CN108228963B - 一种烟叶烤机内部流场分析与调整方法 - Google Patents

一种烟叶烤机内部流场分析与调整方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种烟叶烤机内部流场分析与调整方法，通过简化拷机内部设置的风机和孔板的计算模型，建立烟草烤机内部空气流动区域的三维模型，对其进行流体动力学计算，获得拷机内部流场信息，以不均匀系数为评价标准，统计流场内关键区域的流场参数，对烤机内的流场均匀性进行评价，不均匀系数越小表明气流分布越均匀；以原始方案中烤机下方孔板的开孔率和倾斜角度为因素变量，设计正交实验，得到最优因素水平组合；本发明对烟草烤机内部空气的速度场、静压场进行分析和评价，为提高流场均匀性提供参考，可为改进烤机设计提供指导。

Description

一种烟叶烤机内部流场分析与调整方法
技术领域
本发明涉及烟草生产领域，具体的说是一种烟叶烤机内部流场分析与调整方法。
背景技术
在对烟叶进行处理的过程中需要使烟叶湿度达到要求的范围。烟草烤机先将空气加热，使用风机将温度高、湿度低的空气经过下层孔板和网袋吹向烟叶，带走烟叶内水分。烟叶平铺在网袋和上层孔板之间，空气流场的均匀程度直接影响到烟叶湿度的均匀性。传统的实验测量方法时间和经济成本较高，而计算流体力学模拟的方法能够以低成本和较快的速度模拟烤机内流场，为改进烤机设计提供指导。
发明内容
本发明的目的是提供一种烟叶烤机内部流场分析与调整方法，对烟草烤机内部空气的速度场、静压场进行分析和评价，为提高流场均匀性提供参考。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种烟叶烤机内部流场分析与调整方法，包括以下步骤：
步骤一：对烟草烤机内部空气流动区域建立三维模型；
步骤二：以流体力学中的二维风机模型为基础，通过压差跳跃的方法模拟流场中的风机，保留风机壳及出口影响空气流动的结构特征；
步骤三：采用二维风机模型，在计算模型中赋予平面一个跳跃的压差，这个压差可以为常数，也可以为速度的函数，压差与速度的关系用公式（1）表示：
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式中：
Figure RE-466836DEST_PATH_IMAGE002
为风机两侧压差；
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE003
为压差的多项式的系数；
Figure RE-297258DEST_PATH_IMAGE004
为垂直于风扇的速度；
步骤四：建立孔板的计算流体力学模型，以不同速度为计算的输入，以孔板两侧对应的压降为输出，得到一组自变量和因变量；多孔介质的参数依据公式（2）确定；
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE005
（2）
式中：
Figure RE-632424DEST_PATH_IMAGE006
为多孔介质两侧压差；
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE007
为多孔介质厚度；
Figure RE-299029DEST_PATH_IMAGE008
为多孔介质的渗透率系数；
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE009
为多孔介质的阻力系数；
Figure RE-69188DEST_PATH_IMAGE010
为空气密度；
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE011
为空气粘度；
针对多孔介质特征参数计算结果的正负不一致问题，将孔板以及孔板前后区域视为一个整体，将其压降和厚度代入公式（2）进行计算，得到多孔介质的特征参数；
步骤五：以不均匀系数为评价标准，统计流场内关键区域的流场参数，对烤机内的流场均匀性进行评价；
流场参数不均匀系数计算方法如下：
在工作区取n个测点，测得其流场参数，求算数平均值：
Figure RE-567166DEST_PATH_IMAGE012
（3）
计算均方根偏差：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE013
（4）
不均匀系数为：
Figure RE-276496DEST_PATH_IMAGE014
(5)
不均匀系数越小表明气流分布越均匀；
步骤六：以原始方案中烤机下方孔板的开孔率和倾斜角度为因素变量，依据正交实验设计方法，设计正交实验表；
步骤七：对正交实验表内每个方案进行数值模拟实验，对得到的流场计算速度和静压不均匀系数，并对正交实验结果进行极差分析，得到最优因素水平组合；
步骤八：依据最优因素水平组合，再次进行数值模拟实验，将结果与原始方案和正交实验方案进行对比，得到最优调整方案。
公式（2）描述了压降和速度的关系；对速度和压降进行二次曲线的拟合，得到公式（2）的系数，依据公式（2）计算，得到多孔介质的特征参数。
设置入口为压力入口，湍流模型为
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE015
模型，流体介质为理想气体。
采用正交实验与不均匀系数评价标准相结合的方法，选取最优实验因素水平组合为最终装置的优化方案；其中，不均匀系数计算中涉及的参数均由数值实验获得。
本发明的有益效果：
本发明提供的烟叶烤机内部流场分析与调整方法，通过建立烟草烤机内部空气流动区域的三维模型，对其进行流体动力学计算，获得拷机内部流场信息，以不均匀系数为评价标准，统计流场内关键区域的流场参数，对烤机内的流场均匀性进行评价，不均匀系数越小表明气流分布越均匀；以原始方案中烤机下方孔板的开孔率和倾斜角度为因素变量，设计正交实验，得到最优因素水平组合；本发明对烟草烤机内部空气的速度场、静压场进行分析和评价，为提高流场均匀性提供参考，可为改进烤机设计提供指导。
附图说明
图1 本发明烟草烤机结构示意图；
图2 本发明烟草烤机气流组织方案模拟优化流程图；
附图标记：1、进风口，2、换热器，3、风机，4、电机，5、出风口，6、上孔板，7、网袋，8、倾斜孔板，9、整个工作区域。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的阐述。
一种烟叶烤机内部流场分析与调整方法，包括以下步骤：
步骤一：对烟草烤机内的空气流域、孔板、网袋、风机进行三维建模，并做适当的简化；
步骤二：以流体力学中的二维风机模型为基础，通过压差跳跃的方法模拟流场中的风机，保留风机壳及出口影响空气流动的结构特征；在计算模型中直接使用三维模型模拟风机的叶片旋转会增加模型前处理和模拟消耗的时间，适当简化风机模型可以加快计算速度，同时不影响计算结果准确性；设置入口为压力入口，湍流模型为
Figure RE-227134DEST_PATH_IMAGE015
模型，流体介质为理想气体，初始化之后开始计算；
步骤三：采用二维风机模型，在计算模型中赋予平面一个跳跃的压差，这个压差可以为常数，也可以为速度的函数，压差与速度的关系用公式（1）表示：
Figure RE-296590DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式中：
Figure RE-649074DEST_PATH_IMAGE002
为风机两侧压差；
Figure RE-591622DEST_PATH_IMAGE003
为压差的多项式的系数；
Figure RE-967240DEST_PATH_IMAGE004
为垂直于风扇的速度；
步骤四：建立孔板的计算流体力学模型，以不同速度为计算的输入，以孔板两侧对应的压降为输出，得到一组自变量和因变量；多孔介质的参数依据公式（2）确定；公式2描述了压降和速度的关系，对速度和压降进行二次曲线的拟合，得到公式2的系数，依据公式2计算，得到多孔介质的特征参数；
孔板上分布数千个小孔，造成计算的预处理、计算过程、结果后处理等过程繁琐、缓慢。为减小计算量，加快计算速度，同时不影响模拟结果的准确性，将孔板视为二维多孔介质，通过制定多孔介质的渗透率、阻力系数、厚度等特征参数，使计算过程中多孔介质能够取代孔板；
Figure RE-387857DEST_PATH_IMAGE005
（2）
式中：
Figure RE-860427DEST_PATH_IMAGE006
为多孔介质两侧压差；
Figure RE-973876DEST_PATH_IMAGE007
为多孔介质厚度；
Figure RE-587523DEST_PATH_IMAGE008
为多孔介质的渗透率系数；
Figure RE-811831DEST_PATH_IMAGE009
为多孔介质的阻力系数；
Figure RE-873327DEST_PATH_IMAGE010
为空气密度；
Figure RE-95361DEST_PATH_IMAGE011
为空气粘度；
针对多孔介质特征参数计算结果的正负不一致问题，将孔板以及孔板前后区域视为一个整体，将其压降和厚度代入公式（2）进行计算，得到多孔介质的特征参数；
步骤五：以不均匀系数为评价标准，统计流场内关键区域的流场参数，对烤机内的流场均匀性进行评价；
流场参数不均匀系数计算方法如下：
在工作区取n个测点，测得其流场参数，求算数平均值：
Figure RE-507888DEST_PATH_IMAGE012
（3）
计算均方根偏差：
Figure RE-535887DEST_PATH_IMAGE013
（4）
不均匀系数为：
Figure RE-904420DEST_PATH_IMAGE014
(5)
不均匀系数越小表明气流分布越均匀；如果此区域局部存在较大的参数梯度，而对整个区域只求一个不均匀系数，该局部流场的不均匀性就会被忽略，影响最终的烟叶烘干效果。因此将该长方体工作区域依据坐标平均分为九块，对每一块取样点中的速度、压力，计算速度、压力的不均匀系数；
步骤六：以原始方案中烤机下方三块孔板的开孔率和倾斜角度为因素变量，依据四因素三水平的正交实验设计方法，设计正交实验表；正交实验表中的因素水平依据原始方案中的因素水平加减百分之二十确定；
步骤七：对正交实验表内每个方案进行数值模拟实验，依据公式（3）~（5），对每一个实验的模拟结果计算速度和静压不均匀系数，并对每一组实验的速度和静压不均匀系数分别进行极差分析，得到两组最优因素水平组合；
步骤八：依据两组最优水平组合再次进行数值模拟实验，将实验结果与原始方案进行对比，以不均匀系数为评价标准，分别得到速度与静压均匀性最优的实验方案。
依据速度、压力不均匀系数，采取向复烤机内流场添加导流板、改变孔板孔径和间距等方法，使各块不均匀系数减小并且接近，改善流场分布均匀性。
本发明通过建立烟草烤机内部空气流动区域的三维模型，以不均匀系数为评价标准，统计空气流场内关键区域的流场参数，对烤机内的流场均匀性进行评价，不均匀系数越小表明气流分布越均匀；以原始方案中烤机下方孔板的开孔率和倾斜角度为因素变量，设计正交实验，得到最优因素水平组合；本发明对烟草烤机内部空气的速度场、静压场进行分析和评价，为提高流场均匀性提供参考，可为改进烤机设计提供指导。

Claims (3)

1.一种烟草烤机内部空气流场分析与调整方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：对烟草烤机内部空气流动区域建立三维模型；
步骤二：以流体力学中的二维风机模型为基础，通过压差跳跃的方法模拟流场中的风机，保留风机壳及出口影响空气流动的结构特征；
步骤三：采用二维风机模型，在计算模型中赋予平面一个跳跃的压差，这个压差为常数或为速度的函数，压差与速度的关系用公式（1）表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（1）
式中：Δp 1 为风机两侧压差；f n 为压差的多项式的系数；v为垂直于风扇的速度；
步骤四：建立孔板的计算流体力学模型，以不同速度为计算的输入，以孔板两侧对应的压降为输出，得到一组自变量和因变量；多孔介质的参数依据公式（2）确定；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
（2）
式中：Δp 2 为多孔介质两侧压差；Δn为多孔介质厚度；α为多孔介质的渗透率系数；C 2 为多孔介质的阻力系数；ρ为空气密度；μ为空气粘度；
针对多孔介质特征参数计算结果的正负不一致问题，将孔板以及孔板前后区域视为一个整体，将其压降和厚度代入公式（2）进行计算，得到多孔介质的特征参数；
步骤五：以不均匀系数为评价标准，统计流场内关键区域的流场参数，对烤机内的流场均匀性进行评价；
流场参数不均匀系数计算方法如下：
在工作区取m个测点，测得其流场参数，求算数平均值：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
（3）
计算均方根偏差：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
（4）
不均匀系数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
(5)
不均匀系数越小表明气流分布越均匀；
步骤六：以原始方案中烤机下方孔板的开孔率和倾斜角度为因素变量，依据正交实验设计方法，设计正交实验表；
步骤七：对正交实验表内每个方案进行数值模拟实验，对得到的流场计算速度和静压不均匀系数，并对正交实验结果进行极差分析，得到最优因素水平组合；
步骤八：依据最优因素水平组合，再次进行数值模拟实验，将结果与原始方案和正交实验方案进行对比，得到最优调整方案;
采用正交实验与不均匀系数评价标准相结合的方法，选取最优实验因素水平组合为最终装置的优化方案；其中，不均匀系数计算中涉及的参数均由数值实验获得。
2.如权利要求1所述的烟草烤机内部空气流场分析与调整方法，其特征在于：拷机下方布置的均流孔板简化为二维多孔介质模型，公式（2）描述了孔板两侧压降和速度的关系；对速度和压降进行二次曲线的拟合，得到公式（2）的系数，依据公式（2）计算，得到多孔介质的特征参数。
3.如权利要求1所述的烟草烤机内部空气流场分析与调整方法，其特征在于：设置入口为压力入口，湍流模型为
Figure DEST_PATH_IMAGE012
模型，流体介质为理想气体。
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