闽北乌龙茶综合揉捻机风道螺旋导流板的多目标优化设计

《Food and Bioproducts Processing》：Multi-objective Optimization Design of the Spiral Deflector in the Air Duct of the Integrated Leaf Manipulation Machine for Northern Fujian Oolong Tea

　　

摘要

本研究采用双保真度贝叶斯优化结合计算流体力学（CFD）数值模拟，以改善一体化茶叶做青机内螺旋结构的气动性能。该框架将低保真度响应面算法用于设计评估，并采用高保真度输出进行多目标优化，从而确定气流偏转角度、螺旋结构厚度、螺旋结构径向高度和螺旋节距对温度变异系数、湍流耗散率和适宜风速体积比的影响。将解析方法获得的结果与基于CFD模拟的优化结果进行了对比。结果表明，双保真度算法对三个优化目标的预测精度超过0.93，显著优于单一低保真度模型。在螺旋导流板的最优参数下，一体化茶叶做青机的温度变异系数相对误差仅为3.57%，适宜风速体积比的相对误差仅为0.29%。滚筒内流场和温度场的均匀性显著改善，实现了风道内的均匀压力分布，滚筒内低速区域大幅减少。本研究采用的方法为初制茶叶加工设备的工艺优化奠定了基础，并为具有螺旋配置的筒状结构机械设备提供了可迁移的方法学参考。

引言

福建北部的乌龙茶主要产于中国福建省武夷山市，因其独特的"绿叶红镶边"外形和丰富的岩骨花香而深受消费者喜爱。这种典型外形的形成源于茶叶做青过程中叶缘组织的适度损伤，促进了茶多酚的酶促氧化，并伴随"走水"过程，即水分从叶脉向叶面迁移，从而为乌龙茶兼具红茶醇厚口感和绿茶鲜爽香气奠定了品质基础（He等，2023年）。在所有工序中，茶叶做青是乌龙茶加工中的关键工序，对茶叶香气和滋味的形成起着决定性作用（Hao等，2026年）。为了提高生产效率和稳定性，一体化茶叶做青机已逐步推广和应用。通过可控的摇青、通气和除湿，该设备可以在一定程度上减轻不利天气的不利影响，并通过滚筒实现茶叶的平面运动，从而完成翻动和均匀做青。然而，现有的一体化茶叶做青机由于结构设计不足，常常出现内部温度场和气流分布不均匀的问题，加工过程中仍需人工辅助翻动茶叶，这不仅增加了劳动强度，还损害了茶叶品质的均匀性和生产效率（Wu等，2022年）。针对上述问题，本文提出在一体化茶叶做青机风道内加装螺旋导流板的改进方案，以优化内部流场和温度分布，减少人工干预，提高乌龙茶做青过程的机械化水平和品质稳定性。

众多研究已探讨了螺旋导流结构在不同工程应用中对流场的影响。采用计算流体力学（CFD）模拟结合欧拉两相流模型，研究了管道中螺旋导流板对流场调节性能的影响，结果表明螺旋导流板的数量、长度、高度和角度等参数显著影响管道中浆料的旋流强度和流动稳定性（Xia等，2024年）。基于重正化群（RNG）k-ε湍流模型结合离散相模型颗粒运动模型的数值模拟，研究了全旋转螺旋导流板对管道中气-液两相流的导流效果。结果表明，螺旋导流板通过调节流体速度比可诱导稳定的螺旋环形流，且螺旋导流板的旋转特征可延长旋流衰减距离并维持管道内流场的持续稳定性（Rao等，2022年）。采用欧拉两相流模型和雷诺应力模型分析了螺旋导流板对管道中气-液两相流场的导流和优化效果。结果表明，导流板可将入口雾状流转化为沿管壁分布的环形旋流，且在该区域产生的二次涡可增强气流的径向混合。与传统扭曲带相比，导流板引导的旋流强度更高且衰减更慢，可在管道内长时间维持流场的稳定性（Liu，2013年）。采用雷诺应力模型和欧拉-拉格朗日颗粒跟踪方法研究了变螺距螺旋导流板对旋风分离器中气-固两相流的影响。结果表明，螺旋导流板可通过优化流场结构显著提高细颗粒分离效率，且适当的节距长度与叶片圈数组合可在保证高分离效率的同时控制管壁侵蚀率（Dehdarinejad和Bayareh，2022年）。尽管现有研究已证明螺旋导流结构可有效调节工业管道中的流场，但大多数研究集中于固定边界条件下的稳态流动。相比之下，一体化茶叶做青机涉及滚筒旋转、茶叶连续翻动和茶叶含水量波动等动态过程；此外，气流和温度分布还进一步影响茶叶水分蒸发和品质形成。因此，工业流体系统中的最优流动性能并不一定对应于一体化茶叶做青机的最优加工条件，相关结构参数和评价指标必须根据具体的加工场景重新定义。

为了平衡温度均匀性、最优风速覆盖范围和湍流能量耗散之间的关系，多目标优化已成为一体化茶叶做青机中的关键问题。尽管进化算法等传统优化方法可以处理多目标问题，但在涉及CFD数值模拟的结构优化中，单次评估极其耗时（Sinha和Wallenius，2022年）。代理模型技术的出现为解决这一问题提供了有效途径。其中，响应面方法（RSM）因其低成本和快速拟合的优势成为低保真度模型的优选方案（Wang等，2022年）。高斯过程（GP）凭借其出色的概率预测和不确定性量化能力，成为构建高精度代理模型和驱动多保真度贝叶斯优化的关键工具（Liu等，2025年）。热金属成形案例研究证明，基于高斯过程的代理模型可比有限元模拟快3000倍，并可集成主动学习策略以提高优化鲁棒性（Kim等，2023年）。在核函数选择方面，径向基函数（RBF）核因其出色的非线性拟合能力和泛化性能而受到青睐。对各种代理模型的比较分析表明，RBF核可高效学习复杂的输入-输出关系，并对噪声数据具有鲁棒性（Ilchi Ghazaan和Mirghazanfari，2025年）。同时，基于RBF的代理模型在连续-离散混合变量的优化中具有突出的收敛优势（Li等，2025年）。

在双保真度框架中，贝叶斯优化为前述昂贵函数优化问题提供了一套系统化方法。通过依次构建代理模型并使用采集函数引导采样，它实现了探索与利用之间的高效平衡。然而，经典贝叶斯优化主要针对单目标问题，且通常假设所有函数评估都在单一精确的保真度水平下进行，而实际上从快速低精度模型到耗时高精度模型的双保真度数据通常是可用的（Manoj等，2025年）。因此，将基于低成本响应面的优化方法作为低保真度方法应用于小样本多目标工程问题构成了本文的研究重点。

现有文献缺乏双保真度模型与用于螺旋导叶模拟的CFD框架的全面结合。本研究将响应面双保真度算法与CFD模型相结合，该方法更便捷准确地反映了螺旋结构对气流动力学的影响，从而填补了这一空白。为实现该目标，确定了以下任务：（1）研究热风条件下影响螺旋结构导流效果的因素；（2）使用响应面法（RSM）构建低保真度模型，并基于少量直接CFD样本开发了分层高斯过程偏差校正模型；（3）通过样机流场配置验证、茶叶化学成分分析和感官评价对优化结果进行验证。

结构与工作原理

福建北部乌龙茶一体化茶叶做青机的整体结构如图1所示。整机主要由驱动轮、摇青滚筒、辊轮、风道、支撑架、动力驱动单元和离心风机等核心组件构成。摇青滚筒配备环形排气孔，总长度为3.0米，直径为1.1米，内部容积为10.36立方米。风道入口处设置有炭炉加热器。

样本设计与因子显著性分析

本节首先进行样本设计和代理模型训练，然后执行贝叶斯优化迭代，最后对获得的最优解进行详细的流场验证。首先使用Design-Expert 12软件探索并验证各因子对响应值的影响，构建了包含4个因子和3个响应值的实验矩阵。BBD设计在减少样本数量的同时有效捕获了因子间的交互作用。

样机实验验证

为进一步验证数值模拟的准确性，在武夷山市香江茶业有限公司进行了对比实验，涉及传统一体化茶叶做青机、内置交叉导流板的一体化茶叶做青机和内置螺旋导流板的一体化茶叶做青机。采用武夷岩茶水仙品种的鲜叶作为实验材料。经标准化日光萎凋后，将鲜叶送入……

结论

基于本文的研究，双保真度贝叶斯优化框架成功应用于螺旋导流板的气动设计。通过策略性地整合低保真度和高保真度模拟，该框架显著降低了计算成本，如收敛时间，相比单保真度方法效果更为显著。算法在第900次迭代后收敛，实现了对帕累托前沿更高效地搜索。超体积值达到……

未引用参考文献

（R?stum等，2025年）

资助

本研究受国家自然科学基金（61903288）、福建省科技厅引导项目（2026N0015）、福建省中小型科技创新基金项目（2025C0026）、福建省大学生科技创新萌芽计划、武夷学院教研项目（JY2024002）、武夷学院人才引进科研启动基金项目（YJ202320）资助。

作者贡献声明

杨军：监督指导、资源获取、资金获取。张凯云：撰写-审阅与编辑、调查研究。付相发：撰写-原稿撰写、验证、软件、方法论。郑禄轩：撰写-原稿撰写、方法论、资金获取、概念构思。陈佳有：项目管理、调查研究。郭波：监督指导、资源获取、概念构思。薛舒雨：验证、方法论。阮成志：撰写-审阅与编辑、监督指导、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性经济利益或个人关系。

阮成志 | 郑禄轩 | 付相发 | 张凯云 | 杨军 | 薛舒雨 | 郭波 | 陈佳有

武夷学院机电工程学院，武夷山市 354300 中国