基于CFD的紅茶發(fā)酵房數(shù)值仿真分析

何曉波謝知音尹江濤徐中貴

(1.湖北民族大學(xué)林學(xué)園藝學(xué)院，湖北 恩施 445000；2.湖北民族大學(xué)智能科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

引言

我國(guó)是最大的產(chǎn)茶國(guó)，近年來(lái)紅茶產(chǎn)量增幅居所有茶類之首，從2016—2021年我國(guó)紅茶產(chǎn)量變化來(lái)看，產(chǎn)量一直保持增長(zhǎng)趨勢(shì)。根據(jù)中國(guó)茶葉流通協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，2021年中國(guó)紅茶產(chǎn)量達(dá)到43.45萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)7.47%。發(fā)酵是紅茶品質(zhì)形成的關(guān)鍵工序[1]，發(fā)酵的好壞決定著紅茶色澤的明亮及味道的醇厚，紅茶發(fā)酵過(guò)程中多酚類物質(zhì)經(jīng)酶促氧化反應(yīng)，形成茶黃素(TFs)、茶紅素(TRs)和茶褐素(TBs)等有機(jī)色素類物質(zhì)，目前國(guó)內(nèi)外紅茶發(fā)酵方式主要為傳統(tǒng)發(fā)酵和設(shè)備發(fā)酵[2]。傳統(tǒng)發(fā)酵是將揉捻葉攤放在發(fā)酵筐、發(fā)酵架上，使其處于自然環(huán)境或發(fā)酵房?jī)?nèi)完成的發(fā)酵工序，傳統(tǒng)發(fā)酵影響因素較多，發(fā)酵進(jìn)程難以控制，致品質(zhì)不穩(wěn)定、發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)且效率低。設(shè)備發(fā)酵基本分為箱式發(fā)酵機(jī)、房式發(fā)酵機(jī)、連續(xù)式發(fā)酵機(jī)等。箱式發(fā)酵機(jī)溫濕度控制較為精確，但達(dá)不到大規(guī)模的生產(chǎn)；連續(xù)式發(fā)酵機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)也是為了較好地控制紅茶發(fā)酵過(guò)程的溫濕度，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)企業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)；董春旺等[3]研發(fā)的具有翻拌功能的新型滾筒式紅茶發(fā)酵機(jī)，最高產(chǎn)量為120.6～150.7kg，滿足單機(jī)或流水線的生產(chǎn)要求，在實(shí)際企業(yè)大規(guī)模一次性發(fā)酵500kg以上的應(yīng)用中還是不夠；而發(fā)酵房具有低成本、高產(chǎn)能的優(yōu)勢(shì)，成為本論文研究的一個(gè)重點(diǎn)。

發(fā)酵工藝中溫度與濕度控制最為關(guān)鍵，常規(guī)發(fā)酵設(shè)備中采用溫濕度傳感器，但獲取數(shù)據(jù)較少、精確度較低。通過(guò)使用數(shù)值仿真進(jìn)行驗(yàn)證，得到更豐富數(shù)據(jù)，可為工藝優(yōu)化提供重要支撐。諸多學(xué)者將CFD應(yīng)用于室內(nèi)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)分析，通過(guò)模擬仿真的方法對(duì)各種對(duì)象進(jìn)行分析，Awbi H B[4]首次運(yùn)用CFD研究室內(nèi)通風(fēng)問(wèn)題，對(duì)進(jìn)口邊界條件進(jìn)行分析?；舳鈁5]運(yùn)用CFD對(duì)菊花干燥室內(nèi)部氣流組織均勻性進(jìn)行模擬分析，通過(guò)改變烘干室的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高了烘干室內(nèi)氣流組織的均勻性。師建芳等[6]運(yùn)用CFD對(duì)單一風(fēng)機(jī)隧道風(fēng)速進(jìn)行流場(chǎng)仿真模擬，解決風(fēng)速不均勻問(wèn)題，極大減少了試驗(yàn)成本。牟國(guó)良等[7]利用CFD對(duì)紅棗干燥室內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合生產(chǎn)成本與進(jìn)風(fēng)效果得到最優(yōu)方案。

現(xiàn)階段紅茶發(fā)酵方面的研究主要集中于紅茶發(fā)酵過(guò)程多酚類物質(zhì)轉(zhuǎn)化，針對(duì)整體工藝優(yōu)化的數(shù)值研究幾乎為空白。因此，本文采用CFD方法，針對(duì)紅茶發(fā)酵房工藝進(jìn)行房間內(nèi)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)分布的數(shù)值建模與仿真分析。針對(duì)現(xiàn)有紅茶發(fā)房酵項(xiàng)目(位于湖北省毛壩鎮(zhèn))進(jìn)行幾何建模與網(wǎng)格劃分、加熱過(guò)程數(shù)值建模、求解與分析。本文的研究將揭示現(xiàn)有發(fā)酵房?jī)?nèi)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，為傳統(tǒng)的紅茶發(fā)酵提供指導(dǎo)性的意見(jiàn)，并為下一步氣流組織方式及工藝參數(shù)優(yōu)化奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 發(fā)酵房模型建立

1.1 物理模型的建立

本文所研究的紅茶發(fā)酵房結(jié)構(gòu)參考項(xiàng)目所在地湖北省貓灣茶廠生產(chǎn)線，發(fā)酵房進(jìn)口使用鋁制管材安裝固定在距地面0.43m處，發(fā)酵房頂部設(shè)有出風(fēng)口，內(nèi)部放有4組紅茶托盤支架，墻體由保溫材料和鋁合金框架構(gòu)成，如圖1所示，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 發(fā)酵房實(shí)物圖

表1 發(fā)酵房結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 數(shù)學(xué)模型

本模擬不涉及能量交換和組分的轉(zhuǎn)移，房?jī)?nèi)空氣簡(jiǎn)化為定常、不可壓縮的流體[8]，模型滿足質(zhì)量、能量與動(dòng)量3大守恒定律[9]，其控制方程如下。

質(zhì)量方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

式中，p為靜態(tài)壓力，Pa；τ為重力；F為外部受力，包括其他模型的源項(xiàng)，如多孔介質(zhì)。

能量守恒方程：

(3)

式中，T為溫度，K；cp為比熱容，J·kg-1·K-1；k為流體的傳熱系數(shù)，W·m-1·K-1；St為粘性耗散項(xiàng)，W·m-3。

2 網(wǎng)格的劃分及參數(shù)設(shè)置

2.1 網(wǎng)格劃分

為了有效展開(kāi)模擬分析，對(duì)發(fā)酵房以及紅茶托盤支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。在Workbench中用DesignModeler進(jìn)行建模，設(shè)置內(nèi)部流場(chǎng)區(qū)域，采用Mesh對(duì)提取出的流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質(zhì)量決定著計(jì)算結(jié)果能否收斂，但網(wǎng)格數(shù)量的增加對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求更高，計(jì)算量更大，同時(shí)網(wǎng)格數(shù)量過(guò)少通常會(huì)獲得不夠精確的解，或者使計(jì)算結(jié)果難以收斂。由于發(fā)酵房尺寸較大且噴口處速度差明顯，因此對(duì)進(jìn)口和出口采用局部加密處理，網(wǎng)格類型為發(fā)酵房本體設(shè)置四面體網(wǎng)格、進(jìn)出口及支架設(shè)置六面體網(wǎng)格，提取出的內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。本模型網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)目為3×106左右。

圖2 模型結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)格劃分

利用Element Quality進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查，要求單元質(zhì)量越大越好，且平均水平不宜低于0.7。通過(guò)圖3網(wǎng)格質(zhì)量分析所示可知，單元網(wǎng)格質(zhì)量集中于0.88，其平均質(zhì)量不低于0.7，因此該方法下網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

圖3 網(wǎng)格質(zhì)量分析

2.2 邊界條件設(shè)置與數(shù)值求解方法

采用Fluent分離隱式求解器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，能量開(kāi)啟。房?jī)?nèi)空氣屬性為不可壓縮的理想氣體。流域的初始溫度設(shè)置為26℃。入口邊界條件(inlet)設(shè)置為速度入口，Option根據(jù)仿真方案設(shè)置大小。出口邊界條件(outlet)設(shè)置為壓力出口，Option選項(xiàng)設(shè)置為Total Pressure。其余邊界面設(shè)置為壁面，且墻壁絕熱，不考慮與外界傳熱的影響。湍流模型為Realizable k-ε模型，壓強(qiáng)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，在y軸反方向設(shè)置重力-9.81m·s-2。壓力以及速度的耦合采用Copple算法，壓力和動(dòng)量插值采用二階方式。具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 參數(shù)設(shè)置

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

進(jìn)口速度和溫度的不同會(huì)引起氣流軌跡的變化，導(dǎo)致發(fā)酵房?jī)?nèi)部溫度、速度分布各不相同，為定量分析發(fā)酵房?jī)?nèi)部均勻性，需建立評(píng)價(jià)指標(biāo)，在發(fā)酵房取3個(gè)不同高度截面進(jìn)行評(píng)定，每層(5×9)45個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，共(3層×45個(gè)/層)135個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，分別對(duì)5種不進(jìn)口速度和5種不同進(jìn)口溫度進(jìn)行計(jì)算，本文借鑒農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域中的噴灑速度表征方法，引入不均勻系數(shù)[10]。不均勻系數(shù)G越大，說(shuō)明內(nèi)部流場(chǎng)越不均勻；G越小，則代表內(nèi)部流場(chǎng)均勻性越好。

圖4 發(fā)酵房?jī)?nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面分布

2.4 仿真方案設(shè)計(jì)

本文針對(duì)湖北省貓灣茶廠的紅茶發(fā)酵房，以發(fā)酵過(guò)程的加熱工況為主要研究對(duì)象，重點(diǎn)考慮影響房?jī)?nèi)氣流及溫度分布均勻性因素：進(jìn)口速度和進(jìn)口溫度。分別固定進(jìn)口溫度與進(jìn)口速度，由于紅茶發(fā)酵所需溫度為28～32℃，在此范圍內(nèi)茶葉中的多酚類物質(zhì)能更大程度上轉(zhuǎn)化成茶黃素等有機(jī)色素類物質(zhì)，另外常規(guī)工況的風(fēng)量速度為2～3m·s-1，以此為參考設(shè)計(jì)仿真試驗(yàn)方案如表3、表4所示。

3 結(jié)果與分析

通過(guò)上述數(shù)值模型與邊界條件的確定，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵房?jī)?nèi)熱風(fēng)加熱過(guò)程的數(shù)值仿真，得到三維發(fā)酵房?jī)?nèi)的速度分布與溫度分布，取Y=830mm、Y=1200mm、Y=1570mm 3個(gè)不同高度截面進(jìn)行分析，選擇此處作為參考的主要原因是3個(gè)高度分別是最下層料層、中間料層及最頂層料層高度。發(fā)酵房?jī)?nèi)部氣流速度分布及各截面速度分布如圖5a、圖5b所示，發(fā)酵房?jī)?nèi)部整體溫度分布及各截面溫度分布如圖5c、圖5d所示。為了更細(xì)致地展示發(fā)酵房?jī)?nèi)速度與溫度的分布，分別計(jì)算比較3個(gè)平面的速度不均勻系數(shù)和溫度不均勻系數(shù)，得到紅茶發(fā)酵時(shí)最優(yōu)的工況參數(shù)，研究不同工況條件下的速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)分布規(guī)律，進(jìn)一步研究不同高度截面的速度與溫度不均勻性問(wèn)題，為后續(xù)紅茶發(fā)酵工況優(yōu)化提供理論支撐。

表3 進(jìn)口速度影響因素

表4 進(jìn)口溫度影響因素

圖5 發(fā)酵房氣流速度圖和整體溫度圖

3.1 進(jìn)口速度的影響規(guī)律分析

進(jìn)口邊界條件對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)與溫度場(chǎng)分布有巨大影響，因此針對(duì)氣流速度場(chǎng)分布均勻性研究，在進(jìn)口溫度為70℃的條件下，分別對(duì)進(jìn)口速度為2m·s-1、2.5m·s-1、3m·s-1、3.5m·s-1、4m·s-1進(jìn)行模擬仿真分析。通過(guò)觀察5組試驗(yàn)方案的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)云圖可知，發(fā)酵房?jī)?nèi)部氣流在分布上呈一定的規(guī)律性，氣流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受茶葉料層的影響，流速緩慢增加，出現(xiàn)分層現(xiàn)象。圖6a、圖6b、圖6c分別為隨機(jī)選取方案在830mm、1200mm、1570mm截面上的速度場(chǎng)分布云圖。

圖6 不同高度截面速度云圖

圖7 不同進(jìn)口速度下各截面速度不均勻系數(shù)

由圖6可知，速度在高層截面位置處出現(xiàn)明顯速度變大區(qū)域，整體速度分布較不均勻。圖7中速度不均勻系數(shù)與進(jìn)口速度呈正相關(guān)趨勢(shì)，在Y=1570mm截面位置處速度不均勻系數(shù)最大，可能由于上層離排風(fēng)口較近，速度在上層與房頂碰撞形成壓強(qiáng)差，截面云圖結(jié)果與速度不均勻系數(shù)變化曲線一致。

圖8 不同高度截面溫度云圖

圖9 不同進(jìn)口速度下各截面溫度不均勻系數(shù)

由圖8可知，隨著進(jìn)口速度增大，最高層出現(xiàn)明顯的高溫區(qū)域，溫度分布較不均勻。在最底層和中間層溫度不均勻系數(shù)與進(jìn)口速度呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，進(jìn)口速度增大有利于溫度分布均勻，最高層溫度不均勻系數(shù)整體較大，這是速度在最高層出現(xiàn)紊亂造成的，與圖7中最高層速度不均勻系數(shù)相吻合。隨著進(jìn)口風(fēng)速的增大，穿過(guò)料層的速度隨之增大，但風(fēng)速的提高并不能使茶葉受熱充分，相反發(fā)酵室內(nèi)的均勻性更差。相較而言在進(jìn)口速度為2m·s-1時(shí)不均勻系數(shù)整體較小，且速度和溫度分布較均勻。

3.2 進(jìn)口溫度的影響規(guī)律分析

除進(jìn)口速度影響之外，進(jìn)口溫度的不同對(duì)發(fā)酵房?jī)?nèi)紅茶發(fā)酵品質(zhì)有著重要影響。在常規(guī)工況的風(fēng)量條件下，即進(jìn)口速度為2m·s-1的情況下，進(jìn)口溫度分別取50℃、60℃、70℃、80℃、90℃這5種情況進(jìn)行仿真計(jì)算。圖10a、圖10b、圖10c分別為隨機(jī)選取方案在830mm、1200mm、1570mm截面上的速度場(chǎng)分布云圖。

圖10 不同高度截面速度云圖

圖11 不同進(jìn)口溫度下各截面速度不均勻系數(shù)

由圖11可知，當(dāng)進(jìn)口速度一定時(shí)，隨著進(jìn)口溫度的增加，各高度層速度均值相仿，發(fā)酵房?jī)?nèi)氣流速度無(wú)明顯變化，溫度對(duì)速度的影響并不大，但最高層速度不均勻系數(shù)整體較大，均勻性較差，與圖10中速度云圖分布吻合。

圖12 不同高度截面溫度云圖

圖13 不同進(jìn)口溫度下各截面溫度不均勻系數(shù)

由圖13可知，當(dāng)進(jìn)口的速度一定時(shí)，隨著溫度的增加最上層氣流較紊亂，導(dǎo)致最上層溫度不均勻系數(shù)較大，均勻性較差，溫度不均勻系數(shù)與進(jìn)口溫度呈正相關(guān)趨勢(shì)，但當(dāng)進(jìn)口溫度為80℃時(shí)，各層截面平均溫度高于32℃，超出紅茶發(fā)酵所需溫度的范圍。相較而言，當(dāng)進(jìn)口溫度為70℃時(shí)發(fā)酵房?jī)?nèi)部溫度不均勻系數(shù)較小，整體均勻性較好。

4 結(jié)論

本文采用CFD模擬仿真的方法對(duì)發(fā)酵房?jī)?nèi)流場(chǎng)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，通過(guò)計(jì)算分析不同進(jìn)口溫度和速度下發(fā)酵房?jī)?nèi)速度不均勻系數(shù)和溫度不均勻系數(shù)，得到發(fā)酵房最優(yōu)工況參數(shù)。根據(jù)模擬仿真結(jié)果，得到以下結(jié)論。

在滿足紅茶發(fā)酵過(guò)程所需溫度范圍(28～32℃)的條件下，進(jìn)口溫度為50℃時(shí)，不同高度料層溫度分布基本均勻，但底層紅茶料層氣流較紊亂，70℃情況下各料層氣流相較平穩(wěn)，且室內(nèi)溫度分布均勻滿足紅茶發(fā)酵所需溫度條件。

進(jìn)口速度的不同影響著發(fā)酵房?jī)?nèi)溫度場(chǎng)的分布，隨著速度的增加，平均速度、溫度逐漸趨于穩(wěn)定，均勻性也有所提高，穿過(guò)料層的速度隨之增大，但風(fēng)速的提高并不能使茶葉受熱充分，相反發(fā)酵室內(nèi)的速度、溫度均勻性更差。相較而言，進(jìn)口速度為2m·s-1時(shí)發(fā)酵室內(nèi)速度、溫度均勻性最好。

通過(guò)模擬減少測(cè)量，降低研制成本，本研究為下一步紅茶發(fā)酵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，使得發(fā)酵房?jī)?nèi)部氣流、溫度分布更為均勻。