本發(fā)明屬于煙草加工，更具體地，涉及一種基于cfd-dem數(shù)值模擬的柱狀柔性煙絲烘干的仿真分析方法。

背景技術(shù)：

1、伴隨著卷煙行業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)卷煙內(nèi)在品質(zhì)要求也越來越高。世界范圍內(nèi)約有130多個(gè)國家和地區(qū)種植煙草，其工業(yè)產(chǎn)品卷煙帶來的經(jīng)濟(jì)效益是巨大的；目前，在國內(nèi)外生產(chǎn)的卷煙成套設(shè)備中，大多數(shù)都設(shè)計(jì)了能夠?qū)熃z進(jìn)行烘干的相應(yīng)裝置，但對(duì)出口煙絲水分目標(biāo)值以及出口煙絲水分穩(wěn)定性的控制仍然達(dá)不到理想效果，還需對(duì)烘絲過程進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。煙絲的烘干在煙草加工中是一個(gè)至關(guān)重要的步驟，它直接影響煙絲的質(zhì)量和加工效率。然而，現(xiàn)有的傳統(tǒng)烘干技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在多方面的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的烘干設(shè)備主要依賴熱風(fēng)對(duì)流加熱，這種方法雖然能滿足基本的烘干需求，但在溫度和水分的控制上卻難以做到精確。由于熱風(fēng)流動(dòng)的不均勻性和烘干過程中的溫度波動(dòng)，煙絲的水分往往難以穩(wěn)定控制，這不僅影響了最終產(chǎn)品的質(zhì)量，還導(dǎo)致了能源和資源的浪費(fèi)。此外，傳統(tǒng)方法難以保證煙絲的均勻烘干，容易出現(xiàn)局部過熱或烘干不均，進(jìn)而影響煙絲的整體一致性。盡管在烘干筒內(nèi)安裝了傳感器來監(jiān)測(cè)煙絲的溫度和水分，但這種傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)仍面臨著耗損較大、數(shù)據(jù)空間分辨率不足等問題，難以全面捕捉烘干過程中復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化。

2、另一方面，實(shí)際的煙絲在熱加工過程中呈現(xiàn)出復(fù)雜的形狀和彎曲度，進(jìn)行精確幾何建模和模擬面臨巨大挑戰(zhàn)。煙絲在烘干過程中姿態(tài)復(fù)雜且數(shù)量龐大，使得精確建模和仿真計(jì)算變得幾乎不可能，導(dǎo)致現(xiàn)有技術(shù)難以充分預(yù)測(cè)和優(yōu)化烘干過程；這些問題限制了對(duì)烘干過程的深入理解和優(yōu)化改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足本發(fā)明提出了一種基于cfd-dem(計(jì)算流體力學(xué)-離散元法)數(shù)值模擬的柱狀柔性煙絲烘干仿真分析方法。通過將流場(chǎng)流動(dòng)特征參數(shù)與柔性煙絲顆粒模型直接耦合，構(gòu)建流-熱-固三場(chǎng)耦合系統(tǒng)，從而精確模擬煙絲在滾筒烘絲機(jī)內(nèi)的溫度和水分變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)出口煙絲水分的精確控制，降低水分波動(dòng)性，提高煙絲利用率，并減少資源浪費(fèi)。

2、本發(fā)明提供一種基于cfd-dem數(shù)值模擬的柱狀柔性煙絲烘干的仿真分析方法，包括以下步驟：

3、步驟(1)針對(duì)煙絲在烘干過程中的物理特性和幾何屬性，對(duì)煙絲特征進(jìn)行參數(shù)化表征；

4、步驟(2)根據(jù)步驟(1)中所得物理特性和幾何屬性參數(shù)，對(duì)柱狀柔性煙絲數(shù)字化模型進(jìn)行構(gòu)建；

5、步驟(3)根據(jù)滾筒實(shí)際模型，通過三維空間感知技術(shù)獲取滾筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)滾筒烘絲機(jī)進(jìn)行數(shù)字化建模；

6、步驟(4)對(duì)滾筒烘絲機(jī)入口處抄板和滾筒內(nèi)部抄板進(jìn)行幾何建模，使其能夠?qū)熃z進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁?/p>

7、步驟(5)設(shè)置不同夾角抄板、不同數(shù)量抄板、以及不同傾斜角度滾筒，使仿真結(jié)果具有對(duì)比性，便于進(jìn)行分析對(duì)比；

8、步驟(6)設(shè)置不同工藝參數(shù)值，使仿真結(jié)果具有對(duì)比性，便于進(jìn)行分析對(duì)比；

9、步驟(7)將各個(gè)工況下不同時(shí)刻的工藝參數(shù)擬合為動(dòng)邊界條件，作為cfd仿真的邊界條件，以提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性；

10、步驟(8)在cfd中進(jìn)行流場(chǎng)仿真，改變烘絲過程中的各個(gè)工藝參數(shù)，以形成不同流場(chǎng)，便于進(jìn)行對(duì)比分析；

11、步驟(9)通過cfd與dem耦合，針對(duì)烘絲過程中的溫度場(chǎng)-流場(chǎng)-離散元之間的場(chǎng)量傳遞進(jìn)行數(shù)值仿真，得到煙絲在烘干過程中溫度和能量的變化特征；

12、步驟(10)提取流-熱-固耦合分析中的有限元結(jié)果，研究穩(wěn)態(tài)條件下滾筒內(nèi)溫度場(chǎng)、流場(chǎng)與煙絲溫度變化，建立煙絲溫度和含水率與工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系模型。

13、針對(duì)步驟(1)，所述煙絲在烘干過程中的物理特性和幾何屬性，包括密度和熱導(dǎo)率；

14、密度(ρ)

15、其中，m是煙絲的質(zhì)量，v是煙絲的體積；

16、熱導(dǎo)率(k)

17、其中，q是熱流量，t是溫度，x是空間坐標(biāo)；

18、針對(duì)步驟(2)，所述柱狀柔性煙絲數(shù)字化模型進(jìn)行構(gòu)建，包括柱狀煙絲體積；

19、柱狀煙絲體積(vc)

20、其中，d是煙絲的直徑，l是煙絲的長度；

21、針對(duì)步驟(3)，所述滾筒實(shí)際模型，包括筒蓋、外抄板、滾筒、內(nèi)抄板、以及后室等幾個(gè)主要部分，其中滾筒作為關(guān)鍵組件，在煙絲干燥中發(fā)揮著重要作用，主要對(duì)滾筒進(jìn)行數(shù)字化建模，使其更加符合實(shí)際模型。

22、所述滾筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括滾筒體積；

23、滾筒體積(vd)

24、其中，d是滾筒直徑，l是滾筒長度；

25、針對(duì)步驟(7)，所述動(dòng)邊界條件，指某個(gè)工藝參數(shù)值隨時(shí)間變化而變化的函數(shù)表達(dá)式，熱風(fēng)溫度的動(dòng)邊界表達(dá)式為：

26、熱風(fēng)溫度＝273.15[k]+1[k*s^-10]*(

27、+1[s^10]*(111.96569395263201)

28、+1[s^9]*(0.0004188627708866421*t)

29、+1[s^8]*((-8.371064963974362*10^-7)*t^2)

30、+1[s^7]*((2.6830897064978515*10^-7)*t^3)

31、+1[s^6]*((-4.0757590047534094*10^-8)*t^4)

32、+1[s^5]*((1.206914329667954*10^-9)*t^5)

33、+1[s^4]*((-1.6579104528725397*10^-11)*t^6)

34、+1[s^3]*((1.2530831389205095*10^-13)*t^7)

35、+1[s^2]*((-5.378227406468468*10^-16)*t^8)

36、+1[s^1]*((1.2315157295562552*10^-18)*t^9)

37、+(-1.1701372171629463*10^-21)*(t^10))

38、熱風(fēng)速度的動(dòng)邊界為：

39、熱風(fēng)速度＝1[m?s^-1*s^-10]*(

40、+1[s^10]*(3.7964579175071678-1.419)

41、+1[s^9]*(0.006129336511330755*t)

42、+1[s^8]*((-0.0006362252273160924)*t^2)

43、+1[s^7]*((2.838144604329849*10^-5)*t^3)

44、+1[s^6]*((-6.859867900257946*10^-7)*t^4)

45、+1[s^5]*((1.0005551020404074*10^-8)*t^5)

46、+1[s^4]*((-9.224627002150974*10^-11)*t^6)

47、+1[s^3]*((5.411624454624429*10^-13)*t^7)

48、+1[s^2]*((-1.9570475680071348*10^-15)*t^8)

49、+1[s^1]*((3.973583531338013*10^-18)*t^9)

50、+(-3.462499263182982*10^-21)*(t^10))

51、其中k代表開爾文溫度單位，s為書簡(jiǎn)單位-秒，t代表時(shí)間；

52、針對(duì)步驟(8)，所述流場(chǎng)仿真，對(duì)于筒內(nèi)空氣，可視為湍流流動(dòng)模型，選擇realizable?k-ε模型進(jìn)行數(shù)值模擬，其質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量方程表達(dá)式為：

53、

54、式中：t為時(shí)間；ρ為流體密度；u為速度矢量；i為單位矩陣；k為粘性應(yīng)力張量；f為體積力矢量。

55、realizable?k-ε模型的運(yùn)輸方程由湍動(dòng)能方程和湍動(dòng)耗散率方程兩方程組成，其表達(dá)式為：

56、湍動(dòng)能方程:

57、湍動(dòng)耗散率方程：

58、其中

59、

60、式中：ρ為流體密度，t為時(shí)間，k為湍流動(dòng)能，ε為湍流耗散率，μi為速度矢量，v為運(yùn)動(dòng)粘度，x為位置矢量，μ為動(dòng)力粘度，μi為湍流粘度，gk為由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，c1、c2為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，σk、σε為與湍流動(dòng)能k和耗散率ε二者相對(duì)應(yīng)的prandtl數(shù)，σk＝1.0，σε＝1.2，c2＝1.9。

61、針對(duì)步驟(9)，所述溫度場(chǎng)-流場(chǎng)-離散元之間的場(chǎng)量傳遞進(jìn)行數(shù)值仿真，其中煙絲顆粒溫度的變化控制方程為：

62、

63、式中cp為顆粒的比熱；為顆粒與顆粒或顆粒與壁面接觸時(shí)的換熱；為顆粒與流體之間的換熱。

64、其中控制煙絲顆粒的平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制方程如下：

65、

66、式中mp為質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量；fc為質(zhì)點(diǎn)和質(zhì)點(diǎn)壁相互作用的接觸力；ωp為角速度矢量；jp為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量張量；mc為引起質(zhì)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的切向力產(chǎn)生的凈轉(zhuǎn)矩；mf→p為由于流體相速度梯度產(chǎn)生的附加扭矩。

67、通過曳力模型將流場(chǎng)信息轉(zhuǎn)化成柔性煙絲顆粒所受的流體曳力，將流場(chǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入dem，此時(shí)cfd與dem兩者之間通過一定的模型進(jìn)行質(zhì)量和能量的傳遞，實(shí)現(xiàn)耦合。

68、進(jìn)一步的，所述步驟(1)(2)中，通過參數(shù)表征煙絲的物理特性和幾何屬性，構(gòu)建柱狀柔性煙絲模型，提高仿真效率，為使煙絲水分達(dá)到目標(biāo)值及提高煙絲水分的穩(wěn)定性提供一種快速優(yōu)化手段。

69、進(jìn)一步的，所述步驟(3)中，通過三維空間感知技術(shù)，對(duì)滾筒烘絲機(jī)實(shí)體發(fā)射平行激光束并接受反射信息，得到包含采樣點(diǎn)三維坐標(biāo)等信息的云數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)模型的構(gòu)建。

70、進(jìn)一步的，所述步驟(4)中，通過將實(shí)際滾筒內(nèi)的抄板尺寸進(jìn)行放大重建，使煙絲能夠被充分?jǐn)嚢?，提高煙絲在滾筒內(nèi)的松散場(chǎng)程度。

71、進(jìn)一步的，所述步驟(5)(6)中，通過改變其結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)，可以分析對(duì)比出烘絲過程中最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)。

72、進(jìn)一步的，所述步驟(7)中，不同時(shí)刻的各個(gè)工藝參數(shù)不同，為了提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，將各個(gè)時(shí)刻的工藝參數(shù)擬合為隨時(shí)間變化的函數(shù)形式。

73、進(jìn)一步的，所述步驟(8)(9)中，將流場(chǎng)流動(dòng)特征參數(shù)與柔性煙絲顆粒模型進(jìn)行直接耦合，構(gòu)建流-熱-固耦合系統(tǒng)，精確表征煙絲在滾筒內(nèi)的溫度和水分變化規(guī)律。

74、進(jìn)一步的，所述步驟(10)中，對(duì)不同工況下的煙絲溫度和煙絲水分進(jìn)行對(duì)比，分別統(tǒng)計(jì)出口煙絲的含水率，得出煙絲溫度和含水率與工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系模型；在滿足出口煙絲水分達(dá)到目標(biāo)值及提高煙絲水分的穩(wěn)定性的前提下，對(duì)工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

75、與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用上述技術(shù)方案的有益效果：

76、與已有技術(shù)相比，本發(fā)明采用柱狀柔性顆粒結(jié)構(gòu)來構(gòu)建煙絲模型，在保證烘絲工藝能夠正常進(jìn)行的前提下，降低了煙絲形狀的復(fù)雜程度，極大提高了計(jì)算速度，能夠更高效的模擬出煙絲的烘干過程，進(jìn)一步優(yōu)化各個(gè)工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)。在dem中直接導(dǎo)入cfd數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合仿真，能夠?qū)⒘鲌?chǎng)流動(dòng)特征參數(shù)與煙絲顆粒模型進(jìn)行直接耦合，構(gòu)建流-熱-固三場(chǎng)耦合系統(tǒng)，精確模擬出整個(gè)煙絲烘干過程。

77、通過對(duì)抄板模型進(jìn)行放大重建，使煙絲能夠被充分?jǐn)嚢?，提高煙絲在滾筒內(nèi)的松散場(chǎng)程度，防止由于部分煙絲結(jié)團(tuán)，導(dǎo)致煙絲溫度和水分達(dá)不到目標(biāo)值。通過設(shè)置不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)的對(duì)照試驗(yàn)，可以分析出適合薄板烘絲過程的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)。在dem環(huán)境中可創(chuàng)建cube，將烘干后滾筒內(nèi)的煙絲分成32個(gè)分區(qū)，直接統(tǒng)計(jì)出各個(gè)分區(qū)內(nèi)煙絲的平均溫度和平均含水率的詳細(xì)數(shù)據(jù)，便于直觀分析出煙絲溫度和含水率的變化規(guī)律以及兩者之間的相互影響關(guān)系。