基于滑移網(wǎng)格技術(shù)的碾米機(jī)氣流場數(shù)值模擬分析

張 雙，阮競蘭*，吳杰俊

（1．河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450001;2.湖南郴州糧油機(jī)械有限公司，湖南 郴州 423000）

基于滑移網(wǎng)格技術(shù)的碾米機(jī)氣流場數(shù)值模擬分析

張 雙1，阮競蘭1*，吳杰俊2

（1．河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450001;2.湖南郴州糧油機(jī)械有限公司，湖南 郴州 423000）

以MNML30型立式砂輥碾米機(jī)為原型，借助 Solidworks創(chuàng)建三維模型，并利用Workbench對所建模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格質(zhì)量評判，應(yīng)用Fluent中的滑移網(wǎng)格技術(shù)對碾米機(jī)碾白室內(nèi)氣流場進(jìn)行數(shù)值模擬。通過改變碾白輥轉(zhuǎn)速，分析不同碾白輥轉(zhuǎn)速對碾白室內(nèi)氣流場的影響，當(dāng)碾白輥轉(zhuǎn)速分別取500 r/min、900 r/min和1 200 r/min時，得到900 r/min時氣流場處于較穩(wěn)定狀態(tài)。

碾白室；滑移網(wǎng)格；網(wǎng)格質(zhì)量；速度壓力云圖；速度壓力曲線

0 前言

碾米機(jī)是將糙米碾白的一種動力機(jī)械，而碾白室是糙米碾白的主要工作場所，米粒在碾白室內(nèi)的運(yùn)動速度和壓力是碾白工藝的主要參數(shù)，是研究碾米理論的基礎(chǔ)[1-2]。近幾十年來，世界各國對碾米的工藝方法進(jìn)行了許多改進(jìn)，20世紀(jì)70年代開發(fā)的噴風(fēng)碾米以其良好的工藝效果，迅速得到了行業(yè)的認(rèn)可、普及和推廣[3]。對于噴風(fēng)碾米的碾米機(jī)，影響其碾白室壓力的因素有很多，其中最主要的有碾白輥的線速、碾白室間隙、進(jìn)機(jī)流量、米刀的數(shù)量和厚度等[4]。

在碾米過程中氣流的作用不僅可以加強(qiáng)米粒的翻滾運(yùn)動，使糙米碾白得更均勻，而且還可以降低白米的溫升，降低碾白室的濕度，減少碎米的產(chǎn)生，同時也會促使米糠和米粒分離。適時調(diào)整碾白室的碾白壓力，可將米糠帶出碾米機(jī)外，實(shí)現(xiàn)米糠分離[5]。由此可見，氣流在碾米過程的作用是十分重要的，但是在實(shí)際的設(shè)計(jì)優(yōu)化中，氣流在碾白室內(nèi)的流動情況理論研究不夠，僅有定性的分析，缺乏定量分析。

近年來，計(jì)算流體動力學(xué)技術(shù)在國內(nèi)外迅速發(fā)展，其商用軟件Fluent在氣流場、溫度場、輻射場等的數(shù)值模擬上的優(yōu)勢也越來越突出[6]。本文借助流體分析軟件Fluent對碾米機(jī)內(nèi)的氣流場進(jìn)行數(shù)值模擬。在模擬碾白輥的運(yùn)動時，F(xiàn)luent中有多參考系模型、混合面模型、滑移網(wǎng)格和動網(wǎng)格模擬等。但是前兩種模型只是針對定常問題的分析，而動網(wǎng)格模型一般用于較為復(fù)雜的運(yùn)動。而本文中的碾白輥只是單一的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，適合用滑移網(wǎng)格技術(shù)[7-8]。

1 計(jì)算模型創(chuàng)建

本文中計(jì)算模型以MNML30型立式砂輥碾米機(jī)為原型。MNML30型碾米機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 MNML30技術(shù)參數(shù)Table 1 MNML30 technical parameters

該型號碾米機(jī)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。它主要由進(jìn)料機(jī)構(gòu)、碾白室、出料機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、排糠系統(tǒng)及機(jī)架等部分組成。噴風(fēng)形式采用的是噴風(fēng)盤噴風(fēng)。采用噴風(fēng)盤噴風(fēng)時，出風(fēng)口處的負(fù)壓值選用較小的值，即選用-1 000 Pa。

圖1 MNML30型立式砂輥碾米機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure scheme of MNML30 vertical sand roller milling machine

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測繪數(shù)據(jù)以及廠家提供的相關(guān)尺寸，再結(jié)合MNML30型碾米機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，同時考慮到計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度和容量大小方面的限制，在不影響結(jié)果的條件下，對計(jì)算模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?。?yīng)用滑移網(wǎng)格，將計(jì)算域分為內(nèi)外兩部分進(jìn)行創(chuàng)建，圖2所示為簡化后的碾米機(jī)流體區(qū)域。左圖為碾米機(jī)整體的效果圖，圖中箭頭標(biāo)明了氣流在碾米機(jī)內(nèi)的流動方向。右圖為運(yùn)動區(qū)域1的整體效果圖，從圖2可以看出，沿著圓周方向均勻分布的4個扇形區(qū)域即為簡化后的噴風(fēng)盤。

圖2 簡化后的碾米機(jī)示意圖Fig.2 Schematic diagram of a simplified rice milling machine

2 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

將圖2中的模型保存為IGS格式，導(dǎo)入到Workbench進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于噴風(fēng)盤的尺寸跟篩孔的尺寸相對來說比較小，而且此兩處也是流體計(jì)算的關(guān)鍵部分，需對這兩部分的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，而其他區(qū)域的網(wǎng)格，考慮到計(jì)算的整體效率，網(wǎng)格的尺寸可以適當(dāng)?shù)丶哟?，?dāng)然必須要控制在合理的范圍之內(nèi)。圖3為碾米機(jī)網(wǎng)格劃分之后的效果圖，其中箭頭指示的為方框處的局部放大圖，在放大圖中可以看到篩孔處的網(wǎng)格尺寸要小于其他部位，即進(jìn)行適當(dāng)?shù)募?xì)化。

圖3 碾米機(jī)網(wǎng)格圖Fig.3 Grid diagram of milling machine

對于仿真計(jì)算而言，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到求解計(jì)算的收斂情況和計(jì)算結(jié)果的精確度，F(xiàn)luent中網(wǎng)格質(zhì)量的評判標(biāo)準(zhǔn)有很多種，比較常用的就是歪斜度（Skewness），一般要求歪斜度最好要在0.9以下[10]。在Workbench中對上述網(wǎng)格進(jìn)行了歪斜度的檢查，如圖4所示，其中Skewness平均值為 0.242，最大值為 0.849，最小值為 6.74×10-5。由此可見，該模型的網(wǎng)格質(zhì)量符合要求。

圖4 碾米機(jī)網(wǎng)格歪斜度Fig.4 The mesh skewness of milling machine

3 仿真參數(shù)設(shè)置

3.1 入口邊界條件設(shè)置

入口采用速度入口邊界條件，湍流條件按湍流強(qiáng)度和水力直徑進(jìn)行設(shè)置。由表1可知，該型號碾米機(jī)的處理風(fēng)量為35 m3/min，進(jìn)風(fēng)口的尺寸為：120 mm×50 mm×2/195 mm×55 mm。=25.67 m/s，

式中：L 為風(fēng)量，m3/min；F 為風(fēng)口通風(fēng)面積，m2；v為進(jìn)風(fēng)口的平均風(fēng)速，m/s。

為了簡化仿真計(jì)算，省略了進(jìn)料機(jī)構(gòu)，此時風(fēng)直接從碾白輥頂端的環(huán)形端面直接吹入碾白輥內(nèi)部，由于風(fēng)程縮短了，所以取此進(jìn)風(fēng)口處的速度為20 m/s。

進(jìn)風(fēng)口處的水利直徑Φ1、雷諾數(shù)Re1和湍流強(qiáng)度I1分別為[11]：

式中：ν為空氣的運(yùn)動黏度，15.06×10-6m2·s-1。

3.2 出風(fēng)口邊界條件設(shè)置

出口采用壓力出口邊界條件，由表1可知，風(fēng)壓為980.4～1 470.6 Pa，則出口處壓強(qiáng)為：

P=(980.4～1 470.6)Pa

同上述可計(jì)算出出風(fēng)口處的水利直徑Φ2、雷諾數(shù)Re2和湍流強(qiáng)度I2分別為：

3.3 滑移網(wǎng)格設(shè)置（圖5和圖6）

將分別模擬碾白輥在轉(zhuǎn)速500 r/min、900 r/min和1 200 r/min下碾米機(jī)內(nèi)氣流的壓力和速度的變化，將運(yùn)動區(qū)域M_A置于滑移網(wǎng)格的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，繞y軸順時針旋轉(zhuǎn)，而靜止區(qū)域置于靜止坐標(biāo)系。壁面選用無滑動壁面條件，在近壁面區(qū)使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

圖5 M_A區(qū)域滑移網(wǎng)格設(shè)置Fig.5 Slide mesh settings of M_A filed

圖6 不同時刻下橫截面Y=154 mm的網(wǎng)格圖Fig.6 Grid diagram of cross section Y=154 mm at different moment

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 殘差分析

通過優(yōu)化網(wǎng)格，改進(jìn)求解參數(shù)，控制松弛因子等方法，保證并提高迭代的收斂性。經(jīng)過多次迭代，圖7為2.8 s轉(zhuǎn)速為900 r/min下的殘差監(jiān)視變化曲線。計(jì)算至54 500步后，計(jì)算收斂，流量報告給出進(jìn)出口的質(zhì)量流量的絕對值相對誤差達(dá)到10-5，每0.1 s記錄1次流場數(shù)據(jù)結(jié)果[12]。

4.2 縱截面流場信息結(jié)果分析

為了分別考察碾米機(jī)內(nèi)部流場隨碾白輥轉(zhuǎn)速變化情況，根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，選取時間為1 s，轉(zhuǎn)速為500 r/min、900 r/min和1 200 r/min時碾白室中心截面Z=0 mm的流場速度信息（圖8）和流場壓力信息（圖9）來進(jìn)行分析。

由圖8的速度云圖可以看出，隨著碾白輥轉(zhuǎn)速提高，碾米機(jī)內(nèi)氣流最大線速也越來越大，碾米機(jī)縱向氣流速度梯度越來越小。3種轉(zhuǎn)速之下，氣流的速度由進(jìn)風(fēng)口到出風(fēng)口基本都呈越來越小的變化趨勢。由圖9的壓力云圖可以看出，整個碾白室處在負(fù)壓的狀態(tài)，這跟實(shí)際的情況也很符合，而且可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的提高，碾白室內(nèi)氣流壓力也呈現(xiàn)增大的趨勢。高壓區(qū)出現(xiàn)在碾白輥的下端，這是因?yàn)樵诤喕Ｐ蜁r，將與之裝配的軸以及軸承簡化掉了，這里形成了一個密閉的空間。

圖7 殘差曲線Fig.7 Residual curve

圖8 1 s時不同轉(zhuǎn)速下Z=0 mm速度云圖Fig.8 Velocity cloud of Z=0 mm at different rotating speeds in 1 s

圖9 1 s時不同轉(zhuǎn)速下Z=0 mm壓力云圖Fig.9 Pressure cloud of Z=0 mm at different rotating speeds in 1 s

4.3 橫截面流場信息結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，選取時間為2 s，轉(zhuǎn)速為500 r/min、900 r/min和1 200 r/min時碾白室橫截面Y=154 mm的流場速度信息（圖10）和流場壓力信息（圖11）來進(jìn)行分析。

圖10 2 s時不同轉(zhuǎn)速下Y=154 mm速度云圖Fig.10 Velocity cloud of Y=154 mm at different rotating speeds in 2 s

由圖10的速度云圖可以看出，當(dāng)碾白輥轉(zhuǎn)速為500 r/min時，整個碾米機(jī)橫向氣流速度梯度變化比較大，而相對來說當(dāng)轉(zhuǎn)速為900 r/min和1 200 r/min時，碾米機(jī)橫向氣流速度梯度變化較舒緩。由圖11的壓力云圖可以看出，碾米機(jī)內(nèi)氣流壓力在橫向方向上，由碾白輥中心向外壓力是越來越小的，而且碾白室整個都是處在負(fù)壓的狀態(tài)之下，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時，橫向氣流壓力梯度的變化較前兩者大。

4.4 碾白室某一豎直方向上的壓力和速度變化情況

圖11 2 s時不同轉(zhuǎn)速下Y=154 mm壓力云圖Fig.11 Pressure cloud of Y=154 mm at different rotating speeds in 1 s

為了查看碾白室內(nèi)壓力和速度在轉(zhuǎn)速一定時，其值隨時間的變化情況，在碾白室選取點(diǎn)P1（153 471.5 0）為起點(diǎn)，選取點(diǎn)P2（153 76.5 0）為終點(diǎn)，連接點(diǎn)P1和P2定義為line33。

圖12為直線line33上各點(diǎn)的速度隨時間變化的情況，其中v1表示1 s時直線上各點(diǎn)的速度，v2表示2 s時直線上各點(diǎn)的速度，同理可知v3則表示3 s時直線上各點(diǎn)的速度。由圖12可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速為500 r/min和1 200 r/min時，直線line33上各點(diǎn)速度大小是處在變化之中的，當(dāng)轉(zhuǎn)速為900 r/min時，直線line33上速度大小基本保持恒定，相當(dāng)于達(dá)到一個穩(wěn)態(tài)。單從line33上各點(diǎn)的速度隨時間的變化情況，可以初步推斷出，當(dāng)碾白輥轉(zhuǎn)速為900 r/min時，碾白室內(nèi)的氣流在速度變化上更穩(wěn)定，也更容易實(shí)現(xiàn)控制。

圖12 直線line33上的速度變化曲線Fig.12 Velocity change curve of line33

圖13為直線line33上各點(diǎn)的壓力隨時間變化的情況，其中p1表示1 s時直線上各點(diǎn)的靜壓值，p2表示2 s時直線上各點(diǎn)的靜壓值，同理可知p3則表示3 s時直線上各點(diǎn)的靜壓值。由圖13可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速為500 r/min時，直線line33上各點(diǎn)的壓力隨著時間的推移，整體趨勢呈上升的趨勢；而當(dāng)轉(zhuǎn)速為900 r/min時，類似于直線上各點(diǎn)的速度值，line33上各點(diǎn)的壓力基本保持恒定，也相當(dāng)于達(dá)到了一個穩(wěn)態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時，隨著時間的推移，直線上各點(diǎn)的壓力大幅減小。單從line33上各點(diǎn)的壓力隨時間的變化情況，可以初步斷定，當(dāng)碾白輥轉(zhuǎn)速為900 r/min時，碾白室內(nèi)的壓力更穩(wěn)定，更容易控制。

圖13 直線line33上的壓力變化曲線Fig.13 Pressure change curve of line33

5 結(jié)論

采用滑移網(wǎng)格技術(shù)模擬的壓力分布情況，在不同的轉(zhuǎn)速之下，規(guī)律不盡相同。當(dāng)碾白輥轉(zhuǎn)速為500 r/min時，碾白室內(nèi)壓力隨著時間的推移有增大的趨勢；當(dāng)碾白輥轉(zhuǎn)速為900 r/min時，碾白室內(nèi)的壓力隨著時間的推移基本保持在恒定值，呈現(xiàn)出一個穩(wěn)態(tài)的過程；當(dāng)碾白輥線速為1 200 r/min時，碾白室內(nèi)的壓力隨著時間的推移大幅減小。且由碾米機(jī)橫截面上壓力云圖可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時，橫向的壓力梯度變化也較前兩者大。

采用滑移網(wǎng)格技術(shù)模擬的速度分布情況，在不同的轉(zhuǎn)速之下，規(guī)律也是各不相同。當(dāng)碾白輥線速為500 r/min和1 200 r/min時，隨著時間的推移，碾白室內(nèi)各點(diǎn)的速度處在不斷的變化之中；而當(dāng)碾白輥轉(zhuǎn)速為900 r/min時，碾白室內(nèi)各點(diǎn)的速度沒有發(fā)生改變，相當(dāng)于處在一個穩(wěn)定狀態(tài)下。且由碾米機(jī)橫截面上速度云圖可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速為500 r/min時，橫向的速度梯度變化也較其他兩種情況大。

單從直線line33上各點(diǎn)在不同時刻時的速度和壓力變化情況，可以初步推斷，當(dāng)碾白輥轉(zhuǎn)速為900 r/min時，碾米機(jī)碾白室內(nèi)的氣流流動情況較穩(wěn)定，也最容易實(shí)現(xiàn)控制。

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NUMERICAL SIMULATION OF AIRFLOW OF MILLING MACHINE WITH SLIP GRID TECHNIQUE

ZHANG Shuang1， RUAN Jinglan1，WU Jiejun2
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou 450001，China；2.Hunan Chenzhou Grain and Oil Machinery Co.，Ltd，Chenzhou 423000，China）

The MNML30 type of vertical sand roller rice milling machine was as the prototype，using Solidworks to create three-dimensional model，and the mesh division and mesh quality of the built model were evaluated by Workbench in this study. The Slip Grid technique technique was applied in the numerical simulation of the fluent field in whitening chamber of rice milling machine. The influence of roller speed on the fluent field in whitening chamber of milling machine was analyzed through the changes of roller speed. Three different roller speeds were delimited，which were 500 r/min， 900 r/min and 1 200 r/min， respectively. The results showed that the fluent field in whitening chamber was at a more steady state at the roller speed of 900 r/min. .

whitening chamber；slip grid technique；mesh quality；velocity and pressure cloud；velocity and pressure curve

TS210.3

B

1673-2383(2017)06-0091-07

http://kns.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20171226.1723.032.html

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2017-12-26 17:24:10

2017-01-25

河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（16A46002）

張雙（1989—），女，河南信陽人，碩士研究生，研究方向?yàn)榧Z油機(jī)械設(shè)計(jì)理論。

*通信作者