基于CFD-DEM耦合法的調(diào)質(zhì)器傳質(zhì)過程建模與仿真

■李 恒 李 輝 吳德勝王紅英邊 遠(yuǎn)

(1.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 100083)

調(diào)質(zhì)是通過濕熱處理及添加液體原料，改善制粒原料的理化性質(zhì)的工藝過程，是飼料制粒重要的前處理部分，物料在調(diào)質(zhì)器中被不斷剪切，進(jìn)行水熱反應(yīng)，達(dá)到提高飼料成型特性，改善營養(yǎng)品質(zhì)，滿足安全衛(wèi)生的目的。

調(diào)質(zhì)器的設(shè)計(jì)參數(shù)為槳葉形狀、角度、間距，主軸的轉(zhuǎn)速，調(diào)質(zhì)器的長度等。設(shè)計(jì)不合理的調(diào)質(zhì)器容易出現(xiàn)堵機(jī)、進(jìn)料不暢、調(diào)質(zhì)時(shí)間短等情況。調(diào)質(zhì)時(shí)間即物料經(jīng)過調(diào)質(zhì)器所用的時(shí)間，決定了物料參與水熱反應(yīng)的持續(xù)時(shí)間，是調(diào)質(zhì)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最重要的參數(shù)。

建立精確的仿真模型分析飼料在調(diào)質(zhì)器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，使設(shè)計(jì)者根據(jù)物料的運(yùn)動(dòng)狀況發(fā)現(xiàn)調(diào)質(zhì)器設(shè)計(jì)中的不足，并且預(yù)知特定物料的調(diào)質(zhì)時(shí)間，具有重要意義。

目前國內(nèi)外研究中，散粒體在機(jī)械體運(yùn)動(dòng)的仿真模型構(gòu)建方法為離散元法。在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域，離散元法可以用于谷物顆粒、飼料顆粒等散粒體的機(jī)械化提升、混合、粉碎、氣力輸送等的模擬。EDEM是一款比較成熟的離散元仿真軟件，具備構(gòu)建粘性的顆粒模型能力，模擬導(dǎo)熱的能力，同時(shí)還可以與CFD進(jìn)行較好地耦合。目前已有學(xué)者使用CFD-DEM偶合法實(shí)現(xiàn)傳熱傳質(zhì)過程的模擬，為構(gòu)建調(diào)質(zhì)過程離散元仿真模型提供了依據(jù)。

本文以如圖1所示的中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院中機(jī)華豐科技有限公司生產(chǎn)的C400調(diào)質(zhì)器為原型，采用DEM和CFD軟件構(gòu)建相關(guān)模型；對(duì)其氣流運(yùn)動(dòng)、顆粒運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行模擬。從而為今后不同物料不同生產(chǎn)調(diào)質(zhì)器的開發(fā)的建模和仿真依據(jù)，同時(shí)為今后調(diào)質(zhì)器傳熱過程的模擬打下基礎(chǔ)。

圖1 C400型調(diào)質(zhì)器

1 幾何模型構(gòu)建

依據(jù)C400調(diào)質(zhì)器幾何形態(tài)，使用proe5.0分別構(gòu)建調(diào)質(zhì)器軸和調(diào)質(zhì)器腔兩個(gè)幾何體。調(diào)質(zhì)器腔如圖2所示，包括腔體、進(jìn)料口和出料口，進(jìn)料口側(cè)設(shè)置3個(gè)蒸汽添加點(diǎn)，進(jìn)料口略長于實(shí)際設(shè)計(jì)，這是由于調(diào)質(zhì)器接收的物料是從較高處的喂料器中落下的。C400調(diào)質(zhì)器調(diào)質(zhì)軸三維模型如圖3所示，包括一個(gè)方軸及其固定的葉片。依據(jù)C400機(jī)型調(diào)質(zhì)器的設(shè)計(jì)原理，葉片的排布和角度遵循一定規(guī)律；如圖3中標(biāo)紅的部件，為了使調(diào)質(zhì)均勻、充分，設(shè)置若干個(gè)反向葉片。

圖2 C400型調(diào)質(zhì)器外殼幾何模型

圖3 C400型調(diào)質(zhì)器轉(zhuǎn)軸幾何模型

如圖4，將所建幾何體模型以igs形式導(dǎo)入gambit，所得幾何體包括腔體和軸2個(gè)獨(dú)立的構(gòu)件，共計(jì)396個(gè)面，對(duì)每個(gè)面進(jìn)行標(biāo)記，以確定進(jìn)料口、出料口、進(jìn)氣口、腔壁和轉(zhuǎn)軸。如圖5所示，對(duì)幾何體模型以15 mm為間距進(jìn)行網(wǎng)格劃分，腔體得到621 375個(gè)網(wǎng)格，軸得到37 061個(gè)網(wǎng)格。

2 氣流運(yùn)動(dòng)分析

將幾何模型導(dǎo)入CFD軟件，在忽略顆粒影響的情況下進(jìn)行蒸汽添加和調(diào)質(zhì)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)空氣的流動(dòng)情況，設(shè)置進(jìn)料口為速度入口，出料口為壓力出口。依據(jù)C400型調(diào)質(zhì)器的相關(guān)參數(shù)設(shè)置蒸汽壓力和調(diào)質(zhì)軸轉(zhuǎn)速，以0.02 s為一個(gè)步長，每個(gè)步長迭代10次，模擬其調(diào)質(zhì)過程中的氣流運(yùn)動(dòng)，得到如圖6所示的0～0.2 s的收斂曲線。可以看出仿真過程在40次計(jì)算后，速度值能夠收斂于10-2；即使再次出現(xiàn)峰值，不會(huì)繼續(xù)收斂，此時(shí)的工作時(shí)間為0.08 s。

圖4 gambit中調(diào)質(zhì)器幾何體模型

圖5 gambit中調(diào)質(zhì)器網(wǎng)格劃分

圖6 調(diào)質(zhì)器空載仿真運(yùn)行時(shí)氣流運(yùn)動(dòng)收斂曲線

圖7為仿真得到的氣流分布圖，選取水平和豎直兩個(gè)截面顯示，圖中可以看出，調(diào)質(zhì)腔內(nèi)蒸汽添加的位置出現(xiàn)了高的空氣速度，而進(jìn)出口處的空氣流動(dòng)相對(duì)比較穩(wěn)定。圖8為仿真得到的壓力分布圖，所取觀察面通過三個(gè)蒸汽添加管的軸心；雖然出現(xiàn)局部的高壓點(diǎn)，但大部分區(qū)域仍為-1～1 mPa，這說明蒸汽已經(jīng)充分加入到調(diào)質(zhì)腔內(nèi)，從該圖中可以看出蒸汽添加對(duì)改變腔體里的氣壓作用較顯著。

圖9為仿真得到的x向氣流分布圖，同圖7，選取水平和豎直兩個(gè)截面顯示，顯示范圍調(diào)節(jié)為-1.5×103到1.5×103m/s。蒸汽添加段的氣流運(yùn)動(dòng)不僅劇烈而且無明顯規(guī)律，各點(diǎn)方向有的指向出口，有的指向入口；可見，調(diào)制器內(nèi)的氣流不一定有利于將物料送出，所以無法判斷調(diào)制器內(nèi)的氣流對(duì)調(diào)質(zhì)時(shí)間長短有何影響。故在后續(xù)的CFD-DEM耦合仿真中，不可忽略蒸汽添加對(duì)物料運(yùn)動(dòng)的影響。

圖7 調(diào)質(zhì)器空載運(yùn)行時(shí)氣流速度分布

圖8 調(diào)質(zhì)器蒸汽添加口壓力分布

圖9 調(diào)質(zhì)器空載運(yùn)行時(shí)軸向氣流速度分布

3 CFD-DEM耦合仿真

將流體黏性模型調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，與EDEM進(jìn)行耦合。

考慮到散粒體顆粒堆積的孔隙度比粉料大，整個(gè)堆積的物料處于“漏風(fēng)”的蜂窩狀，故減少進(jìn)氣口壓力參數(shù)設(shè)定以使顆粒免于被氣流吹散，使工作過程更接近實(shí)際情況。球形顆粒孔隙度約為50%，而調(diào)質(zhì)過程中物料呈現(xiàn)半糊狀，孔隙度僅為20%，二者比例為0.4?？紫抖葲Q定堆積體各截面通風(fēng)面積；而壓力差一定時(shí)，通風(fēng)面積正比于風(fēng)速，故可推知孔隙度和風(fēng)速成正比。根據(jù)伯努利方程可知，流體的壓力提供的能量，正比于流速的平方。故本文將入口設(shè)置為正常壓力的0.16倍，即孔隙度放大倍數(shù)的平方。調(diào)質(zhì)過程中，物料與水不斷融合，黏度也會(huì)增大，故應(yīng)設(shè)置黏結(jié)模型。

表1中顆粒與轉(zhuǎn)軸和槳葉的黏附能量大于其與筒壁的黏附能量，這是為了防止顆粒在仿真過程中在離心力的作用下被過快甩出，從而更加符合調(diào)質(zhì)器實(shí)際運(yùn)行的情況。

表1 EDEM模型中各材料屬性

離散元模型計(jì)算的時(shí)間步長設(shè)置為2×10-5。上一步實(shí)驗(yàn)可知，0.8 s后調(diào)質(zhì)器腔體內(nèi)氣流場變化不明顯，為了減少計(jì)算量，將耦合間隔時(shí)間設(shè)置較長，為1 s，即CFD的計(jì)算步長為1 s。為了便于在如此長的步長內(nèi)提高收斂性，將每個(gè)步長的迭代次數(shù)設(shè)置為20。本機(jī)型生產(chǎn)時(shí)的調(diào)質(zhì)時(shí)間為30～40 s，故模擬時(shí)間設(shè)定為60 s。為了減少EDEM在工作時(shí)所占的存儲(chǔ)空間，設(shè)置其存儲(chǔ)時(shí)隔為0.1 s。

調(diào)質(zhì)器操作時(shí)為了防止蒸汽加入過猛導(dǎo)致物料飛濺甚至反流，常采用逐步加汽的方式。預(yù)實(shí)驗(yàn)中也發(fā)生了類似的現(xiàn)象，故模擬操作每隔一段時(shí)間重新設(shè)置蒸汽添加的邊界條件值并初始化：1～10 s的蒸汽壓力設(shè)定為10 kPa，10～30 s設(shè)置蒸汽壓力為預(yù)設(shè)值的1/2，30～60 s設(shè)置蒸汽壓力為預(yù)設(shè)值。

圖10為通過CFD-DEM耦合得到的，虛擬調(diào)質(zhì)器加載有物料時(shí)氣流運(yùn)動(dòng)收斂曲線，時(shí)間是30～60 s，即壓力完全加入進(jìn)氣口后的過程。從圖中還可以看出，45 s后收斂性僅隨時(shí)間波動(dòng)，而不再減少，可見60 s的模擬時(shí)間對(duì)CFD流場仿真是充足的。

4 結(jié)果與分析

圖11為調(diào)質(zhì)器運(yùn)行時(shí)軸向氣流速度分布圖，選取水平和豎直兩個(gè)截面顯示。對(duì)比圖7可知，3個(gè)蒸汽添加口處氣流速度較大，由于料層的阻力作用，距離蒸汽添加口越遠(yuǎn)氣流速度越慢。

DEM模擬過程中，可以觀測得到0～21 s內(nèi)調(diào)質(zhì)器不斷被填充，21 s后顆粒填充率變化不明顯，效果如圖12所示。

圖10 調(diào)質(zhì)器0～60 s仿真運(yùn)行時(shí)氣流運(yùn)動(dòng)收斂曲線

圖11 調(diào)質(zhì)器運(yùn)行60 s氣流速度分布

圖12 0～21 s虛擬調(diào)質(zhì)器工作仿真過程

圖13為仿真過程中出口產(chǎn)生的團(tuán)簇顆粒?？梢钥闯鲱w粒在調(diào)質(zhì)器的作用下能夠形成黏性的團(tuán)簇，此圖中出口處能夠看到3個(gè)兩顆粒聚集的團(tuán)簇和1個(gè)三顆粒聚集的團(tuán)簇，被調(diào)質(zhì)的物料也呈團(tuán)簇狀被翻起，可見本文中采用的接觸模型基本合理。

圖13 顆粒成團(tuán)性示意圖

圖14為仿真得到的顆粒數(shù)量曲線，可以看出30 s后顆粒數(shù)量維持在7 600～8 000?？芍疚闹惺褂玫奶摂M調(diào)制器在工作30 s后進(jìn)出調(diào)質(zhì)腔的物料量基本持平，達(dá)到了穩(wěn)定的工作狀態(tài)。計(jì)算并輸出30～60 s內(nèi)300個(gè)狀態(tài)下的顆粒數(shù)量的平均數(shù)，其值為7 876，根據(jù)顆粒生成速度300個(gè)/s，計(jì)算得到的調(diào)質(zhì)時(shí)間為26.25 s，約為C400實(shí)際的調(diào)質(zhì)時(shí)間30～40 s的75%。

圖14 0～60 s時(shí)間-顆粒數(shù)量曲線

探討反向葉片對(duì)物料的作用效果。在轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)整數(shù)圈時(shí)，設(shè)定如圖3所示的1個(gè)反向葉片內(nèi)出口方向側(cè)的40 mm空間為反向葉片的作用范圍。在EDEM中導(dǎo)出該范圍內(nèi)顆粒的數(shù)量和顆粒的輸送速度并求平均數(shù)。然后導(dǎo)出各時(shí)刻整個(gè)腔體中入料段和出料段以外的調(diào)質(zhì)段處顆粒的輸送速度并求平均數(shù)。結(jié)果如表2所示，速度為負(fù)表示顆粒向出口方向移動(dòng)，速度為正表示顆粒向入口方向移動(dòng)。

表2 反向葉片處顆粒運(yùn)動(dòng)參數(shù)與調(diào)質(zhì)腔整體顆粒運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)比

從表2分析可知，30、35、40、45 s時(shí)反向葉片能夠使物料朝向相反的方向運(yùn)動(dòng)，其余時(shí)刻作用并不明顯。受反向葉片作用顆粒的數(shù)量為3～13個(gè)不等，僅占全部被調(diào)質(zhì)物料的0.1%～0.2%。實(shí)際設(shè)計(jì)中反向葉片安裝過多會(huì)產(chǎn)生堵機(jī)，安裝過少會(huì)起不到增加調(diào)質(zhì)時(shí)間的作用。C400調(diào)制器內(nèi)這樣的反向葉片占全部數(shù)量的1/6以上，能夠起到減緩物料向出料口推進(jìn)的作用。

5 結(jié)論

CFD-DEM仿真模型能夠?qū)φ{(diào)質(zhì)器工作時(shí)的傳質(zhì)過程。蒸汽對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響很大，進(jìn)行仿真時(shí)需要根據(jù)顆粒的孔隙度重新設(shè)定邊界條件方能達(dá)到較好的效果；模型中添加蒸汽時(shí)，需要階段性加入，以防止虛擬顆粒的濺出。通過設(shè)置離散元中的接觸模型能夠使虛擬顆粒呈現(xiàn)調(diào)質(zhì)過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

使用該法能夠分析調(diào)質(zhì)腔內(nèi)流場分布、調(diào)質(zhì)時(shí)間、葉片安裝方式對(duì)顆粒的輸送作用等。流場在顆粒的阻力作用下呈現(xiàn)均勻的特點(diǎn)。通過虛擬粒的數(shù)量和生成速度，能夠計(jì)算得到調(diào)質(zhì)時(shí)間，仿真得到的調(diào)質(zhì)時(shí)間為實(shí)際工作過程的75%。模擬得出C400設(shè)置的反向葉片能夠起到減緩物料向出料口推進(jìn)的作用，具有延長調(diào)質(zhì)時(shí)間，使調(diào)質(zhì)均勻、充分的功能。

（參考文獻(xiàn)若干篇，刊略，需者可函索）