基于CFD的白茶干燥系統(tǒng)氣流場(chǎng)模擬及優(yōu)化研究*

李秋玫，季旭，蘭青，閆磊磊，范全海，于博文

(1.云南師范大學(xué) 太陽(yáng)能研究所,云南 昆明 650500；2.云南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院,云南 昆明 650500)

1 引言

白茶不炒、不揉，最大程度保留了茶葉的原始風(fēng)味，具有良好的保健功能，在保護(hù)心臟、抗糖尿病、抗癌、抗誘變、抗菌和抗肥胖等方面具有重要作用[1].然而，白茶的傳統(tǒng)制作過程歷時(shí)長(zhǎng)、受環(huán)境及氣候的影響較大且人為可控性差，造成白茶的品質(zhì)不一.采用熱風(fēng)干燥系統(tǒng)[2-3]可調(diào)控白茶干燥過程的條件參數(shù)以提高品質(zhì)，但系統(tǒng)內(nèi)部氣流分布會(huì)影響白茶在干燥過程中的失水速率，也會(huì)影響白茶成茶的品質(zhì)及色澤.干燥系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)布置是影響氣流場(chǎng)均勻性的關(guān)鍵,若系統(tǒng)開發(fā)采用設(shè)計(jì)—搭建—改進(jìn)這一流程，存在測(cè)試成本高和周期長(zhǎng)等缺陷[4];利用CFD[5]軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，可得到其內(nèi)部的氣流場(chǎng)，進(jìn)而進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).本文運(yùn)用CFD軟件數(shù)值模擬廂式結(jié)構(gòu)模型中氣流流經(jīng)茶葉的氣流場(chǎng)，通過增加不同傾斜角度的變截面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高了系統(tǒng)內(nèi)部氣流分布均勻性.

2 干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

擬采用適用于小規(guī)模干燥、過程條件變動(dòng)容易、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且操作方便的廂式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，系統(tǒng)箱體基本參數(shù)見表1.

表1 系統(tǒng)箱體基本參數(shù)

3 廂式系統(tǒng)氣流場(chǎng)數(shù)值模擬

3.1 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在建立物理模型時(shí)做以下假設(shè)：系統(tǒng)的箱體密封情況良好，忽略散熱影響；根據(jù)流體力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，當(dāng)風(fēng)速小于50 m/s，其密度變化較小，可近似認(rèn)為氣體沒有被壓縮[6]；氣體黏性系數(shù)為常數(shù)；忽略重力加速度對(duì)流動(dòng)的影響；系統(tǒng)內(nèi)空氣流動(dòng)具有典型湍流特性，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程求解[7].系統(tǒng)內(nèi)部的流體滿足連續(xù)性方程和動(dòng)量方程[8].

在進(jìn)行模擬時(shí)，設(shè)定茶葉層厚度為20 mm，將白茶簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)，用孔隙率[8-9]描述其稀疏程度.多孔介質(zhì)模型中的動(dòng)量源項(xiàng)包括黏性損失項(xiàng)和慣性損失項(xiàng)[10-11].

3.2 物理模型及網(wǎng)格劃分

由于在白茶的干燥過程中，系統(tǒng)運(yùn)行主要以閉式循環(huán)為主，只有當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部濕度高于設(shè)定范圍時(shí)系統(tǒng)才進(jìn)行開式循環(huán)，故主要模擬研究系統(tǒng)處于閉式循環(huán)過程時(shí)的氣流場(chǎng)分布.使用SpaceClaim對(duì)廂式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行建模(如圖1).利用Fluent Meshing對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分出的網(wǎng)格數(shù)量為3 695 828個(gè).

圖1 廂式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型

3.3 邊界條件

4 結(jié)果及分析

4.1 流場(chǎng)均勻性評(píng)價(jià)

采用均勻性指數(shù)γ對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部氣流場(chǎng)的均勻性進(jìn)行評(píng)價(jià).均勻性指數(shù)[12]

表2 邊界條件參數(shù)設(shè)定

4.2 流場(chǎng)分析

由于干燥系統(tǒng)廂體結(jié)構(gòu)具有一定對(duì)稱性，不同Z值對(duì)應(yīng)的X-Y平面氣流場(chǎng)的均勻性相近，故選取Z=650 mm處的X-Y平面進(jìn)行分析.

圖2 氣流分布圖

圖2為廂式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的氣流分布圖.從圖中可以看出，靠近出風(fēng)口和回風(fēng)口處的氣流速度大，離出風(fēng)口較遠(yuǎn)的位置處的氣流速度相對(duì)較小，箱體內(nèi)部的氣流分布不均勻，對(duì)茶葉的制作加工十分不利，易出現(xiàn)上中下層茶葉失水不均勻的情況.明顯的氣流不均勻區(qū)域主要有六個(gè)(見圖2中環(huán)形標(biāo)識(shí))，氣流分布均勻性較差.

圖3 氣流場(chǎng)流線圖

圖3為廂式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)Z=650 mm處X-Y平面的氣流場(chǎng)流線圖.從圖中可以看出，出風(fēng)口的氣流到達(dá)茶葉層后擴(kuò)散，大部分氣流穿過茶葉表層后回到回風(fēng)口產(chǎn)生渦流，小部分氣流向箱體左下流動(dòng).

圖4 不同茶葉層上表面氣流均勻性指數(shù)

圖4為不同茶葉層上表面的氣流均勻性指數(shù)(第一層物料盤加支架距箱體內(nèi)部下表面112 mm).從圖中可以看出，隨著垂直距離的增加，均勻性指數(shù)呈降-增-降-增的趨勢(shì)變化，第一層物料盤的茶葉上表面氣流均勻性最好，第十一層物料盤的茶葉上表面氣流均勻性最差，模擬給出整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的氣流均勻性指數(shù)為0.697 3.

4.3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

針對(duì)原始結(jié)構(gòu)在X-Y平面氣流分布不均勻的問題，設(shè)計(jì)在系統(tǒng)內(nèi)部增加變截面，通過改變變截面的傾斜角度來(lái)改善氣流的均勻性.

圖5 不同傾斜角度的變截面下的氣流分布圖

圖5為系統(tǒng)增加變截面后Z=650 mm處X-Y平面的氣流分布圖(圖中環(huán)形標(biāo)識(shí)部分為氣流不均勻區(qū)域).圖5(a)為變截面傾斜角度為5°時(shí)的氣流分布圖，與沒有變截面的氣流分布圖相比，在相近的位置出現(xiàn)6個(gè)不均勻區(qū)域，部分不均勻區(qū)域的面積明顯減小，表明系統(tǒng)內(nèi)部氣流均勻性有所改善；圖5(b)為變截面傾斜角度為10°時(shí)的氣流分布圖，與變截面為5°時(shí)的氣流分布圖相比，不均勻區(qū)域個(gè)數(shù)降至5個(gè)，而且面積較大的不均勻區(qū)域明顯減小，表明系統(tǒng)內(nèi)部氣流均勻性進(jìn)一步改善；圖5(c)為變截面傾斜角度為15°時(shí)的氣流分布圖，可見不均勻區(qū)域減少至3個(gè)，而且面積大大減小，表明增加傾斜角度為15°的變截面能夠較好地改善系統(tǒng)內(nèi)部氣流均勻性.

圖6為變截面不同傾斜角度下，不同茶葉層上表面的氣流均勻性指數(shù).從圖中可以看出：隨著垂直距離的增加均勻性指數(shù)均呈現(xiàn)降-增-降-增的趨勢(shì)變化，所有結(jié)構(gòu)中都是第一層物料盤的茶葉上表面氣流均勻性最好，但增加變截面略微降低了均勻性，且隨變截面傾斜角度增加呈不規(guī)律變化；增加變截面后，隨著變截面傾斜角度的增加，氣流均勻性最差層略向上偏移；變截面傾斜角度為15°時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部不同茶葉層上表面的均勻性指數(shù)波動(dòng)較為平穩(wěn)，說(shuō)明系統(tǒng)內(nèi)部整體氣流均勻性最好.

圖6 不同傾斜角度變截面下氣流分布圖

圖7為不同結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的茶葉層上表面和整個(gè)茶葉層的平均均勻性指數(shù)(0°為原始結(jié)構(gòu)).從圖中可以看出：通過增加變截面并改變其傾斜角度能夠有效改善系統(tǒng)內(nèi)部氣流均勻性，變截面傾斜角度為15°的系統(tǒng)內(nèi)部氣流均勻性最好.

圖7 不同結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的茶葉層上表面和茶葉層的平均均勻性指數(shù)

5 結(jié)語(yǔ)

建立廂式結(jié)構(gòu)干燥系統(tǒng)的三維模型，基于標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和多孔介質(zhì)模型，利用CFD軟件模擬了原始廂式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)優(yōu)化前后系統(tǒng)內(nèi)部空間氣流場(chǎng)的分布得到如下結(jié)果：

(1)原始廂式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，靠近出風(fēng)口和回風(fēng)道的位置是氣流相對(duì)較大區(qū)域，中下部靠左及最右邊部分區(qū)域是氣流較小區(qū)，系統(tǒng)內(nèi)部空間氣流分布均勻性差.

(2)通過增加變截面，改變其傾斜角度，能有效改善系統(tǒng)氣流分布不均勻的問題.當(dāng)變截面的傾斜角度為15°時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部整體均勻性最好.