[发明专利]热风滚筒式凤凰单枞茶茶叶杀青机的流动与传热过程数值模拟分析的方法

权利要求书

1.一种用于茶叶杀青机的传热特性数值模拟方法(热风滚筒式凤凰单枞茶茶叶杀青机的流动与传热过程数值模拟分析的方法)，其特征在于，步骤如下：

(1)使用三维绘图软件绘制杀青机的三维几何模型图：

利用ANSYS中的建模模块对杀青机三维模型进行建模；

(2)建立杀青机的有限元模型并进行求解，具体如下：

A.设定数值模拟的假设条件：

a)杀青机内的散热损失忽略；

b)杀青机机械内部表面无污垢存在；

c)干燥介质流体不含灰分；

d)干燥介质流体为单相(热空气)，流量均匀流入干燥杀青机滚筒；

B.使用流体流动遵循的质量守恒方程、能量守恒和动量守恒方程等基本物理定律，对茶叶干燥杀青机内干燥介质与茶叶固体相耦合的基本控制方程进行分析：

质量守恒方程为：

运动方程为：

能量方程为：

热风滚筒杀青机内茶叶颗粒的运动满足牛顿第二定律，其平动和转动的运动方程如下：

式中：g为重力加速度；ρ为流体密度，kg/m³；U为流体速度矢量；μ为流体的动力黏度，Ps·s；c_p为流体比热容，j/(kg·k)；λ为流体的导热系数，W/(m²·K)；S_T为粘性耗散项；S_i、S_v、S_w为广义源项，对于黏性为常数的牛顿流体，S_i＝S_v＝S_w＝0；x，y，z—流体三维方向的速度分量，m/s；m_pg为茶叶颗粒与热风之间的质量传递；ε为体积分数项；m_p茶叶颗粒质量；u_p为茶叶颗粒的速度；为压力梯度；β两相间动量传递系数；F_pp为茶叶颗粒间相互作用力；F_pw为茶叶颗粒与滚筒壁的作用力；I_P为茶叶颗粒转动惯量；w_p为茶叶颗粒的角速度；M_p茶叶颗粒的合外力矩。

C.采用自由流体阻力模型计算热风在颗粒上的力，其中阻力系数f_d取决于雷诺数Re:

茶叶颗粒运动阻力方程：

茶叶颗粒阻力方程：

茶叶颗粒传热方程：

Q_p1p2＝h_c(T_p2-T_p1)

茶叶颗粒与热风之间对流传热：

茶叶颗粒与热风之间对流换热系数计算：

式中：d_p为茶叶颗粒的等效直径；u为茶叶颗粒与热风将的相对速度；α为数值模拟软件CFD网格单元的自由体积；V为茶叶颗粒体积；F_n茶叶颗粒的法向接触力；r^*为茶叶颗粒的几何平均半径；为茶叶颗粒间的接触面积；k_q为热风的导热系数；Nu_p为无量纲参数，用于表示热对流率与热导率的比值；m_p为茶叶颗粒的质量；C_p为茶叶颗粒的比热容；t杀青时间；h_c为茶叶颗粒间的传热系数；h_pg为热风与茶叶颗粒之间的传热系数。

D.采用k-w模型，流体的湍流动能方程k和扩散方程w的输运方程如下：

式中：Γ_k，Γ_w为k和w的扩散率；G_k为层流速度梯度产生的湍流动能；G_w为w方程产生的湍流动能；Y_k，Y_w为湍流动能的耗散；D_w为正交发散。

E.在Fluent软件中导入热风滚筒式凤凰单枞茶杀青机的三维几何模型，基于A、B、C、D的假设条件建立计算域及物理模型，设置各项参数，主要模拟计算出滚筒式杀青机热风与茶叶颗粒之间的流体流场分布、速度分布、杀青机滚筒内温度场、湍流强度和传热性能。

F.设计滚筒式杀青机热风干燥实验，并将步骤E的数值模拟结果与实验结果进行比较分析，验证了数值模拟方法的适用性。