基于EnSight 的滾筒烘絲過程可視化分析

王陽，黃亞宇，周永長(zhǎng)

（650093 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院）

0 引言

隨著科技創(chuàng)新的與時(shí)俱進(jìn)，煙草制絲技術(shù)也在逐漸向智能制造發(fā)展。制絲工藝質(zhì)量控制的優(yōu)劣嚴(yán)重影響煙草產(chǎn)品的質(zhì)量，而制絲工藝中關(guān)鍵的步驟之一是干燥烘絲。

烘絲工序是制絲生產(chǎn)中的主要加工工藝之一，目前最常用的烘絲技術(shù)是氣流烘絲和滾筒烘絲。氣流烘絲既可以獲得較高的填充值，又有較好的含水率均勻性，且具有干燥時(shí)間短、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來在煙草行業(yè)被廣泛應(yīng)用。氣流烘絲干燥的工藝要求：（1）具有工藝氣體溫度和風(fēng)量、排潮量、排潮負(fù)壓、模擬水、蒸汽自動(dòng)調(diào)節(jié)和含水率自動(dòng)控制功能；（2）采用高溫氣流快速干燥，干燥時(shí)間6～10 s，可使物料膨脹效果好，填充能力高；（3）燃燒爐溫度可達(dá)300 ℃；（4）噴氣和噴水量可連續(xù)調(diào)整，滿足干燥氣流的濕度要求。煙葉的烘絲過程不僅對(duì)煙葉中的含水率有直接影響，還對(duì)煙絲后續(xù)加工與處理有著密不可分的關(guān)系。在對(duì)滾筒烘絲機(jī)參數(shù)與煙葉加工質(zhì)量的研究中，周凱敏[1]等研究了切絲寬度、烘絲方式對(duì)不同規(guī)格卷煙的煙支物理質(zhì)量、主流煙氣常規(guī)指標(biāo)和卷煙機(jī)臺(tái)運(yùn)行情況的影響規(guī)律等；陳翠玲[2]等主要研究了制絲線增溫增濕和滾筒烘絲工序加工對(duì)葉絲香味組分的影響等；陳彬[3]分析了霓虹的滾筒式烘絲機(jī)在生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化功能控制因素所起的作用；胡福[4]等為揭示加料滾筒內(nèi)復(fù)雜系統(tǒng)的內(nèi)在關(guān)系和規(guī)律，通過仿真數(shù)據(jù)、高速攝像圖像處理技術(shù)與試驗(yàn)驗(yàn)證，構(gòu)建了加料過程物料混合均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系等；李俏[5]等采用顆粒軌道數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于滾筒混料機(jī)內(nèi)氣固兩相流場(chǎng)研究；完顏振海[6]等為提高數(shù)值仿真后處理的效率,滿足分布式仿真系統(tǒng)在數(shù)值仿真數(shù)據(jù)方面的可視化需求以及實(shí)現(xiàn)仿真試驗(yàn)過程的可視化,基于EnSight 的二次開發(fā)開展數(shù)值仿真可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。近年來，煙草研究人員主要是通過仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法對(duì)滾筒內(nèi)部煙絲顆粒的運(yùn)動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)等過程進(jìn)行仿真模擬，而本文采用顆粒數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于滾筒混料機(jī)內(nèi)氣固兩相流場(chǎng)研究，通過EnSight 仿真計(jì)算模擬煙絲在滾筒內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)過程和煙絲在干燥過程中的溫度變化以及烘絲效果的影響等問題從運(yùn)動(dòng)的角度進(jìn)行研究，以期望能在一定程度上對(duì)生產(chǎn)實(shí)際起到參考作用。

1 模型建立與仿真原理

1.1 滾筒烘絲機(jī)模型的建立

本文用卷煙廠的制絲干燥設(shè)備為研究對(duì)象，其型號(hào)為KLD-2。此設(shè)備的構(gòu)造比較復(fù)雜，由于其主要的干燥過程是在干燥滾筒內(nèi)部發(fā)生，為了更好地建立數(shù)學(xué)仿真模型計(jì)算，分析干燥滾筒內(nèi)部的煙絲運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，本文對(duì)滾筒烘絲機(jī)的外形進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，采用一段式加熱方式。為便于建模，簡(jiǎn)化抄板的結(jié)構(gòu)，采用整體式實(shí)心的螺旋薄板結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)化后的滾筒模型如圖1 所示。

圖1 滾筒烘絲機(jī)簡(jiǎn)化模型的建立Fig.1 Establishment of a simplified model for the drum dryer

1.2 仿真計(jì)算原理

EDEM 軟件用于模擬工業(yè)生產(chǎn)中的顆粒處理，以進(jìn)行生產(chǎn)制造過程的仿真和分析。本文利用EDEM 離散元軟件將煙絲葉片做離散顆粒處理，快速創(chuàng)建顆粒實(shí)體的參數(shù)化模型。為了盡可能真實(shí)地模擬煙絲單元顆粒的運(yùn)動(dòng)過程，將其設(shè)計(jì)劃分為由一個(gè)或者多個(gè)顆粒組成的離散單元。

當(dāng)前，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CDF）成為廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的模擬流體現(xiàn)象的工具，商業(yè)CFD 代碼，可以建模多階段，湍流燃燒和傳熱，這些代碼甚至能夠使用拉格朗日方法跟蹤稀疏系統(tǒng)中的離散粒子（粒子體積小于10%）（FLUENTANSYS2006），然而這些方法不適用于密集填充系統(tǒng)，因?yàn)樵谶@類代碼中可用的多相連續(xù)介質(zhì)方法不能準(zhǔn)確捕捉大塊顆粒的行為以及流體和顆粒相之間的相互作用。本文基于Fluent流體動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論，建立滾筒烘絲機(jī)流場(chǎng)數(shù)字化數(shù)值模型，分析了從側(cè)面進(jìn)風(fēng)對(duì)滾筒烘絲機(jī)內(nèi)部煙絲物料的溫度過程的影響。

EnSight 軟件是一款尖端的可視化與后處理軟件，可以結(jié)合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)、有限元分析、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、多體動(dòng)力學(xué)的結(jié)果到同一個(gè)視圖中。本文使用EnSight 軟件觀測(cè)在熱風(fēng)作用下滾筒中運(yùn)動(dòng)的煙絲粒子運(yùn)動(dòng)軌跡。

2 滾筒烘絲煙絲運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可視化分析

本文以KLD-2 型滾筒烘絲機(jī)為研究對(duì)象，然后對(duì)簡(jiǎn)化后的三維模型流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將煙絲顆粒離散元建模和流體分析耦合（如圖2所示），研究滾筒中煙絲顆粒在熱風(fēng)作用下的溫度場(chǎng)分布規(guī)律，確定進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速，以及煙絲在滾筒內(nèi)部的主要加熱升溫區(qū)域等方面的研究分析，為下一步煙絲與熱風(fēng)氣體兩相耦合過程中的煙絲顆粒受熱等溫度傳遞過程提供支持。

圖2 滾筒烘絲有無實(shí)體表面可視化效果圖Fig.2 Visual renderings of drum baked tobacco with or without solid surface

2.1 熱風(fēng)流場(chǎng)速度分析

2.1.1 用EnSight 軟件進(jìn)行流場(chǎng)速度分析

熱風(fēng)是以0.56 m/s 的初速度從入料口端面進(jìn)入滾筒內(nèi)。理論上，熱氣體從側(cè)面入料口進(jìn)入滾筒內(nèi)部時(shí)，其速度應(yīng)該呈逐漸減小的趨勢(shì)，但據(jù)熱風(fēng)速度圖（如圖3 所示，為方便觀察圖中把滾筒隱藏），僅在滾筒進(jìn)風(fēng)口端可以看出速度有較明顯的變化，如圖3（a）進(jìn)風(fēng)口出風(fēng)速變化圖所示，添加探針后可得到進(jìn)風(fēng)口速度為0.608 m/s，速度較快，從圖3（b）出風(fēng)口處速度變化圖中可以看出，熱風(fēng)速度為0.588 m/s，且速度基本穩(wěn)定。

圖3 進(jìn)出風(fēng)口處風(fēng)速變化圖Fig.3 Variation of wind speed at inlet and outlet

由此可知，熱風(fēng)在進(jìn)入滾筒內(nèi)部后速度基本趨于穩(wěn)定，在0.56～0.58 m/s 的范圍內(nèi)，如圖4 所示。熱風(fēng)進(jìn)入恒速運(yùn)動(dòng)階段。

圖4 熱風(fēng)在進(jìn)入滾筒內(nèi)部后速度Fig.4 Speed of hot air after entering the drum

2.1.2 在Fluent 中分析和提取熱風(fēng)流場(chǎng)的速度的分析參數(shù)

熱風(fēng)是以0.56 m/s 的初速度從入料口端面進(jìn)入滾筒內(nèi)部，據(jù)速度云圖5（a）進(jìn)風(fēng)口處風(fēng)速、5（b）出風(fēng)口處風(fēng)速表明，僅在滾筒進(jìn)風(fēng)口端和滾筒末端出風(fēng)口周圍速度有較明顯的變化，熱風(fēng)在進(jìn)入滾筒內(nèi)部后速度基本穩(wěn)定在0.51～0.53m/s 的范圍內(nèi)，熱風(fēng)進(jìn)入恒速運(yùn)動(dòng)階段。據(jù)速度云圖5（c）反映了滾筒內(nèi)部熱風(fēng)橫截面的速度變化情況。從圖中可以得出，熱風(fēng)在進(jìn)入滾筒內(nèi)部后因抄板的原因會(huì)帶動(dòng)熱風(fēng)氣體做圓周運(yùn)動(dòng)，所以在靠近滾筒壁和抄板附近的熱風(fēng)速度增大。

圖5 熱風(fēng)風(fēng)速變化云圖Fig.5 Cloud image of hot wind speed variation

從總體看，熱風(fēng)氣體的速度分布從滾筒軸線中心向外呈梯度變化的趨勢(shì)逐漸增加。

2.2 熱風(fēng)流場(chǎng)溫度變化分析

2.2.1 用EnSight 軟件進(jìn)行熱風(fēng)流場(chǎng)溫度分析能量譜分布分析

熱風(fēng)從側(cè)面進(jìn)入滾筒后在進(jìn)風(fēng)口處溫度變化有少部分不均勻。如圖6（a）熱風(fēng)入風(fēng)口處溫度圖所示，可以看出，在熱風(fēng)入口處有少部分高溫現(xiàn)象，呈現(xiàn)有滾筒壁和側(cè)面向軸線中心快速減小的趨勢(shì)。如圖6（b）熱風(fēng)出風(fēng)口處溫度變化所示，熱風(fēng)進(jìn)入到滾筒中后部熱風(fēng)溫度進(jìn)入恒溫階段，熱風(fēng)溫度穩(wěn)定在415～416 K。

圖6 熱風(fēng)溫度圖Fig.6 Hot air temperature diagram

從圖7 中可以看出，滾筒壁和抄板位置附近的溫度最高，可達(dá)420 K，且溫度從滾筒壁和抄板向滾筒中心成逐漸遞減的趨勢(shì)，主要原因是由另一個(gè)由滾筒壁和抄板組成的加熱源通過薄板向滾筒內(nèi)部傳遞熱量與熱風(fēng)，構(gòu)成復(fù)合溫度場(chǎng)干燥煙絲。

圖7 熱風(fēng)進(jìn)入滾筒內(nèi)部溫度著色圖Fig.7 Coloring diagram of the temperature of hot air entering the drum

2.2.2 在Fluent 中分析和提取熱風(fēng)流場(chǎng)的速度的分析參數(shù)

本次分析主要傳熱方式是滾筒壁面和抄板的熱傳導(dǎo)的方式。滾筒內(nèi)部的復(fù)合溫度場(chǎng)分布規(guī)律如圖8 所示?？梢钥闯?，熱風(fēng)在滾筒壁和抄板附近處的溫度最高，其溫度變化范圍在434～444 K之間。

圖8 進(jìn)出風(fēng)口處溫度變化云圖Fig.8 Cloud image of temperature change at inlet and outlet

根據(jù)圖9 橫截面圖可以看出，熱風(fēng)從入風(fēng)口到出風(fēng)口溫度呈梯度的逐漸遞增的規(guī)律變化，低溫?zé)犸L(fēng)從入風(fēng)口進(jìn)入滾筒內(nèi)部后與滾筒內(nèi)壁和抄板的高溫度進(jìn)行了溫度和能量的交換與傳遞，形成了穩(wěn)定的煙絲干燥溫度場(chǎng)。由此可以看出，在對(duì)熱風(fēng)流場(chǎng)進(jìn)行分析的時(shí)候，EnSight 軟件的立體渲染效果極佳，有極精確的熱風(fēng)運(yùn)動(dòng)路徑線，可以清晰地看出熱風(fēng)在進(jìn)入滾筒內(nèi)部后抄板帶動(dòng)熱風(fēng)氣體做圓周運(yùn)動(dòng)，而且可以直接反應(yīng)出熱風(fēng)的溫度變化。

圖9 熱風(fēng)溫度變化橫截面云圖Fig.9 Cross section cloud diagram of hot air temperature variation

2.3 煙絲粒子溫度變化規(guī)律分析

利用EnSight 分析模塊進(jìn)行分析，可以進(jìn)一步得到煙絲顆粒干燥過程中的溫度變化分布情況，可以看出滾筒內(nèi)煙絲顆粒的溫度變化規(guī)律圖。如圖10 所示，通過對(duì)不同溫度的煙絲進(jìn)行著色。從熱流圖中可以看出，煙絲顆粒在受到熱風(fēng)作用下開始的溫度分布極不均勻。如圖10 所示，煙絲粒子在熱風(fēng)作用下運(yùn)動(dòng)到出料口運(yùn)動(dòng)時(shí)間約為189 s，為方便觀察，設(shè)定步長(zhǎng)為13 s，在運(yùn)動(dòng)到第26 s 時(shí)高溫可達(dá)到519.27 K。

圖10 滾筒內(nèi)煙絲運(yùn)動(dòng)的溫度著色Fig.10 Temperature colouring of tobacco moving in the drum

隨著煙絲在滾筒內(nèi)螺旋前進(jìn)和干燥時(shí)間的增加，煙絲的溫度逐漸升高，且煙絲顆粒的溫度會(huì)隨著干燥過程的持續(xù)而發(fā)生不斷變化。如圖11所示，最終在滾筒的后中部位煙溫度達(dá)到平衡。

圖11 煙絲在滾筒中后部分溫度著色Fig.11 Partial temperature colouring of tobacco in the drum

可以得出，隨著滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)和煙絲不斷螺旋前進(jìn)的過程中，煙絲在滾筒內(nèi)部的不同位置會(huì)有不同的溫度，在t=10 s 煙絲顆粒群的溫度雖有一定的升高，主要集中在241～252 K 范圍內(nèi)，而且隨著干燥的持續(xù)發(fā)生，可能會(huì)有少部分煙絲顆粒的溫度偏高，從而導(dǎo)致了干燥烘絲不均勻。

2.4 煙絲物料在滾筒中的運(yùn)動(dòng)周期

本文模擬煙絲物料在滾筒中的運(yùn)動(dòng)周期，分為2 個(gè)過程：第1 過程是煙絲物料在滾筒中隨滾筒轉(zhuǎn)速和抄板做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。如圖12 所示，粒子在滾筒中隨轉(zhuǎn)速和抄板的速度呈現(xiàn)勻速圓周運(yùn)動(dòng)；第2 過程如圖13 所示，當(dāng)煙絲物料隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)到一定高度后，在其自身重力和熱風(fēng)共同作用下做類似拋物線運(yùn)動(dòng)軌跡的飄落拋灑運(yùn)動(dòng)。

圖12 煙絲物料在滾筒中隨轉(zhuǎn)速和抄板做勻速圓周運(yùn)動(dòng)Fig.12 Tobacco material moving in a uniform circular motion in the drum with speed and plate

圖13 煙絲物料在滾筒中拋灑階段煙絲粒子的速度Fig.13 Speed of tobacco particles in the spraying stage of tobacco material in the drum

3 結(jié)語

現(xiàn)有的商業(yè)CFD 和DEM 代碼現(xiàn)在能夠模擬流體和顆粒之間的傳熱，可用于復(fù)雜的工業(yè)應(yīng)用。利用DEM 解決方案中的Fluent 耦合模塊，結(jié)合CFD 求解器Fluent 和DEM 求解器EDEM，對(duì)滾筒烘絲運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，但該耦合無法實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)作用下煙絲粒子在滾筒中的運(yùn)動(dòng)軌跡可視化。

綜上所述，選擇使用EnSight 軟件對(duì)煙絲粒子在滾筒中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行可視化分析可行，該分析方法有精確的熱風(fēng)運(yùn)動(dòng)路徑線，可以清晰地看出熱風(fēng)在進(jìn)入滾筒內(nèi)部后抄板帶動(dòng)熱風(fēng)氣體做圓周運(yùn)動(dòng)，且可以直接反應(yīng)出熱風(fēng)的溫度、速度變化。但從側(cè)面進(jìn)風(fēng)的進(jìn)風(fēng)方式存在不足，熱風(fēng)進(jìn)風(fēng)口處溫度分布不均勻，在后續(xù)工作中有必要對(duì)其改進(jìn)。

結(jié)果表明，該耦合模型正確地捕捉了熱風(fēng)作用下煙絲粒子在滾筒中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。