卷煙工藝中CFD的應(yīng)用與展望

張斌，陳國(guó)杰，4，張振峰，周曦，2

（1.南華大學(xué)土木學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421000；2.建筑環(huán)境控制技術(shù)湖南省工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 衡陽(yáng) 421000；3.裝配式建筑節(jié)能技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 衡陽(yáng) 421000；4.建筑環(huán)境氣載污染物治理與放射性防護(hù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，湖南 衡陽(yáng) 421000）

0 引言

卷煙工藝是研究將煙葉原料和卷煙材料加工為卷煙，以實(shí)現(xiàn)卷煙生產(chǎn)的“優(yōu)質(zhì)、低耗、高效、安全”為目標(biāo)，以“先進(jìn)、合理、經(jīng)濟(jì)、適用”為原則[1]。卷煙工藝主要包括煙葉的生產(chǎn)和初加工、卷煙產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及卷煙加工工藝[2]。目前，我國(guó)已成為世界第一大煙草生產(chǎn)大國(guó)，同時(shí)也是世界最大的煙草消費(fèi)市場(chǎng)。煙草行業(yè)是我國(guó)國(guó)家稅收的重要來(lái)源，是我國(guó)一個(gè)重要的經(jīng)濟(jì)主體[5]。2021年，我國(guó)煙草行業(yè)實(shí)現(xiàn)工商稅利總額為13.5萬(wàn)億元實(shí)現(xiàn)稅利總額的歷史新高。

CFD（計(jì)算流體力學(xué)）由計(jì)算機(jī)科學(xué)、流體力學(xué)、數(shù)值分析等多個(gè)學(xué)科交叉組成[3]，是以Navier-Stokes方程為基礎(chǔ)，將有限的離散點(diǎn)上的變量代替原來(lái)在時(shí)間和空間上連續(xù)的物理量[6]，用數(shù)值法對(duì)其離散數(shù)值進(jìn)行求解，即可得到流場(chǎng)內(nèi)不同位置的物理量的分布狀況，以及物理量隨時(shí)間的變化情況[7-9]。

CFD興起于上世紀(jì)七十年代，由于其可以求解理論分析與實(shí)驗(yàn)難以解決的問(wèn)題，近年來(lái)，CFD被廣泛應(yīng)用于卷煙工藝。在煙草行業(yè)，僅靠實(shí)驗(yàn)研究來(lái)解決實(shí)際工程問(wèn)題，存在高成本和低效率的不足之處[10]，而通過(guò)CFD技術(shù)研究卷煙加工過(guò)程中煙葉運(yùn)動(dòng)軌跡，不僅有利于制定高效的試驗(yàn)方案[1]，還能提升工藝水平，優(yōu)化設(shè)備構(gòu)件。

總結(jié)了CFD在卷煙工藝中的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)對(duì)打葉復(fù)烤工藝以及制絲工藝、卷接包工藝進(jìn)行研究，以便為CFD應(yīng)用提供參考，以及更好地解決煙草行業(yè)中復(fù)雜的工程問(wèn)題。

1 CFD在打葉復(fù)烤中的應(yīng)用

打葉復(fù)烤是煙葉生產(chǎn)和初加工中的關(guān)鍵工藝流程[11]，是保證卷煙產(chǎn)品外觀、內(nèi)在等質(zhì)量均勻性的重要環(huán)節(jié)[12]。它是將原來(lái)卷煙廠的打葉風(fēng)分工序和復(fù)烤廠的復(fù)烤工序結(jié)合起來(lái)，形成的一種新型工藝方法[13]。其主要流程為：將除雜后的煙葉經(jīng)過(guò)首次烘烤后，通過(guò)打葉風(fēng)分技術(shù)對(duì)煙葉進(jìn)行梗葉分離，然后對(duì)分離出的純煙葉及在打葉風(fēng)分過(guò)程中產(chǎn)生的煙葉碎片進(jìn)行復(fù)烤，控制煙葉含水率，最后將其儲(chǔ)存包裝[10]。本文主要對(duì)打葉工序和風(fēng)分工序進(jìn)行探討。

1.1 打葉工序

打葉工序作為煙葉生產(chǎn)線中第一道原料加工處理工序[14]，打葉質(zhì)量會(huì)直接影響后續(xù)的煙葉制絲和卷接包工藝質(zhì)量，對(duì)整個(gè)煙葉生產(chǎn)過(guò)程起著至關(guān)作用[15]。起初，國(guó)內(nèi)學(xué)者以實(shí)驗(yàn)的方式研究打葉參數(shù)對(duì)打葉質(zhì)量的影響，但只能看出打葉后的效果。為了研究打葉機(jī)內(nèi)部煙葉的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和斷裂情況，向靖鋒等[16]建立打葉過(guò)程數(shù)字化模型，利用DEM軟件模擬打葉機(jī)內(nèi)部煙葉運(yùn)動(dòng)狀況，得到的破碎效果與實(shí)際效果相似。王俊瑞，黃亞宇[17]基于煙葉顆粒黏結(jié)模型，應(yīng)用EDEM模擬打葉過(guò)程，以去梗率為指標(biāo)，分析其對(duì)打葉后煙葉片型結(jié)構(gòu)的影響。

雖上述學(xué)者已對(duì)打葉過(guò)程進(jìn)行研究，但忽略了一些問(wèn)題，例如打葉機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)對(duì)煙葉的影響，流場(chǎng)的均勻性和穩(wěn)定性是打葉過(guò)程中的重要影響因素。為了探究打葉機(jī)內(nèi)部空氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律，向靖鋒等[18]運(yùn)用Fluent對(duì)打葉機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明在合理范圍內(nèi)，改變風(fēng)速對(duì)旋轉(zhuǎn)流體區(qū)域的流場(chǎng)影響較小。文章主要考慮打葉參數(shù)對(duì)打葉機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的影響，沒(méi)有考慮流場(chǎng)對(duì)打葉效果的影響。

1.2 風(fēng)分工序

風(fēng)分工序是打葉復(fù)烤生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，風(fēng)分效率直接影響打葉復(fù)烤的經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)[16]。袁玉通等[19]以經(jīng)典馬克（MacTavish）風(fēng)分倉(cāng)為研究對(duì)象，對(duì)其結(jié)構(gòu)、進(jìn)出料方式和選料方式等進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)CFD對(duì)倉(cāng)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行仿真，通過(guò)變異系數(shù)法判定流場(chǎng)均勻性，最后得出風(fēng)分倉(cāng)內(nèi)流場(chǎng)分布對(duì)梗葉分離效率有較大影響。陸俊平等[20]運(yùn)用Ansys Fluent對(duì)風(fēng)分器內(nèi)進(jìn)行流場(chǎng)模擬，根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)風(fēng)分器出料裝置及風(fēng)分出料工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到一種新型柔性落料器，最后通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)得出新型柔性落料器對(duì)風(fēng)分器內(nèi)風(fēng)場(chǎng)均勻性的改善作用明顯。昆明理工大學(xué)黎西[10]以WF3601臥式風(fēng)分機(jī)為原型，基于Fluent的DPM模型對(duì)風(fēng)分機(jī)內(nèi)煙葉風(fēng)分過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析煙葉在風(fēng)分室內(nèi)速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)的變化情況，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)聯(lián)合研究分析，得到不同工況對(duì)流場(chǎng)和風(fēng)分效果的影響。上述學(xué)者通過(guò)離散元結(jié)合數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)煙葉風(fēng)分的可視化，但煙葉形狀不確定，且煙葉在流場(chǎng)中存在震蕩、碰撞和摩擦等運(yùn)動(dòng)狀況，不能準(zhǔn)確描述煙葉的空氣動(dòng)力學(xué)特性。

為了更加準(zhǔn)確地模擬出煙葉顆粒在倉(cāng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，昆明理工大學(xué)趙豐[21]基于氣固兩相耦合方法，通過(guò)Fluent和EDEM進(jìn)行耦合仿真，利用UDF耦合接口實(shí)現(xiàn)兩個(gè)軟件環(huán)境之間的交互作用，得到更貼近實(shí)際的風(fēng)分流場(chǎng)和煙葉在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，且用SPSS軟件對(duì)不同工況參數(shù)與風(fēng)分效率進(jìn)行了相關(guān)性分析，得出風(fēng)選風(fēng)速與風(fēng)分效率之間的相關(guān)性最強(qiáng)。昆明理工大學(xué)賈同鵬等[22]基于CFD-DEM耦合方法分析了不同進(jìn)風(fēng)風(fēng)速下，物料在風(fēng)分倉(cāng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及受力變化規(guī)律，而風(fēng)分倉(cāng)內(nèi)存在流場(chǎng)速度梯度和壓力梯度，出料口處負(fù)壓區(qū)域增大且倉(cāng)內(nèi)壓力升高，增加了物料能量損耗，進(jìn)而影響風(fēng)分效率。目前對(duì)煙葉在風(fēng)分過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的研究已取得初步成果，還可以多考慮煙葉在風(fēng)分過(guò)程中的影響因素，如煙葉的含水率，風(fēng)機(jī)頻率等。

目前國(guó)內(nèi)研究人員應(yīng)用CFD對(duì)打葉復(fù)烤中有關(guān)煙葉打葉風(fēng)分的研究已取得初步成果，根據(jù)研究成果，可以看出將CFD應(yīng)用于打葉復(fù)烤工藝，能有效提升打葉效果和風(fēng)分效率，從而提高煙葉質(zhì)量。但對(duì)打葉機(jī)和風(fēng)分機(jī)的研究和設(shè)計(jì)仍存不足，如：沒(méi)有考慮打葉機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)對(duì)煙葉的影響；針對(duì)風(fēng)分機(jī)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，忽略了風(fēng)分機(jī)內(nèi)部的部分結(jié)構(gòu)，網(wǎng)帶、導(dǎo)風(fēng)板等對(duì)流場(chǎng)的影響；在數(shù)值模擬中以橢圓形顆粒物代替煙葉、煙梗等，與實(shí)際煙葉存在較大差異，會(huì)影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性；對(duì)不同工況參數(shù)的設(shè)置大多憑借經(jīng)驗(yàn)，缺乏科學(xué)的理論依據(jù)；對(duì)煙葉、煙梗在風(fēng)分器內(nèi)部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的研究不全面。

2 CFD在制絲工藝中的應(yīng)用

在卷煙生產(chǎn)過(guò)程中，制絲工藝是工序最繁瑣的[23]。制絲工藝主要目的：（1）確保卷制煙絲質(zhì)量穩(wěn)定，保證原料配比均勻、香精香料施用均勻、煙絲寬度合適、水分均勻等；（2）制出的煙絲填充量多，增加煙絲韌性，節(jié)約原料；（3）盡可能減少煙絲造碎，降低材料損耗[24]。制絲工藝包括煙片處理、制梗絲、制葉絲、摻配加香[25]。主要流程：煙葉回潮、配比等；潤(rùn)梗、烘梗絲等[26]；煙草薄片潤(rùn)澤與切絲等工序；最后再將葉絲、梗絲摻配均勻，經(jīng)冷卻后加香加料[23]。

由于煙葉加香加料是制絲工藝中最后一道核心工序，是卷煙制品形成特色的重要保障[27]。因此在卷煙制絲過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者目前主要對(duì)煙葉加香加料過(guò)程進(jìn)行CFD的應(yīng)用。而加香加料工序主要分為兩個(gè)部分：一是利用噴嘴對(duì)料液進(jìn)行霧化破碎形成液滴霧化場(chǎng)，二是向滾筒內(nèi)拋撒煙葉，使其與霧化場(chǎng)進(jìn)行接觸混合。因此，CFD應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)在于加香加料工序，而加料噴嘴與加香滾筒屬于工序中的關(guān)鍵設(shè)備。應(yīng)用現(xiàn)狀具體見(jiàn)表1[27-30]。

表1 CFD在加香加料工序中的應(yīng)用

除了對(duì)加料噴嘴和加香滾筒的研究之外，不少學(xué)者也對(duì)煙葉回潮進(jìn)行CFD仿真。趙永祥等[31]針對(duì)隧道式葉絲回潮機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中存在的排氣罩吸風(fēng)速度快、風(fēng)量大等問(wèn)題，對(duì)排氣罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明優(yōu)化結(jié)構(gòu)能減少排氣罩內(nèi)葉絲沉積現(xiàn)象，提高葉絲利用率和產(chǎn)品質(zhì)量。徐敏等[32]基于回潮筒工作原理，使用Fluent對(duì)回潮筒加水及煙絲運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果調(diào)整回潮筒內(nèi)噴嘴數(shù)量及布局。

總之，不少學(xué)者已將CFD應(yīng)用于卷煙制絲工藝中，取得的研究成果為工藝參數(shù)設(shè)置及設(shè)備優(yōu)化提供參考。但卷煙制絲過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的多物理場(chǎng)耦合過(guò)程，還需對(duì)此進(jìn)行深入研究。研究可根據(jù)如下幾點(diǎn)進(jìn)行：（1）對(duì)煙絲與香料進(jìn)行流固耦合計(jì)算時(shí)，可考慮溫度場(chǎng)的影響；（2）對(duì)制絲工藝后，研究煙絲質(zhì)量變化情況；（3）對(duì)工藝參數(shù)的選擇，盡可能考慮周全，細(xì)化研究過(guò)程；（4）完善試驗(yàn)方案等。

3 CFD在卷接包工藝中的應(yīng)用

在卷煙生產(chǎn)中，卷接包工藝主要負(fù)責(zé)煙支成型及卷煙包裝[33]，包括喂絲、煙支卷制、濾嘴接裝、煙支包裝等工序[25]。其工藝任務(wù)為充分發(fā)揮設(shè)備效率，按規(guī)格及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，將煙絲卷制成煙支，然后接裝濾嘴，最后通過(guò)包裝機(jī)械將其包裝成小包或條包等[34]。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要對(duì)卷接包工藝中不同設(shè)備的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行研究，應(yīng)用CFD模擬煙葉在設(shè)備內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)情況。工藝設(shè)備中就包括卷接機(jī)組、包裝機(jī)、喂絲機(jī)等。

3.1 卷接機(jī)組

卷接機(jī)組主要由卷煙機(jī)和接裝機(jī)組成，而梗簽分離裝置是其中很重要的分離回收設(shè)備[35]。為了探求不同氣流速度下梗絲分離率以及顆粒在流場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，朱德勇等[36]通過(guò)CFD對(duì)一種新型在線梗絲分離回收裝置中流場(chǎng)、煙絲和煙梗顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明該裝置中風(fēng)速是影響煙絲和梗簽混合物分離的主要因素。顧宗幸等[37]建立流體域模型，利用Fluent模擬顆粒相運(yùn)動(dòng)軌跡，結(jié)果顯示，當(dāng)入射速度為8 m/s時(shí)，在離心分離腔內(nèi)能有效分離梗絲，進(jìn)一步提高煙絲利用率。昆明理工大學(xué)鄭新虎[38]以二次梗絲混合物的分離裝置為原型建立簡(jiǎn)化模型，利用Fluent模擬不同風(fēng)選氣壓下懸浮腔體內(nèi)的氣相流場(chǎng)，得出當(dāng)氣壓為-0.22 MPa時(shí)流場(chǎng)分布較為均勻，符合理想分離條件。

在卷煙生產(chǎn)中，會(huì)遇到不同的生產(chǎn)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者根據(jù)不同需求設(shè)計(jì)了不同的分離裝置。張皓天等[39]在ZJ17卷接機(jī)組的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種外置式梗簽分離裝置，應(yīng)用Ansys Fluent對(duì)兩種真空懸浮腔進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明方形腔體的梗絲分離效果優(yōu)于圓柱形腔體；將離心分離腔體設(shè)計(jì)為“馬蹄形”，有利于流速發(fā)生變化，減少煙絲造碎。南華大學(xué)李貝貝[40]設(shè)計(jì)了一種新型梗簽二級(jí)分離裝置，能將梗簽和煙絲在線分離，分離后煙絲重新送入煙絲料倉(cāng)，梗簽物進(jìn)入吸梗系統(tǒng)集中處理，應(yīng)用CFD對(duì)梗簽二級(jí)分離裝置模型進(jìn)行仿真分析，得到不同送風(fēng)風(fēng)速下分離腔體內(nèi)的氣相流場(chǎng)和壓力云圖。從上述學(xué)者的研究成果來(lái)看，研究梗簽分離裝置時(shí)考慮不全，如：忽略了裝置內(nèi)壓力損失；沒(méi)有深入研究煙絲、煙梗顆粒物在管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡；未對(duì)設(shè)備的外形、尺寸等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2 包裝機(jī)

在卷接包工藝中，包裝工藝同樣也是很重要的，CFD主要應(yīng)用于包裝機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)研究。針對(duì)包裝過(guò)程中出現(xiàn)的PE膜收縮不緊致、溫度均勻性較差等問(wèn)題，楊旭東等應(yīng)用fluent對(duì)包裝機(jī)進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：采用網(wǎng)篩結(jié)構(gòu)的進(jìn)口裝置可增大進(jìn)風(fēng)口阻力，有效改善離心風(fēng)機(jī)所引起的渦流強(qiáng)度，腔內(nèi)溫度和速度的波動(dòng)范圍較小，設(shè)備內(nèi)部溫度均勻性更好。文章主要研究設(shè)備內(nèi)部的溫度場(chǎng)，對(duì)設(shè)備內(nèi)部流場(chǎng)的研究有所欠缺，可深入研究設(shè)備內(nèi)流場(chǎng)變化情況；針對(duì)性解決包裝機(jī)存在的問(wèn)題。

3.3 其他工藝設(shè)備

李榮等[42]對(duì)柔性喂絲機(jī)均分盤內(nèi)煙絲流場(chǎng)進(jìn)行CFD仿真分析，對(duì)優(yōu)化后的A型、B型均分盤以及原均分盤進(jìn)行仿真分析并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比測(cè)試，結(jié)果表明：喂絲機(jī)采用B型均分盤的流場(chǎng)內(nèi)風(fēng)速梯度變化明顯，送絲效果良好并可有效避免煙絲堵塞現(xiàn)象。湖南大學(xué)朱敏智[43]利用線吸絲率模型對(duì)流化床流場(chǎng)進(jìn)行了CFD仿真，在ProE中建立回絲系統(tǒng)的三維模型；對(duì)回絲流道進(jìn)行CFD仿真，驗(yàn)證流道合理性，結(jié)合原理與實(shí)際得到回絲系統(tǒng)壓強(qiáng)與生產(chǎn)速度之間的關(guān)系。

由上述可知，在卷接包工藝中，CFD主要應(yīng)用于設(shè)備內(nèi)部的煙葉運(yùn)動(dòng)。卷煙的卷接包裝過(guò)程也是一個(gè)多物理場(chǎng)耦合的過(guò)程，但大部分學(xué)者往往只對(duì)單一物理場(chǎng)進(jìn)行研究，下一步可對(duì)不同物理場(chǎng)的耦合進(jìn)行研究；在建立煙絲顆粒模型時(shí)，需更貼近實(shí)際煙絲顆粒；對(duì)設(shè)備內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬時(shí)，需多考慮設(shè)備結(jié)構(gòu)方面的影響。

4 總結(jié)與展望

在卷煙行業(yè)中，CFD已應(yīng)用于打葉復(fù)烤工藝中的打葉機(jī)和風(fēng)分機(jī)等的流場(chǎng)模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)，制絲工藝中加料噴嘴、加香滾筒、葉絲回潮機(jī)和回潮筒的模擬研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，卷接包工藝中的梗簽分離裝置、包裝機(jī)、喂絲機(jī)和流化床等的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)，并取得了較好的效果。

在卷煙生產(chǎn)中，CFD無(wú)論是應(yīng)用在打葉復(fù)烤，還是制絲工藝中，亦或是卷接包工藝中，研究的都不夠全面。在打葉復(fù)烤中，沒(méi)有考慮打葉機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)對(duì)煙葉的影響；忽略了風(fēng)分機(jī)內(nèi)部的部分結(jié)構(gòu)，網(wǎng)帶、導(dǎo)風(fēng)板等對(duì)流場(chǎng)的影響；在數(shù)值模擬中以橢圓形顆粒物代替煙葉、煙梗等，與實(shí)際煙葉存在較大差異。在制絲工藝中，對(duì)煙絲與香料進(jìn)行流固耦合計(jì)算時(shí)，沒(méi)有考慮溫度場(chǎng)的影響；對(duì)卷煙制絲過(guò)程后煙絲質(zhì)量變化情況的研究較少；對(duì)工藝參數(shù)的選擇，考慮不全。在卷接包工藝中，對(duì)設(shè)備內(nèi)部壓力損失的研究較少；對(duì)設(shè)備的外形和尺寸還有待進(jìn)一步優(yōu)化；對(duì)影響梗簽分離效果的因素考慮不全面等。

不僅如此，CFD還有望應(yīng)用于：（1）不同卷煙工藝中不同設(shè)備內(nèi)部流場(chǎng)均勻性研究。對(duì)打葉復(fù)烤中打葉機(jī)和風(fēng)分機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)均勻性進(jìn)行全面的研究分析，充分考慮打葉機(jī)和風(fēng)分機(jī)內(nèi)部構(gòu)造對(duì)煙葉流動(dòng)的影響；對(duì)卷接包工藝中梗簽分離裝置的流場(chǎng)分析。（2）對(duì)卷煙加工過(guò)程中煙葉溫度和含水率變化研究等，主要研究除流場(chǎng)外，設(shè)備內(nèi)部溫度場(chǎng)及煙葉含水率對(duì)煙葉質(zhì)量的影響。將CFD應(yīng)用于卷煙工藝中，能在一定程度上為研究煙葉運(yùn)動(dòng)提供參考價(jià)值，從而提升卷煙品質(zhì)。