吴相东，田建平*，黄海飞，黄丹，杨海栗，高剑

（1.四川轻化工大学机械工程学院，四川自贡 643002） （2.四川轻化工大学酿酒生物技术及应用四川省重点实验室，四川自贡 643002）

大曲的优劣直接影响着酒的品质和产量，而曲房的环境湿度对大曲成品质量产生重要影响[1,2]。在大曲霉菌、酵母菌大量生长的前缓期，需保持低温高湿的环境以促进大曲微生物的生长[3]。目前，为防止夏天曲坯表面水分被高温蒸干，以及冬天提高环境温度及湿度，需通过开关门窗和向地面或曲堆覆盖物上撒入大量水以维持合适的曲房发酵环境[4,5]。传统加湿方式存在人员劳动强度大、难以精准调控、且地面容易积水而滋生细菌等问题，造成不同批次或不同位置的曲块发酵质量差异性过大。超声波加湿装置具有加湿效率较高和对温度场影响较小等优点，而被方思贞等[6]用于气调保鲜运输车进行对果蔬保湿。胡松涛等[7]在烟厂对比超声波加湿和蒸汽加湿两种方案，并得到超声波加湿运行费用较低的结论。因此，本文设计一款采用超声波加湿器的管道装置用于解决曲房加湿难题。

为探究不同的水雾输送管道直径、开孔数、开孔直径对管道式加湿装置的加湿效率和加湿均匀性的影响，建立曲房瞬态三维湍流模型对曲房加湿过程进行数值模拟，分析曲房加湿视内部的相对湿度分布规律及各点位相对湿度的差异性。并通过现有的曲房发酵试验平台对相应点位温湿度的变化进行验证，证明了曲房加湿模型的有效性，为以后曲房湿度控制提供理论模型。再通过曲房发酵试验平台进行曲房加湿过程的单因素试验和正交试验，解析不同参数下各因素对加湿效果的影响规律，得到其结构参数设计的两种较优组合，并通过试验对比和验证其加湿性能，最终确定加湿装置最优参数组合，实现对曲房的快速的、均匀的加湿，改善曲房环境污染和加湿不均匀的问题，为后续的曲房湿度控制提供依据。

1 物理模型

已建立的曲房发酵试验平台，是将曲块放入曲房中的曲架上发酵，再在曲块和输送管道上铺一层稻草用于保温保湿，温湿度流场主要动力来源于输送风机，热源通过两侧送风孔板调整曲房内部温度，加湿器产生的水雾通过加湿管道并借助送风机调整曲房内部相对湿度。为了减少不必要的计算量，提高仿真效率，对曲房外部的输送管道和曲房中的曲架进行必要的简化。以1:1的曲房尺寸建立数字模型，总体尺寸为3000 mm×2360 mm×1080 mm，包含曲块、加湿管道、送风孔板三个实体，其中加湿管道直径80 mm、开孔数目为8、开孔直径为20 mm。曲架上放有三层，每层四块曲堆，曲堆总体尺寸为1300 mm×1300 mm×700 mm，每层曲块间存在50 mm的间隙。

2 数学模型

建立曲房中加湿过程流场的数学模型，大曲在发酵过程中会产热产湿且对气流产生阻力，故将其作为多孔介质处理[8]。基本模型包含：曲房的瞬态通用控制方程、多孔介质模型和组分输送模型和k-ε模型。

2.1 瞬态通用控制方程

为表征曲房加湿过程流场变化，采用有限体积法中的瞬态通用控制方程，包括质量、动量和能量守恒方程[9,10]：

式中：

ρ——密度，kg/m3；

u——速度，m/s；

t——时间，s；

φ——广义变量；

Γ——相对应的φ广义扩散系数；

S——广义源项。

2.2 多孔介质模型

为模拟大曲对流场的阻力及本身发酵过程中的产热产湿，采用多孔介质模型来模拟大曲的湿热耦合传递。其方程如下[11,12]：

式中：

Si——i方向动量源项；

C——惯性阻力系数；

D——黏性阻力系数；

|v|——空气流动速率，m/s；

μ——空气动力黏度，N·s/m2；

vj——空气j方向流速，m/s。

其中：

式中：

dp——多孔介质的当量直径，m；

φ——多孔介质空隙率，%。

2.3 组分输送模型

无论是发酵过程还是加湿过程，均涉及水蒸气的流动及传递，且在传递过程中不涉及化学反应，故在此过程中需满足组分输送质量守恒方程，其方程如下[13,14]

式中：

ρ为第i种组分的密度，kg/m3；

Yi为组分i的质量分数，%；

▽为拉普拉斯算子；

Si为组分源项，kg/(m3·s)。

3 初始及边界条件的设定

3.1 边界条件

曲房的流体动力来自水雾输送风机，对模型进行雷诺数求解，其公式如下[15,16]：

求解得曲房的雷诺数达104以上，为高雷诺数紊流模型，判定该模型处于不可压缩湍流状态，故采用k-ε模型。

将加湿管道入口设置为质量流入口，相对湿度为100%，温度为298.65 K，质量流量为0.02 kg/s，H2O的质量分数0.02；将曲房左右两边的送风孔板设置为压力出口，表压为0 Pa。据实际情况各壁面取为对流边界条件，曲房模型各固体材料特性根据工程中的实际参数选取，如表1所示。

表1 自定义材料属性Table 1 Custom material properties

3.2 多孔介质物性参数计算

孔隙率是指多孔介质材料中孔隙体积与总体积之比，其公式如下[17]：

式中：

ρb——材料的表观密度，kg/m3；

ρp——固体材料密度，kg/m3。

随机抽取100个大曲制造原料（粉碎的小麦粒），利用游标卡尺可测得麦粒的长、宽、厚。由椭圆体体积与球体体积相等可得：

式中：

dp——平均当量直径，mm；

ap、bp、cp——分别为长、宽、厚二分之一的平均值，mm。

将曲块的密度作为表观密度，曲块烘干粉碎压实后的密度作为固体材料密度，代入公式（7）得大曲孔隙率约为0.2。通过测量可得小麦颗粒长、宽、厚平均值分别为2.05 mm、1.23 mm、1.05 mm，代入公式（8）可得，小麦粒的平均当量直径dp为2.76 mm。将孔隙率φ与平均当量直径dp代入公式（3）（4）中可得曲块黏性阻力系数3.13×108，惯性阻力系数1.26×105。送风孔板孔隙率为0.31，送风挡板黏性阻力系数为7.4×106，惯性阻力系数为4506。

3.3 模型求解

在流场初始化时，曲房相对湿度初始值为75%，温度为299.65 K；大曲初始相对湿度为80%，温度为300.85 K，并添加各固体材料特性。运用Fluent瞬态求解器对曲房温湿度耦合进行求解，利用标准k-ε湍流模型，结合组分输送模型和多孔介质模型，采用有限容积法，添加全局重力场g=9.8 m/s2。设置时间步长0.5 s，时间步数为1000，每步最长迭代次数设为50次。

4 模拟结果与分析

通过Fluent的迭代运算，曲房内监测点的相对湿度从75%升高至90%的过程共耗费160.5 s。曲堆表面的温湿度分布分别如图2、3所示，曲堆上表面温度略低，相对湿度较高，是因为水雾从输送管道中直接吹向曲堆上表面而产生直接影响；每层曲间和同一层不同曲堆间相对湿度及温度均偏高，这是由于曲块本身作为热源及湿源，间隙不利于散热散湿所导致。曲堆表面相对湿度差值为9.8%。

5 试验验证

为了验证模拟结果的正确性，在曲房加湿实验平台进行实验，检测加湿过程中曲房内温湿度变化情况。试验所用的仪器多乐信DRS-03A型超声波加湿器、赛特TSI9545便携式热线热球风速仪、盛世瑞恩DB4200-DB171-10-N型分体式温湿度传感器[18]。温湿度传感器采集空间内不同点位，其点位分布如4图所示。

打开空调机组和加湿器对曲房内的环境参数进行调节，当曲房内部的温度达到25±0.5 ℃，湿度为75%±2%时，空调机组停止工作，超声波加湿装置持续工作，直至所有传感器均到达90%时停止加湿。将模拟结果和试验结果进行对比分析，以a15点位数据进行加湿速率对比，其相对湿度从75%上升至90%共用时167 s，仿真加湿过程耗时为160.5 s，即偏差值为6.5 s。对比情况如图5、6所示，在相对湿度从84%升高至90%的过程中，相对湿度最大偏差值为1.42%。各传感器试验值和模拟值间最大偏差为1.1%。由图5可以看出，相对湿度变化模拟值与试验值整体趋势基本一致，综上所述，建立的发酵曲房加湿模型具有有效性，为之后探究管道参数对加湿的影响提供模型参考和理论基础。

6 曲房加湿装置工作特性研究

6.1 评价标准

加湿速率：曲房内的平均湿度从75%上升至90%所耗费的时间，其中曲房平均相对湿度为各点位湿度的平均值，表达式如下：

加湿均匀性：通过15个传感器测量值的标准差来衡量，表达式如下：

式中：

D——传感器测量值的标准差；

vn——第n个传感器的测试值；

6.2 单因素试验结果与分析

6.2.1 实验方案

通过改变管道直径、管道开孔数、开孔直径在超声波加湿装置上进行单因素实验[19,20]，实验方案如表2所示。

6.2.2 各实验因素对加湿速率的影响

在曲房中进行单因素实验，得到各因素加湿过程中相对湿度随时间变化的关系如图7所示。由图可知：随着管道开孔数的增加，超声波管道加湿效率不断加快，当开孔数为8时，加湿效率最高，加湿耗时151 s；随着开孔直径的增加，管道加湿效率不断减缓，当开孔直径为20 mm，加湿效率最高，加湿耗时152 s；随着管道直径的增加，管道加湿效率不断加快，当管道直径为120 mm，加湿效率最高，加湿耗时143 s。因此，在单因素实验中，选择了管道直径为120 mm，管道开孔数为8，开孔直径为20 mm作为加湿速率最优组合。

6.2.3 各实验因素对加湿均匀性的影响

单因素试验得到各因素下相对湿度标准差如图8所示。由图可知：随着管道直径的增大，曲房内相对湿度标准差不断增大，当管道直径为80 mm时，相对湿度标准差为2.37，曲房内相对湿度最均匀；随着开孔数的增加，曲房内相对湿度标准差先减小后增大，当开孔数为6时，相对湿度标准差为2.39，曲房内相对湿度最均匀；随着开孔直径的增加，曲房内相对湿度标准差先减小后增大，当开孔直径为30 mm时，相对湿度标准差为2.15，曲房内相对湿度最均匀。因此，选择管道直径80 mm、开孔数为6、开孔直径30 mm为单因素实验加湿均匀性最优组合。

6.3 加湿均匀性正交优化实验

6.3.1 试验方法

通过单因素试验得出管道参数对加湿速率及加湿均匀性的影响趋势，但是该方法需假定各因素间没有交互作用，即单因素结果并不是很精准的优化方案。因此，采用正交试验进行优化和补充。将管道直径（A）、开孔数（B）、开孔直径（C）为试验因素，以相对湿度标准差为试验指标，通过三因素三水平正交优化测量条件[21,22]，因素水平见表3。

表3 实验因素及水平值Table 3 Experimental factors and horizontal values

采用L9(34)正交表安排相对湿度标准差的实验，实验结果如表4所示。

表4 加湿速率正交实验结果Table 4 Orthogonal experimental results of humidification rate

6.3.2 实验结果与分析

通过正交试验与极差分析处理数据[23,24]，当只考虑加湿均匀性时，因素A、B、C的极差分别为0.76、0.73、0.55，因此影响因素的主次顺序为管道直径、开孔数、开孔直径，即A>B>C。且加湿均匀性最佳组合为A1B2C2，即为管道直径为80 mm、开孔数为6、开孔直径30 mm时，曲房内相对湿度最均匀，与单因素实验结果一致。

6.4 对比实验

加湿速率单因素实验最优组合A3B3C1与加湿均匀性正交实验最优组合A1B2C2不一致，为验证最优参数组合，将两个组合分别进行对比实验，每个组合重复两次实验取平均值，对比两组的加湿速率及各点位标准差，实验结果如表5所示，当湿空气流量一定，管道直径越大，管道内部的压力越小，从而流速越慢，导致靠近管道出口的湿空气更多，增加了相对湿度的不均匀性；当开孔数偏少时，会导致输入水蒸气较为集中的问题，而开孔数较大时，会导致越靠近导管两端的开孔流出越少，造成两侧区域相对湿度低于中间区域；开孔直径在单因素试验中有孔径越大加湿时间越长，但标准差却先减小后增加的现象，故而选择加湿管道装置最佳组合为A1B2C2，即管道直径为80 mm、开孔数为6、开孔直径为30 mm。

表5 两组加湿时长及均匀性的比较Table 5 Comparison of humidification time and uniformity between the two groups

7 结论

7.1 通过对曲房加湿过程的数值模拟可得：曲房相对湿度从75%升高至90%需要160.5 s，加湿效果良好，曲堆表面相对湿度差值为9.8%。经过曲房加湿试验验证，模拟值与试验值随时间变化趋势基本一致，相对湿度最大偏差值为1.42%。各传感器试验值和模拟值间最大偏差为1.1%。

7.2 利用单因素和正交试验寻求超声波加湿管道装置中加湿速率和加湿均匀性之间的平衡，并在单因素试验的基础上进行以加湿均匀性为试验指标的正交试验，三个实验因素对加湿均匀性影响程度排序依次为：管道直径、开孔数、开孔直径。通过将单因素加湿速率和正交优化加湿均匀性的最优组合进行对比实验可得：当管道直径为80 mm、开孔数为6、开孔直径为30 mm时加湿效果最好，相较于优化之前加湿时间缩短了6.6%。通过建立曲房模型和加湿管道优化为后续曲房湿度控制和曲块堆码方式优化研究提供理论支撑。