基于Fluent稻米脫殼攪拌裝置的分析研究與設(shè)計(jì)

陳楓航

（棗莊市新中興實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司，山東 棗莊 277100）

0 引言

我國(guó)是世界稻谷生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，每年稻谷產(chǎn)量高達(dá)2億t，約占世界稻谷總產(chǎn)量的1/3、全國(guó)糧食總產(chǎn)量的2/5[1]。精白米是我國(guó)的傳統(tǒng)主食，其在我國(guó)居民膳食結(jié)構(gòu)中占有主導(dǎo)地位。隨著生活水平的提高以及消費(fèi)觀念的轉(zhuǎn)變，人們?cè)絹?lái)越重視精白米的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和保健功能。傳統(tǒng)的稻谷加工方法是將稻谷礱谷得到糙米，然后對(duì)糙米進(jìn)行碾磨加工，碾去糠層和胚芽，得到精白米[2]。糙米中大部分營(yíng)養(yǎng)成分富集在被碾去的糠層和胚芽中[3]，碾米過(guò)程會(huì)導(dǎo)致大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)損失和浪費(fèi)。雖然精白米占據(jù)我國(guó)主食消費(fèi)的主導(dǎo)地位，但與精白米相比，糙米具有更高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。然而糙米皮層含有大量的粗纖維，其吸水性和膨脹性較差，導(dǎo)致糙米的蒸煮性不佳和口感較差[4]。糙米中還含有較多的植酸，植酸會(huì)與多數(shù)礦物質(zhì)元素如鉀、鎂、鐵等結(jié)合在一起，影響人體對(duì)這些礦物質(zhì)的吸收[5]。這些問(wèn)題嚴(yán)重影響著糙米的食用品質(zhì)，如何改善糙米的食用品質(zhì)成為亟待解決的問(wèn)題。

1 研究現(xiàn)狀

隨著計(jì)算機(jī)行業(yè)的不斷發(fā)展，建模與仿真技術(shù)也愈發(fā)成熟，人們陸續(xù)開(kāi)發(fā)出了仿真軟件和圖形處理研究技術(shù)，為建模和仿真技術(shù)的發(fā)展提供了新的契機(jī)。相應(yīng)的領(lǐng)域在仿真技術(shù)的加持下，也加快了發(fā)展速度。仿真技術(shù)更加真實(shí)，仿真技術(shù)的作用也更加明顯，很多知名企業(yè)開(kāi)始將仿真技術(shù)運(yùn)用在設(shè)備上，對(duì)設(shè)備進(jìn)行仿真模擬，運(yùn)用其模擬的結(jié)果，減少生產(chǎn)成本并縮短研發(fā)周期。通過(guò)仿真手段對(duì)設(shè)備性能進(jìn)行分析，能夠判斷設(shè)備發(fā)生故障的時(shí)間和位置，同時(shí)利用設(shè)備的仿真結(jié)果，對(duì)設(shè)備進(jìn)行合理的優(yōu)化，能夠提高設(shè)備的產(chǎn)能并減少設(shè)備功耗，讓設(shè)備更加適用于所處的環(huán)境[4-6]。

建模仿真主要用到了相似理論。將設(shè)備進(jìn)行建模，同時(shí)對(duì)建立的模型進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工況模擬，揭示仿真對(duì)象的各方面性能，得到相應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)。對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析建立模型和對(duì)應(yīng)設(shè)備的不足并進(jìn)行改進(jìn)，建立的模型可以是數(shù)學(xué)模型、物理模型和概念方法的模型。美國(guó)人對(duì)人類的行為進(jìn)行一定的仿真研究，且將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到社會(huì)層面，對(duì)人類有一定的幫助作用。另外，科學(xué)界的許多問(wèn)題都可以通過(guò)仿真技術(shù)得到研究和解決，這些都足以說(shuō)明建模和仿真技術(shù)的重要性。

早在20世紀(jì)，國(guó)外就進(jìn)行了對(duì)加濕調(diào)質(zhì)機(jī)的研究分析。日本是世界上對(duì)調(diào)質(zhì)機(jī)研究最為深入的國(guó)家之一，而且研究分析時(shí)間較早。受環(huán)境等因素的影響，日本也是主要種植稻谷的國(guó)家，由于日本具有較發(fā)達(dá)的工業(yè)，且日本政府積極鼓勵(lì)發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)器，出臺(tái)了許多利于農(nóng)業(yè)發(fā)展的政策，甚至針對(duì)部分地區(qū)發(fā)放高額的補(bǔ)貼，因此，日本的農(nóng)業(yè)技術(shù)在20世紀(jì)發(fā)展較為迅速。發(fā)展迅速離不開(kāi)技術(shù)的力量，日本農(nóng)業(yè)的發(fā)展，為我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了許多借鑒。在國(guó)外，此類型的調(diào)質(zhì)機(jī)器已經(jīng)非常普遍。20世紀(jì)90年代初，歐洲公司就制造出雙軸加濕調(diào)質(zhì)機(jī)，可以調(diào)質(zhì)高達(dá)10 000 L的容積[7]。

相對(duì)于國(guó)外而言，我國(guó)糙米加濕機(jī)的研究起步時(shí)間較晚，近些年，國(guó)內(nèi)也開(kāi)始了針對(duì)稻米調(diào)質(zhì)機(jī)的相關(guān)研究，并在機(jī)器的結(jié)構(gòu)、控制以及攪拌槳的形狀等方面成果頗豐?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)知名公司研制出MCT-6的調(diào)質(zhì)機(jī)，并且對(duì)其噴水發(fā)射器進(jìn)行了深入的研究，設(shè)計(jì)調(diào)質(zhì)器的開(kāi)角大于56°，使其能夠噴出超微細(xì)的水霧分子。該種調(diào)質(zhì)器已經(jīng)在我國(guó)的華北地區(qū)開(kāi)始使用，使用效果優(yōu)于預(yù)期效果，可以與國(guó)外的品牌相媲美[8]。

調(diào)質(zhì)機(jī)最重要的部件就是攪拌槳，國(guó)內(nèi)外所設(shè)計(jì)的稻谷調(diào)質(zhì)機(jī)都對(duì)攪拌槳進(jìn)行了深入的分析研究。攪拌方式設(shè)計(jì)主要分為臥式攪拌和立式攪拌兩種。臥式攪拌有很多細(xì)分種類，主要分為臥式絞龍和臥式滾輪攪拌。臥式攪拌方式可以將攪拌物料通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸分為幾大區(qū)域，極大地減少了由于物料集中而造成的攪拌裝置變形的問(wèn)題。陳玉民等對(duì)臥式漿體攪拌機(jī)進(jìn)行了一些研究，發(fā)現(xiàn)隔離式箱體聯(lián)合導(dǎo)流結(jié)構(gòu)隔離了攪拌軸端密封與物料的接觸，可以減少臥式攪拌方式中主軸的磨損。王娜等研究了攪拌裝置的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)攪拌質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)臥式攪拌方式中攪拌臂的排列、葉片的安裝角度、攪拌筒長(zhǎng)寬比、攪拌轉(zhuǎn)速都會(huì)對(duì)攪拌質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響；在設(shè)計(jì)臥式攪拌的方式上，既要考慮主軸的剛度以及疲勞壽命，又要考慮攪拌裝置的各項(xiàng)參數(shù)。立式攪拌機(jī)與臥式攪拌機(jī)較為類似，分為單絞龍、雙絞龍以及多絞龍的攪拌方式。相對(duì)于臥式攪拌方式，立式攪拌機(jī)制造成本相對(duì)較低，其底部葉片直徑與物料直徑幾乎相等，絞龍推動(dòng)物料轉(zhuǎn)動(dòng)2～3圈，就可將物料從底部推至頂部，而物料頂部的空間很大，被推至頂部的物料落回底部，從而不斷進(jìn)行循環(huán)攪拌[9]。

通過(guò)分析的結(jié)果，對(duì)模型進(jìn)行修改和優(yōu)化，然后再進(jìn)行下一輪仿真，直到得到最好的仿真結(jié)果。同時(shí)，在仿真的過(guò)程中，還可以設(shè)置不同的工況，調(diào)整稻谷加濕調(diào)質(zhì)機(jī)槳葉不同的參數(shù)，來(lái)進(jìn)行模擬仿真。另外，很多學(xué)者也開(kāi)始對(duì)不同的調(diào)質(zhì)機(jī)槳葉進(jìn)行建模，對(duì)其流場(chǎng)、強(qiáng)度進(jìn)行分析，從而進(jìn)行實(shí)體建模仿真。通過(guò)對(duì)槳葉的建模，可以分析稻谷與水的混合程度，可以利用仿真模擬不同的工況，也可以利用仿真區(qū)分不同槳葉的攪拌均勻性[10]。

2 研究方法

2.1 多相流研究方法

多相流體系在許多工業(yè)生產(chǎn)體系中有著至關(guān)重要的作用，常常用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及服務(wù)業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)中，應(yīng)用極其廣泛。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，多相流的應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越多。其中，前期多相流模擬可靠性分析也逐漸成為行業(yè)的主流，廣泛應(yīng)用于攪拌器械行業(yè)。根據(jù)行業(yè)的不同，多相流在每個(gè)行業(yè)的側(cè)重點(diǎn)不同，主要分為以下幾個(gè)方面：1）智能性判斷。多相流在模擬分析的過(guò)程中，由于瞬態(tài)模擬仿真以及穩(wěn)態(tài)模擬仿真有著一定的不確定性，其數(shù)據(jù)會(huì)隨著環(huán)境的變化而改變，在分析過(guò)程中，要智能地分析數(shù)據(jù)的變化特征，提取對(duì)結(jié)果至關(guān)重要的數(shù)據(jù)，因此要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化篩分。2）通用性發(fā)展。對(duì)于模型驗(yàn)證來(lái)講，驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性是仿真結(jié)果是否有誤的判斷標(biāo)準(zhǔn)。因此在多相流建模時(shí)，要對(duì)驗(yàn)證的儀器設(shè)備進(jìn)行通用化設(shè)置，保證儀器可以在特定的場(chǎng)所、湍流狀態(tài)、流量范圍等情況下使用，同時(shí)還要兼顧儀表測(cè)量的準(zhǔn)確性。3）成本價(jià)值。在多相流分析過(guò)程中，由于模型過(guò)于復(fù)雜，使得計(jì)算時(shí)間成本以及驗(yàn)證模型成本較高，因此在多相流設(shè)計(jì)中要考慮時(shí)間成本和儀器成本[11]。

2.2 Fluent軟件

Fluent是流體力學(xué)仿真的獨(dú)立學(xué)科軟件，可以通過(guò)數(shù)值模擬的手段對(duì)常見(jiàn)的流體進(jìn)行仿真分析，從而準(zhǔn)確判斷流體的動(dòng)向以及流體對(duì)其壁面的作用等。Fluent內(nèi)部多種合理化和穩(wěn)定性的模型求解器，可以對(duì)特殊的流場(chǎng)進(jìn)行分析研究，也適用于求解多種物理場(chǎng)疊加的流場(chǎng)動(dòng)態(tài)分析，尤其是在油氣管道運(yùn)輸、材料力學(xué)等學(xué)科中應(yīng)用廣泛。在計(jì)算流體力學(xué)中常常需要對(duì)模型的邊界層進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以提高網(wǎng)格在邊界層的精度。將網(wǎng)格導(dǎo)入求解器模塊中，可以通過(guò)檢測(cè)功能以及報(bào)告網(wǎng)格質(zhì)量來(lái)判斷網(wǎng)格劃分的質(zhì)量是否滿足分析要求，常見(jiàn)的求解器模塊有SIMPLE、SIMPLEC、PISO等，對(duì)不可壓縮流體進(jìn)行有效計(jì)算時(shí)，采用離散方程[12]。針對(duì)后處理模塊，可以將求解出來(lái)的模型數(shù)據(jù)通過(guò)圖表的形式表現(xiàn)，常見(jiàn)的后處理表現(xiàn)形式有云圖、速度以及體積，通過(guò)圖表可以直觀地反映出是否模擬結(jié)果，指明下一步的工作仿真要求[13]。

CFD仿真在機(jī)械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑等各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，特別是針對(duì)攪拌裝置流固耦合兩相流的分析設(shè)計(jì)。趙昕楠、姚晨明、趙行等通過(guò)CFD仿真對(duì)攪拌裝置進(jìn)行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)CFD仿真的確對(duì)攪拌裝置的設(shè)計(jì)指導(dǎo)起到關(guān)鍵性的作用。其中，CFD仿真設(shè)置攪拌裝置邊界條件的模擬方法有單參考坐標(biāo)系模型（SRF）、多參考坐標(biāo)系模型（MRF）、混合平面模型（MPM）以及滑移網(wǎng)格模型（SMM）。王樂(lè)勤等利用CFD軟件對(duì)攪拌裝置附近流場(chǎng)進(jìn)行分析研究，并對(duì)其進(jìn)行仿真模擬。龐向飛等通過(guò)CFD對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真，通過(guò)仿真得出攪拌葉輪位置等對(duì)流場(chǎng)影響較大。Wang H等研究雙層葉輪配合四擋板的攪拌槽在不同轉(zhuǎn)速與通氣量下的氣液兩相流動(dòng)特性。黎義斌等對(duì)傾斜攪拌反應(yīng)釜進(jìn)行單相流固耦合分析，并且校核了攪拌轉(zhuǎn)子材料的強(qiáng)度。羅松等研究指出六折葉攪拌槳以軸向排液為主，隨著葉片夾角增大，渦環(huán)會(huì)有所減??；相反，當(dāng)葉片夾角較小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的渦環(huán)，而且功耗與夾角存在正比關(guān)系，并指出在破碎要求不高的情況下，葉片角度選取不應(yīng)過(guò)大，以降低功耗。姚晨明等對(duì)攪拌組合進(jìn)行了多相流流場(chǎng)的研究，通過(guò)CFD對(duì)不同攪拌槳組合進(jìn)行仿真分析，得出在相同工作條件的情況下，最上層采用徑向流槳的攪拌組合，整體流場(chǎng)分布比其余的流場(chǎng)分布均勻。

2.3 建立計(jì)算區(qū)域模型

本研究涉及單個(gè)模型測(cè)試，將攪拌器設(shè)計(jì)成直立攪拌，其中攪拌槳設(shè)計(jì)由四葉攪拌槳、六葉攪拌槳、八葉攪拌槳、長(zhǎng)攪拌槳、短攪拌槳幾種不同的類型進(jìn)行排列組合。其邊界類型四周為設(shè)置成壁面，無(wú)出入口設(shè)置。其中包含內(nèi)部流體域和外部流體域，內(nèi)部流體域?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)域，外部流體域?yàn)榱鲃?dòng)域。圖1（a）為短攪拌槳模型圖，圖1（b）為長(zhǎng)攪拌槳模型圖。

圖1 攪拌槳模型圖

2.4 多相流方法

VOF模型可以通過(guò)求解單一的動(dòng)量方程并跟蹤區(qū)域內(nèi)每個(gè)流體的體積分?jǐn)?shù)來(lái)模擬兩種或兩種以上的非混溶流體。典型的應(yīng)用包括射流破裂的預(yù)測(cè)、大氣泡在液體中的運(yùn)動(dòng)、潰壩后液體的運(yùn)動(dòng)以及任何氣液界面的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)跟蹤。其中連續(xù)性方程為：

2.5 湍流模型

本研究運(yùn)用的湍流模型為剪切壓力傳輸（SST），k-ω模型，其流動(dòng)方程為：

式中，Gk表示湍流動(dòng)能，Gω為ω的方程。

3 加濕調(diào)質(zhì)機(jī)槳葉后處理結(jié)果及分析

3.1 加濕調(diào)質(zhì)機(jī)短葉片仿真結(jié)果及分析

加濕調(diào)質(zhì)機(jī)短葉片三種不同數(shù)量槳葉的模擬仿真結(jié)果如下。圖2為四片短槳葉的仿真，圖3為六片短槳葉的仿真，圖4為八片短槳葉的仿真。

由圖2可知，在四片短槳葉的攪拌下，調(diào)質(zhì)機(jī)的底部會(huì)有一定的速度流，但攪拌的稻米和水沒(méi)有充分混合，稻米大部分沉積在調(diào)質(zhì)機(jī)的底部。

圖2 四片短槳葉的仿真圖

由圖3可知，六片短槳葉在攪拌的過(guò)程中，主要的速度流集中在調(diào)質(zhì)機(jī)的底部，在調(diào)質(zhì)機(jī)的中部也分布有速度流，表示六片短槳葉的攪拌槳在稻米和水的攪拌過(guò)程中較為均勻，部分稻米已經(jīng)與水混合。

圖3 六片短槳葉的仿真圖

由圖4可知，八片短槳葉在攪拌的過(guò)程中，調(diào)質(zhì)機(jī)的底部速度是最快的，調(diào)質(zhì)機(jī)的中部也有較多的速度流，表示稻米與水的攪拌過(guò)程中，較多的稻米在調(diào)質(zhì)機(jī)的中部與水混合，攪拌較為均勻。

圖4 八片短槳葉的仿真圖

在三種不同數(shù)量短葉片的攪拌過(guò)程中，八片槳葉的速度流已經(jīng)由底部擴(kuò)展到調(diào)質(zhì)機(jī)的中部，攪拌效果要優(yōu)于四片槳葉和六片槳葉。

3.2 加濕調(diào)質(zhì)機(jī)長(zhǎng)葉片仿真結(jié)果及分析

加濕調(diào)質(zhì)機(jī)長(zhǎng)葉片三種不同數(shù)量槳葉的模擬仿真結(jié)果如下。圖5為四片長(zhǎng)槳葉的仿真，圖6為六片長(zhǎng)槳葉的仿真，圖7為八片長(zhǎng)槳葉的仿真。

由圖5可知，四片長(zhǎng)槳葉的攪拌在調(diào)質(zhì)機(jī)底部的速度是最快的，在調(diào)質(zhì)機(jī)的中部和調(diào)質(zhì)機(jī)的上部也有一定的速度流，表示在四片長(zhǎng)槳葉的攪拌下，稻米和水已經(jīng)能在整個(gè)調(diào)質(zhì)機(jī)內(nèi)進(jìn)行混合。

圖5 四片長(zhǎng)槳葉的仿真圖

由圖6可知，在六片長(zhǎng)槳葉的攪拌下，速度最快的是調(diào)質(zhì)機(jī)的底部，調(diào)質(zhì)機(jī)的中部和上部也有很多的速度流，表示在此調(diào)質(zhì)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)下，稻谷已經(jīng)可以從底部、中部充分地與水混合。

圖6 六片長(zhǎng)槳葉的仿真圖

由圖7可知，在八片長(zhǎng)槳葉的攪拌下，速度最快的是調(diào)質(zhì)機(jī)的底部，在調(diào)質(zhì)機(jī)的中部和上部也有充足的速度流，表示在八片槳葉的攪拌下，稻米和水已經(jīng)可以充分地混合。

圖7 八片長(zhǎng)槳葉的仿真圖

4 研究結(jié)果分析

在短槳葉的攪拌仿真中，同一轉(zhuǎn)速下八片槳葉的攪拌效果要優(yōu)于四片槳葉和六片槳葉的攪拌效果，八片槳葉混合也較為均勻；長(zhǎng)槳葉的攪拌效果與短槳葉的攪拌效果類似，八片長(zhǎng)槳葉的攪拌效果要優(yōu)于四片長(zhǎng)槳葉、六片長(zhǎng)槳葉。因此，八片槳葉可以很好地完成攪拌和脫殼工作。