基于DEM離散元建模技術(shù)的雙軸槳葉式食品混合機運動仿真分析

徐玉菁

(東南大學(xué)成賢學(xué)院，江蘇 南京 210088)

雙軸槳葉式混合機對顆粒的形狀尺寸、顆粒密度等物理性質(zhì)沒有特別的要求，混合性能好，生產(chǎn)率高。粉體顆粒在雙軸槳葉式混合機內(nèi)運動的混合情況非常復(fù)雜，實際試驗中很難觀察，也很難用相關(guān)儀器對物料顆粒的混合情況進行檢測，而采用離散元法可以有效地解決此問題[1]。劉揚等[2]基于離散元法對雙軸槳葉式混合機中物料顆粒的運動軌跡進行分析，發(fā)現(xiàn)混合機內(nèi)物料顆粒的位移主要發(fā)生在徑向，旋轉(zhuǎn)運動主要發(fā)生在軸向，顆粒流動性良好，混合程度較高。蘭海鵬等[3]基于離散元法，以物料顆粒的運動軌跡對混合機中物料顆粒的混合程度進行評估，得到了物料顆粒在混合機中的運動軌跡，混合較好的位置及混合情況。彭飛等[4]為探究粉體食品調(diào)質(zhì)器中物料的運動情況，基于DEM-CFD耦合的方法，并采用Design-Expert軟件設(shè)計試驗，對調(diào)質(zhì)器模型作業(yè)參數(shù)進行優(yōu)化分析，得出各因素對調(diào)質(zhì)器出料量的影響顯著性，為調(diào)制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考?；陔x散元法的雙軸槳葉式混合機的研究較多，但針對粒徑較小的粉體顆粒的混合研究甚少，針對物料茶粉、大豆粉、小麥粉3種顆粒的混合分析也相對較少。

DEM離散單元法(Discrete Element Method)，是一種顯示求解的數(shù)值分析方法，該方法是繼有限元法、計算流體力學(xué)(CFD)之后，用于分析物質(zhì)系統(tǒng)動力學(xué)問題的又一種強有力的數(shù)值計算方法。DEM離散單元法通過建立固體顆粒體系的參數(shù)化模型，進行顆粒行為模擬和分析，是解決涉及顆粒、結(jié)構(gòu)、流體與電磁及其耦合等綜合問題的一種強有力的過程分析工具。為探討混合機內(nèi)粉體食品顆粒的運動混合情況，試驗擬基于離散元法對粉體顆粒混合過程進行仿真。采用EDEM軟件對3種不同尺寸的粉體食品顆粒按比例混合進行仿真，以后處理Bin Groups建立混合箱觀察混合情況，并通過研究不同類型粉體食品之間的顆粒數(shù)量來進行評估。從不同混合箱之間和不同類型粉體食品之間的顆粒數(shù)量、顆粒的軌跡、顆粒群軌跡來對顆粒運動混合情況進行評估，以期為雙軸槳葉式混合機的結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化提供參考。

1 雙軸槳葉式混合機原理

雙軸漿葉混合機(圖1)內(nèi)裝有雙軸旋轉(zhuǎn)反向的漿葉，漿葉呈一定角度將物料沿軸向、徑向循環(huán)翻攪，使物料迅速混合均勻，槳葉葉片通常做成兩片式。雙軸漿葉混合機充分利用物料在混合器內(nèi)的上拋運動形成流動層，產(chǎn)生瞬間失重，使之達到最佳混合效狀態(tài)。在流動層領(lǐng)域中，物料以一定圓周速度克服離心力，在具有特定角度的槳葉作用下移動，實現(xiàn)在全方位范圍內(nèi)進行混合，形成隨機的最佳運動狀態(tài)。

圖1 雙軸槳葉式混合機

2 離散元仿真分析

2.1 仿真參數(shù)

仿真采用3種不同粉體食品顆粒進行分析，考慮到仿真時間的局限性，結(jié)合國內(nèi)外文獻[5-8]對粉體食品顆粒與不銹鋼離散元仿真參數(shù)的設(shè)置及軟件內(nèi)置 GEMM 數(shù)據(jù)庫，通過休止角以批處理的方式對粉體食品顆粒進行離散元校準后，得到研究所用粉體食品各仿真參數(shù)的取值如表1所示。

表1 離散元仿真參數(shù)表

2.2 仿真模型

利用Solidworks軟件建立雙軸漿葉混合機的三維模型，另存為step格式，導(dǎo)入EDEM軟件進行仿真。分別建立粒徑分別為2，3，4 mm大小的粉體食品顆粒模型，為節(jié)省仿真時間，結(jié)合相關(guān)文獻[9-11]，顆粒仿真采用軟球模型，顆粒生成方式為 Dynamic，分別建立3種顆粒的虛擬工廠，3種粉體食品物料顆粒的比例為2∶1∶1進行混合，待粉體食品顆粒處于靜止狀態(tài)后，對雙軸槳葉設(shè)置轉(zhuǎn)速雙向轉(zhuǎn)速40 r/min，仿真步長設(shè)為0.01 s，仿真時間設(shè)為10 s，待仿真結(jié)束后，通過后處理中Bin Groups等工具進行分析，仿真模型如圖2所示。

圖2 仿真模型圖

2.3 仿真運動狀態(tài)分析

待仿真結(jié)束后，采用上色工具對3種粉體食品顆粒上色處理，觀察各個時間點的混合狀態(tài)，分析3種粉體食品顆粒的混合情況，對物流進行著色處理，三色分別為灰色、黑色、白色，如圖3所示。

如圖3所示，t=1 s時，雙軸葉片還未開始轉(zhuǎn)動，處于準備混合狀態(tài)；t=2 s時，在雙軸葉片的攪動下，3種物料開始發(fā)生混合，最底層的黑色物料中部顆粒有向上運動的趨勢，中層的白色物料中間兩側(cè)開始出現(xiàn)兩邊向上運動的趨勢，最頂層的灰色物料兩側(cè)開始向下運動；t為2～5 s時，雙軸葉片隨著時間的增加，3種粉體食品顆粒的混合程度逐漸增加；t=6 s時，3種粉體食品的混合程度已較大。通過各個時間點的混合狀態(tài)可知，3種物料的混合從雙軸葉片的周圍開始，隨著時間的增加，混合程度增加的同時逐漸趨于穩(wěn)定。

圖3 粉體食品顆粒混合狀態(tài)圖

2.4 Bin Groups評估

待仿真結(jié)束后，采用后處理工具Bin Groups，以每種粉體食品顆粒的數(shù)量來對3種粉體食品的混合程度進行評估[12]。

在混合穩(wěn)定階段后，建立Bin Groups對3種粉體食品顆粒的混合程度進行分析。由圖4可知：當t=5 s時，3種粉體食品顆粒所對應(yīng)的方格中顆粒數(shù)量還存在一定的差距，但是基本相差不大，3種粉體食品顆粒的混合程度已經(jīng)很高。采用離散元中的Bin Groups功能，可以數(shù)據(jù)化地對物料的混合情況進行分析，實時觀察物料的混合情況，分析雙軸槳葉式混合機的混合效率。

圖4 t=5 s時刻粉體食品顆?；旌戏治?/p>

2.5 顆粒接觸評估

待仿真結(jié)束后，采用后處理工具，利用3種粉體食品之間的接觸數(shù)來對粉體食品的混合程度進行評估，如果3種粉體食品之間的接觸數(shù)達到穩(wěn)定值，則表示混合均勻[13]。

由圖5可知，3種粉體食品顆粒之間的接觸隨時間的變化趨勢大體上是相同的，隨著時間的增加，各種粉體食品之間的接觸數(shù)量也隨之增加，待t=8 s之后，各種粉體食品顆粒之間的接觸數(shù)量基本達到穩(wěn)定值，即3種粉體食品之間的混合程度已經(jīng)達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，仿真結(jié)果表明采用顆粒間的接觸來對混合情況進行分析是可行的。

圖5 接觸數(shù)隨時間的變化曲線

2.6 顆粒軌跡評估

待仿真結(jié)束后，采用后處理工具，分別選取每種粉體食品顆粒的徑向10個顆粒，以流線的形式觀察3種粉體食品顆粒在10 s內(nèi)的運動軌跡。如圖6所示，粉體食品1位于最底部，以最低部為起始端開始隨雙軸葉漿轉(zhuǎn)動，最終朝向雙軸葉片中心移動；粉體食品2位于中層顆粒，起始與中層開始運動，與粉體食品1的運動軌跡基本相同，有著相同的運動趨勢；粉體食品3位于最上層顆粒，起始與上層開始運動，與粉體食品1、2的運動軌跡基本相同，有著相同的運動趨勢。

圖6 各個粉體食品的運動軌跡圖

3 結(jié)論

基于離散元方法建立了粉體物料與雙軸槳葉式混合機的仿真模型，以顆粒狀態(tài)圖、顆粒間接觸、顆粒軌跡對雙軸槳葉式混合機的混合性能進行分析，仿真分析結(jié)果可有效觀察雙軸槳葉式混合機混合粉體物料中的粉體運動趨勢、運動軌跡、速度分布等，為雙軸槳葉式混合機的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化提供參考。研究分析中3種粉體食品模擬顆粒大小和質(zhì)量密度基本一致，下一步可以針對不同大小和不同密度顆粒的混合仿真進行研究。