(xù)工作，直至所有傳感器均到達(dá)90%時(shí)停止加濕。將模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以a15點(diǎn)位數(shù)據(jù)進(jìn)行加濕速率對(duì)比，其相對(duì)濕度從75%上升至90%共用時(shí)167 s，仿真加濕過(guò)程耗時(shí)為160.5 s，即偏差值為6.5 s。對(duì)比情況如圖5、6所示，在相對(duì)濕度從84%升高至90%的過(guò)程中，相對(duì)濕度最大偏差值為1.42%。各傳感器試驗(yàn)值和模擬值間最大偏差為1.1%。由圖5可以看出，相對(duì)濕度變化模擬值與試驗(yàn)值整體趨勢(shì)基本一致，綜上所述，建立的發(fā)酵曲房加濕模型具有有效性，為之后探究管道參數(shù)對(duì)加濕的影響提供模型參考和理論基礎(chǔ)。

6 曲房加濕裝置工作特性研究

6.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

加濕速率：曲房?jī)?nèi)的平均濕度從75%上升至90%所耗費(fèi)的時(shí)間，其中曲房平均相對(duì)濕度為各點(diǎn)位濕度的平均值，表達(dá)式如下：

加濕均勻性：通過(guò)15個(gè)傳感器測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)衡量，表達(dá)式如下：

式中：

D——傳感器測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差；

vn——第n個(gè)傳感器的測(cè)試值；

6.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

6.2.1 實(shí)驗(yàn)方案

通過(guò)改變管道直徑、管道開(kāi)孔數(shù)、開(kāi)孔直徑在超聲波加濕裝置上進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)[19,20]，實(shí)驗(yàn)方案如表2所示。

6.2.2 各實(shí)驗(yàn)因素對(duì)加濕速率的影響

在曲房中進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，得到各因素加濕過(guò)程中相對(duì)濕度隨時(shí)間變化的關(guān)系如圖7所示。由圖可知：隨著管道開(kāi)孔數(shù)的增加，超聲波管道加濕效率不斷加快，當(dāng)開(kāi)孔數(shù)為8時(shí)，加濕效率最高，加濕耗時(shí)151 s；隨著開(kāi)孔直徑的增加，管道加濕效率不斷減緩，當(dāng)開(kāi)孔直徑為20 mm，加濕效率最高，加濕耗時(shí)152 s；隨著管道直徑的增加，管道加濕效率不斷加快，當(dāng)管道直徑為120 mm，加濕效率最高，加濕耗時(shí)143 s。因此，在單因素實(shí)驗(yàn)中，選擇了管道直徑為120 mm，管道開(kāi)孔數(shù)為8，開(kāi)孔直徑為20 mm作為加濕速率最優(yōu)組合。

6.2.3 各實(shí)驗(yàn)因素對(duì)加濕均勻性的影響

單因素試驗(yàn)得到各因素下相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)差如圖8所示。由圖可知：隨著管道直徑的增大，曲房?jī)?nèi)相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)差不斷增大，當(dāng)管道直徑為80 mm時(shí)，相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)差為2.37，曲房?jī)?nèi)相對(duì)濕度最均勻；隨著開(kāi)孔數(shù)的增加，曲房?jī)?nèi)相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)差先減小后增大，當(dāng)開(kāi)孔數(shù)為6時(shí)，相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)差為2.39，曲房?jī)?nèi)相對(duì)濕度最均勻；隨著開(kāi)孔直徑的增加，曲房?jī)?nèi)相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)差先減小后增大，當(dāng)開(kāi)孔直徑為30 mm時(shí)，相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)差為2.15，曲房?jī)?nèi)相對(duì)濕度最均勻。因此，選擇管道直徑80 mm、開(kāi)孔數(shù)為6、開(kāi)孔直徑30 mm為單因素實(shí)驗(yàn)加濕均勻性最優(yōu)組合。

6.3 加濕均勻性正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

6.3.1 試驗(yàn)方法

通過(guò)單因素試驗(yàn)得出管道參數(shù)對(duì)加濕速率及加濕均勻性的影響趨勢(shì)，但是該方法需假定各因素間沒(méi)有交互作用，即單因素結(jié)果并不是很精準(zhǔn)的優(yōu)化方案。因此，采用正交試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化和補(bǔ)充。將管道直徑（A）、開(kāi)孔數(shù)（B）、開(kāi)孔直徑（C）為試驗(yàn)因素，以相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)差為試驗(yàn)指標(biāo)，通過(guò)三因素三水平正交優(yōu)化測(cè)量條件[21,22]，因素水平見(jiàn)表3。

表3 實(shí)驗(yàn)因素及水平值Table 3 Experimental factors and horizontal values

采用L9(34)正交表安排相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)差的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 加濕速率正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Orthogonal experimental results of humidification rate

6.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)正交試驗(yàn)與極差分析處理數(shù)據(jù)[23,24]，當(dāng)只考慮加濕均勻性時(shí)，因素A、B、C的極差分別為0.76、0.73、0.55，因此影響因素的主次順序?yàn)楣艿乐睆?、開(kāi)孔數(shù)、開(kāi)孔直徑，即A>B>C。且加濕均勻性最佳組合為A1B2C2，即為管道直徑為80 mm、開(kāi)孔數(shù)為6、開(kāi)孔直徑30 mm時(shí)，曲房?jī)?nèi)相對(duì)濕度最均勻，與單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

6.4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

加濕速率單因素實(shí)驗(yàn)最優(yōu)組合A3B3C1與加濕均勻性正交實(shí)驗(yàn)最優(yōu)組合A1B2C2不一致，為驗(yàn)證最優(yōu)參數(shù)組合，將兩個(gè)組合分別進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，每個(gè)組合重復(fù)兩次實(shí)驗(yàn)取平均值，對(duì)比兩組的加濕速率及各點(diǎn)位標(biāo)準(zhǔn)差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示，當(dāng)濕空氣流量一定，管道直徑越大，管道內(nèi)部的壓力越小，從而流速越慢，導(dǎo)致靠近管道出口的濕空氣更多，增加了相對(duì)濕度的不均勻性；當(dāng)開(kāi)孔數(shù)偏少時(shí)，會(huì)導(dǎo)致輸入水蒸氣較為集中的問(wèn)題，而開(kāi)孔數(shù)較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致越靠近導(dǎo)管兩端的開(kāi)孔流出越少，造成兩側(cè)區(qū)域相對(duì)濕度低于中間區(qū)域；開(kāi)孔直徑在單因素試驗(yàn)中有孔徑越大加濕時(shí)間越長(zhǎng)，但標(biāo)準(zhǔn)差卻先減小后增加的現(xiàn)象，故而選擇加濕管道裝置最佳組合為A1B2C2，即管道直徑為80 mm、開(kāi)孔數(shù)為6、開(kāi)孔直徑為30 mm。

表5 兩組加濕時(shí)長(zhǎng)及均勻性的比較Table 5 Comparison of humidification time and uniformity between the two groups

7 結(jié)論

7.1 通過(guò)對(duì)曲房加濕過(guò)程的數(shù)值模擬可得：曲房相對(duì)濕度從75%升高至90%需要160.5 s，加濕效果良好，曲堆表面相對(duì)濕度差值為9.8%。經(jīng)過(guò)曲房加濕試驗(yàn)驗(yàn)證，模擬值與試驗(yàn)值隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致，相對(duì)濕度最大偏差值為1.42%。各傳感器試驗(yàn)值和模擬值間最大偏差為1.1%。

7.2 利用單因素和正交試驗(yàn)尋求超聲波加濕管道裝置中加濕速率和加濕均勻性之間的平衡，并在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行以加濕均勻性為試驗(yàn)指標(biāo)的正交試驗(yàn)，三個(gè)實(shí)驗(yàn)因素對(duì)加濕均勻性影響程度排序依次為：管道直徑、開(kāi)孔數(shù)、開(kāi)孔直徑。通過(guò)將單因素加濕速率和正交優(yōu)化加濕均勻性的最優(yōu)組合進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)可得：當(dāng)管道直徑為80 mm、開(kāi)孔數(shù)為6、開(kāi)孔直徑為30 mm時(shí)加濕效果最好，相較于優(yōu)化之前加濕時(shí)間縮短了6.6%。通過(guò)建立曲房模型和加濕管道優(yōu)化為后續(xù)曲房濕度控制和曲塊堆碼方式優(yōu)化研究提供理論支撐。