基于CFD的新型密集烤房结构优化研究

摘要：为改进和优化新型密集烤房结构，基于计算流体力学（CFD）方法建立密集烤房的物理模型，根据现场实测数据确定边界条件和模型参数，对不同数量回风孔、不同角度导流板以及不同位置出风口模型的气流速度场进行三维数值模拟分析，并利用实测数据对模拟结果予以验证。研究表明：（1）回风孔数量的增加可以显著增加烤房内部气流的平均速度，能有效改善烤房内部的通风效果；（2）当导流板与竖直方向夹角为15°时，烤房内部气流分布均匀性最好；（3）出风口在烤房顶部比在底部的烤房内部气流的平均速度高；（4）10个测量点的气流速度测试值与模拟值基本吻合，相对误差一般小于8%，证明上述仿真结果是可靠的。根据研究结果，提出新型密集烤房结构优化建议：在烤房中设置48个回风孔、与竖直方向夹角为15°的导流板以及在烤房顶部设置出风口。

关键词：计算流体力学；气流速度场；密集烤房；优化设计；数值模拟

中图分类号： S226.6 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2017）18-0201-04

收稿日期：2017-02-21

基金项目：河南省烟草技术开发项目（编号：XYKJ2015M01）；国家自然科学基金（编号：31671965）。

作者简介：王龙飞（1988—），男，陕西西安人，硕士研究生，主要研究方向为烟草机械。E-mail：wlf0121@126.com。

通信作者：李建华，主要研究方向为农业合作。E-mail：xcwdqljh@sina.com。 密集烤房最早于1960年在美国北卡罗来纳州建成并投入使用，到1962年已经有超过300个密集烤房投入使用[1]。我国最早在20世纪60年代开始研究密集烤房[2]。密集烤房在传统烤房的基础上增加了强制通风与热风循环系统，并且可以实现自动控制，密集烤房的循环风机可以控制烤房内部气流的运动，这也使得密集烤房的结构更加多样化。由于密集烤房具有体积小容量大、烘烤质量高、节约能源[3]和易于实现专业化烘烤等优点，现在，密集烤房已经成为我国烟叶烘烤设备的发展方向[4]。

近年来CFD方法广泛地应用到气流速度场的分析中。国内外学者运用CFD方法模拟设备装置内部流场分布情况，并提出结构及组件改进设计的研究较多[5-9]，也有一些学者对室外喷雾技术的流体速度场进行了模拟[10-11]，有一些研究是对室内的空气流动情况进行三维模拟，分析气流的稳定均匀性，改进室内的结构[12-15]。有研究对烤房内温湿度分布进行计算流体力学分析[16]，但是应用CFD方法分析密集烤房内气流速度场并进行结构改进设计的研究分析未见报道。

本研究通过采用CFD三维数值模拟方法建立新型密集烤房模型，目的是利用CFD方法优化烤房内部结构，主要包括：（1）确定烤房内回风孔数量；（2）确定导流板与竖直方向的角度；（3）确定烤房出风口的位置。

1 材料与方法

1.1 新型密集烤房結构与工作原理

本研究只介绍新型密集烤房的通风循环系统，不包括加热系统和控制系统。烤房位于河南省许昌市襄城县里川烟草合作社，长8.2 m，宽2.9 m，高3.56 m。烤房整体由200 mm厚聚氨酯夹芯板搭建而成，包括外墙、屋顶、地面和分隔板，分隔板距地面2.75 m。烤房内部放置铁制装烟架，长7.3 m，宽2.7 m，高2.6 m。分隔板上方左右两侧各安装3台轴流风机，风机叶轮直径550 mm，理论风量8 100 m3/h，压升70 Pa，分隔板上开有回风孔。进风口和出风口设置在烤房顶部，见图1。为了展示烤房内部结构，部分外墙作隐藏处理。

烤房内气流循环过程：外界空气由进气口进入烤房，在左右两侧风机驱动下，经由两侧风机进入分隔板下方烤烟区域，烤烟区域气流一部分经过回风孔回到分隔板上方，再经过风机进入烤烟区域，形成循环气流，另一部分经过出风口排出烤房。

1.2 网格划分

模型采用与新型密集烤房等比例创建，模型中忽略了装烟架对烤房内部气流的影响，不考虑外界空气速度对烤房内气流的影响。在ICEM软件中采用三维结构网格生成方法划分模型网格，共产生462 000个网格单元，1 414 024个网格面和490 276个网格节点，如图2所示，模型中开设48个回风孔。

1.3 控制方程

本模型中不涉及能量和组分的转移，烤房内空气是定常、不可压缩的，遵循质量守恒定律和动量守恒定律[17]，其控制方程如下：

1.4 边界条件与数值求解

进口和出口分别采用压力进口和压力出口边界条件，进口压力和出口压力均设置为常压状态，湍流强度与水力直径设置为3.5%和0.5 m。

左侧和右侧风机边界面采用风扇边界条件（Fan），设置压力跃升为70 Pa，与风机铭牌压升一致，左侧风扇边界方向向左，右侧风扇边界方向向右。

其余边界面设置为壁面边界（Wall），应用标准壁面函数方法处理近壁区域。

采用Fluent 15.0软件进行数值求解，湍流模型选用标准κ-ε模型，采用基于有限体积的控制方程，压力速度耦合方式为SIMPLE，压力和动量采用二阶迎风离散格式。

2 结果与分析

为方便表达烤房内部气流速度场分布情况，在烤房内选取截面Y、Z1、Z2和Z3，如图3所示。截面Y（Y=1.45 m）为Y轴方向中心截面，截面Z1、Z2和Z3与烤房地面距离分别为0.7 m、1.5 m和2.3 m。

2.1 不同数量回风孔的气流速度场分布

创建分隔板上平均分布有回风孔8、16、24、32、40、48个的6个烤房模型，6个模型Y截面上的气流速度场分布如图4所示，只对分隔板下方烤烟区域进行分析，左右两侧以及底部的气流速度高于中部和上部，在中部产生左右对称的速度在0～0.5 m/s之间的低速区域，随着开设的回风孔数量的增加，在回风孔的作用下，增加了中部上部区域气流的流动性，导致低速区域逐渐变小。回风孔数量为48个时，低速区域面积达到最小，烤烟区域气流流动性达到最好。

式中：vh为高度为h的平面上的平均气流速度，m/s；vi为测量点i的气流速度，m/s；n为总测量点数量；jh为高度为h平面上的气流不均匀系数，jh值越小，气流分布的均匀性越好。

Z1、Z2和Z3这3个截面分别代表着烤房内部3层烟叶的平均高度，在这3个截面上，回风孔数量与烤房内烤烟区域气流不均匀系数及平均气流速度之间的关系如图5和图6所示。随着回风孔数量的增加，烤房内Z1、Z2和Z3截面上气流的不均匀系数变化不明显，基本保持平稳，只有在回风孔数量由8个增加到16个的过程中，Z1和Z2截面上气流的不均匀系数急剧减少，此时对回风孔数量的增加，可以改善烤房内下部和中部区域的气流均匀性；在Z2截面上气流的不均匀系数明显高于Z1和Z3截面，說明烤房内的低速区域主要集中在Z2=1.5 m截面附近。然而随着回风孔数量的增加，气流的平均速度逐渐增加，在回风孔数量由40个增加到48个过程中，气流平均速度的增加幅度放缓，在回风孔数量为48个时，气流平均速度达到最高，烤房内通风效果最好，此时Z1、Z2和Z3截面上的平均速度为2.13 m/s，对比回风孔数量仅为8个时的平均速度0.63 m/s，平均气流速度增加了238%。可见回风孔数量的增加可以有效改善烤房内部的通风效果。

2.2 不同角度导流板的气流速度场分布

分别创建导流板与竖直方向夹角为0°、15°、30°和45°的4个烤房模型，4个模型Y截面上的气流速度场分布如图7所示。与导流板角度为0°，即不设置导流板的模型作对比，导流板角度为15°时，烤房中部呈圆形分布的低速区域明显变小，但是在导流板下方区域由于导流板对气流影响的缘故会有带状低速区域产生；导流板角度为30°时，对比15°导流板模型，烤房中部低速区域以及导流板下方低速区域都变大；导流板角度为45°时，由于导流板强制改变气流运行方向，使得烤房中部呈圆形分布的低速区域消失，但是导流板下方的低速区域面积急速增加，烤房内部整体气流流动性反而降低。

导流板角度与烤房内烤烟区域Z1、Z2和Z3截面气流不均匀系数及平均气流速度之间的关系如图8和图9所示。比较导流板角度为0°和15°两个模型的气流不均匀系数，在Z2和Z3截面，气流的不均匀系数降低，在Z1截面，反而升高，这与导流板下方产生低速区域有关；比较导流板角度15°、30°和45°模型的气流不均匀系数，随着导流板角度的增加，3个截面的气流不均匀系数均有所增加，说明导流板角度为15°模型气流分布的均匀性最好。气流平均速度的变化趋势随着导流板角度的变化不明显，在Z1截面，导流板角度为45°时，受到导流板的遮挡， 气流平均速度大幅降低， 导流板角度为

15°时，气流平均速度最高，虽然此时气流不均匀系数相对0°导流板模型有所升高，但是Z1截面高度的气流流动性最好。可见，导流板的设置对烤房内部气流均匀性的影响较明显，当导流板与竖直方向夹角为15°时，烤房内部气流分布均匀性最好。

2.3 不同位置的出风口气流速度场分布

分别创建出风口在烤房顶部和底部的2个模型，2个模型回风孔数量均为48个，不设置导流板，2个模型中Z1、Z2和Z3截面的气流不均匀系数和平均速度见表1，出风口在烤房底部的模型在Z1、Z2和Z3截面的气流平均速度均低于出风口在烤房顶部的模型，平均低于出风口在烤房顶部模型气流平均速度5.9%，2个模型气流不均匀系数基本一致，出风口在烤房顶部模型的气流不均匀系数略微低于出风口在烤房底部模型。可见，出风口在烤房顶部模型通风效果稍好于出风口在底部模型。

3 数值模拟结果验证

烤房内部烤烟区域气流速度场测定试验于2016年8月在河南省许昌市襄县里川烟草合作社进行，试验烤房分隔板开设48个回风孔，试验的主要目的是测量分隔板下方的烤烟区域气流速度并验证仿真结果，10个风速测量点布置见图10。风速测量选用TES-1340热线式手持风速测量仪（泰仕电子工业股份有限公司生产），量程0～30 m/s，精度为 0.01 m/s。

为了验证模拟结果的准确性，选取图10所示10个点的测试值与相同未知的模拟值进行对比，P1到P10风速测量点的测试值与模拟值对比见表2，10个测量点测试值与模拟值的相对误差的范围为0.69%～18.7%，造成误差的原因有很多，仿真模型中忽略了装烟架以及测量人员对烤房内部气流的影响，而且手持风速仪进行测量也会有误差产生；由于P8点的风速数值较小，其测试值与模拟值的相对误差为 18.75%，除了P8点外9个测量点气流速度的测试值与模拟值相对误差均小于8%，测试值与模拟值基本吻合，说明了本研究建立的CFD模型以及CFD模拟的可靠性。

4 结论

本研究对新型密集烤房内气流分布进行了CFD模拟和现场实测，10个测量点的气流速度测试值与模拟值基本吻合，相对误差一般<8%，说明了本研究建立的CFD模型以及CFD模拟的可靠性。根据CFD模拟结果，得出以下结论：回风孔数量的增加可以显著增加烤房内部气流的平均速度，有效改善烤房内部的通风效果。回风孔数量不宜过少，过少的回风孔数量会导致烤房内部气流分布均匀性较差；在分隔板上均匀布置回风孔时，可以选择较多的回风孔数量。对于既有的新型密集烤房，在回风孔数量不变的情况下，导流板的设置对烤房内部气流均匀性的影响较明显，当导流板与竖直方向夹角为15°时，烤房内部气流分布均匀性最好。在回风孔数量保持不变，不设置导流板的情况下，出风口在烤房顶部模型通风效果稍好于出风口在底部模型。

根据以上结论，提出新型密集烤房结构优化建议：在烤房中设置48个回风孔、与竖直方向夹角为15°的导流板以及在烤房顶部设置出风口。

参考文献：

[1]Johnson W H. Influence of harvesting and process variables on bulk curing of bright leaf tobacco[J]. Transactions of the ASAE，1965，8（3）：354-357.

[2]王卫峰，陈江华，宋朝鹏，等. 密集烤房的研究进展[J]. 中国烟草科学，2005，26（3）：12-14.

[3]向裕华，张宗锦，李华兵，等. 碳氢有机质燃料烘烤设备在密集烤房中的应用[J]. 农业工程学报，2014，30（2）：219-223.

[4]曾 中，汪耀富，肖春生，等. 密集烤房碳纤维增强水泥基复合材料供热设备的设计与试验[J]. 农业工程学报，2012，28（11）：61-67.

[5]Hwang K J，Wu S E. Disk structure on the performance of a rotating-disk dynamic filter：a case study on microalgae microfiltration[J]. Chemical Engineering Research & Design，2015，94：44-51.

[6]Xu Y，Guan Z，Xuan L，et al. Structural optimization of downhole float valve via computational fluid dynamics[J]. Engineering Failure Analysis，2014，44（9）：85-94.

[7]陈树人，肖 君，饶师任，等. 黄花苜蓿收获机吹送装置气流速度场CFD分析[J]. 农业工程学报，2016，32（12）：39-46.

[8]吴 云，张 楠，张宏伟，等. 膜曝气生物膜反应器内流场的CFD模拟及组件优化[J]. 化工学报，2015，66（1）：402-409.

[9]董全成，冯显英，张成梁. 基于CFD的气流式皮清机内部流场[J]. 东北大学学报（自然科学版），2015，36（4）：537-541.

[10]傅泽田，王 俊，祁力钧，等. 果园风送式喷雾机气流速度场模拟及试验验证[J]. 农业工程学报，2009，25（1）：69-74.

[11]陈发元，汪小旵，丁为民，等. 果树喷雾用圆盘风扇三维气流速度场数值模拟与验证[J]. 农业机械学报，2010，41（8）：51-55.

[12]陈 宁，廖胜明，饶政华. 青藏高原低气压旅客列车车厢速度场及温度场的数值模拟研究[J]. 铁道学报，2013，35（10）：18-23.

[13]吕 洁，吴亚平，周 勃，等. 低屋面横向通风牛舍倾斜导流板流场数值模拟[J]. 沈阳工业大学学报，2015，37（6）：700-704.

[14]刘 慧，涂福炳，谢 韬，等. 基于风扇强制对流的茯茶烘房数值优化研究[J]. 工业加热，2016，45（1）：39-41.

[15]赵 庚，陈广元. 基于Fluent的节能型干燥窑内部结构优化研究[J]. 森林工程，2015，31（3）：47-53.

[16]Bai Z，Guo D，Li S，et al. Analysis of temperature and humidity field in a new bulk tobacco curing barn based on CFD[J]. Sensors，2017，17（2）：279.

[17]王福军. 计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M]. 北京：清华大学出版社，2004：7-11.

[18]邓书辉，施正香，李保明，等. 低屋面横向通風牛舍空气流场CFD模拟[J]. 农业工程学报，2014，30（6）：139-146.张善文，张晴晴，齐国红，等. 基于改进K中值聚类的苹果病害叶片分割方法[J]. 江苏农业科学，2017，45（18）：205-208.