第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
烟草行业的税利一直是我国税收的主要来源之一，国家烟草专卖局公布 2016 年，全国种植烟叶 1619.5 万亩，收购烟叶 4216 万担，该行业实现工商税收 10795 亿元，上缴 10006 亿元的财务总额。“十三五”规划期间，贯彻落实《烟草专卖法》相关条例，为烟草经济增长提供其坚实的制度保障，我国吸烟人口众多，虽然在禁烟的大环境下，但是由于其成瘾性，数量仍然可观，并且中国烟草总公司资金资产实力雄厚，流动资金充裕，烟草行业可以带动我国贫困地区的经济发展，起到助民脱贫的作用(蒋志兴等2016)。在我国烟草行业垄断的大环境下，需要通过不断地推行技术革新以达到提高企业经济效益并且优化产业结构的目的，所谓技术革新，包括对栽培技术、烘烤工艺、生产线工艺以及生产装备等方面的优化与提高。我国烟草行业中单就卷烟一项，占据其整个税收的绝大部分，提高卷烟生产效率与质量势在必行(徐传谌等 2010)。卷烟生产过程包括烟草种植、烟草烘烤和烟丝制备等步骤，每一个步骤都会对最终生产的卷烟质量有所影响，而烟草烘烤作为烟叶采摘后的第一道处理程序，其关键性不言而喻。烤房是可以结合烤烟烘烤工艺使烤烟形成其特有的品质特征的一种烟草烘烤设备，烤房的好坏在很大程度上可以影响烟草烘烤的质量。烤房有很多种类，分别适用于不同的环境下，在一些条件较差的烟草种植地区依旧有传统烤房的使用，但是密集烤房是未来的趋势，在很多烟草产区，均有密集烤房的应用，其周围可以找到废弃的传统烤房，这也是历史进程的体现。密集烟草烤房通过风机进行强制通风，这也同时增加了烟草烤房多样结构的可能性，在多种通风方式中，气流从下往上(Tippayawong et al. 2006;Siddiqui. 2001)和气流从上往下(Fang et al. 2011)最为常见的；并且其增加的热风循环功能，也极大地提高了烟草烤房内部热量的利用效率。以变黄期、干筋期、定色期作为烟叶烘烤过程的划分标准是比较常见的(Abubakar etal. 2003)；在烘烤过程中，烟草叶片中水分以及酶是主要的变化成分(Wisniowskakielianand Kielian. 2007; Gong et al. 2006; Song et al. 2010)。在水分蒸发和酶促反应的作用下，烤房内部环境会产生变化，而烤房内部环境反过来会对烟草烘烤的效果产生影响，烘烤过程也是对烤房内部环境调控的一个过程，所以对密集烤房内部环境的研究是有必要的(Bai et al. 2017)。目前对烤房内部环境的了解主要是通过烘烤经验(崔立华等 2010; 刘光辉等 2011)，或者是通过传感器测量与预估得到，利用烤房内部环境信息对烤房结构的设计与改进以及研究烘烤过程参数、烤房结构对烘烤效果的影响等此类问题是比较热门的烤房研究话题，此类研究多数是通过采用对比试验的方法来得到结论，而采用试验方法进行分析会耗费较大的人力物力资源(孙刚等 2015; 陈献勇等 2012)。
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1.2 国内外研究现状
国外在烤烟设备研究上起步较早，目前欧美等发达国家在烟草种植上由农场主承包，大规模种植生产，同一批次烟叶性状基本相同，在烤房方面也基本实现自动化烘烤；而国内没有大规模种植的条件，多数是与当地农民协议种植烟草，并进行一定的补偿，这样无法保证烟草的质量一致性，不同地区烟草大小，性状差异较大，在烟草烘烤上普及自动化相对难度增加，地区烤房差异性也比较大。传统烤房在经济落后、烤烟设备推广较差的地区应用还比较多，因为传统烤房建造简单以及成本低，但是传统烤房烘烤效果差，效率低，而且一般在使用传统烤房的地区，其烟草烘烤知识匮乏(Siddiqui. 2001)。1960 年，在美国北卡罗来纳州试验性地建造了第一个的烟草密集烤房(Johnson et al. 1960)；随后，对密集烤房的关注度逐渐增加，并且展现出对过往烟草烤房的取代趋势。Scott(1965)在白肋烟烤房中引用一个强制热气流循环系统用来防止烤房内部的高湿环境，这也是密集烤房的一个特点；密集烤房在田野试验投入生产实践，并研究自然通风对密集烤房的影响(L. R. Walton. 1993; L. R. Walton.1994; Walton et al. 1980)；在每年烟叶成熟时，烤房投入使用，其他季节密集烤房可以作为仓库进行货物存储(Hart and Mather. 1961; Russo. 2012)；由于传统烤房存在的缺点，密集烤房以克服原来传统烤房的缺点为原则进行设计，并进行烘烤试验，对比传统烤房烘烤效果，验证所设计密集烤房的合理性(胡云见 2003; 李虎林等 2003; 普匡等 2008; 杨光波 2008)；甚至可以不单独选地建造密集烤房，利用过往烟草烤房的房体，添加新烤房的元素，改造成密集烤房，提高传统烤房工作效率，而且节省大量的工程费用(王建安等 2009; 王亚辉等 2006; 徐增汉等 2006)。传统烤房主要以燃煤或是薪柴的方式来为其提供热量，密集烤房的出现使得每房消耗燃料量大量提高，大量燃烧势必会对环境产生不好的影响，Siddiqui 等(1996)对传统烤房使用薪柴作为燃料的情况进行研究，薪柴的燃烧产生了大量的污染物，可见寻找新能源是必须的。于是随处可见的米糠和秸秆成为了燃料的替代物，实验研究分析，米糠和秸秆的燃烧热量是满足烤房工作温度的，并且其产生的燃烧污染物低于薪柴(Dasguptaet al. 1991; Tippayawong et al. 2006)；将生物质能作为燃料本身就是一种能源的巧妙利用，不仅可以减少原本生物质对环境的污染，还可以作为能源进行生产价值的创造，密集烤房使用生物质能，不仅稳定了烤房内部的温度，而且大量减少了煤炭消耗量(Xiao et al.2015; 兰树斌等 2016; 王建安和刘国顺 2012; 杨世关等 2003)；新能源的出现也自然作为密集烤房的燃料进行尝试，其中包括太阳能、空气能和沼气等(贺智谋等 2013; 李绍德 2015; 张宗锦等 2014)；对密集烤房各种能源利用率、经济效益等的综合比较以及对比分析的实验研究有很多学者在进行，对适用于当地的能源进行了选择(Raju. 1989; 蔡剑锋等 2013; 张大斌等 2016)；集中供热大批量烤房可以提高能源的利用率，但是一次性投入大、适用范围小(刘磊等 2011)。
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第二章 烘烤过程烤房温湿度和烟叶重量变化的试验研究
本章主要介绍新型密集烤房以及烘烤试验的材料和方法，并且对烘烤过程中温湿度和烟叶重量的变化进行分析。获取的试验数据应用于后续计算流体力学模型的建立。新型密集烤房由热泵进行供热，加热部分位于装烟部分的上方，通过调节两侧循环风机的方向，控制烤房内部气流运行轨迹。烘烤试验于 2016 年 8 月在河南省许昌市襄城县紫云山里川烟草合作社进行。
2.1 新型密集烤房
新型密集烤房地处河南省许昌市襄城县紫云山里川烟草合作社（北纬 33°47′，东经 113°23′），新型密集烤房的三维结构图见图 2-1（隐藏一面外墙有利于结构展示）。该新型烟草烤房总体积为 85 m3，其长 8.2 m，宽 2.9 m，高 3.56 m；烤房壳体材料选择的是 200 mm 厚的聚氨酯夹芯板，包括烤房的地基、四周的墙体、顶棚以及烤房内部内置的一个分隔板，其中分隔板距离地面 2.75 m，烤房由厂家工人施工搭建，烤房内部由分割板分成上下两个部分，分隔板下方是新型密集烤房的装烟区域，即烘烤区域，图中绿色架子为铁制装烟架，装烟架的长宽高分别为 7.3 m，2.7 m 和 2.6 m，可悬挂上中下三层以及左右两排烤烟烟叶；聚氨酯分隔板上开设有通风孔和紧急维修窗，分隔板上方是回风区域，两侧分别设置有一个轴流风机机组、一套加热热源以及一套辅助电加热设备，每个轴流风机机组包括三台轴流风机；烤房顶部放置有两台空气源热泵，并且开设有两个排湿口，排湿口与烤房的烘烤区域相连，还有一个进风口，与烤房的回风区域相连。烤房左右两侧墙壁上分别设有两个挡板，其中间设有一个导流板，导流板可以调节角度，右侧墙上开有装烟门，在四周外墙上开有观察窗若干，并且在被隐藏的外墙上安装有烤房的控制器，其旁边设置有烤房的电源箱。
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2.2 试验材料及方法
在烟叶盛产的季节，烟叶在田间生长，当地烟农会与烤烟单位合作，由烟农采摘田间的烟叶，一般每批次采摘是同一层的烟叶，这样可以大致保证每一批次的烟叶形状质量基本相同，在烟叶进行烘烤之前，烟农将采摘下来的烟叶绑在烟杆上，这样方便烟叶进行批量的烘烤，成杆的烟叶作为烘烤试验的试验材料，图 2-3 展示了烟叶采摘成杆的过程。重量测量装置由挂烟杆、绳子、烟架、重力传感器、烟叶、信号线、信号变送器、无纸记录仪构成；烟叶绑在挂烟杆上；烟架是固定不动的；重力传感器上部通过绳子与烟架相连，下部通过绳子与挂烟杆相连，中部连接有信号线；信号变送器一端通过信号线与重力传感器相连，另一端通过信号线与无纸记录仪相连；无纸记录仪用于实时显示并存储重力数据。挂烟杆一端通过绳子、重力传感器、绳子与烟架相连，另一端通过绳子直接与烟架相连，烟杆始终保持水平状态；重力传感器在烤房内部，测量整个烘烤过程中烟草重量的变化，信号变送器与无纸记录仪放置在烤房外面，方便烘烤过程中的观察，从而了解烤房内部烟草失水的情况。
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第三章 烘烤过程中烟叶水分蒸发模型研究..........19
3.1 水分蒸发模型分析.......... 19
3.2 多相流水分蒸发模型...... 22
3.3 离散相水分蒸发模型...... 25
53.4 水分蒸发模型的选择...... 26
3.5 本章小结........ 26
第四章 基于 CFD 的新型密集烤房温度场和湿度场的研究....27
4.1 新型密集烤房物理数学模型............ 27
4.2 新型密集烤房温度场和湿度场分布的验证与分析............ 35
4.3 多孔介质参数对烤房温度场的影响......... 40
4.4 循环风机配置对烤房温度场的影响......... 42
4.5 本章小结........ 43
第五章 新型密集烤房的结构优化设计.........44
5.1 新型密集烤房模型及网格划分........ 44
5.1.1 烤房三维模型........... 44
5.1.2 烤房网格划分........... 44
5.2 数值求解设置......... 45
5.3 通风孔数量对烤房流场的影响........ 46
5.4 导流板角度对烤房流场的影响........ 48
5.5 排湿口位置对烤房流场的影响........ 50
5.6 本章小结........ 50
第五章 新型密集烤房的结构优化设计
本章主要以新型密集烤房为对象，研究通风孔数量、导流板角度以及排湿口位置对烤房内部气流速度场的影响，对烤房结构进行优化设计。建立烤房三维模型，并进行网格划分。气流不均匀系数和平均速度作为烤房内部气流评价指标。
5.1 新型密集烤房模型及网格划分
5.1.1 烤房三维模型
CFD 模型的数值模拟的气流速度场多用于对装备部件的改进以及对大空间环境结构的优化，如对苜蓿收获机气流吹送部件的改进设计以及对青藏高原列车车厢内部气流速度场的分析以优化其结构(陈树人等 2016; 陈宁等 2013)。本章利用新型密集烤房内部气流速度场对空房状态下的烤房进行结构的优化设计，因为装烟的新型密集烤房烘烤区域基本被烟草装满，流经多孔介质区域的气流速度很小，所以只对空房状态的新型密集烤房气流速度场进行分析，研究通风孔数量以及导流板角度对烤房内部气流的影响，建立的新型密集烤房 CFD 气流速度场的三维模型如图 5-1 所示。应用 ICEM CFD 15.0 软件进行网格划分，因为研究不同通风孔数量和导流板角度的模型对烤房气流速度场的影响作用，要建立多个烤房 CFD 网格文件，每一个网格文件的网格信息是不同的，只分析如图 5-2 所示的网格，其网格间隙为 50 mm，一共有 677192个网格单元，2066717 个网格平面，最小正交质量为 0.71，最大横纵比为 3.39，可见网格质量较好，可以作为新型密集烤房气流速度场数值计算的网格模型。
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结论
本研究基于计算流体力学技术对新型密集烤房内部流场进行分析。分析烤房内部流场环境，基于 CFD 技术建立新型密集烤房的水分蒸发模型，对烤房内部热湿环境进行数值模拟，利用烟草烘烤试验数据对所建立烤房 CFD 模型进行验证，并分析烤房内部温湿度分布情况。将烟草区域作为多孔介质模型研究，研究多孔介质参数对烤房内温度分布的作用效果。对烤房内部气流速度场进行 CFD 数值模拟，研究不同通风孔数量、导流板角度和排湿口位置对气流环境的影响，实现对新型密集烤房的结构优化设计。本研究主要结论如下：
（1）对烘烤过程烤房温湿度和烟叶重量变化进行试验研究。利用传感器测量烘烤试验过程中烤房内部温湿度变化情况并进行分析，烟叶上层区域温度始终低于下层区域，烟叶上层区域空气相对湿度高于下层区域，非烟草区域的相对湿度较低并基本保持一致，测量的烟草重量变化用于烤房水分蒸发模型的建模。
（2）确定应用离散相模型对烤房内部烟草水分蒸发进行建模。多相流模型应用在新型密集烤房时，在模型入口边界引入烟草水分，而与水分由烟草叶片排出不相符，在烟草区域设置入口边界，则会影响烤房内部气流流动性；而应用离散相模型对烟草水分蒸发建模，可以在烤房内部任何位置创建非结构平面引入烟草水分，并且不会影响烤房气流流动。所以使用离散相模型用来模拟烟草水分蒸发现象。
（3）针对新型密集烤房内部温湿度场的数值模拟。建立新型密集烤房物理模型并进行网格划分，根据现场实测数据确定烤房 CFD 模型的边界条件与计算参数；按照实况对烟草烘烤过程进行仿真，CFD 软件计算得到的温湿度值与烘烤试验所测量数值的平均相关系数为 0.98，说明所建 CFD 模型可以对烤房内部热湿环境进行预测；烤房内部底部区域温度大于顶部区域，多孔介质内部温度低于其外部区域，而水蒸气质量分数分布与温度相反，利用数值模拟得出的温湿度分布情况，可以在之后的试验过程，利用少数的监测点对整个烤房内部热湿环境进行预测。孔隙率和颗粒平均直径的增加使得多孔介质内部热传导速度变快，烟草烘烤过程中，适当的选择装烟密度可以提高烘烤效率。
（4）对新型密集烤房进行结构优化设计，提出优化建议：在烤房中添加较多的通风孔和较小角度的导流板。建立烤房物理数学模型，对烤房中流体速度场仿真模拟，利用烤房内部平均气流速度和气流不均匀系数对不同通风孔数量、导流板角度和排湿口位置烤房的内部气流进行评判，其中通风孔影响气流平均速度，48 个通风孔较 8 个通风孔的可以提高平均速度 238 %；导流板对气流不均匀系数影响较大，以 15°导流板为代表的小角度导流板比较合适；顶部设置排湿口较底部排湿口可以提高气流速度 5.9 %，并略微提高中上层气流的均匀性。
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参考文献（略）