基于Darcy—Forchheimer方程的雪茄煙葉多孔介質(zhì)建模方法研究

中圖分類號：S23 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）08-0169-09

Abstract：Inflowfieldsimulationsofcigartobaccodryingrooms，thetreatmentof intermaltobaccoisanimportantfactor affecting the acuracyof numericalsimulation.Toreduce thecomplexityof themodeland improve theeficiencyof the solution，using porous media models tosimplifythetobaccoisacommon method．Toexplore the influenceof different modeling methods on the simulationacuracy ofairflow resistane，this paper establishes threeporous media models based on theporous mediatheoryandconsiders theinfluenceoftobaccoleafmorphologicalchanges.Comparisonresultsshowthatthe anisotropic porous media models show an average relative error of 2. 45% ， -0.25% and 3.92% for pressure drop in the x ， （20 y and z directions respectively，significantly lower than thatof theisotropic porous media model.In the numerical simulation of the flow field，the average relative errors of the anisotropic porous media model at diferent locations are -3.12% ， （204號 4.67% and 2.95% ，respectively. The results show that the anisotropic porous media model can accurately describe the obstruction efectoftobacco leaves on theairflow，andcanobtainmoreaccurate simulationresults for theairflowresistance changes caused by the airflow from different directions through the tobacco leaves and leaf morphological variations.

Keywords：cigar tobacco；porous media；pressure drop；numerical simulation；resistance coefficien

0 引言

雪茄是由干燥和發(fā)酵后的煙葉卷制而成的煙草產(chǎn)品1，具有較高的經(jīng)濟價值。調(diào)制是煙葉生產(chǎn)工藝中的重要環(huán)節(jié)，調(diào)制能夠在一定程度上彌補田間生長所帶來的不足[2.3]，晾房環(huán)境調(diào)控是否到位直接決定煙葉品質(zhì)[4。計算流體力學是研究晾房內(nèi)物理場分布的有效方法[5，晾房內(nèi)煙葉是影響氣流走向的主要因素以及與環(huán)境進行熱質(zhì)交換的主要對象6，因此仿真過程無法忽略煙葉的影響[7]。由于煙葉形態(tài)復雜，對煙葉進行精細化建模具有較大難度，并且在網(wǎng)格劃分的過程中精細化建模會導致煙葉周圍出現(xiàn)大量網(wǎng)格，影響求解效率。因此，本研究考慮采用多孔介質(zhì)模型對煙葉進行簡化，在保證求解精度的前提下簡化煙葉模型，提高求解效率。

多孔介質(zhì)模型適用于結構復雜、數(shù)量大且排列較為規(guī)律的模型的建模簡化，能夠在保證求解精度的同時提高求解效率。在工業(yè)領域，多孔介質(zhì)模型多運用于煤礦采空區(qū)[8]、板條地板[9]、汽車中冷器[10]以及分離流化床11等的模型簡化，具有較高的模擬精度。在畜牧業(yè)領域，多孔介質(zhì)模型主要被應用于養(yǎng)殖畜禽的簡化[12.13]，具體研究對象包括豬[12]、母雞[14]和奶牛[15.16]等。建立的多孔介質(zhì)模型與實際模型壓降的相對誤差較小并且對殖區(qū)流場分布能夠提供精確的預測結果。

多孔介質(zhì)模型也被運用在烤煙房的數(shù)值模擬中[17.18]，汪火良[19]、白志鵬[20]、杜林昕[21]、包亞峰[22]等忽略煙葉烘烤過程中的孔隙變化，分別采用Ergun公式和滲透率計算阻力系數(shù)，將煙葉定義為各向同性多孔介質(zhì)模型。在這些研究的基礎上，孫力[23]、王建申[24]、郭澤華[25]等進一步考慮煙葉烘烤過程中的孔隙率、葉面收縮率等因素，因此在建立多孔介質(zhì)模型時，將煙葉定義為變孔隙率的各向同性多孔介質(zhì)；胡德翔[26認為煙葉的孔隙率變化主要受烤房不同位置裝煙密度的影響，其在測得氣流經(jīng)過煙葉的速度和壓降數(shù)值后，基于Darcy—Forchheimer方程計算煙葉多孔介質(zhì)模型的阻力系數(shù)，將煙葉簡化為各向同性多孔介質(zhì)。

目前對于烤煙的簡化一方面忽略了煙葉多孔介質(zhì)模型的高度各向異性；另一方面對于煙葉烘烤過程中煙葉形態(tài)的變化導致多孔介質(zhì)阻力系數(shù)的變化并未進行深人研究，在數(shù)值模擬過程中可能導致數(shù)值模擬存在誤差。此外，目前國內(nèi)對于雪茄煙葉晾房數(shù)值模擬的研究較少，但雪茄煙葉晾房中存在的問題亟待解決，因此，本研究在上述烤房研究的基礎上開展針對雪茄煙葉的多孔介質(zhì)建模方法研究，旨在尋求一種合理、科學的煙葉多孔介質(zhì)建模方法，能夠準確描述雪茄煙葉對于氣流的阻礙作用，為雪茄煙葉晾房的數(shù)值模擬和優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。

1 多孔介質(zhì)

1.1 多孔介質(zhì)理論

對于多孔介質(zhì)區(qū)域主要通過兩個重要參數(shù)來定義其性質(zhì)。（1）多孔介質(zhì)的孔隙率，用于描述多孔介質(zhì)區(qū)域內(nèi)部除固體域占據(jù)體積之外的孔隙體積占比；（2）描述多孔區(qū)域?qū)饬髁鲃赢a(chǎn)生阻礙作用的阻力系數(shù)。

其中，多孔介質(zhì)的孔隙率可表示為

式中： ε ——多孔介質(zhì)的孔隙率；V_? —孔隙體積， m³ ;V —多孔介質(zhì)體積， m³ 。

各向同性多孔介質(zhì)模型阻力系數(shù)通過Ergun公式進行近似計算，Ergun公式可表示為

式中： 1/α —黏性阻力系數(shù)， m^-2 （204號 C₂ —慣性阻力系數(shù)， m^-1 ;（204號 d_p. —多孔介質(zhì)顆粒的顆粒平均直徑， m 。

多孔介質(zhì)的平均顆粒直徑也稱為當量直徑，可由式（4）計算得出。

式中： V_s ——固體域體積， m³ 。

計算阻力系數(shù)的另一種方法則是在Darcy定律的基礎上增加慣性項對其進行修正，得到Darcy—Forchheimer方程如式（5）所示。

式中： ΔP 壓降， Pa ：μ 流體動力黏度， （N?s）/m² ρ 流體密度， kg/m³ ：v 速度， m/s Δn 多孔介質(zhì)區(qū)域厚度， m 。

將式（5）與CFD中多孔介質(zhì)動量源項的表達式聯(lián)立，源項表達式如式（6）所示。

式中： S_i--i（x，y，z） 方向上的動量源項；

D_ij —黏性阻力系數(shù)構成的矩陣， m^-2 ;v_j 1 ?j（x，y，z） 方向上的速度， m/s ：C_ij 慣性阻力系數(shù)構成的矩陣， m^-1 。

得到阻力系數(shù)的計算如式（7）和式（8）所示。

式中： D ——多孔介質(zhì)模型黏性阻力系數(shù)， m^-2 A 一式（5）中速度一次項的系數(shù)；c ——多孔介質(zhì)模型慣性阻力系數(shù)， m^-1 ：B -式（5）中速度二次項的系數(shù)。

多孔介質(zhì)的各向同性和各向異性通過設置各個方向上的阻力系數(shù)進行定義，各向同性多孔介質(zhì)3個方向上的阻力系數(shù)相同，各向異性多孔介質(zhì)則不同。

1.2 煙葉模型

煙葉在晾制過程中的葉片形態(tài)變化是影響晾房內(nèi)氣流流動的主要因素，因此在建立煙葉模型前，首先需要獲取煙葉在晾制期間的形態(tài)變化規(guī)律。

在煙葉晾制過程中，一般用鐵絲穿過葉片主脈將煙葉懸掛于晾煙桿兩側，再將煙桿放置于煙架上進行晾制。其排列方式如圖1所示。

圖1煙葉排列規(guī)則示意圖

由于煙葉在晾房內(nèi)的排列具有一定的規(guī)律，因此選取其中6片煙葉作為物理模型研究其多孔介質(zhì)模型的壓降特性。煙葉晾制過程中由于煙葉內(nèi)部含水率逐漸下降，煙葉的形態(tài)會逐漸收縮。對于多孔介質(zhì)來說，固體域的形態(tài)是影響氣流流動最重要的因素，因此通過開展煙葉晾制試驗獲取煙葉形態(tài)變化的基本規(guī)律，從而得到建立煙葉物理模型的基本依據(jù)。

煙葉晾制試驗于2023年7月在福建省煙草農(nóng)業(yè)科學研究所進行，使用智能化恒溫恒濕單元晾房提供基本的晾制環(huán)境條件，依據(jù)表1所示的福建省雪茄煙葉晾制工藝要求調(diào)控晾房內(nèi)環(huán)境。

表1煙葉晾制工藝要求Tab.1 Tobacco drying process requirements

選用福建省種植面積較廣的雪茄煙葉品種“海研101\"作為試驗樣本，供試煙葉選取土壤條件、施肥水平相同且長勢一致的中下部葉。煙葉晾制密度同樣參照福建省雪茄煙葉生產(chǎn)技術規(guī)程，煙葉晾制密度為 ^1m 長煙桿掛25片煙葉，編煙完成后將上架相鄰兩桿的煙葉中間留 2cm 間隙。在晾制過程中選取144片煙葉作為試驗樣本，每天測量煙葉的形態(tài)變化數(shù)據(jù)，煙葉形態(tài)參數(shù)的定義如圖2所示。

采用橫向收縮率和縱向收縮率來定義煙葉形態(tài)， 收縮率由式（9）和式（10）計算得出。

R_w=（W₀-W₁）/W₀

R₁=（L₀-L₁）/L₀

式中： R_w 一 橫向收縮率， % W₀ 鮮煙葉初始橫寬， m W_i 煙葉收縮后的橫寬， m R_l 縱向收縮率， % ：L₀ 鮮煙葉初始縱長， m L₁. 煙葉收縮后的縱長，m。

在煙葉晾制期間每天測量煙葉橫寬及縱長，并計算其收縮率，得到144片煙葉在40天內(nèi)的平均收縮率變化規(guī)律如圖3所示。在晾制的前20天煙葉形態(tài)變化較為明顯，因此晾制前20天每天建立一個煙葉模型。隨著晾制時間的推移，煙葉含水率逐漸降低，形態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定，在煙葉晾制后期收縮率依然逐漸增大，但整體上升的幅度較小，因此在晾制的后20天，共建立7個煙葉模型。

圖3煙葉形態(tài)參數(shù)變化規(guī)律

使用上述27個形態(tài)的煙葉模型模擬氣流流經(jīng)煙葉前后產(chǎn)生的壓降值，作為阻力系數(shù)計算依據(jù)。在建立煙葉模型的過程中，為減少網(wǎng)格數(shù)量，簡化煙葉表面的葉脈等細節(jié)，建立部分煙葉模型如圖4所示。在煙葉晾制過程中，晾制前期的煙葉首先是從葉尖和葉緣開始失水，由于處于葉緣位置的細小葉脈以及處于葉尖位置的主脈最先失水，所以在晾制前期葉片形態(tài)變化的規(guī)律表現(xiàn)為葉片邊緣逐漸向主脈收縮。隨著時間的推移在葉緣位置慢慢卷曲，形成密閉空腔，葉尖也逐漸向上卷曲。到晾制后期，由于主脈周圍的細小葉脈已經(jīng)失去大量水分，所以后期形態(tài)的變化相較于前期不那么明顯。將不同形態(tài)的煙葉按照編煙后煙葉在煙桿上的排列方式放置，得到煙葉仿真物理模型如圖5所示。

形態(tài)編號 1～20 的煙葉模型與晾制前20天一一對應，晾制后20天建立的煙葉模型其形態(tài)編號與晾制時間的對應關系如表2所示。

表2晾制后20天煙葉形態(tài)與晾制時間對照表 Tab.2 Tobacco morphology 2O days after drying versus drying time

1.3 多孔介質(zhì)建模

基于Ergun公式和Darcy—Forchheimer方程，分別計算煙葉多孔介質(zhì)模型的阻力系數(shù)，從而建立煙葉的各向同性多孔介質(zhì)模型和各向異性多孔介質(zhì)模型，并分析不同多孔介質(zhì)模型的壓降特性，將多孔介質(zhì)模型與煙葉模型在相同條件下產(chǎn)生的壓降進行對比，以評估多孔介質(zhì)模型能否準確反映煙葉對氣流產(chǎn)生的阻力，三種多孔介質(zhì)建模方法如表3所示。

圖6模型尺寸和方向Fig.6Model sizeand orientation

表3多孔介質(zhì)建模方法Tab.3 Modeling methods for porous media.

1.3.1煙葉模型和多孔介質(zhì)模型尺寸

煙葉多孔介質(zhì)模型的尺寸隨煙葉形態(tài)的變化而變化，采用如圖6所示的方法定義煙葉多孔介質(zhì)模型的尺寸。煙葉晾制過程中，隨著煙葉形態(tài)的變化會通過調(diào)整桿與桿之間的距離來調(diào)整煙葉晾制密度，因此煙葉多孔介質(zhì)模型的長度和高度保持不變，其長度和高度分別為 0.45m.0.4m ，寬度隨煙葉收縮而減小，不同晾制時間的多孔介質(zhì)區(qū)域模型寬度如表4所示。

表4多孔介質(zhì)模型寬度Tab.4 Porous media model width

1.3.2 各向同性多孔介質(zhì)建模

根據(jù)所建立煙葉模型的體積計算多孔介質(zhì)模型的孔隙率，根據(jù)不同模型的多孔介質(zhì)寬度變化計算得到不考慮煙葉形態(tài)變化影響的孔隙率如表5所示。

表5各向同性多孔介質(zhì)模型1孔隙率Tab.5 Modeling of isotropic porous media 1 Porosity

根據(jù)式（4）計算煙葉模型的當量直徑為6.21498×10^-2m ，計算得到各個模型的阻力系數(shù)如表6所示。隨著晾制時間推移，煙葉形態(tài)逐漸發(fā)生變化，葉緣逐漸向內(nèi)卷曲，在葉片邊緣形成密閉空腔，氣流流經(jīng)煙葉時，這些由于煙葉形態(tài)變化產(chǎn)生的密閉空腔內(nèi)沒有氣流流動，因此，在建立煙葉多孔介質(zhì)模型2的過程中引入有效孔隙率來描述煙葉形態(tài)變化對氣流阻礙作用的影響，有效孔隙率將煙葉邊緣收縮形成密閉空腔看作是固體域。考慮形態(tài)變化和有效孔隙計算得到的孔隙率如表7所示。根據(jù)上述參數(shù)計算多孔介質(zhì)模型阻力系數(shù)，結果如表8所示。

表6各向同性多孔介質(zhì)模型1阻力系數(shù) Tab. 6 Isotropic porous medium model 1 drag coefficient

表7各向同性多孔介質(zhì)模型2孔隙率

表8各向同性多孔介質(zhì)模型2阻力系數(shù)Tab.8 Isotropic porous medium model 2 drag coefficient

1. 3.3 各向異性多孔介質(zhì)建模

使用計算流體力學仿真軟件Fluent模擬氣流以不同速度通過煙葉前后產(chǎn)生的壓降，得到速度與壓降之間的關系式。由于各向異性多孔介質(zhì)模型需要求解3個方向上的阻力系數(shù)，因此需要得到氣流從不同方向流經(jīng)煙葉產(chǎn)生的壓降，建立的仿真模型如圖7所示。

圖7仿真模型 Fig.7Simulation models

其中，流體域兩端分別為氣流的進口和出口，四周壁面設置為對稱邊界，煙葉區(qū)域前后的流體域長度均為煙葉區(qū)域在流體主要流動方向上的3倍。將模擬得到的速度與壓降之間的關系擬合成一元二次多項式，擬合的結果圖8所示。

根據(jù)擬合的多項式系數(shù)計算多孔介質(zhì)模型阻力系數(shù)，各向異性多孔介質(zhì)模型在3個方向上的阻力系數(shù)如表9所示。

表9各向異性多孔介質(zhì)模型3阻力系數(shù) Tab.9Model resistancecoefficients for anisotropic porous media 3

使用上述多孔介質(zhì)模型模擬氣流從不同方向通過其產(chǎn)生的壓降值，與煙葉模型進行對比，以評估不同的多孔介質(zhì)模型對于煙葉氣流阻力描述的準確性。

2 結果與分析

2.1 煙葉壓降模擬

使用圖7所示的仿真模型模擬氣流從不同方向流經(jīng)多孔介質(zhì)區(qū)域產(chǎn)生的壓降值，左側為氣流流入的速度入口，右側為壓力出口。為減小壁面對氣流產(chǎn)生的阻力影響模擬結果，將其余邊界設置成對稱邊界。速度入口氣流速度設置為 0.5m/s ，模擬得到的壓降值如圖9所示?？梢钥闯?，在晾制前期，煙葉模型在3個方向上對氣流的阻力普遍大于晾制后期，這說明隨著煙葉晾制時間推移，煙葉對于氣流的阻力整體呈現(xiàn)出下降的趨勢。其中，對于晾制前期的煙葉，氣流在 x 方向上遇到的阻力最大，在該方向上壓降值的變化幅度也最大；在 y 和 z 方向上，壓降值整體呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢且整體變化的幅度較小。

圖9煙葉模型壓降Fig. 9 Tobacco model pressure drop

2.2 多孔介質(zhì)模型壓降

將求解得到的阻力系數(shù)作為多孔介質(zhì)模型的輸入?yún)?shù)，模擬各階段煙葉在氣流從不同方向通過多孔介質(zhì)時產(chǎn)生得到壓降，仿真模型尺寸以及邊界條件與模擬煙葉模型壓降時保持一致，具體如圖10所示。

圖10多孔介質(zhì)模型壓降仿真模型 Fig.l0 Porous media modeling pressure drop simulation modeling

2.2.1各向同性多孔介質(zhì)模型壓降

模擬得到的不考慮煙葉形態(tài)變化的各向同性多孔介質(zhì)模型1在不同方向上的壓降如圖11所示。模擬得到的考慮煙葉形態(tài)變化的各向同性多孔介質(zhì)模型2在不同方向上的壓降如圖12所示。

由圖12可知，在不考慮煙葉形態(tài)變化的前提下，建立的各向同性多孔介質(zhì)模型的壓降主要受多孔區(qū)域的體積變化影響。隨著晾制后期多孔介質(zhì)區(qū)域體積逐漸減小，在煙葉體積即固體域體積不變的條件下，孔隙率逐漸減小，從而導致阻力系數(shù)增大，最終引起壓降值的逐漸增大。在 y 和 z 方向上的壓降均呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，但整體增幅并不明顯，在 x 方向上的壓降變化基本不變。

在考慮煙葉形態(tài)變化對氣流阻力的影響后，多孔介質(zhì)區(qū)域孔隙率逐漸減小，導致在 方向上的阻力系數(shù)也隨之增大，多孔介質(zhì)模擬的壓降值也呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，上升的幅度相較于不考慮形態(tài)變化的各向同性多孔介質(zhì)模型1更大。

2.2.2各向異性多孔介質(zhì)模型壓降

模擬得到的各向異性多孔介質(zhì)模型3的壓降，如圖13所示?？梢钥闯觯S著晾制時間推移，在 x 方向上，壓降值隨著煙葉逐漸收縮和晾制時間的增長逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定；在 y 和 z 方向上壓降值在晾制時間增長的情況下呈現(xiàn)出先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定的趨勢。在3個方向上晾制20天之后壓降值都逐漸趨于穩(wěn)定，這與煙葉形態(tài)的變化規(guī)律相似。表明晾制20天之后，隨著煙葉形態(tài)變化逐漸趨于穩(wěn)定，煙葉形態(tài)變化對于氣流阻力的影響也逐漸減小。

圖13各向異性多孔介質(zhì)模型3壓降 Fig.13 Modeled pressure drop in anisotropic porous media 3

2.3 壓降對比

將模擬得到的各向同性多孔介質(zhì)模型1與煙葉模型壓降進行對比，結果如圖14所示。在不考慮煙葉形態(tài)變化的情況下，該各向同性多孔介質(zhì)在 方向上氣流通過后產(chǎn)生的壓降值普遍低于煙葉模型產(chǎn)生的壓降值，尤其是在 x 方向上，該多孔介質(zhì)模型模擬的壓降值與真實煙葉產(chǎn)生的壓降產(chǎn)生大幅偏離。多孔介質(zhì)模型壓降和煙葉模型壓降在 $＼ x ＼ y ＼ 、 z$ 方向上的平均相對誤差分別為 -97.9%、-94.45% 和 -69.9% 。

將模擬得到的各向同性多孔介質(zhì)模型2與煙葉模型壓降進行對比，結果如圖15所示?？梢钥闯龆嗫捉橘|(zhì)模型2壓降和煙葉模型壓降在 $＼ x ＼ y ＼ 、 z$ 方向上的平均相對誤差分別為 -76.17% 、 -49.88% 和178.26% 。相較于多孔介質(zhì)模型1，多孔介質(zhì)模型2在x，y，z 三個方向上壓降值的變化更加明顯，但其在與煙葉壓降的對比中產(chǎn)生了更大的誤差。

從圖16可以看出，各向異性多孔介質(zhì)模型3能夠模擬出不同形態(tài)煙葉模型的壓降變化，并且在不同方向上的壓降模擬結果也與煙葉模型吻合良好，在 x，y 、z 方向上，多孔介質(zhì)模型和煙葉模型壓降之間的誤差擬合相關性決定系數(shù) R² 均為0.99，3個方向上的平均相對誤差分別為 2.45%.-0.25% 和 3.92% 。這表明，使用各向異性多孔介質(zhì)簡化煙葉能夠在降低仿真模型復雜程度以及提高求解效率前提下較為準確地反映煙葉對氣流的阻礙作用。

2.4速度對比

為了對比各向同性多孔介質(zhì)以及各向異性多孔介質(zhì)模型在晾房數(shù)值模擬中的表現(xiàn)，在煙葉晾制過程中使用Testo425德圖風速儀測量晾房內(nèi)同一平面上3個不同高度位置上各5個檢測點的風速值，采用各向同性及各向異性多孔介質(zhì)模型對晾房進行數(shù)值模擬，將模擬值與實測值進行對比，選擇晾制時間為1天的煙葉進行模擬，煙葉形態(tài)對應形態(tài)1。由于形態(tài)1的兩種各向同性多孔介質(zhì)模型阻力系數(shù)一致，所以各向同性多孔介質(zhì)只模擬一次。

各向同性及各向異性多孔介質(zhì)模型在晾房內(nèi)不同高度位置的風速模擬值與實測值對比效果如圖17所示，模擬值1和模擬值2分別對應各向同性多孔介質(zhì)模型和各向異性多孔介質(zhì)模型的模擬結果。

從圖17可以看出，在不同高度位置上各向異性多孔介質(zhì)模型模擬值與實測值吻合良好，在3個高度位置上的平均相對誤差分別為 -3.12%.4.67% 和2.95% 。各向同性多孔介質(zhì)吻合效果較差，其在3個高度位置上的平均相對誤差分別為 -14.32% 、-55.52% 和 -63.11% 。表明采用各向異性多孔介質(zhì)模型簡化煙葉能夠更為準確地模擬晾房內(nèi)流場的分布情況，并對流體流動趨勢做出更準確的預測結果。

3討論

將雪茄煙葉簡化為多孔介質(zhì)模型的方法是基于前人在烤房數(shù)值模擬中大量采用多孔介質(zhì)模型簡化煙葉的思路。在關于烤房數(shù)值模擬的研究中，采用多孔介質(zhì)模型簡化煙葉在保證求解精度的前提下大大提高求解效率，但在求解多孔介質(zhì)模型阻力系數(shù)的過程中，前人的研究都是基于Ergun公式將煙葉區(qū)域簡化為各向同性多孔介質(zhì)，這種方法存在一定的局限性。首先，在晾房中煙葉的排布規(guī)律在不同的方向上表現(xiàn)出高度的各向異性，將其簡化成各向同性多孔介質(zhì)的方法與實際煙葉的結構并不相符，這導致在實際模擬中，各向同性多孔介質(zhì)模型無法準確反映氣流從不同方向通過煙葉時產(chǎn)生的阻力大小，這必然導致數(shù)值模擬產(chǎn)生較大的誤差。其次，在前人的研究中，忽略了煙葉形態(tài)變化對于煙葉多孔介質(zhì)參數(shù)的重要影響，從而導致建立的多孔介質(zhì)模型無法準確描述煙葉形態(tài)變化對氣流阻力的影響。

根據(jù)煙葉晾制期間的形態(tài)變化規(guī)律以及煙葉在晾房中的排列規(guī)律，結合煙葉作為固體域在多孔介質(zhì)區(qū)域中表現(xiàn)出的高度各向異性的特征，使用模擬方法得到速度與壓降的關系，基于Darcy—Forchheimer方程求解煙葉各向異性多孔介質(zhì)的阻力系數(shù)，從而建立了煙葉各向異性多孔介質(zhì)模型。采用各向異性多孔介質(zhì)模型不僅在多孔介質(zhì)的結構上充分考慮煙葉的各向異性，而且在建模時充分考慮煙葉形態(tài)變化對氣流阻力的影響，能夠有效提高數(shù)值模擬的精度。

4結論

基于Ergun公式和Darcy—Forchheimer方程分別建立在數(shù)值模擬中用于簡化晾房內(nèi)雪茄煙葉的各向同性和各向異性多孔介質(zhì)模型，為評估多孔介質(zhì)模型能否準確描述不同形態(tài)煙葉對氣流的阻礙作用，對晾房的流場以及多孔介質(zhì)模型壓降進行數(shù)值模擬。

1）在晾房流場的數(shù)值模擬中，各向同性多孔介質(zhì)模型在數(shù)值模擬中產(chǎn)生較大誤差，而使用各向異性多孔介質(zhì)模型簡化煙葉得到的模擬值與實測值之間的平均相對誤差顯著低于各向同性多孔介質(zhì)模型。

2）在多孔介質(zhì)模型壓降的模擬中，各向異性多孔介質(zhì)模型相較于各向同性多孔介質(zhì)模型能夠更為準確地模擬出煙葉模型在不同方向上的壓降差異，并且各向異性多孔介質(zhì)模型模擬得到的壓降值與實際煙葉模型模擬得到的壓降值吻合良好，平均相對誤差顯著低于各向同性多孔介質(zhì)模型，并且相關性決定系數(shù) R² 達到0.99。

3）對于類似煙葉結構的片狀物在使用多孔介質(zhì)進行簡化時，使用Ergun公式計算其阻力系數(shù)存在較大的局限性，因為薄片狀的結構在空間中固體域占據(jù)的體積可能較小，這導致計算出來的阻力系數(shù)小于真實情況，并且在簡化過程中將其認定為各向同性介質(zhì)，這導致建立的多孔介質(zhì)模型無法反映流體在不同方向上流經(jīng)多孔介質(zhì)產(chǎn)生的差異。

4）晾制過程中煙葉形態(tài)變化對氣流阻力大小產(chǎn)生顯著的影響，各向異性多孔介質(zhì)模型不僅能夠較為準確地描述煙葉對于氣流阻力的影響，并且能夠在數(shù)值模擬的過程中對流場的變化趨勢提供更為精準的預測結果。

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