煙支吸附裝置流場(chǎng)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

李小平，蘇杰，李俊鋒，廖茂正

煙支吸附裝置流場(chǎng)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

李小平1，蘇杰2，李俊鋒1，廖茂正1

（1.中煙機(jī)械集團(tuán) 常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，湖南 常德 415000； 2.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082）

針對(duì)煙支傳遞與包裝平穩(wěn)性差的缺點(diǎn)，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法對(duì)煙支吸附通道內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值分析。研究關(guān)鍵部位流動(dòng)特性，分析流速、壓力分布及湍流耗散，提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。流場(chǎng)壓力和流速在煙支吸附口與風(fēng)機(jī)連接位置分布不合理，拐角處湍流動(dòng)能高，煙支吸附口至風(fēng)機(jī)位置壓力損失為5 268 Pa。風(fēng)機(jī)管道存在逆壓梯度，產(chǎn)生氣流漩渦，壓力損失值為14 000 Pa，高于工業(yè)需求。優(yōu)化模型中，風(fēng)機(jī)管道包含2個(gè)拐角時(shí)，壓力損失降低了7 000 Pa，煙支吸附效果提升了350%。風(fēng)機(jī)管道包含一個(gè)拐角時(shí)，壓力損失降低了6 200 Pa，煙支吸附效果提升了390%，通道流場(chǎng)分布合理性得到改善。基于仿真結(jié)果，優(yōu)化風(fēng)機(jī)與出風(fēng)口管道連接方式，通過流場(chǎng)分析可為煙支吸附裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定技術(shù)支持。

煙支吸附裝置；負(fù)壓通道；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；CFD分析；流動(dòng)特性

國(guó)際加熱卷煙市場(chǎng)的迅猛發(fā)展，成為煙草行業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。為了提高生產(chǎn)質(zhì)量，采用煙支吸附裝置接收水松紙搓裹機(jī)生產(chǎn)的加熱卷煙并進(jìn)行雙排檢測(cè)。對(duì)于高速卷接機(jī)組，接裝機(jī)到包裝機(jī)的輸送過程中，短煙支易脫落產(chǎn)生打橫現(xiàn)象[1]。因此，有必要在煙支吸附口與風(fēng)機(jī)間設(shè)計(jì)合理的負(fù)壓吸附通道。

煙支吸附裝置主要應(yīng)用于煙支搓接、交接、輸送與剔除等場(chǎng)合。周沅楨等[2]研究細(xì)支煙質(zhì)量評(píng)估方法，分析了卷制煙的質(zhì)量穩(wěn)定性。歐育健等[3]建立接煙輪交接系統(tǒng)計(jì)算模型，開展PROTOS2–2卷接機(jī)組蜘蛛手的掉絲測(cè)試[4]，提高了煙支交接的穩(wěn)定性。吳小超等[5]提出針對(duì)卷包機(jī)組設(shè)備效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。葛新鋒等[6]設(shè)計(jì)基于機(jī)器視覺的條煙分揀系統(tǒng)，解決了人工識(shí)別準(zhǔn)確率低與勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法成本高且難度大，通道內(nèi)部流動(dòng)特征無法全面量化，具有一定的局限性。隨著數(shù)值算法的改善和計(jì)算能力的提高，基于數(shù)值模擬的流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化成為煙草機(jī)械研究熱點(diǎn)。Geng等[7]基于歐拉–歐拉數(shù)值模型與離散單元法[8]研究了干燥機(jī)中煙草顆粒流化特性，發(fā)現(xiàn)顆粒聚集容易形成粒子簇。徐靜等[9]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法，研究了ZJ119–MAX接裝機(jī)通道內(nèi)的流場(chǎng)分布。發(fā)現(xiàn)通道拐角氣流漩渦大，漸擴(kuò)管道的逆壓梯度不利于煙支吸附。孫志偉等[10]建立了煙氣在濾嘴內(nèi)的CFD模型。Geng等[11-12]討論了煙絲在流化床提升管中的分布特性，發(fā)現(xiàn)柔性顆粒在流化過程中主要表現(xiàn)為彎曲形態(tài)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。

為提高卷接機(jī)組的生產(chǎn)效率，開展了以關(guān)鍵零部件性能提升和結(jié)構(gòu)優(yōu)化為目標(biāo)的諸多研究。關(guān)存春等[13]利用流化床技術(shù)改進(jìn)供絲系統(tǒng)，減少煙絲與壁面的接觸，降低了煙絲碎絲率。李榮等[14]調(diào)節(jié)阻尼板的角度，提高了煙梗與煙絲的分離度。張二強(qiáng)等[15]研究煙草流態(tài)化設(shè)備的氣固流動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)弧形導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)可以改善煙絲的偏料問題。耿凡等[16]結(jié)合實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬分析了送風(fēng)量與進(jìn)料量對(duì)煙絲濃度分布的影響，為解決煙絲纏繞與結(jié)團(tuán)問題提供了理論支持。

綜上所述，吸附裝置[17]的合理設(shè)計(jì)是煙支平穩(wěn)交接的前提?；谟?jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法的數(shù)值模擬能夠直觀呈現(xiàn)空氣的流動(dòng)特征，在先前的研究中取得了與實(shí)驗(yàn)一致的計(jì)算結(jié)果。本文結(jié)合RNG–雙方程湍流模型對(duì)煙支吸附通道內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，提出風(fēng)機(jī)連接管道的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。研究結(jié)果為負(fù)壓通道的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供一定的技術(shù)支撐。

1 工作原理

接裝機(jī)正常工作時(shí)，風(fēng)機(jī)為傳動(dòng)軸上的轂輪提供負(fù)壓。氣流經(jīng)風(fēng)機(jī)連接底盤進(jìn)入到配氣板，然后作用在承煙槽上，如圖1a所示。煙支吸附通道由4個(gè)區(qū)域組成，包括煙支吸附口、軟管、風(fēng)機(jī)連接底盤和風(fēng)機(jī)管道。圖1b為煙支交接時(shí)煙支吸附口的局部放大圖。轂輪圓周上均勻布置20個(gè)承煙槽，每個(gè)槽上等間隔布置6個(gè)吸附口，吸附口孔徑為4 mm，孔深為40 mm。在交煙過程中，承煙槽內(nèi)外氣流形成壓力差，致使煙支吸附在接煙輪上。

圖1c為煙支吸附原理圖。交煙過程中煙支方向隨轂輪轉(zhuǎn)動(dòng)，若煙支表面朝下，應(yīng)確保負(fù)壓通道產(chǎn)生的壓力遠(yuǎn)大于煙支重力。不考慮離心力，煙支受力分析如下：

式（1）中壓力P計(jì)算如下：

式中：為承煙槽的圓孔半徑；1與2分別為煙支吸附口內(nèi)部與外界壓力。

接裝機(jī)工作時(shí)，氣流運(yùn)動(dòng)通道見圖2。采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格對(duì)負(fù)壓通道的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查。其中最小單元長(zhǎng)度為1 mm，最大單元長(zhǎng)度為3 mm，網(wǎng)格過渡緩慢。網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為174 580，單元數(shù)為854 842。平均網(wǎng)格質(zhì)量高于0.85，滿足數(shù)值模擬要求。

1.負(fù)壓風(fēng)機(jī)；2.風(fēng)機(jī)管道；3.風(fēng)機(jī)連接底盤；4.煙支吸附口；5.軟管； 6.配氣板；7.配氣座；8.承煙槽；9.轂輪；10.煙支。

圖2 CFD計(jì)算模型

2 流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

氣體流動(dòng)方程主要由連續(xù)性方程與動(dòng)量方程描述。

1）連續(xù)性方程：

式中：為氣體密度；u為直角坐標(biāo)系x下氣體速度。

2）動(dòng)量方程：

式中：為氣體壓力；為重力加速度；為動(dòng)力黏度；δ為克羅內(nèi)克爾符號(hào)。

湍流模型利用Boussinesq假設(shè)把雷諾應(yīng)力和平均速度梯度聯(lián)系起來：

–雙方程湍流模型具有較好的魯棒性和穩(wěn)定性，常用于管道流動(dòng)的數(shù)值模擬研究，但不能很好地計(jì)算流線曲率對(duì)湍流的細(xì)微影響。考慮到煙支吸附管道的復(fù)雜性，當(dāng)前工作采用RNG–湍流方程。

3）RNG–湍流方程：

2.2 邊界條件

煙支吸附負(fù)壓通道的風(fēng)機(jī)型號(hào)為HRD 7 FU*– 105/15.0。風(fēng)力系統(tǒng)通過抽風(fēng)口對(duì)通道內(nèi)的流場(chǎng)提供能量輸入，包括煙支吸附區(qū)、軟管和風(fēng)機(jī)連接底盤。主風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)及空氣物理性能如表1所示。

各負(fù)壓通道氣流入口均為壓力入口邊界=0 Pa，通道外表面為無滑移壁面，風(fēng)機(jī)管道出口設(shè)置為速度出口邊界條件。由于風(fēng)機(jī)額定容積流量為50 m3/min，氣流出口表面積為22 698 mm2，計(jì)算得到負(fù)壓風(fēng)機(jī)額定工作時(shí)的出口邊界速度=?36.713 m/s。

應(yīng)用有限體積方法對(duì)流體控制方程進(jìn)行離散，壓力項(xiàng)和動(dòng)量項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式格式離散，Navier–Stokes方程采用基于速度–壓力隱式耦合關(guān)系的Coupled算法求解。經(jīng)過10 000步迭代后，計(jì)算參數(shù)的殘差達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)1×10?5。

表1 風(fēng)機(jī)性能參數(shù)及空氣物理性能

Tab.1 Fan performance parameters and physical properties of air

3 初始模型流動(dòng)特征

3.1 壓力分析

圖3表示優(yōu)化前煙支吸附通道的壓力分布。由于入口壓力設(shè)置為0，以下所涉及的壓力均為相對(duì)壓力。部分吸附口形成了良好的壓力梯度，能夠吸附承煙槽上的煙支，如圖3a所示。Inlet 1、Inlet 6與Inlet 7未出現(xiàn)明顯的壓力梯度，說明空氣流動(dòng)性較差。

圖3b為軟管壓力分布，平均壓降為1 500 Pa。Inlet 6壓降最大為2 606 Pa，說明該位置流速最大，空氣流通性較好。吸附口Inlet 1距離風(fēng)機(jī)最遠(yuǎn)，軟管壓力差為837 Pa，說明此處流速相對(duì)較低。

圖3 煙支吸附通道壓力分布

圖4為風(fēng)機(jī)管道壓力分布，煙支吸附口與渦形管道之間壓差為5 268 Pa，風(fēng)機(jī)管道內(nèi)壓力損失為8 732 Pa，為整個(gè)裝置能量消耗最大的部分。渦形風(fēng)機(jī)管道與柱形管道連接位置壓力發(fā)生突變，由5 268 Pa變?yōu)?8 000 Pa，最大壓降為12 732 Pa。主要原因包括：連接口管道直徑變小，壓降增加；管道連接口處存在一個(gè)拐點(diǎn)，空氣在慣性力作用下撞擊通道壁面，導(dǎo)致局部流速驟增，因此壓力損失明顯。

負(fù)壓風(fēng)機(jī)全壓差為16 000 Pa，通道壓力損失為14 000 Pa，則煙支吸附口處負(fù)壓約為?2 000 Pa。假設(shè)煙支質(zhì)量為1 g，則重力為0.01 N。由式（2）可知壓差力為0.151 N，壓差力為煙支重力的15.1倍。

四是要適應(yīng)黨員廉政建設(shè)的新形勢(shì)。中央辦公廳印發(fā)的《關(guān)于推進(jìn)“兩學(xué)一做”學(xué)習(xí)教育常態(tài)化制度化的意見》指出：通過推進(jìn)“兩學(xué)一做”學(xué)習(xí)教育常態(tài)化制度化，引導(dǎo)廣大黨員做到政治合格、執(zhí)行紀(jì)律合格、品德合格、發(fā)揮作用合格。

3.2 速度分析

圖5a為煙支吸附通道的流速分布?？梢钥闯?，Inlet 2、3、5、6、8的速度梯度一致，轂輪附近空氣平穩(wěn)流動(dòng)。從煙支吸附口到軟管，空氣流速逐漸增加。在吸附口與軟管連接處，流速最高達(dá)到33 m/s。軟管連接負(fù)壓通道底盤的布置形式，減少了通過流道結(jié)構(gòu)連接[9]帶來的壓力損失，更加有利于煙支吸附。既避免了通道加工帶來的經(jīng)濟(jì)損失，又減少了安裝時(shí)間。但是，煙支吸附口Inlet 1、4、7右側(cè)轂輪的空氣速度梯度并不明顯。

圖4 風(fēng)機(jī)出口壓降

圖5b選取軟管中心截面空氣速度進(jìn)行分析。6根軟管（Inlet 2—7）與風(fēng)機(jī)距離較近，空氣流速基本一致，底盤內(nèi)部空氣流速平緩。但是，吸附口Inlet 1、8底部出現(xiàn)了局部湍流，空氣流速降低至0 m/s。

圖6a為風(fēng)機(jī)出口速度矢量，平均流速為40 m/s。渦形風(fēng)機(jī)管道與柱形管道連接位置的面積減小，導(dǎo)致空氣流速由44 m/s增加到115 m/s。圖6b、c為煙支吸附口局部空氣流速矢量圖，每個(gè)吸附口空氣均由外界吸入，向軟管匯集。軟管與吸附口交接處，流速最高。距離吸附口越近，流速矢量圖越密集，說明流動(dòng)效果越好。Inlet 1–1、Inlet 1–3流動(dòng)速度幾乎為0，說明該結(jié)構(gòu)中部分吸附口空氣流動(dòng)阻力較大。

3.3 湍流分析

圖7a為負(fù)壓通道的湍流動(dòng)能分布，風(fēng)機(jī)管道的接口位置湍流強(qiáng)度最大。通道截面發(fā)生變化，多股氣流匯集，導(dǎo)致流速紊亂。通道流線分布能夠直觀反映空氣在流道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，如圖7b所示?？諝庥蔁熤娇谖胴?fù)壓通道，流向風(fēng)機(jī)出口。Inlet 8距離風(fēng)機(jī)較遠(yuǎn)，底部氣流軌跡間斷。Inlet 1底部同樣出現(xiàn)旋流與氣流不連續(xù)現(xiàn)象。結(jié)合圖5b軟管流速分布云圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前結(jié)構(gòu)中通道兩側(cè)的氣流阻力較大。主要原因包括：風(fēng)機(jī)連接管道存在3個(gè)拐角，空氣與壁面多次碰撞，湍流耗散較大，導(dǎo)致壓力損失高于工業(yè)需求。因此，應(yīng)該對(duì)風(fēng)機(jī)管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部?jī)?yōu)化。

4 優(yōu)化模型流動(dòng)特征

基于數(shù)值模擬結(jié)果，提出2種風(fēng)機(jī)管道優(yōu)化方案，如圖8所示。模型A包含2個(gè)120°的拐角，空氣在管道內(nèi)部流動(dòng)時(shí)方向變化次數(shù)減少。模型B的渦形管道和柱形管道安裝在負(fù)壓通道下方，包含一個(gè)90°的拐角，氣流與管道壁面僅發(fā)生一次碰撞。

圖9為優(yōu)化模型A的流動(dòng)特征，風(fēng)機(jī)管道內(nèi)壓力平穩(wěn)過渡，并未出現(xiàn)壓力突變現(xiàn)象。通道內(nèi)部最大壓差為7 000 Pa，風(fēng)機(jī)管道內(nèi)的壓差損失為3 000 Pa。與優(yōu)化前煙支吸附通道相比，通道壓力損失降低了7 000 Pa，優(yōu)化性能提高了50%；風(fēng)機(jī)管道內(nèi)壓力損失降低了5 732 Pa，優(yōu)化性能提高了65.6%。負(fù)壓風(fēng)機(jī)全壓差為16 000 Pa，則煙支吸附口處負(fù)壓應(yīng)為?9 000 Pa，由式（2）可知壓差力為0.68 N，壓差力為煙支重力的68倍，能夠確保煙支停留在承煙槽內(nèi)。

圖6 煙支吸附通道速度矢量

圖7 煙支吸附通道湍流分布

圖8 煙支吸附通道優(yōu)化模型

風(fēng)機(jī)渦形管道與柱形管道連接位置的截面面積減小，空氣流速增加。如圖9b所示，平均空氣流速由20 m/s增加到53 m/s。由于慣性力的影響，拐角內(nèi)側(cè)空氣流速達(dá)到57 m/s，外側(cè)空氣流速小，速度為30 m/s。相比于初始模型，空氣在風(fēng)機(jī)管道內(nèi)平穩(wěn)流動(dòng)，平均速度為41 m/s。

圖10為優(yōu)化模型B的流動(dòng)特征，煙支吸附通道的壓差為6 200 Pa，風(fēng)機(jī)管道損失壓差為2 476 Pa。與優(yōu)化前煙支吸附通道相比，空氣流動(dòng)效果明顯改善。通道壓力損失降低了7 800 Pa，優(yōu)化性能提高了55.7%；風(fēng)機(jī)管道內(nèi)壓力損失降低了6 256 Pa，優(yōu)化性能提高了71.6%。負(fù)壓風(fēng)機(jī)全壓差為16 000 Pa，則煙支吸附口處負(fù)壓應(yīng)為?9 800 Pa。由式（2）可知壓差力為0.739 9 N，壓差力為煙支重力的73.99倍。因此，能夠確保煙支的吸附與交接。

圖10b為風(fēng)機(jī)管道的流速云圖。外側(cè)空氣流速為20 m/s，彎道內(nèi)側(cè)空氣流速增大到57 m/s。在柱形管道的拐角處，外側(cè)與內(nèi)側(cè)空氣流速接近一致，說明通道湍流耗散降低。相較于初始模型與優(yōu)化模型A，模型B的拐角減少，空氣流動(dòng)阻力降低，平均速度為45 m/s。

圖11為2種優(yōu)化方案中煙支吸附通道的流線分布。與圖7b相比，氣流在軟管底部不連續(xù)的現(xiàn)象消失，流動(dòng)均勻性提高，證明了優(yōu)化結(jié)構(gòu)的可行性。模型B中氣流阻力最小，壓力損失最低，煙支吸附口流速高于模型A中煙支吸附口流速。

表2為優(yōu)化模型性能對(duì)比結(jié)果。2種風(fēng)機(jī)管道優(yōu)化方案的通道壓力損失均有效降低，平均流速得到改善。優(yōu)化模型A與優(yōu)化模型B的煙支吸附力分別提升了350%與390%，說明煙支吸附性能隨風(fēng)機(jī)連接管道拐角減少而提高。

圖9 優(yōu)化模型A的流動(dòng)特征

圖10 優(yōu)化模型B的流動(dòng)特征

圖11 煙支吸附通道流線分布

表2 優(yōu)化模型性能對(duì)比

Tab.2 Comparison of optimization model performance

5 結(jié)語(yǔ)

基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法，開展煙支吸附通道流場(chǎng)數(shù)值模擬。研究負(fù)壓通道內(nèi)部流場(chǎng)分布規(guī)律，揭示煙支吸附機(jī)理，提出風(fēng)機(jī)與連接管道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并量化了壓力損失與煙支吸附性能。主要研究結(jié)論如下：

1）初始模型空氣流動(dòng)性差，吸附口到軟管平均壓降為1 500 Pa。由于接煙輪轂輪安裝在吸附口一側(cè)，Inlet 1、Inlet 6和Inlet 7的壓力并未均勻過渡。流場(chǎng)壓力和流速在煙支吸附口與風(fēng)機(jī)連接位置分布不合理，拐角處湍流動(dòng)能較高。風(fēng)機(jī)管道壓力損失為14 000 Pa，高于工業(yè)需求。

2）優(yōu)化結(jié)構(gòu)提高了負(fù)壓通道內(nèi)的平均流速，有利于空氣平穩(wěn)流動(dòng)。煙支吸附通道壓差降低，減少了流動(dòng)過程中的能量損失。2種優(yōu)化方案中，吸附口到軟管的平均壓降分別為1 300 Pa與1 200 Pa，優(yōu)化模型A的通道壓力損失降低了7 000 Pa，煙支吸附效果提升了350%。優(yōu)化模型B的通道壓力損失降低了6 200 Pa，煙支吸附效果提升了390%，空氣流速與流線分布得到較大改善，證明了文中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法是可行的。

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Flow Field Analysis and Optimization Design of Cigarette Adsorption Unit

LI Xiao-ping1, SU Jie2, LI Jun-feng1, LIAO Mao-zheng1

(1. Changde Tobacco Machinery Co., Ltd., China Tobacco Machinery Group, Hunan Changde 415000, China; 2. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082, China)

The work aims to carry out three-dimensional numerical analysis on the internal flow field in the cigarette adsorption channel with CFD method aiming at the poor stability of cigarette transfer and packaging. The flow characteristics of key parts were studied, the flow velocity, pressure distribution and turbulent dissipation were analyzed, and the structural improvement scheme was proposed. The distribution of flow field pressure and velocity was unreasonable at the connection position between the cigarette adsorption port and the fan, the turbulent kinetic energy at the corner was large, and the pressure loss between the cigarette adsorption port and the fan was 5 268 Pa. A large adverse pressure gradient was observed in the fan pipe. Thus, airflow vortex was caused and pressure loss was 14 000 Pa, which was higher than the industrial demand. In the optimized model, when the fan pipe contained two corners, the pressure loss was reduced by 7 000 Pa and the cigarette adsorption effect was increased by 350%. When the fan pipe contained a corner, the pressure loss was reduced by 6 200 Pa, the cigarette adsorption effect was increased by 390%, and the rationality of field flow distribution channel was improved. Based on the simulation results, the connection mode between the fan and the outlet pipe is optimized, and the flow field analysis can provide technical support for the optimization design of the cigarette adsorption unit.

cigarette adsorption unit; negative pressure channel; structural optimization; CFD analysis; flow characteristics

O359

A

1001-3563(2023)09-0289-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.09.035

2022?06?24

國(guó)家自然科學(xué)基金（52075153）；湖南省重點(diǎn)研發(fā)基金（2020WK2032）

李小平（1964—），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榫頍煓C(jī)械的設(shè)計(jì)及開發(fā)。

蘇杰（1996—），男，博士，主要研究方向?yàn)榱黧w動(dòng)力學(xué)、多相流、離散元模型、圖像處理。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋