基于微流体动力学的茶叶干燥机理研究

Tea drying mechanism is studied based on micro-fluid dynamics. New methods apply micro-fluid dynamics theory to establish the dynamic model of the internal water movement in single-grain tea is proposed. Considering the outside drying factors (such as temperature, humidity, etc.), single-grain tea internal microfluidic flow pattern, and micro-fluid dynamics model within the tea organization are researched. Drying rules affected by various external drying factors and tea original characters are studied. Combination of single-grain tea micro-hydrodynamic model and their findings, tea of multi-particle (overall) - dry conditions - sports machine finite element (discrete element) nonlinear numerical analysis model is established by ANSYS and PFC3D. The drying mechanism of multi-grain tea is explored by numerical simulation. Aimed at the agronomic requirements and the specific physical and chemical parameters, new part design is introduced with the help of the above theoretical results. The research results of tea drying can provide a new theoretical guidance for parts design. And it could reduce drying cost and improve drying quality effectively.

从微流体动力学角度研究茶叶干燥机理。提出采用微流体动力学理论建立茶叶内部水分运动失水的动力学模型的研究方法。分析单颗粒茶叶内部微流体的流场流态，考虑外界干燥因子（如温度，湿度等）作用条件下，研究其组织内部微流体失水动力学模型，研究各种外界干燥因子和茶叶原始性状对茶叶导管、气孔内部微流体运动最终导致干燥失水的影响规律。结合单颗粒茶叶微水动力学模型及其研究结果，通过ANSYS和PFC3D建立多颗粒茶叶（整体）-干燥条件-运动机器系统的整体有限元（离散元）非线性数值分析模型，进行多颗粒茶叶干燥的数值模拟研究，探索茶叶整体干燥的机理。根据研究的理论成果，针对茶叶干燥的农艺要求与具体理化参数，提出新式干燥高效节能部件的优化设计模型，提高茶叶初制品质。本课题研究成果能为茶叶干燥节能降耗，提高茶叶初制品质提供新方法和新途径。

茶叶干燥过程中的失水变化直接影响成品茶的性质，包括：热特性、结构特性、感官特性、视觉特性、营养特性和复水特性。干燥质量的好坏直接影响茶的品质、进而影响茶农的经济效益。本项目从微流体动力学角度研究茶叶干燥机理。. 提出采用微流体动力学理论建立茶叶内部水分运动的动力学模型的研究方法。分析茶叶颗粒细胞级的流场流态，研究外界干燥因子作用条件下其组织内部微流体失水过程。得出了茶叶截面模型的含水率与时间的线性关系方程 ；水分散失速率与温度的指数关系方程 ；推测出失水速率与空气湿度为线性关系。通过对单颗粒叶片的模拟仿真发现：在茶叶叶片的不同位置其温度大小一样，但变化速率上存在一定差异，最终随着杀青进行其温度升高均缓慢下降。.结合单颗粒茶叶微水动力学模型及其研究结果，通过ANSYS和PFC3D建立多颗粒茶叶（整体）-干燥条件-运动机器系统的整体分析模型，进行多颗粒茶叶干燥的数值模拟研究，探索茶叶整体干燥的机理。研究发现：杀青过程存在最佳滚筒转速，转速过大不利于叶温迅速升温和叶温均匀性，转速过低则会降低杀青效率且出现焦边现象；滚筒前段布置较多的导叶板，有利于杀青叶温度的迅速提高；适当增加导叶板倾角和采用“L”型导叶板，有利于杀青叶温度的均匀。在保证出茶口杀青叶叶温的条件下，它们之间存在着如下的函数关系： . 根据研究的理论成果，结合茶叶干燥的农艺要求与原始设备结构参数，提出新式干燥高效节能部件并设计了一台样机进行对比试验。优化后设备的杀青叶透并均匀，条形直且圆滚，失水效果好，无焦味，有新鲜茶皮的清香气味；优化后杀青叶平均含水率低于优化前6.67%，且设备的单位功率生产率是优化前的1.19倍，脱水效率为优化前的2倍，取得了明显的进步。. 本课题从微观流体出发，进而研究了宏观流体-工艺条件-机器系统的综合干燥模型，并设计制造了一台样机。其研究成果能为茶叶干燥节能降耗，提高茶叶品质提供新方法和新途径。同时也可应用于其他农作物的干燥。.