不同工藝參數(shù)下苜蓿草粉環(huán)模制粒機流場的模擬與驗證

王詠梅，黃曉鵬，吳勁鋒

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不同工藝參數(shù)下苜蓿草粉環(huán)模制粒機流場的模擬與驗證

王詠梅，黃曉鵬※，吳勁鋒

（甘肅農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，蘭州 730070）

環(huán)模制粒成型技術(shù)以其高效率、高成型率、強適應(yīng)性等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于生物質(zhì)能源和飼料產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。該文以苜蓿草粉為原料，應(yīng)用POLYFLOW軟件對環(huán)模制粒機擠壓區(qū)流場進行數(shù)值模擬，研究了喂料量、環(huán)模轉(zhuǎn)速和物料含水率的變化對流場壓力、速度、剪切速率和黏度分布特性的影響規(guī)律，并以試驗驗證，旨在為生產(chǎn)工藝的有效控制提供參考依據(jù)。結(jié)果表明：在結(jié)構(gòu)參數(shù)等條件一定的情況下，增大喂料量，流場壓力升高，擠壓成型區(qū)域擴大，且物料以較快的速度作層流運動，流場剪切速率降低，黏度增大，出模壓力和成型密度較大；減小環(huán)模轉(zhuǎn)速，流場壓力和擠壓成型區(qū)增大，流動速度減小，剪切速率降低，黏度較大，但出模壓力和成型密度降低；物料含水率降低使流場壓力、黏度、出模壓力和成型密度增加。通過比較得出：當喂料量為6 t/h、環(huán)模線速度為6.5 m/s和物料含水率為15%時所形成的流場有利于苜蓿草粉的制粒成型。

生物質(zhì)；流場；水分；環(huán)模制粒機；喂料量；環(huán)模轉(zhuǎn)速；數(shù)值模擬

0 引 言

隨著顆粒飼料和生物質(zhì)固體成型燃料需求量的日益增長，環(huán)模制粒機因其生產(chǎn)效率高、成型效果好和原料適應(yīng)強等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。近年來，國內(nèi)外許多學者在環(huán)模制粒技術(shù)的產(chǎn)品品質(zhì)[1-10]、力學特性[11-16]、能耗[17-20]以及模輥磨損[21-25]等方面作了大量的研究，為環(huán)模制粒機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝參數(shù)的有效控制提供了重要的依據(jù)。其中有關(guān)不同工藝參數(shù)對制粒產(chǎn)品品質(zhì)影響的研究包括：林云鑒等[1]研究了物料水分、?？组L徑比和模輥間隙的變化對生產(chǎn)率、顆粒質(zhì)量和電耗的影響。李艷聰?shù)萚2]憑借試驗研究得出飼料加工產(chǎn)量與環(huán)模線速度之間呈線性關(guān)系，對于一定的物料，采用合理的線速度即可獲得最大的制粒產(chǎn)量。黃曉鵬等[3]通過模擬壓縮試驗建立了苜蓿草粉制粒密度與擠出力、含水率和草粉粒度變化關(guān)系的數(shù)學模型。吉林大學韓盛林等[4]通過相同的試驗方法，得出生物質(zhì)原料的含水率、顆粒度和擠壓力等因素對成型密度影響的最佳取值范圍。Obidziński[5]應(yīng)用試驗研究表明顆粒密度和動態(tài)耐久性隨?？讖介L比和模輥間隙的增加而增加。Relova[6]對加勒比松制粒過程進行研究，得出對顆粒質(zhì)量影響最大的是擠壓力，含水率次之，顆粒尺寸最小。Caronen等[7]研究了制粒工藝參數(shù)和物料特性對橄欖樹枝條顆粒品質(zhì)的影響，結(jié)果表明各因素對顆粒密度和耐久性的影響從大到小的順序是溫度、物料含水率、粒度和擠壓力。諸如以上研究均是通過試驗來探討各影響因素對產(chǎn)品品質(zhì)的影響規(guī)律。由于環(huán)模制粒機工作時的擠壓過程比較復雜，且物料性質(zhì)特殊，因此通過對制粒機內(nèi)部流場的數(shù)值模擬來研究上述問題的文獻記載較少，而這種方法是對試驗的有效補充。工藝參數(shù)的不同將導致制粒機內(nèi)部流場的變化，而內(nèi)部流場的變化必然反映出產(chǎn)品品質(zhì)的不同。因此對不同工藝參數(shù)下環(huán)模制粒機內(nèi)部流場的數(shù)值模擬分析有助于實際生產(chǎn)工藝的有效控制。

本文通過對環(huán)模制粒機成型機理和制粒過程的分析，建立合理簡化的物理模型，應(yīng)用POLYFLOW軟件對苜蓿草粉擠壓成型過程內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，研究當工藝參數(shù)如喂料量、環(huán)模轉(zhuǎn)速和物料含水率不同時環(huán)模制粒機內(nèi)部流場分布特性的變化規(guī)律，進而揭示對產(chǎn)品品質(zhì)的影響。

1 環(huán)模制粒機工作原理

環(huán)模制粒機主要由供料攪龍、攪拌機構(gòu)和制粒室構(gòu)成。供料攪龍起輸送物料的作用，送料量的控制可以通過改變攪龍的轉(zhuǎn)速和控制出料閘門的開度來實現(xiàn)。攪拌機構(gòu)由可調(diào)節(jié)角度的攪拌桿組成，攪拌桿按螺旋排列起攪拌和推運物料的作用。在攪拌室側(cè)壁裝有蒸汽和糖漿或油脂的噴嘴，使噴出的蒸汽、漿液和粉料混合，以增加物料的溫度和濕度。調(diào)質(zhì)后的物料被送入制粒室。制粒室的核心工作部件是環(huán)模和壓輥。環(huán)模在主電機的驅(qū)動下以一定的速度旋轉(zhuǎn)，安裝于環(huán)模內(nèi)的壓輥通過模輥與物料間的摩擦作用而發(fā)生自轉(zhuǎn)。由于模輥的相對轉(zhuǎn)動，物料在摩擦力與離心力的作用下向前移動，擠壓力和密度逐漸增加。當擠壓力增大到足以克服?？讓ξ锪系哪Σ磷枇r，具有一定密度和黏結(jié)力的物料被壓入?？祝㈦S著輥軋過程的進行，呈圓柱狀從?？字袛D出，再由裝在環(huán)模外面的固定切刀切斷形成顆粒狀物料[3-4]。如圖1所示，根據(jù)物料在擠壓過程中的受力狀態(tài)，可將模輥間流場劃分為供料區(qū)、變形壓緊區(qū)和擠壓成型區(qū)[19]。在供料區(qū)，物料基本處于自然松散狀態(tài)，密度較小。物料被輥軋的區(qū)域只有變形壓緊區(qū)和擠壓成型區(qū)。這里，將這2個區(qū)域統(tǒng)稱為擠壓區(qū)。

1. 環(huán)模 2. 壓輥 3. 擠壓成型區(qū) 4. 變形壓緊區(qū) 5. 供料區(qū)

2 數(shù)值模擬

2.1 模型結(jié)構(gòu)與參數(shù)

本文以牧羊MUZL420型環(huán)模制粒機為研究對象，對其擠壓區(qū)流場進行數(shù)值模擬分析。MUZL420設(shè)備主要的技術(shù)參數(shù)為：環(huán)模有效尺寸為420 mm×180 mm，環(huán)模開孔率為44.2%，?？卓讖? mm，孔深度54 mm；壓輥數(shù)量2個，壓輥直徑為203 mm；設(shè)計時產(chǎn)量3～12 t/h。環(huán)模制粒機在運行工作中有2個主要環(huán)節(jié)，即模輥對物料的輥軋和物料從模孔中的擠出成型，而且雙壓輥制粒機內(nèi)部流場的2個擠壓區(qū)關(guān)于中心對稱分布。因此，為了簡化數(shù)值計算，僅選取一個擠壓區(qū)來建立物理模型，如圖2所示。因為環(huán)模周向布有1 508個?？?，只有在擠壓區(qū)物料才被擠壓流經(jīng)?？?，所以建模時僅考慮物料擠壓區(qū)的?？?，而且假設(shè)其靜止不動，物料在流道內(nèi)作連續(xù)的擠壓流動。

2.2 數(shù)學模型

為了簡化模擬過程，作如下假設(shè)：1）流體為假塑性非牛頓流體；2）忽略黏性生熱，流體作等溫穩(wěn)定流動；3）因為質(zhì)量力遠小于黏滯力，所以忽略質(zhì)量力的影響；4）由于物料相對于環(huán)模和壓輥的剛度較小，所以將環(huán)模和壓輥看作剛性體；5）環(huán)模與壓輥之間的間隙忽略不計；6）環(huán)模和壓輥間軸向物料分布視為均勻。

1. 環(huán)模 2. 模孔 3. 壓輥 4. 進口 5. 出口

流體流動的控制方程主要包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和描述流體黏性的流變學本構(gòu)方程[26]。在擠壓過程中，物料苜蓿草粉的黏度隨溫度、壓力、含水率和局部剪切速率的變化而變化。本文采用Harper等[27-29]提出的描述各向同性、假塑性非牛頓擠壓流體穩(wěn)態(tài)流變學特性的黏度模型，其本構(gòu)方程表達式如下

草粉輥軋有一個顯著的特點就是壓縮率大，即流體的密度是變化的，這導致控制方程組的高度非線性。參數(shù)漸進（Evolution）是POLYFLOW提供的輔助解決非線性流動問題的有效工具[30]。這里，設(shè)密度為漸進參數(shù)，漸進函數(shù)選擇()，初始值init=0，最終值final=1，初始增量init=0.01，最小增量min=0.000 1，最大增量max=0.25，計算最大步驟為20。

2.3 邊界條件

在GAMBIT中創(chuàng)建幾何模型，再進行網(wǎng)格劃分，將生成的.msh 文件導入POLYDATA中進行計算模塊的設(shè)置，生成數(shù)據(jù)文件以供POLYFLOW計算。進口邊界條件設(shè)為體積流量，出口邊界設(shè)為outflow。環(huán)模和壓輥的旋轉(zhuǎn)角速度分別通過Cartesian Velocities Imposed選項加載。?？妆诿孢吔绮捎肞OLYDATA默認的無滑移固壁條件，即Zero Normal Velocity And Zero Tangential Velocity。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

環(huán)模制粒機擠壓過程中影響流場流變性質(zhì)的工藝參數(shù)主要有喂料量、環(huán)模轉(zhuǎn)速和物料含水率等。本文采用單一因素變化法，將POLYDATA中生成的數(shù)據(jù)文件在POLYFLOW中運用Picard黏度迭代收斂法完成計算后，使用CFD-POST后處理模塊分析物料各個流變參數(shù)的結(jié)果，得到流場壓力、速度、剪切速率和黏度的分布規(guī)律。

3.1 不同喂料量下的流場特性

在環(huán)模制粒機結(jié)構(gòu)參數(shù)、物料特性（含水率=15%）和環(huán)模轉(zhuǎn)速相同的條件下，改變擠壓區(qū)的喂料量（即進口流量），將得到不同的流場分布特性。將邊界條件作以下設(shè)定：環(huán)模線速度為6.5 m/s，其對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度為31 rad/s，壓輥的旋轉(zhuǎn)角速度為64 rad/s；按照MUZL420環(huán)模制粒機設(shè)計時產(chǎn)量（即設(shè)計喂料量）為3、6、12 t/h和進口處苜蓿草粉的密度0.93 g/cm3，進口體積流量依據(jù)=×1 000×8/(3 600×1 508×0.93×0.001)分別折算為4.754、9.507和19.014 cm3/s。數(shù)值模擬結(jié)果如下，基于篇幅考慮，這里僅圖示差別顯著的2種工況對應(yīng)的模擬結(jié)果。

3.1.1 壓力場分布

由圖3可以看出，由于擠壓區(qū)喂料量的不同，流場的壓力分布發(fā)生了顯著的變化。如圖3a所示，當進口流量較小時，隨著模輥間擠壓空間的逐漸縮小，流體壓力沿流動方向由較小的負壓向正壓逐漸增加，且在負壓區(qū)環(huán)模?？變?nèi)壓力從進口到出口也是漸增的，說明物料正由進口向出口流動并聚集。在擠壓成型區(qū)，流體壓力增加至正值，當壓力增大至能夠克服?？讓ξ锪系哪Σ磷枇r，模孔內(nèi)進口壓力大于出口壓力，物料從?？字斜粩D出。如圖3b所示，當進口流量較大時，沿物料的流動方向壓力由較大的負壓向正壓增加，而且流場內(nèi)壓力明顯高于前者。負壓區(qū)非常小，出現(xiàn)在進口附近。環(huán)模?？走M口壓力均大于出口壓力，物料被擠出。這說明在環(huán)模轉(zhuǎn)速和物料特性等因素不變的情況下，擠壓區(qū)喂料量偏大，擠壓成型區(qū)隨之增大，制粒產(chǎn)量相應(yīng)提高。另外，若將壓力等值線圖局部放大可觀察到，環(huán)模?？滋幍膲毫^環(huán)模無孔處的壓力明顯降低，尤為在擠壓成型區(qū)這種現(xiàn)象比較顯著。

圖3 不同喂料量Q下的壓力等值線

3.1.2 速度場分布

由圖4、5可以看出，在模輥連續(xù)旋轉(zhuǎn)擠壓物料的過程中，緊貼模輥壁面處流速最大，距離壁面越遠流速越低，且出現(xiàn)了明顯的回流或漩渦狀態(tài)。這是由于該區(qū)域流動速度相對較低，無法克服沿流動方向正的壓強梯度的影響而形成的。如圖4a、5a所示，當進口流量較小時，由于流場的壓力相對要小，且呈現(xiàn)大面積負壓，物料回流區(qū)域比較大，回流速度也有所增加。在相對較長的變形壓緊區(qū)內(nèi)，環(huán)模模孔內(nèi)物料出現(xiàn)從出口到進口的倒流趨勢，倒流速度隨擠壓力的增大而減小。而在相對較短的物料擠壓成型區(qū)內(nèi)，壓力陡增，物料從模孔被擠出。如圖4b、5b所示，當進口流量較大時，由于流場的壓力相對要大，且呈現(xiàn)大面積正壓，所有?？變?nèi)物料均有被擠出的趨勢，且運動速度隨擠壓力的增大而增大。在較長的擠壓成型區(qū)域內(nèi)，物料近似呈層流狀態(tài)向前運動，且速度越來越大。

圖4 不同喂料量Q下的速度矢量圖

圖5 不同喂料量Q下的流線圖

3.1.3 剪切速率和黏度場分布

由圖6可以看出，由于模輥的旋轉(zhuǎn)給予物料一定的剪切作用，靠近模輥壁面處物料剪切速率最大；由于物料的黏滯作用，距離壁面越遠剪切速率越低。沿物料的流動方向，隨著模輥間隙的減小物料受到的剪切、摩擦作用增強，剪切速率增大。如圖6a所示，在模輥轉(zhuǎn)速相同的條件下，當進口流量較小時，由于沿流道半徑方向物料的速度梯度較大，所以流場的剪切速率相對進口流量較大時（如圖6b所示）要相應(yīng)地增大。這有利于物料的混合和輸送。由圖7可以看出，隨著剪切速率的增大，物料的黏度減小。很顯然，當進口流量較大時，流場的黏度分布較前者相應(yīng)增大，即物料分子間的黏滯作用較大，這將導致生產(chǎn)功率消耗和模輥接觸應(yīng)力的增大，使環(huán)模磨損加劇。

圖6 不同喂料量Q下的剪切速率云圖

3.2 不同環(huán)模轉(zhuǎn)速下的流場特性

在環(huán)模制粒機結(jié)構(gòu)參數(shù)、物料特性（含水率=15%）和進口流量（=9.507 cm3/s）相同的條件下，改變環(huán)模轉(zhuǎn)速，將其對應(yīng)的線速度分別設(shè)為2.5、6.5、12.5 m/s 3種情況，來探討流場分布特性的變化。當=2.5 m/s時，對應(yīng)的邊界條件為：環(huán)模旋轉(zhuǎn)角速度為11.9 rad/s，壓輥旋轉(zhuǎn)角速度為24.63 rad/s；當=6.5 m/s時，對應(yīng)的邊界條件為：環(huán)模旋轉(zhuǎn)角速度為31 rad/s，壓輥的旋轉(zhuǎn)角速度為64 rad/s；當=12.5 m/s時，對應(yīng)的邊界條件為：環(huán)模旋轉(zhuǎn)角速度為59.52 rad/s，壓輥旋轉(zhuǎn)角速度為123.15 rad/s。因篇幅所限，這里僅圖示以下區(qū)分顯著的2種工況的模擬結(jié)果。

圖7 不同喂料量Q下的黏度云圖

3.2.1 壓力場分布

由圖8可以看出，環(huán)模轉(zhuǎn)速的不同對流場內(nèi)的壓力分布是有顯著影響的。如圖8a所示，當環(huán)模轉(zhuǎn)速較小時，隨著模輥的旋轉(zhuǎn)，模輥間流場壓力呈正壓逐漸增加，較大的壓力使環(huán)模?？變?nèi)進口壓力均大于出口壓力，物料均有被擠出的趨勢，即擠壓成型區(qū)域比較大。如圖8b所示，隨著環(huán)模轉(zhuǎn)速的增大，模輥對物料的剪切和拖拽作用增強，模輥間流場壓力由負壓逐漸增大至正壓。在負壓區(qū)，因為物料由進口向出口流動堆積，環(huán)模?？變?nèi)壓力逐漸升高。在正壓區(qū)，模孔進口壓力大于出口壓力，物料被擠出成型，而且在擠壓成型區(qū)壓力較前者明顯增加。盡管制粒生產(chǎn)率與環(huán)模線速度呈正比，卻以設(shè)備功耗為代價[20]。所以，在考慮功耗的前提下，提高環(huán)模轉(zhuǎn)速，物料擠壓成型區(qū)域比較小，制粒生產(chǎn)效率降低。

圖8 不同環(huán)模轉(zhuǎn)速v下的壓力等值線

3.2.2 速度場分布

由圖9、10可以看出，不同環(huán)模轉(zhuǎn)速下的流場速度分布特性也截然不同。如圖9b、10b所示，在環(huán)模轉(zhuǎn)速較大的情況下，流場內(nèi)部各點的速度相對較大。因為大面積負壓區(qū)域的存在，流場的回流區(qū)域沿流動方向深入延伸至擠壓區(qū)，且回流速度較大，并伴有大量漩渦產(chǎn)生。處于負壓區(qū)的模孔內(nèi)物料亦出現(xiàn)倒流趨勢。在相對較短的擠壓成型區(qū)內(nèi)物料以較小的出模速度被擠出模孔。這說明在控制設(shè)備功耗的情況下，若環(huán)模轉(zhuǎn)速過大，不但制粒生產(chǎn)效率降低，而且因漩渦的存在影響產(chǎn)品的致密性。如圖9a、10a所示，當環(huán)模轉(zhuǎn)速較小時，雖然流場各點的速度相對較小，但因回流區(qū)域明顯較小，擠壓成型區(qū)域較長，且無漩渦，物料近似作層流運動，產(chǎn)品致密性好。

圖9 不同環(huán)模轉(zhuǎn)速v下的速度矢量圖

圖10 不同環(huán)模轉(zhuǎn)速v下的流線圖

3.2.3 剪切速率和黏度場分布

由圖11、12可以看出，環(huán)模轉(zhuǎn)速的不同對流場的剪切速率和黏度分布特性亦有影響。如圖11a、12a所示，當環(huán)模轉(zhuǎn)速較小時，剪切作用對物料分子鏈重排作用不明顯，部分分子鏈相互交織纏結(jié)，流道內(nèi)流場的剪切速率比較低，其對應(yīng)的黏度比較大。如圖11b、12b所示，由于環(huán)模轉(zhuǎn)速的提高會造成強烈的混合、剪切和摩擦作用，物料高分子鏈逐漸沿著流體運動的方向排列，分子間的作用力減小，因此流場的剪切速率增大，物料黏度反而降低，流動性增強。

圖11 不同環(huán)模轉(zhuǎn)速v下的剪切速率云圖

3.3 不同物料含水率下的流場特性

在環(huán)模制粒機結(jié)構(gòu)參數(shù)、喂料量和環(huán)模轉(zhuǎn)速相同的條件下，改變苜蓿草粉物料的含水率，將其分別取為=10%、=15%和=20%，來分析流道內(nèi)流場分布特性的變化情況。邊界條件設(shè)為：進口流量=9.507 cm3/s，環(huán)模線速度為6.5 m/s，其對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度為31 rad/s，壓輥的旋轉(zhuǎn)角速度為64 rad/s。因篇幅所限，僅圖示以下2種差別顯著的數(shù)值模擬結(jié)果。

圖12 不同環(huán)模轉(zhuǎn)速v下的黏度云圖

3.3.1 壓力場分布

由圖13可以看出，不同物料含水率下流場的壓力分布也發(fā)生了變化。如圖13a所示，隨著模輥的旋轉(zhuǎn)擠壓，當物料含水率較低時，流場的壓力從較低的負壓迅速增長至較高的正壓；如圖13b所示，當物料含水率較高時，流場的壓力從相對較高的負壓增長至相對較低的正壓。前者擠壓成型區(qū)域的壓力明顯要高于后者，因而產(chǎn)品的壓縮成型密度大于后者。這是由于物料的含水率越高，在擠壓成型過程中水分所占用的間隙越大，阻礙了物料的變形和結(jié)合。若考慮物料的黏性生熱，產(chǎn)生的熱量會使水分蒸發(fā)而形成過多的蒸汽，使物料與?？變?nèi)壁的摩擦力增大，使壓縮過程中產(chǎn)品的成型密度降低。當然，過低的含水率將使物料難以黏結(jié)成型，粉化率高，顆粒表面粗糙，制粒質(zhì)量低。

圖13 不同物料含水率C下的壓力等值線圖

3.3.2 速度場分布

圖14 不同物料含水率C下的速度矢量圖

圖15 不同物料含水率C下的流線圖

3.3.3 剪切速率和黏度場分布

由圖16、17可以看出，不同物料含水率下流場的剪切速率和黏度分布特性變化明顯。當物料含水率較小時，如圖16a、17a所示，由于草粉顆粒吸收水分較少，熟化不夠，可塑性差，剪切流動阻力大，流場的剪切速率和黏度相對比較大，容易阻塞，能耗增大，影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。當物料含水率較大時，如圖16b、17b所示，草粉顆粒吸收較多的水分，變得柔軟而具有較好的可塑性，剪切流動性好，流場的剪切速率和黏度相對比較小。但過高的含水率會使物料不易擠壓成型。

圖16 不同物料含水率C下的剪切速率云圖

圖17 不同物料含水率C下的黏度云圖

4 試驗驗證

評價環(huán)模制粒機性能優(yōu)劣的指標有多個，如成型密度、生產(chǎn)效率、能耗和穩(wěn)定性等，其中擠出成型密度是衡量成型顆粒質(zhì)量尤為重要的評價指標，因此這里僅就在不同工藝參數(shù)下物料的擠出成型密度進行探討。

在POLYFLOW后處理模塊CFD-POST中利用Probe功能捕捉所建模型中各個環(huán)模?？椎倪M、出口壓力數(shù)值。這里取不同工藝參數(shù)條件下環(huán)模?？走M口壓力最大、出口流速最大的?？壮隹趬毫槌瞿毫?。表1給出了喂料量、環(huán)模線速度和物料含水率發(fā)生變化時的出模壓力值。

表1 不同工藝參數(shù)下的出模壓力和成型密度

圖18 環(huán)模制粒機

圖19 試驗成型草顆粒

結(jié)果表明，對于一定結(jié)構(gòu)的環(huán)模制粒機，在其他條件都不變的情況下，喂料量或者環(huán)模轉(zhuǎn)速相對較大，物料含水率相對較小，出模壓力則越大，物料擠出成型密度亦隨之增大。這在一定程度上間接驗證了數(shù)值模擬方法的有效性。

結(jié)合前面的比較分析可以得出：在本文所考慮因素水平的各種組合狀態(tài)下，若僅從擠出成型密度指標考慮，當擠壓區(qū)喂料量為9.507 cm3/s（即環(huán)模制粒機喂料量為6 t/h）、環(huán)模線速度為6.5 m/s、物料含水率為15%時形成的流場有利于苜蓿草顆粒的制粒成型，此時流場壓力、速度、剪切速率大小相對適中，黏性不是很大，有利于流動，且產(chǎn)品致密性較好，出模壓力較大，具有較高的制粒成型密度。

5 結(jié) 論

基于POLYFLOW軟件對環(huán)模制粒機不同工藝參數(shù)條件下的擠壓區(qū)流場進行了數(shù)值模擬，分析了喂料量、環(huán)模轉(zhuǎn)速和物料含水率不同時壓力場、速度場、剪切速率和黏度場分布特性的變化規(guī)律，結(jié)果表明：

1）當喂料量相對較大時，流場壓力增大，且沿物料流動方向以較高的負壓向正壓逐漸增加，回流區(qū)域變小且回流速度緩慢，擠壓成型區(qū)擴大且物料以較快的速度作層流運動，流場剪切速率降低，黏度增大，因此制粒產(chǎn)量提高，出模壓力和成型密度較大，產(chǎn)品致密性較好，但生產(chǎn)功耗增加。

2）當環(huán)模轉(zhuǎn)速相對較小時，流場壓力增大，且沿物料流動方向呈正壓逐漸增加，回流區(qū)域變小，擠壓成型區(qū)增大，流動速度減小，剪切速率降低，黏度較大，產(chǎn)品致密性較好，但出模壓力和成型密度有所降低。

3）當物料含水率相對較小時，流場擠壓成型區(qū)壓力增高，剪切速率和黏度相對增加，出模壓力和成型密度較大。

4）通過試驗間接驗證了數(shù)值模擬方法的有效性，并得出在文中所設(shè)計的不同工藝參數(shù)條件中，僅考慮顆粒密度指標的優(yōu)選參數(shù)組合為：環(huán)模制粒機喂料量為6 t/h、環(huán)模線速度為6.5 m/s和物料含水率為15%。

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Numerical simulation and verification of flow field in ring die pellet mill at different process parameters for alfalfa

Wang Yongmei, Huang Xiaopeng※, Wu Jinfeng

(730070,)

Rotary roll extrusion pelleting technology has been widely used in the bioenergy industry, feed industry, chemical industry, pharmacy industry, and so on, because of the advantages such as high productivity, high forming rate, high adaptability and low pollution. By working principle analysis, numerical simulation, and experimental research, this paper revealed the distribution laws of internal flow field at different process parameters of ring die pellet mill in order to provide reference for the effective control of actual production process. First, the numerical simulation of two-dimensional isothermal flow field in the extruding domain of the ring die pellet mill MUZL420 with granulated alfalfa as the pelletizing material was performed by the POLYFLOW based on the reasonable simplification. The structural parameters of the pellet mill MUZL420 were as follows: The ring die diameter was 420 mm, the ring die width was 180 mm, the number of rollers was 2, the roller diameter was 203 mm, the percentage of the die opening area was 44.2%, the die hole diameter was 8 mm, and the die hole length was 54 mm. Effects of the changes in the feeding rate, ringdie speed and material moisture content on the distribution laws of pressure, velocity, shear rate and viscosity in the fluid field were analyzed on basis of the contour plots and cloud charts generated by CFD-POST. Then the extruding force in the exit of each die hole was captured by the Probe function in the CFD-POST. Next, according to the different process parameters set by the above numerical simulation, the experiments were carried out to measure the density of forming alfalfa pellet using the ring die pellet mill MUZL420. Finally, it was concluded by comparison that the forming density of alfalfa pellet increased with the increase of extruding force, which verified the validity of numerical simulation to some extent. The results showed that: 1) In the case of the same structural parameters and other conditions, increasing the feeding rate made the pressure in flow field gradually increase from higher negative pressure to positive pressure along the material flow direction, and the extruding area enlarged and the material here approximated to laminar flow, which improved the granulation yield and the product compactness. At the same time the shear rate was smaller and the viscosity and extruding force and forming density were larger. 2) Decreasing the ringdie speed led to the positive increase in fluid pressure along the material flow direction and the decrease in flow velocity and shear rate, in addition to obtaining larger extruding area and viscosity. However, the extruding pressure and forming density were reduced with the decrease in ringdie speed. 3) Decreasing material moisture content made the increase in pressure and viscosity and extruding pressure and forming density. 4) Only considering the pelletizing density, the optimal parameters combination in various combinations of the factor levels in this paper was as follows: The feeding rate was 6t/h, the ringdie speed was 6.5m/s, and the material moisture content was 15%.

biomass; fluid fields; moistures; ring die pellet mill; feed rate; ring-die speed; numerical simulation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.21.033

TK6

A

1002-6819(2017)-21-0267-08

2017-05-14

2017-10-08

國家自然科學基金資助項目（51365002）；甘肅農(nóng)業(yè)大學青年導師基金項目（GAU-QNDS-201204）

王詠梅，女，甘肅金昌人，講師，主要從事農(nóng)業(yè)機械裝備制造方面的研究。Email：wangyongm@gsau.edu.cn

※通信作者：黃曉鵬，男，甘肅臨洮人，教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)機械裝備制造方面的研究。Email：huangxp@gsau.edu.cn