攪拌工藝參數(shù)對糙米混合特性影響的數(shù)值模擬

劉揚(yáng)　曹昕昕　蘭海鵬

摘要：基于離散元法，利用EDEM軟件對U型混合機(jī)內(nèi)糙米顆?；旌咸匦赃M(jìn)行模擬研究，分析攪拌工藝參數(shù)對糙米顆粒混合程度的影響，得到不同攪拌工藝參數(shù)下糙米顆粒混合過程的能耗。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速的增加明顯提高了混合速度，對混合終了時(shí)的混合度作用不明顯；混合初期不同填充率下混合速度相差不大，填充率為44.2%時(shí)混合終了時(shí)的混合度最高。轉(zhuǎn)速對糙米顆粒混合能耗影響不大，填充率與能耗呈線性增長關(guān)系。研究結(jié)果可為稻谷加工增混設(shè)備的改進(jìn)及操作控制提供依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞：糙米；混合；EDEM；工藝參數(shù)；模擬

中圖分類號： S233.5；TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）15-0214-03

顆粒物質(zhì)的特殊性，使其超越了固體、液體和氣體的界限，被視為第四態(tài)物質(zhì)[1-3]。由于不同顆粒的物理性質(zhì)存在較大差異，不同顆粒的混合過程不同?；旌蠙C(jī)是利用外力使顆粒體系達(dá)到混合均勻的機(jī)械設(shè)備，但是目前還沒有一種混合機(jī)能用于混合任意顆粒，往往要根據(jù)顆粒物理性質(zhì)選擇合適的混合機(jī)和相應(yīng)的工藝參數(shù)[4]。顆粒的物理性質(zhì)、混合工藝參數(shù)、混合機(jī)結(jié)構(gòu)等對混合過程和混合效果均有顯著影響[5]。

顆粒混合運(yùn)動十分復(fù)雜[6-8]，物理混合試驗(yàn)難以獲得微觀參數(shù)信息，具有局限性。目前，離散單元法已經(jīng)成為研究顆?；旌项I(lǐng)域問題的重要工具，基于數(shù)值模擬的研究方法具有廣闊的發(fā)展前景[9-11]。在固體顆粒混合方面，國內(nèi)外研究學(xué)者應(yīng)用離散元法的研究主要集中在容器回轉(zhuǎn)型混合機(jī)內(nèi)顆粒的運(yùn)動規(guī)律和混合過程，容器回轉(zhuǎn)型混合機(jī)主要有滾筒型、V型、雙錐型等。如李少華等對回轉(zhuǎn)窯內(nèi)顆粒運(yùn)動規(guī)律和混合過程進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬研究[12-14]。趙永志等提出在滾筒內(nèi)設(shè)置十字形內(nèi)構(gòu)件的增混方式，得到滾筒內(nèi)二元顆粒體系的增混機(jī)理[15]。Cleary等對V型混合機(jī)內(nèi)顆粒混合過程和混合機(jī)理做了更深入分析，并對混合機(jī)進(jìn)行模擬放大研究[16]。但是離散元法在容器固定型混合機(jī)上的應(yīng)用研究相對較少，對其內(nèi)部顆粒的混合特性尚需深入研究，該類研究可為容器固定型混合機(jī)的改進(jìn)及操作控制提供依據(jù)和參考。

本試驗(yàn)基于商業(yè)軟件EDEM對糙米顆粒在容器固定型葉片攪拌式混合機(jī)內(nèi)的混合特性進(jìn)行模擬研究，定量分析轉(zhuǎn)速和填充率等攪拌工藝參數(shù)對糙米顆?；旌铣潭鹊挠绊?，確定不同攪拌工藝參數(shù)下糙米顆?；旌系哪芎摹?/p>

1初始參數(shù)定義

1.1顆粒

模擬的糙米顆粒為文獻(xiàn)[17-19]中的干糙米。采用千分尺測量隨機(jī)選取的100粒糙米的長短軸尺寸，最后取平均值確定糙米尺寸。試驗(yàn)測定的顆粒長軸L=3.5 mm，短軸D=1.4 mm。糙米外觀形態(tài)接近橢球體，在仿真軟件EDEM中生成的糙米顆粒模型如圖1所示。在仿真模擬中，所有的糙米顆粒尺寸完全相同。糙米顆粒的物性參數(shù)為密度 1 538 kg/m3，剪切模量1.1×107 Pa，泊松比0.4。

1.2混合機(jī)

混合機(jī)由U型罐體和攪拌葉片組成（圖2）。罐體寬B為82 mm，高H為115 mm，內(nèi)徑R為33 mm。攪拌軸由上下錯位等間距排列的8個(gè)曲狀葉片組成，葉片垂直長度30 mm、弧長30.3 mm、寬度10 mm、厚度1.5 mm，葉片間距10 mm。模擬中的混合機(jī)材質(zhì)為鋼，其物性參數(shù)為密度7 800 kg/m3，剪切模量7×1010 Pa，泊松比0.3。糙米顆粒與糙米顆粒、糙米顆粒與混合機(jī)之間的碰撞參數(shù)如表1所示[17-19]。

2研究方法

模擬所用的軟件為EDEM，因模擬糙米顆粒為干顆粒，故忽略糙米間的黏附力及液橋力，采用軟球碰撞模型，選用Hertz-Mindlin（no slip）接觸力學(xué)模型。

模擬試驗(yàn)的第1步就是將糙米顆粒裝填到混合機(jī)內(nèi)，先后裝填數(shù)量相同的糙米顆粒，顆粒分為上下2層，上下2層的糙米物理參數(shù)完全相同。為便于觀察糙米顆粒的運(yùn)動規(guī)律以及混合情況，上層顆粒標(biāo)記為白色，下層顆粒標(biāo)記為灰色。待裝填完成后，對軸設(shè)定不同的轉(zhuǎn)速，軸帶動葉片做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，混合期間糙米顆粒在葉片攪拌作用下發(fā)生復(fù)雜運(yùn)動，致使分層的顆粒群混合均勻，如圖3所示。

3模擬結(jié)果與分析

通過對糙米顆粒運(yùn)動情況的觀察分析，發(fā)現(xiàn)顆粒系統(tǒng)是在對流混合、擴(kuò)散混合和剪切混合3種混合機(jī)制的共同作用下混合均勻的。對流混合是指在外力作用下，顆粒團(tuán)從一處移動到另一處，發(fā)生宏觀尺度的運(yùn)動[22]。擴(kuò)散混合是指顆粒在運(yùn)動過程中發(fā)生的顆粒尺度的相互穿插和滲透作用[23]。剪切混合是指顆粒之間由于速度不同發(fā)生相對滑動進(jìn)而改變相對位置所達(dá)到的混合[24]。

3.1工藝參數(shù)對混合度的影響

3.1.1轉(zhuǎn)速對混合度的影響

圖4為轉(zhuǎn)速在10、20、30 r/min 條件下，混合程度與混合時(shí)間的關(guān)系曲線，此時(shí)填充率固定為44.2%。從圖4中可以明顯看出，在轉(zhuǎn)速參數(shù)范圍內(nèi)，隨著混合時(shí)間的延長，顆粒體系的混合度先快速增大，接著增長速度降低，最后混合度不再發(fā)生變化，趨于定值。且轉(zhuǎn)速越大，顆粒體系的混合速度越快，但3種轉(zhuǎn)速下最終的混合度值接近，說明轉(zhuǎn)速嚴(yán)重影響混合速度，而與顆粒體系最終的混合程度關(guān)系不大。分析其原因?yàn)樵诨旌铣跗冢瑢α骰旌掀鹬饕饔?，對流混合能快速降低顆粒混合體系的不均勻性，達(dá)到宏觀上的混合均勻，所以混合初期混合速度較快。隨著混合的進(jìn)行，對流混合作用降低，擴(kuò)散和剪切混合起主要作用，與對流混合相比擴(kuò)散和剪切混合的混合速度較慢，可實(shí)現(xiàn)微觀上的混合均勻。最后，在3種混合機(jī)制的作用下，顆粒體系混合均勻，混合終了時(shí)的混合程度無明顯變化。隨著轉(zhuǎn)速的提高，顆粒的運(yùn)動能力明顯增強(qiáng)，顆粒運(yùn)動更劇烈，3種混合機(jī)制作用都得到增強(qiáng)，所以轉(zhuǎn)速越高混合速度越快[25]。

3.1.2填充率對混合度的影響

圖5為填充率在44.2%、55.7%、67.3%條件下，混合程度與混合時(shí)間的關(guān)系曲線，此時(shí)轉(zhuǎn)速固定為30 r/min。從圖5中可以看出，在不同填充率條件下，3種混合機(jī)制的共同作用使得顆粒體系的混合度先快速增加，隨后增長速度降低，最后不再發(fā)生變化?；旌铣跗?種填充率下的混合速度相差不大，但隨著混合的不斷進(jìn)行，填充率為44.2% 時(shí)混合速度最快， 混合終了時(shí)混合度最高。分析其原因可能是在混合初期，不同填充率下對流混合作用都很強(qiáng)烈， 所以混合速度相差不大。隨著對流混合作用的削弱，填充率越低，葉片每旋轉(zhuǎn)1圈顆粒翻滾的次數(shù)越多，顆粒運(yùn)動更加活躍，促進(jìn)了擴(kuò)散混合和剪切混合的作用，所以填充率最低時(shí)混合度最高。endprint

3.2工藝參數(shù)對能耗的影響

為得到不同攪拌工藝參數(shù)對能耗的影響，對顆?；旌暇鶆驎r(shí)能耗隨工藝參數(shù)的變化進(jìn)行分析，如圖6、圖7所示。

3.2.1填充率對能耗的影響

圖6為計(jì)算得到的混合機(jī)內(nèi)糙米顆?；旌暇鶆驎r(shí)能量消耗隨葉片轉(zhuǎn)速的變化，此時(shí)填充率固定為44.2%。由圖6可見，在3種轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)速為 20 r/min 時(shí)顆粒運(yùn)動能耗最小，但能耗值相差不大。為得到不同轉(zhuǎn)速下能量消耗偏離平均值的程度，求得3種轉(zhuǎn)速下能耗值的變異系數(shù)CV=0.031 5，說明能耗波動值很小，能耗值接近。

4結(jié)論

本試驗(yàn)基于離散元法對糙米顆粒在容器固定性混合機(jī)內(nèi)的混合特性進(jìn)行了模擬研究。分層糙米顆粒間混合是在對流混合、擴(kuò)散混合和剪切混合的共同作用下完成的。隨著轉(zhuǎn)速增加，混合速度明顯提高，混合終了時(shí)的混合度與轉(zhuǎn)速關(guān)系不大；隨著填充率降低，混合速度相差不大，但混合終了時(shí)的混合度提高。攪拌工藝參數(shù)轉(zhuǎn)速對能耗影響不大，填充率與能耗呈線性增長關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

[1]歐陽鴻武，黃誓成，彭政，等. 顆粒物質(zhì)的堵塞行為[J]. 粉末冶金材料科學(xué)與工程，2008，13（5）：260-268.

[2]歐陽鴻武，黃誓成，劉卓民，等. 顆粒物質(zhì)的堵塞行為與非晶相變[J]. 稀有金屬材料與工程，2009，38（7）：1310-1316.

[3]歐陽鴻武，黃立華，程亮，等. 低速轉(zhuǎn)鼓中顆粒流態(tài)的滯后轉(zhuǎn)變行為[J]. 粉末冶金材料科學(xué)與工程，2013，18（2）：155-162.

[4]歐陽鴻武，何世文，廖奇音，等. 圓筒型混合器中顆?；旌线\(yùn)動的研究[J]. 粉末冶金材料科學(xué)與工程，2003，8（4）：278-284.

[5]Brone D，Wightman C，Connor K，et al. Using flow perturbations to enhance mixing of dry pow ders in V-blenders[J]. Powder Technology，1997，91（3）：165-172.

[6]Brone D，Muzzio F J. Enhanced mixing in double-cone blenders[J]. Powder Technology，2000，110（3）：179-189.

[7]Shinbrot T，Alexander A，Muzzio F J. Spontaneous chaotic granular mixing[J]. Nature，1999，397（6721）：675-678.

[8]歐陽鴻武，何世文，陳海林，等. 粉體混合技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 粉末冶金技術(shù)，2004，22（2）：104-108.

[9]Radl S，Brandl D，Heimburg H，et al. Flow and mixing of granular material over a single blade[J]. Powder Technology，2012，226（8）：199-212.

[CM（29][10]Cleary P W. Particulate mixing in a Plough share mixer using DEM[LM]

with realistic shaped particles[J]. Powder Technology，2013，248（2）：103-120.

[11]Lemieux M，Léonard G，Doucet J，et al. Large-scale numerical investigation of solids mixing in a V-blender using the discrete element method[J]. Powder Technology，2008，181（2）：205-216.

[12]李少華，張立棟，張軒，等. 回轉(zhuǎn)式干餾爐內(nèi)影響顆粒混合運(yùn)動因素的數(shù)值分析[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（2）：32-38.

[13]李少華，朱明亮，張立棟，等. 回轉(zhuǎn)裝置內(nèi)三組元顆粒徑向混合評價(jià)方法分析[J]. 化工進(jìn)展，2013，32（6）：1224-1229.

[14]李少華，張軒，張立棟，等. 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)顆粒軸向混合運(yùn)動的數(shù)值模擬[J]. 中國粉體技術(shù)，2011，17（2）：23-26.

[15]趙永志，張憲旗，劉延雷，等. 滾筒內(nèi)非等粒徑二元顆粒體系增混機(jī)理研究[J]. 物理學(xué)報(bào)，2009，58（12）：8386-8393.

[16]Cleary P W，Sinnott M D. Assessing mixing characteristics of particle-mixing and granulation devices[J]. Particuology，2008，6（6）：419-444.

[17]韓燕龍，賈富國，唐玉榮，等. 顆粒滾動摩擦系數(shù)對堆積特性的影響[J]. 物理學(xué)報(bào)，2014，63（17）：165-171.

[18]劉揚(yáng)，韓燕龍，賈富國，等. 橢球顆粒攪拌運(yùn)動及混合特性的數(shù)值模擬研究[J]. 物理學(xué)報(bào)，2015，64（11）：264-271.

[19]賈富國，韓燕龍，劉揚(yáng)，等. 稻谷顆粒物料堆積角模擬預(yù)測方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（11）：254-260.

[20]Lacey B C. Developments in the theory of particle mixing[J]. Journal of Applied Chemistry，1954，4（5）：257-268.

[21]陳志平，章序文，林興華. 攪拌與混合設(shè)備設(shè)計(jì)選用手冊[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[22]Sudah O S，Coffin-Beach D，Muzzio F J. Quantitative characterization of mixing of free-flowing granular material in Tote（bin）-blenders[J]. Powder Technology，2002，126（2）：191-200.

[23]McCarthy J J，Khakhar D V，Ottino J M. Computational studies of granular mixing[J]. Powder Technology，2000，109（1/2/3）：72-82.

[24]朱明亮. 多組元顆粒徑向混合實(shí)驗(yàn)研究[D]. 吉林：東北電力大學(xué)，2013.

[25]江茂強(qiáng). 雙錐型混合器內(nèi)顆?；旌霞霸龌鞕C(jī)理研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2010.endprint