李秋玫，季旭，兰青，闫磊磊，范全海，于博文

(1.云南师范大学 太阳能研究所,云南 昆明 650500；2.云南师范大学 物理与电子信息学院,云南 昆明 650500)

1 引言

白茶不炒、不揉，最大程度保留了茶叶的原始风味，具有良好的保健功能，在保护心脏、抗糖尿病、抗癌、抗诱变、抗菌和抗肥胖等方面具有重要作用[1].然而，白茶的传统制作过程历时长、受环境及气候的影响较大且人为可控性差，造成白茶的品质不一.采用热风干燥系统[2-3]可调控白茶干燥过程的条件参数以提高品质，但系统内部气流分布会影响白茶在干燥过程中的失水速率，也会影响白茶成茶的品质及色泽.干燥系统内部的结构布置是影响气流场均匀性的关键,若系统开发采用设计—搭建—改进这一流程，存在测试成本高和周期长等缺陷[4];利用CFD[5]软件对系统进行数值模拟，可得到其内部的气流场，进而进行结构优化设计.本文运用CFD软件数值模拟厢式结构模型中气流流经茶叶的气流场，通过增加不同倾斜角度的变截面对系统进行优化，提高了系统内部气流分布均匀性.

2 干燥系统结构设计

拟采用适用于小规模干燥、过程条件变动容易、结构简单且操作方便的厢式结构系统，系统箱体基本参数见表1.

表1 系统箱体基本参数

3 厢式系统气流场数值模拟

3.1 系统的数学模型

为了简化计算，在建立物理模型时做以下假设：系统的箱体密封情况良好，忽略散热影响；根据流体力学的相关知识，当风速小于50 m/s，其密度变化较小，可近似认为气体没有被压缩[6]；气体黏性系数为常数；忽略重力加速度对流动的影响；系统内空气流动具有典型湍流特性，采用标准k-ε方程求解[7].系统内部的流体满足连续性方程和动量方程[8].

在进行模拟时，设定茶叶层厚度为20 mm，将白茶简化为多孔介质，用孔隙率[8-9]描述其稀疏程度.多孔介质模型中的动量源项包括黏性损失项和惯性损失项[10-11].

3.2 物理模型及网格划分

由于在白茶的干燥过程中，系统运行主要以闭式循环为主，只有当系统内部湿度高于设定范围时系统才进行开式循环，故主要模拟研究系统处于闭式循环过程时的气流场分布.使用SpaceClaim对厢式结构系统进行建模(如图1).利用Fluent Meshing对系统进行网格划分，划分出的网格数量为3 695 828个.

图1 厢式结构系统模型

3.3 边界条件

4 结果及分析

4.1 流场均匀性评价

采用均匀性指数γ对系统内部气流场的均匀性进行评价.均匀性指数[12]

表2 边界条件参数设定

4.2 流场分析

由于干燥系统厢体结构具有一定对称性，不同Z值对应的X-Y平面气流场的均匀性相近，故选取Z=650 mm处的X-Y平面进行分析.

图2 气流分布图

图2为厢式结构系统的气流分布图.从图中可以看出，靠近出风口和回风口处的气流速度大，离出风口较远的位置处的气流速度相对较小，箱体内部的气流分布不均匀，对茶叶的制作加工十分不利，易出现上中下层茶叶失水不均匀的情况.明显的气流不均匀区域主要有六个(见图2中环形标识)，气流分布均匀性较差.

图3 气流场流线图

图3为厢式结构系统Z=650 mm处X-Y平面的气流场流线图.从图中可以看出，出风口的气流到达茶叶层后扩散，大部分气流穿过茶叶表层后回到回风口产生涡流，小部分气流向箱体左下流动.

图4 不同茶叶层上表面气流均匀性指数

图4为不同茶叶层上表面的气流均匀性指数(第一层物料盘加支架距箱体内部下表面112 mm).从图中可以看出，随着垂直距离的增加，均匀性指数呈降-增-降-增的趋势变化，第一层物料盘的茶叶上表面气流均匀性最好，第十一层物料盘的茶叶上表面气流均匀性最差，模拟给出整个系统内部的气流均匀性指数为0.697 3.

4.3 优化结构设计分析

针对原始结构在X-Y平面气流分布不均匀的问题，设计在系统内部增加变截面，通过改变变截面的倾斜角度来改善气流的均匀性.

图5 不同倾斜角度的变截面下的气流分布图

图5为系统增加变截面后Z=650 mm处X-Y平面的气流分布图(图中环形标识部分为气流不均匀区域).图5(a)为变截面倾斜角度为5°时的气流分布图，与没有变截面的气流分布图相比，在相近的位置出现6个不均匀区域，部分不均匀区域的面积明显减小，表明系统内部气流均匀性有所改善；图5(b)为变截面倾斜角度为10°时的气流分布图，与变截面为5°时的气流分布图相比，不均匀区域个数降至5个，而且面积较大的不均匀区域明显减小，表明系统内部气流均匀性进一步改善；图5(c)为变截面倾斜角度为15°时的气流分布图，可见不均匀区域减少至3个，而且面积大大减小，表明增加倾斜角度为15°的变截面能够较好地改善系统内部气流均匀性.

图6为变截面不同倾斜角度下，不同茶叶层上表面的气流均匀性指数.从图中可以看出：随着垂直距离的增加均匀性指数均呈现降-增-降-增的趋势变化，所有结构中都是第一层物料盘的茶叶上表面气流均匀性最好，但增加变截面略微降低了均匀性，且随变截面倾斜角度增加呈不规律变化；增加变截面后，随着变截面倾斜角度的增加，气流均匀性最差层略向上偏移；变截面倾斜角度为15°时，系统内部不同茶叶层上表面的均匀性指数波动较为平稳，说明系统内部整体气流均匀性最好.

图6 不同倾斜角度变截面下气流分布图

图7为不同结构系统的茶叶层上表面和整个茶叶层的平均均匀性指数(0°为原始结构).从图中可以看出：通过增加变截面并改变其倾斜角度能够有效改善系统内部气流均匀性，变截面倾斜角度为15°的系统内部气流均匀性最好.

图7 不同结构系统的茶叶层上表面和茶叶层的平均均匀性指数

5 结语

建立厢式结构干燥系统的三维模型，基于标准k-ε湍流模型和多孔介质模型，利用CFD软件模拟了原始厢式结构系统优化前后系统内部空间气流场的分布得到如下结果：

(1)原始厢式结构系统中，靠近出风口和回风道的位置是气流相对较大区域，中下部靠左及最右边部分区域是气流较小区，系统内部空间气流分布均匀性差.

(2)通过增加变截面，改变其倾斜角度，能有效改善系统气流分布不均匀的问题.当变截面的倾斜角度为15°时，系统内部整体均匀性最好.