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摘要 在充分调研传统和新式绿茶滚筒杀青机设备的基础上，基于离散元分析法的原理，借助EDEM软件对滚筒进行温度场分析，并探讨了滚筒转速、导叶板数量及导叶板倾角的大小对杀青效果的影响。
关键词 杀青；温度场；离散元法；EDEM
中图分类号 S226.9 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2016）23-235-03
中国是世界上发展和利用茶树最早的国家，也是世界上最早生产绿茶的国家。在几千年的岁月沉淀中，中国绿茶在世界贸易绿茶中占有绝对的主导地位。近几年，由于绿茶的保健功能的发现及推广，全球绿茶的需求每年稳速增长，大众对于绿茶的品质也提出更高的要求[1-2]。
杀青是绿茶初制加工的关键工序之一。茶叶杀青的目的是通过物理加温的方法，钝化鲜茶叶中的氧化酶活性，从而较多地保留鲜叶内的茶多酚、氨基酸、维生素等物质[3-5]；同时促进青草气的低沸点芳香物质挥发，使绿茶带有花香、栗香或炒豆香，香气怡人；鲜叶失重30%～40%，脱去部分水分，使茶叶质地柔软略带粘性，稍有弹性，方便揉捻成形。
杀青机的温度场分析是设计和改进杀青机的基础，杀青温度的控制决定了绿茶外形和品质。基于此，笔者在对杀青机械结构进行优化的基础上，以EDEM方法对滚筒内温度场进行仿真分析，研究杀青温度对滚筒杀青质量的影响，以期为提高杀青技术和优化滚筒结构提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 三维模型的建立
为了模拟的真实性，选择Solidworks三维软件创建滚筒模型（图1），并另存为IGS格式，命名为Cylinder。
1.2 仿真模型的创建
利用前期处理建模工具创建仿真模型的步骤[6-7]：①设置参数、物理和材料属性；②定义原型颗粒；③定义几何体；④设置仿真区域；⑤创建颗粒工厂。
1.2.1 设置参数、物理和材料属性。
①设置Global参数，为模型命名，并描述其功能。
②设置Physics和Gravity，通常在Z方向设置重力为-9.81 m/s2。
③设置Materials和Interactions。在Materials组框中，可以为仿真中的颗粒及几何体定义其材料和相互作用。用Interactions定义当材料相互接触时的运动形式。
1.2.2 定义原型颗粒。
创建颗粒，并对颗粒的表面（半径、相对位置）以及特性（质量、体积、惯性矩）进行定义（图2）。滚筒的基本参数如表1所示；茶叶颗粒的具体参数如表2所示。
1.2.3 定义几何体。
导入Cylinder文件的滚筒模型如图3所示，对几何体Cylinder进行特性参量的设置，输入几何体的尺寸、位置和方向。由于筒体做旋转运动，因此新建一个运动类型，设置运动类型为Linear rotation；设置筒体旋转时绕X轴旋转，并设定旋转速度为2.93 r/s；选择初始为1 s。
1.2.4 设置仿真区域。
仿真区域是进行仿真计算的区域，具体的设置步骤如下：设定X、Y和Z方向的仿真区域，或者使用Auto update复选框来自动选择一个包括几何体全部体积的仿真区域。
1.2.5 创建颗粒工场。
以定义的原型颗粒为基准在指定的几何体边缘或在其内生成颗粒。假设颗粒在筒体中生成，将杀青机筒体作为颗粒工厂，在EDEM中显示为红色几何体，选择 Factor type为Dynamics；选择生成颗粒数目为10 000；设置颗粒生成速率为1×104 粒/s。
1.3 仿真计算
1.3.1 设置时间选项。
①设置时间步长。
EDEM通常选择Rayleigh时间步长的30%作为时间步长。Rayleigh时间步长由颗粒平均半径（3.0 mm）计算得出，但是根据正态分布，仿真中的最小颗粒半径为2.5 mm。因此取半径为2.5 mm的颗粒的Rayleigh时间步长的30%进行仿真计算。
②设置仿真时间和数据写出频率。
仿真时间是仿真进行的实际时间总量，相关设置如下：
设置Total time为5 s；
设置数据写出频率Write out every为0.01 s。
1.3.2 定义网格尺寸。
颗粒的网格大小影响仿真的速度快慢。将仿真区域划分为小的网格，则仿真计算模块只检测包含接触的网格，这将大大减少计算时间。网格尺寸按照仿真模拟中最小颗粒的半径度量，设置尺寸大小时，最好设置为最小颗粒半径尺寸的2倍左右[8]。该仿真将网格尺寸定义为5.0 mm。
2 仿真结果与分析
2.1 滚筒转速对杀青叶堆积的影响
在其他条件相同的情况下，不同转速，杀青叶覆盖面积不同（图4）。当滚筒转速较大时，在导叶板的作用下，茶叶的上下翻滚变得较为剧烈，与筒内壁接触的次数增加，滞空的茶叶颗粒数量增加，杀青叶表面温度上升较快；但随着杀青过程的持续，一旦转速超过一定范围，茶叶抛射的高度更高且散热加快，其与筒壁的接触时间减少，就会出现茶叶堆积现象。
2.2 导叶板数量对杀青叶温度的影响
在其他条件相同的情况下，杀青温度与滚筒内导叶板数量有直接关系，其关系曲线如图5所示。在滚筒转速均为28 r/min的前提下，采用有5条导叶板的滚筒比只有3条、4条导叶板的滚筒温度分布更加均匀，其升温快、杀青效果更好。
3 结论
（1）滚筒转速对杀青效果有影响，当滚筒处于低速转动时，杀青叶在滚筒中的散度比处于高速转动时更强。
（2）导叶板数量对杀青效果有影响，在相同转速的情况下，适当增加导叶板数目有利于减少茶叶堆积现象、提高杀青叶温度的均匀性、促进其表面水汽散发、提升杀青品质。
参考文献
[1]浙江省农业厅.中国绿茶产业发展现状[J].中国茶叶，2008，30（9）：4-5.
[2]郝朝会.滚筒式红外茶叶杀青机的设计研究[D].淄博：山东理工大学，2012.
[3]胡国明.颗粒系统的离散元素法分析仿真[M].武汉：武汉理工大学出版社，2010.
[4]中华全国供销合作总社.茶叶感官审评方法：GB/T 23776—2009[S].北京：中国标准出版社，2009.
[5]袁海波，许勇泉，邓余良，等.绿茶电磁内热滚筒杀青工艺优化[J].农业工程学报，2013，29（1）：250-258.
[6]徐海卫，谭和平，李刚，等.滚筒式茶叶杀青机导叶板螺旋运动模型研究[J].茶叶科学，2014（4）：381-386.
[7]陈根生，袁海波，许勇泉，等.针芽形绿茶连续化生产线设计与工艺参数优化[J].茶叶科学，2016（2）：139-148.
[8]尹军峰，许勇泉，袁海波，等.名优绿茶鲜叶摊放过程中主要生化成分的动态变化[J].茶叶科学，2009，29（2）：102-110.
关键词 杀青；温度场；离散元法；EDEM
中图分类号 S226.9 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2016）23-235-03
中国是世界上发展和利用茶树最早的国家，也是世界上最早生产绿茶的国家。在几千年的岁月沉淀中，中国绿茶在世界贸易绿茶中占有绝对的主导地位。近几年，由于绿茶的保健功能的发现及推广，全球绿茶的需求每年稳速增长，大众对于绿茶的品质也提出更高的要求[1-2]。
杀青是绿茶初制加工的关键工序之一。茶叶杀青的目的是通过物理加温的方法，钝化鲜茶叶中的氧化酶活性，从而较多地保留鲜叶内的茶多酚、氨基酸、维生素等物质[3-5]；同时促进青草气的低沸点芳香物质挥发，使绿茶带有花香、栗香或炒豆香，香气怡人；鲜叶失重30%～40%，脱去部分水分，使茶叶质地柔软略带粘性，稍有弹性，方便揉捻成形。
杀青机的温度场分析是设计和改进杀青机的基础，杀青温度的控制决定了绿茶外形和品质。基于此，笔者在对杀青机械结构进行优化的基础上，以EDEM方法对滚筒内温度场进行仿真分析，研究杀青温度对滚筒杀青质量的影响，以期为提高杀青技术和优化滚筒结构提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 三维模型的建立
为了模拟的真实性，选择Solidworks三维软件创建滚筒模型（图1），并另存为IGS格式，命名为Cylinder。
1.2 仿真模型的创建
利用前期处理建模工具创建仿真模型的步骤[6-7]：①设置参数、物理和材料属性；②定义原型颗粒；③定义几何体；④设置仿真区域；⑤创建颗粒工厂。
1.2.1 设置参数、物理和材料属性。
①设置Global参数，为模型命名，并描述其功能。
②设置Physics和Gravity，通常在Z方向设置重力为-9.81 m/s2。
③设置Materials和Interactions。在Materials组框中，可以为仿真中的颗粒及几何体定义其材料和相互作用。用Interactions定义当材料相互接触时的运动形式。
1.2.2 定义原型颗粒。
创建颗粒，并对颗粒的表面（半径、相对位置）以及特性（质量、体积、惯性矩）进行定义（图2）。滚筒的基本参数如表1所示；茶叶颗粒的具体参数如表2所示。
1.2.3 定义几何体。
导入Cylinder文件的滚筒模型如图3所示，对几何体Cylinder进行特性参量的设置，输入几何体的尺寸、位置和方向。由于筒体做旋转运动，因此新建一个运动类型，设置运动类型为Linear rotation；设置筒体旋转时绕X轴旋转，并设定旋转速度为2.93 r/s；选择初始为1 s。
1.2.4 设置仿真区域。
仿真区域是进行仿真计算的区域，具体的设置步骤如下：设定X、Y和Z方向的仿真区域，或者使用Auto update复选框来自动选择一个包括几何体全部体积的仿真区域。
1.2.5 创建颗粒工场。
以定义的原型颗粒为基准在指定的几何体边缘或在其内生成颗粒。假设颗粒在筒体中生成，将杀青机筒体作为颗粒工厂，在EDEM中显示为红色几何体，选择 Factor type为Dynamics；选择生成颗粒数目为10 000；设置颗粒生成速率为1×104 粒/s。
1.3 仿真计算
1.3.1 设置时间选项。
①设置时间步长。
EDEM通常选择Rayleigh时间步长的30%作为时间步长。Rayleigh时间步长由颗粒平均半径（3.0 mm）计算得出，但是根据正态分布，仿真中的最小颗粒半径为2.5 mm。因此取半径为2.5 mm的颗粒的Rayleigh时间步长的30%进行仿真计算。
②设置仿真时间和数据写出频率。
仿真时间是仿真进行的实际时间总量，相关设置如下：
设置Total time为5 s；
设置数据写出频率Write out every为0.01 s。
1.3.2 定义网格尺寸。
颗粒的网格大小影响仿真的速度快慢。将仿真区域划分为小的网格，则仿真计算模块只检测包含接触的网格，这将大大减少计算时间。网格尺寸按照仿真模拟中最小颗粒的半径度量，设置尺寸大小时，最好设置为最小颗粒半径尺寸的2倍左右[8]。该仿真将网格尺寸定义为5.0 mm。
2 仿真结果与分析
2.1 滚筒转速对杀青叶堆积的影响
在其他条件相同的情况下，不同转速，杀青叶覆盖面积不同（图4）。当滚筒转速较大时，在导叶板的作用下，茶叶的上下翻滚变得较为剧烈，与筒内壁接触的次数增加，滞空的茶叶颗粒数量增加，杀青叶表面温度上升较快；但随着杀青过程的持续，一旦转速超过一定范围，茶叶抛射的高度更高且散热加快，其与筒壁的接触时间减少，就会出现茶叶堆积现象。
2.2 导叶板数量对杀青叶温度的影响
在其他条件相同的情况下，杀青温度与滚筒内导叶板数量有直接关系，其关系曲线如图5所示。在滚筒转速均为28 r/min的前提下，采用有5条导叶板的滚筒比只有3条、4条导叶板的滚筒温度分布更加均匀，其升温快、杀青效果更好。
3 结论
（1）滚筒转速对杀青效果有影响，当滚筒处于低速转动时，杀青叶在滚筒中的散度比处于高速转动时更强。
（2）导叶板数量对杀青效果有影响，在相同转速的情况下，适当增加导叶板数目有利于减少茶叶堆积现象、提高杀青叶温度的均匀性、促进其表面水汽散发、提升杀青品质。
参考文献
[1]浙江省农业厅.中国绿茶产业发展现状[J].中国茶叶，2008，30（9）：4-5.
[2]郝朝会.滚筒式红外茶叶杀青机的设计研究[D].淄博：山东理工大学，2012.
[3]胡国明.颗粒系统的离散元素法分析仿真[M].武汉：武汉理工大学出版社，2010.
[4]中华全国供销合作总社.茶叶感官审评方法：GB/T 23776—2009[S].北京：中国标准出版社，2009.
[5]袁海波，许勇泉，邓余良，等.绿茶电磁内热滚筒杀青工艺优化[J].农业工程学报，2013，29（1）：250-258.
[6]徐海卫，谭和平，李刚，等.滚筒式茶叶杀青机导叶板螺旋运动模型研究[J].茶叶科学，2014（4）：381-386.
[7]陈根生，袁海波，许勇泉，等.针芽形绿茶连续化生产线设计与工艺参数优化[J].茶叶科学，2016（2）：139-148.
[8]尹军峰，许勇泉，袁海波，等.名优绿茶鲜叶摊放过程中主要生化成分的动态变化[J].茶叶科学，2009，29（2）：102-110.