苞米調質器中的運動模擬及特性影響

秦國防，秦明輝，王瑨

1. 濟源職業技術學院機電工程系（濟源 459000）；2. 南京理工大學自動化學院（南京 210094）

調質是通過濕熱處理改善農作谷物理化性質的一種工藝過程，其中，向物料中添加蒸汽來完成預調質或蒸汽調質較為常見?；旌衔锪贤ㄟ^與蒸汽的充分接觸以獲得水分和熱量，從而確保農作物后續的制粉品質。水分是谷物中對物化性質具有關鍵性作用的重要組分，調質過程中水分的狀態變化與遷移對加工熟化谷物、提高制粉品質具有極為重要的意義[1-2]。在實際生產過程中，谷物在調質器中的運動狀態是影響其吸收水分的主要因素，而運動狀態主要與蒸汽的飽和壓強、速度及調質器槳葉轉動力度息息相關[3]。如何較為準確地把握谷物的運動狀態尤為重要。

離散元法（DEM）是研究離散型顆粒在復雜物理場作用下的動力學的重要方法，而計算流體動力學（CFD）能較好地模擬流體在腔體內的速度分布。二者相結合后的應用研究已經越發成熟，國外將CFDDEM耦合研究氣固兩相的數值模擬較多，而國內也有二維流化床、油氣裂化、三維風沙運動等方面的應用研究[4-5]。試驗采用CFD與DEM相耦合研究苞米在調質器中熟化調質時的運動狀態及由此產生的對苞米性質的影響。對調質器建立幾何模型與CFD-DEM數學模型，研究水汽流速與槳葉轉速對苞米松散調質效果的影響[6]，為CFD-DEM的仿真分析奠定基礎，探討其物化性質的影響因素。

1 材料與方法

1.1 所用調質器的幾何模型

圖1 調質器的外部幾何模型

圖2 調質器的內部幾何模型

如圖1和圖2所示，分別為蒸汽夾套調質器的外部腔體模型和內部軸葉模型。其中，外部腔體直徑120 mm，長度約550 mm。調質軸安裝于腔體中間，直徑約30 mm，長度與腔體等長。槳葉共有20組，呈軸向間隔20 mm，徑向90°分布。蒸汽進口為8組，直徑約5 mm，環形分布在端蓋外。出料口在腔體底部，直徑約22 mm。模型均為經過模擬簡化后的圖型。

1.2 模型中的參數設置

表1為離散元模型中的具體參數設置值，適宜的參數設置有利于模擬苞米在調質器中的實際運動狀態。最終參數值的選定應在調質器穩定工作一段時間后選取，調質器穩定工作仿真時間為100 s，即離散元模型中的最優設定參數應在仿真時間為100 s后選取。

表1 離散元模型中的設定參數值

1.3 CFD-DEM耦合的數學模型

采用DEM模型[7]模擬苞米的調質過程，依據流體力學和動力學得到調質工藝中苞米的運動方程，如式（1）所示[8]。

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為調質時間，s；▽為哈密頓微分算子；ν1為水汽流速，m/s；ν2為調質器轉速，r/s。

運動方程經微分，得：

式中：P為物料所受壓強，Pa；g為重力加速度，m/s2；u為水汽流體黏度，Pa·s。

苞米顆粒的體積在DEM模型的建模中不可忽略[9]，需在運動方程中加入實際的苞米顆粒體積分數，則：

式中：ε為苞米顆粒體積分數。

苞米顆粒在調質過程中，不可避免地會受到水汽流體阻力所帶來的影響，因而式（2）中須加入阻力動力源因素進行模型耦合，得到式（4）。

式中：S為阻力動力源，水汽流體黏度u取測量均值1.87×10-5Pa·s。

2 結果與分析

2.1 物料運動分析

苞米通過力如液橋力會在水汽作用下粘結，故物料在調質器中的松散效果直接影響物料的最終調質效果。水汽流速和調質器轉速這2個因素對物料的松散效果起著決定性作用，故對這2個因素進行分析，以期得到良好物料松散效果。

2.1.1 水汽流速對物料松散效果的影響

對水汽流速為0.5，1.0，1.5和2.0 m/s條件下的苞米分組調質，20個點取1個平均值，得到物料間鍵粘結平均數和切向力隨時間和水汽流速變化的相關數據，具體如表2和表3所示。

水汽速度加快有利于物料之間的相互分離，鍵粘結作用減輕。發生水汽持續沖擊物料時間越長，越有益于物料充分參與調質工藝。水汽流速的加快和作用時間的延長均會使得物料與調質器充分接觸，從而增強物料與調質器內腔之間的切向力大小。

表2 不同水汽流速條件下的物料間鍵粘結平均數測定結果

表3 不同水汽流速條件下的物料平均切向力測定結果

2.1.2 調質器轉速對物料松散效果的影響

分別測定調質器轉速0.3，0.6，1.2和2.4 r/s條件下的鍵粘結平均數和切向力隨時間和調質器轉速變化的相關數據，具體如表4和表5所示。

調質器轉速的加快和作用時間延長均會減小物料之間的鍵粘結平均數，增大物料與調質器之間平均切向力。通過對比水汽流速對鍵粘結平均數和切向力的影響，調質器轉速對這二者的影響作用更為顯著。調質器轉速2.4 r/s、作用時間160 s時，物料之間的鍵粘結平均數為0，此時苞米顆粒在調質器中完全分散開，彼此之間基本不會產生粘結，水汽作用的調質效果達到最佳。但此時苞米與調質器之間的切向力過大，會嚴重降低苞米的整米率，破壞苞米的物理結構。

表4 不同調質器轉速條件下的物料間鍵粘結平均數測定結果

表5 不同調質器轉速條件下的物料平均切向力測定結果

2.2 CFD-DEM耦合的仿真分析

將調質器幾何模型導入CFD軟件后，CFD與DEM相耦合[10]。仿真過程應盡量模擬苞米裝入調質器后的工作條件。水汽流速與調質器轉速相復合后的仿真工作圖如圖3所示，物料在調質器中不同壓強場下仿真工作圖如圖4所示。

從圖3中可知，進口處的水汽速度較大，隨著水汽對苞米熟化調質進行，水汽速度逐漸下降，到尾端出口處時由于調質器轉速較大，速度又明顯上升。圖4顯示物料在水汽進口處所受壓強較大，隨著水汽逐漸運動到調質器尾端并排出，物料所受的壓強逐漸降低。從圖3和圖4中的變化趨勢可以看出，物料在速度場與壓力場中均呈現出整體均勻變化趨勢，表明調質過程均勻有序，對苞米的調質效果較為良好。

圖3 不同復合速度情況下的仿真狀態

圖5 為物料運動隨調質時間變化的仿真迭代收斂曲線。在經過調質初始階段的物料速度紊亂，調質時間100 s后，物料在調質期間內的運動速度趨于平緩，物料動能逐漸穩定，故此模型的仿真收斂性良好。由于進口處與出口處的物料數量趨于平衡，苞米的調質工藝運動穩定，調質器中各段的調質效果均一而有效。

圖5 調質過程中物料運動的仿真收斂曲線

在其他試驗條件不變情況下，采用CFD-DEM耦合仿真不同粒徑的苞米隨時間在調質器中的縱向位移曲線，具體如圖6所示。

圖6 不同粒徑顆粒的縱向仿真運動曲線

苞米在水汽和槳葉轉動的雙重作用下位移變化較大。初始階段，苞米尚未熟化調質，內部所含水分有限而質量較輕，容易發生在縱向上的位移。隨著時間延長，調質不斷進行，苞米內的水分開始增大且會出現因水汽作用引起的顆粒粘結，質量明顯增大，故在縱向上的運動受限，位移幅度降低。粒徑較大顆粒的位移幅度相對粒徑較小的顆粒變窄，這是由于水汽和槳葉攪拌作用于粒徑較大顆粒的效果相對而言有所弱化，物料動能不足使得其縱向位移幅度受限。

2.3 調質工藝中整米率的影響因素

在苞米調質過程中，加濕量和水分浸潤時間對其整米率的影響較為顯著，試驗結果如圖7和圖8所示。圖7中整米率隨加濕量上升先增大后減小，這是由于加濕量過高時，苞米的籽粒強度下降，調質通風過程中容易產生碎米現象，故整米率下降。加濕量過低時，基本達不到對苞米的調質效果。剛開始浸潤苞米時，整米率隨著浸潤時間延長而顯著增大，但隨后整米率呈逐級下降趨勢。在調質過程中，適宜的水分梯度可賦予苞米良好的籽粒強度梯度，而影響水分梯度分布的最主要因素為浸潤時間，浸潤時間60 s時，調質過程中可獲得最高整米率。

圖7 加濕量與整米率的關系曲線

圖8 浸潤時間與整米率的關系曲線

2.4 不同粒徑苞米調質后的水分和灰分變化

調質過程中的水分分布應盡量均勻以保證調質品質，將不同粒徑大小的苞米分類后分別進行調質，固定調質時間100 s，不同試驗組調質后的水分如圖9所示。通常情況下，粒徑越小，比表面積越大，水分浸潤效果越良好，試驗結果基本符合該理論。但如果考慮到磨粉后的保存和性能穩定性，苞米調質后的水分不宜偏大，且粒徑越小，苞米顆粒之間的間隙也越小，容易發生堆積擠壓致使苞米顆粒受損，整米率下降，故在此調質條件下，粒徑5～8 mm苞米顆粒水分最為合適。

圖9 苞米粒徑與水分的關系曲線

苞米中灰分的高低影響制粉后的口感和整體品質，一般來說，灰分越低，制粉的色澤越偏向于白色且口感越為細膩。不同粒度苞米調質后制粉的灰分測定結果如圖10所示。苞米粒徑與灰分的變化關系呈反比例關系，即粒徑越小，灰分越大；粒徑越大，灰分越小。試驗中探討得出粒徑5～8 mm苞米顆粒經調質水分最佳，而此時對應的制粉灰分為1.7%。

圖10 苞米粒徑與灰分的關系曲線

2.5 調質后的其他性能指標

表6為苞米調質后的性能指標測定結果。調質前后，苞米的淀粉含量基本沒有產生變化，而其他理化性能指標均產生了較大變化。其中，還原糖含量、脂肪酸含量、碎米率、彈性、咀嚼度和食味值明顯上升，而過氧化氫酶活性和硬度性能則有所下降。綜合來看，苞米經調質工藝處理后的整體品質上升較為明顯，說明調質工藝有助于苞米的品質提升。

表6 苞米調質后的其他性能測定結果

3 討論與結論

對調質器的外部模型和內部模型幾何建模，設定相應具體參數后，基于CFD-DEM耦合的數學模型對苞米在調質器中的運動進行模擬。試驗對影響物料松散效果的水汽流速和調質器轉速進行分析，結果顯示水汽流速的加快有利于物料之間鍵粘結作用減輕的同時，增強物料與調質器內腔之間的切向力大小。調質器轉速的加快同樣會減小物料之間的鍵粘結平均數，增大物料與調質器之間的平均切向力，但調質器轉速對這二者的影響作用更為顯著，并且這2種因素均隨著調質時間延長會顯著減小物料間鍵粘結平均數，增大物料平均切向力。利用CFD-DEM耦合的仿真分析結果顯示，隨著水汽對苞米熟化調質進行，水汽速度沿腔體逐漸下降，到尾端出口處速度又明顯上升。與此相對應的物料在水汽進口處所受壓強較大，隨著水汽逐漸運動，壓強沿腔體逐漸降低。物料在調制工藝的速度場與壓力場中均呈現出整體均勻變化的趨勢。此外，物料運動隨調質時間變化的仿真迭代收斂曲線顯示，調質初期運動速度紊亂無序，之后運動速度趨于平緩，物料動能逐漸穩定，表明模型的仿真收斂性良好。試驗仿真分析不同粒徑顆粒的縱向運動位移，物料在水汽和槳葉轉動的雙重作用下位移變化較大。初始階段，縱向位移程度較大，隨后縱向位移幅度收窄。同時可觀察到粒徑較大顆粒的位移幅度相對粒徑較小的顆粒變窄。

試驗探討調質工藝對苞米整米率、水分、灰分及其他性能指標的影響，結果表明，加濕量2.5%、浸潤時間60 s時，苞米的整米率達到最高78%。粒徑5～8 mm苞米顆粒水分最為合適，此時對應的灰分為1.7%。其他性能指標的測定結果顯示調質結束后，苞米的淀粉含量基本沒有產生變化，還原糖含量、脂肪酸含量、碎米率、彈性、咀嚼度和食味值明顯上升，而過氧化氫酶活性和硬度性能有所下降。