一种基于CFD-DEM数值模拟的卷烟加工中柔性风选过程优化方法与流程

本发明属于烟草加工，更具体地，涉及一种基于cfd-dem数值模拟的卷烟加工中柔性风选过程优化方法。

背景技术：

1、伴随着卷烟行业的不断发展，人们对卷烟内在品质要求也越来越高。目前，在国外生产的卷烟成套设备中，大多数都设计了能够去除梗签等杂质的相应装置。但是，国内卷烟厂使用的大多数设备仍然相对落后，尤其是在梗签剔除工艺中，由于梗签无法全部剔除，导致了卷烟品质的下降和烟丝的浪费。

2、现有的公开发明中，通过柔性风选方法进行烟丝及梗签分离主要针对柔性风选装置结构及风选的过程，如cn202310341238.x、cn202310135502.4、cn202211235852、cn202210753299.2、cn202210707596.3、cn202122196902.5、cn202122096404.3、cn202110676392.3、cn202121359606.6、cn202010015038.1、cn201910086280.5、cn201811438445.2、cn201620538920.3、cn201520567598.2、cn201520567604.4、cn201310072518.1、cn200710019788.0，但对于设备的结构优化及风选过程优化方法则未有涉及。

3、现有技术在烟丝及梗签分选工序常用的风选装置，是利用烟丝和梗签悬浮速度不同，对烟丝及梗签进行分离，剔除烟丝里混合的梗签，此系统分选过程因受到风力大小的波动、梗签结团等因素影响，存在梗签剔除不干净，烟丝误剔率高；并且在实际分离过程中，难以统计烟丝和梗签的分离情况。

4、为了解决以上问题，提出本发明。

技术实现思路

1、本申请针对当前细支卷烟加工过程中梗签剔除效果差，影响产品质量且剔除过程造成烟丝消耗大的突出问题，以有效去除烟丝中梗签为研究目标，基于cfd(流体动力学模拟)-dem(颗粒动力学模拟)数值模拟的细支卷烟加工中柔性风选过程优化的方法，采用风选除杂技术，系统开展烟丝去除梗签工艺和装备开发研究，重点研究烟丝中梗签精准剔除技术、烟丝和梗签风选和气力输送过程仿真分析、烟丝去除梗签工艺与装备开发三个方面，从烟丝和梗签的形状和质量特征杂这两个要素出发，研制出基于风选去除梗签工艺设备原理样机，优化确定柔性风选和气力输送过程关键工艺参数，并进行梗签去除效果验证。本申请可以缓解和解决当前烟丝中梗签剔除难题、提升烟丝质量和产品质量、增强企业经济效益和核心竞争力及支撑中细支卷烟高质量发展提供有效支撑。

2、本发明的目的在于提供一种基于cfd-dem数值模拟的细支卷烟加工中柔性风选过程优化的方法，将流场流动特征参数与烟丝烟梗颗粒模型运动进行直接耦合，构建气-固耦合动力学系统，精确模拟烟丝烟梗的运动轨迹，以优化烟丝及梗签分离的效果，提高烟丝的利用率，降低资源的浪费。

3、本发明采用的技术方案为：一种基于cfd-dem数值模拟的细支卷烟加工中柔性风选过程优化的方法，包括如下步骤：

4、(1)根据细支卷烟加工过程中烟丝和梗签样品，获取烟丝及梗签的物理参数；

5、(2)根据步骤(1)中所得物理参数，构建柱状烟丝和梗签模型；

6、(3)在cfd中进行流场仿真，改变柱状烟丝及梗签所受风力大小以形成不同流场，进行对比分析；

7、(4)在dem中导入cfd数据及柱状烟丝及梗签模型进行耦合仿真，统计烟丝及梗签运动轨迹和分布状态；

8、(5)对仿真结果进行分析对比，建立烟丝及梗签分离效果与柔性风选参数的关系模型，确定合理的烟丝及梗签分离装置的结构尺寸，优化烟丝及梗签分离设备。

9、优选地，所述步骤(1)中，对于卷烟加工过程中的烟丝和梗签，其形状为片装，分别获取其长、宽和厚度几何参数；

10、优选地，所述步骤(2)中，通过控制与实际烟丝及梗签的几何尺寸以及质量相等来构建柱状烟丝和梗签模型以保证柱状烟丝及梗签与实际烟丝及梗签的分离效果一致，从而提高烟丝及梗签分离效率，为烟丝及梗签分离设备的设计研发提供一种快速优化手段。

11、优选地，所述步骤(3)中，设置风速梯度进行仿真对比，寻找最优的分离风速，得出烟丝及梗签分离效果与风速大小之间的关系；

12、优选地，所述步骤(4)中，将流场流动特征参数与烟丝梗签颗粒模型运动进行直接耦合，构建气-固耦合动力学系统，精确模拟烟丝梗签的运动轨迹。

13、优选地，所述步骤(5)中，对不同流场下的烟丝及梗签分离情况进行对比，分别统计烟丝损耗率和梗签剔除率，得出烟丝及梗签分离效果与柔性风选参数的关系模型；

14、在满足烟丝损耗率最小和梗签剔除率最大的前提下，对烟丝及梗签分离设备的尺寸进行优化调整。

15、目前细支卷烟加工过程中梗签剔除效果差，影响产品质量，采用柔性风选有效去除烟丝中的梗签需要对风选的各个参数进行优化，减小烟丝的损耗。本发明公开了一种特别适用于细支卷烟加工中的烟丝及梗签风选和气力输送过程数字化分析及优化方法，采用cfd和dem方法对流体的连续相物理参数和离散相物理参数进行求解，并将dem方法与cfd方法进行耦合，从而描述烟丝和梗签在柔性风选设备中的运动规律和分布状态，确定烟丝和梗签的最佳分离效果，为柔性风选设备的设计研发提供一种快速优化手段。

16、本发明与现有技术相比，具有如下明显的实质特点和显著优点:

17、(1)与已有技术相比，本发明采用柱状颗粒结构来构建烟丝烟梗模型，在保证分离效果不变的前提下，降低了颗粒形状的复杂程度，极大提高了计算速度，能够更高效的模拟出烟丝和梗签的分离效果，进一步优化烟丝及梗签分离设备。

18、(2)在dem中直接导入cfd数据进行耦合仿真，能够将流场流动特征参数与烟丝烟梗颗粒模型运动进行直接耦合，构建气-固耦合动力学系统，精确的模拟出烟丝烟梗的运动轨迹。

19、(3)在dem环境中可创建cube直接收集整个仿真过程中分离出的烟丝和梗签并将其进行分类；还可以在dem中自定义公式自动计算出梗签剔除率和烟丝损耗率。

技术特征：

1.一种基于cfd-dem数值模拟的卷烟加工中风选过程优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于cfd-dem数值模拟的卷烟加工中柔性风选过程优化方法，其特征在于，所述步骤(1)中，表征待风选的烟丝及梗签的物理特性为获取所述烟丝及梗签的长、宽和厚度几何参数。

3.根据权利要求1所述的基于cfd-dem数值模拟的卷烟加工中柔性风选过程优化方法，其特征在于，所述步骤(3)中，通过仿真得到不同风选速度下所述烟丝及梗签的分离特征，得到最优分离风速，构建烟丝及梗签分离效果与设备风选速度之间的关系。

4.根据权利要求1所述的基于cfd-dem数值模拟的卷烟加工中柔性风选过程优化方法，其特征在于，所述步骤(4)中，将流场流动特征参数与烟丝和梗签颗粒模型运动进行直接耦合，构建气-固耦合动力学系统，模拟所述烟丝及梗签的运动轨迹。

5.根据权利要求1所述的基于cfd-dem数值模拟的卷烟加工中柔性风选过程优化方法，其特征在于，所述步骤(5)中，对不同流场下的所述烟丝及梗签分离情况进行对比，分别统计烟丝损耗率和梗签剔除率，得出烟丝及梗签分离效果与所述卷烟风选设备的风选参数的关系模型；

技术总结
本发明属于烟草加工技术领域，具体涉及一种基于CFD‑DEM数值模拟的卷烟加工中柔性风选过程优化方法。所述方法包括：(1)表征烟丝及梗签的物理特性；(2)根据步骤(1)中所得物理特性，构建柱状烟丝和梗签模型；(3)通过CFD针对卷烟风选设备进行流场仿真；(4)通过CFD‑DEM耦合，针对风选过程中所述烟丝及梗签的运动进行数值仿真；(5)根据仿真结果，建立所述烟丝及梗签的分离效果与所述卷烟风选设备的风选参数的关系模型，优化所述卷烟风选设备结构尺寸。本发明采用了柱状颗粒结构来构建烟丝烟梗模型，大大提高了计算速度。本发明将流场流动特征参数与烟丝烟梗颗粒模型运动进行直接耦合，构建气‑固耦合动力学系统，精确模拟烟丝烟梗的运动特征。

技术研发人员：唐军,林文强,易斌,周冰,何邦华,温亚东,马宁,李雯琦,李超,王浩,谭国治,唐丽
受保护的技术使用者：云南中烟工业有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1