基于Fluent稻米脫殼攪拌裝置的分析研究與設計

陳楓航

（棗莊市新中興實業有限責任公司，山東 棗莊 277100）

0 引言

我國是世界稻谷生產和消費大國，每年稻谷產量高達2億t，約占世界稻谷總產量的1/3、全國糧食總產量的2/5[1]。精白米是我國的傳統主食，其在我國居民膳食結構中占有主導地位。隨著生活水平的提高以及消費觀念的轉變，人們越來越重視精白米的營養價值和保健功能。傳統的稻谷加工方法是將稻谷礱谷得到糙米，然后對糙米進行碾磨加工，碾去糠層和胚芽，得到精白米[2]。糙米中大部分營養成分富集在被碾去的糠層和胚芽中[3]，碾米過程會導致大量的營養物質損失和浪費。雖然精白米占據我國主食消費的主導地位，但與精白米相比，糙米具有更高的營養價值。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，植酸會與多數礦物質元素如鉀、鎂、鐵等結合在一起，影響人體對這些礦物質的吸收[5]。這些問題嚴重影響著糙米的食用品質，如何改善糙米的食用品質成為亟待解決的問題。

1 研究現狀

隨著計算機行業的不斷發展，建模與仿真技術也愈發成熟，人們陸續開發出了仿真軟件和圖形處理研究技術，為建模和仿真技術的發展提供了新的契機。相應的領域在仿真技術的加持下，也加快了發展速度。仿真技術更加真實，仿真技術的作用也更加明顯，很多知名企業開始將仿真技術運用在設備上，對設備進行仿真模擬，運用其模擬的結果，減少生產成本并縮短研發周期。通過仿真手段對設備性能進行分析，能夠判斷設備發生故障的時間和位置，同時利用設備的仿真結果，對設備進行合理的優化，能夠提高設備的產能并減少設備功耗，讓設備更加適用于所處的環境[4-6]。

建模仿真主要用到了相似理論。將設備進行建模，同時對建立的模型進行現場工況模擬，揭示仿真對象的各方面性能，得到相應的仿真數據。對仿真數據進行分析，分析建立模型和對應設備的不足并進行改進，建立的模型可以是數學模型、物理模型和概念方法的模型。美國人對人類的行為進行一定的仿真研究，且將數據轉化到社會層面，對人類有一定的幫助作用。另外，科學界的許多問題都可以通過仿真技術得到研究和解決，這些都足以說明建模和仿真技術的重要性。

早在20世紀，國外就進行了對加濕調質機的研究分析。日本是世界上對調質機研究最為深入的國家之一，而且研究分析時間較早。受環境等因素的影響，日本也是主要種植稻谷的國家，由于日本具有較發達的工業，且日本政府積極鼓勵發展農業生產機器，出臺了許多利于農業發展的政策，甚至針對部分地區發放高額的補貼，因此，日本的農業技術在20世紀發展較為迅速。發展迅速離不開技術的力量，日本農業的發展，為我國農業發展提供了許多借鑒。在國外，此類型的調質機器已經非常普遍。20世紀90年代初，歐洲公司就制造出雙軸加濕調質機，可以調質高達10 000 L的容積[7]。

相對于國外而言，我國糙米加濕機的研究起步時間較晚，近些年，國內也開始了針對稻米調質機的相關研究，并在機器的結構、控制以及攪拌槳的形狀等方面成果頗豐?，F階段，國內知名公司研制出MCT-6的調質機，并且對其噴水發射器進行了深入的研究，設計調質器的開角大于56°，使其能夠噴出超微細的水霧分子。該種調質器已經在我國的華北地區開始使用，使用效果優于預期效果，可以與國外的品牌相媲美[8]。

調質機最重要的部件就是攪拌槳，國內外所設計的稻谷調質機都對攪拌槳進行了深入的分析研究。攪拌方式設計主要分為臥式攪拌和立式攪拌兩種。臥式攪拌有很多細分種類，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旋轉軸分為幾大區域，極大地減少了由于物料集中而造成的攪拌裝置變形的問題。陳玉民等對臥式漿體攪拌機進行了一些研究，發現隔離式箱體聯合導流結構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鍵參數對攪拌質量的影響，發現臥式攪拌方式中攪拌臂的排列、葉片的安裝角度、攪拌筒長寬比、攪拌轉速都會對攪拌質量產生一定的影響；在設計臥式攪拌的方式上，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參數。立式攪拌機與臥式攪拌機較為類似，分為單絞龍、雙絞龍以及多絞龍的攪拌方式。相對于臥式攪拌方式，立式攪拌機制造成本相對較低，其底部葉片直徑與物料直徑幾乎相等，絞龍推動物料轉動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，從而不斷進行循環攪拌[9]。

通過分析的結果，對模型進行修改和優化，然后再進行下一輪仿真，直到得到最好的仿真結果。同時，在仿真的過程中，還可以設置不同的工況，調整稻谷加濕調質機槳葉不同的參數，來進行模擬仿真。另外，很多學者也開始對不同的調質機槳葉進行建模，對其流場、強度進行分析，從而進行實體建模仿真。通過對槳葉的建模，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生產體系中有著至關重要的作用，常常用于工業、農業以及服務業的生產作業中，應用極其廣泛。隨著我國經濟的不斷發展，多相流的應用場景越來越多。其中，前期多相流模擬可靠性分析也逐漸成為行業的主流，廣泛應用于攪拌器械行業。根據行業的不同，多相流在每個行業的側重點不同，主要分為以下幾個方面：1）智能性判斷。多相流在模擬分析的過程中，由于瞬態模擬仿真以及穩態模擬仿真有著一定的不確定性，其數據會隨著環境的變化而改變，在分析過程中，要智能地分析數據的變化特征，提取對結果至關重要的數據，因此要對數據進行智能化篩分。2）通用性發展。對于模型驗證來講，驗證仿真的準確性是仿真結果是否有誤的判斷標準。因此在多相流建模時，要對驗證的儀器設備進行通用化設置，保證儀器可以在特定的場所、湍流狀態、流量范圍等情況下使用，同時還要兼顧儀表測量的準確性。3）成本價值。在多相流分析過程中，由于模型過于復雜，使得計算時間成本以及驗證模型成本較高，因此在多相流設計中要考慮時間成本和儀器成本[11]。

2.2 Fluent軟件

Fluent是流體力學仿真的獨立學科軟件，可以通過數值模擬的手段對常見的流體進行仿真分析，從而準確判斷流體的動向以及流體對其壁面的作用等。Fluent內部多種合理化和穩定性的模型求解器，可以對特殊的流場進行分析研究，也適用于求解多種物理場疊加的流場動態分析，尤其是在油氣管道運輸、材料力學等學科中應用廣泛。在計算流體力學中常常需要對模型的邊界層進行網格劃分，以提高網格在邊界層的精度。將網格導入求解器模塊中，可以通過檢測功能以及報告網格質量來判斷網格劃分的質量是否滿足分析要求，常見的求解器模塊有SIMPLE、SIMPLEC、PISO等，對不可壓縮流體進行有效計算時，采用離散方程[12]。針對后處理模塊，可以將求解出來的模型數據通過圖表的形式表現，常見的后處理表現形式有云圖、速度以及體積，通過圖表可以直觀地反映出是否模擬結果，指明下一步的工作仿真要求[13]。

CFD仿真在機械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑等各個領域都有應用，特別是針對攪拌裝置流固耦合兩相流的分析設計。趙昕楠、姚晨明、趙行等通過CFD仿真對攪拌裝置進行了深入的研究，發現CFD仿真的確對攪拌裝置的設計指導起到關鍵性的作用。其中，CFD仿真設置攪拌裝置邊界條件的模擬方法有單參考坐標系模型（SRF）、多參考坐標系模型（MRF）、混合平面模型（MPM）以及滑移網格模型（SMM）。王樂勤等利用CFD軟件對攪拌裝置附近流場進行分析研究，并對其進行仿真模擬。龐向飛等通過CFD對流場進行模擬仿真，通過仿真得出攪拌葉輪位置等對流場影響較大。Wang H等研究雙層葉輪配合四擋板的攪拌槽在不同轉速與通氣量下的氣液兩相流動特性。黎義斌等對傾斜攪拌反應釜進行單相流固耦合分析，并且校核了攪拌轉子材料的強度。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，渦環會有所減?。幌喾矗斎~片夾角較小時，會產生較大的渦環，而且功耗與夾角存在正比關系，并指出在破碎要求不高的情況下，葉片角度選取不應過大，以降低功耗。姚晨明等對攪拌組合進行了多相流流場的研究，通過CFD對不同攪拌槳組合進行仿真分析，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，整體流場分布比其余的流場分布均勻。

2.3 建立計算區域模型

本研究涉及單個模型測試，將攪拌器設計成直立攪拌，其中攪拌槳設計由四葉攪拌槳、六葉攪拌槳、八葉攪拌槳、長攪拌槳、短攪拌槳幾種不同的類型進行排列組合。其邊界類型四周為設置成壁面，無出入口設置。其中包含內部流體域和外部流體域，內部流體域為轉動域，外部流體域為流動域。圖1（a）為短攪拌槳模型圖，圖1（b）為長攪拌槳模型圖。

圖1 攪拌槳模型圖

2.4 多相流方法

VOF模型可以通過求解單一的動量方程并跟蹤區域內每個流體的體積分數來模擬兩種或兩種以上的非混溶流體。典型的應用包括射流破裂的預測、大氣泡在液體中的運動、潰壩后液體的運動以及任何氣液界面的穩態或瞬態跟蹤。其中連續性方程為：

2.5 湍流模型

本研究運用的湍流模型為剪切壓力傳輸（SST），k-ω模型，其流動方程為：

式中，Gk表示湍流動能，Gω為ω的方程。

3 加濕調質機槳葉后處理結果及分析

3.1 加濕調質機短葉片仿真結果及分析

加濕調質機短葉片三種不同數量槳葉的模擬仿真結果如下。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，調質機的底部會有一定的速度流，但攪拌的稻米和水沒有充分混合，稻米大部分沉積在調質機的底部。

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程中，主要的速度流集中在調質機的底部，在調質機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程中較為均勻，部分稻米已經與水混合。

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程中，調質機的底部速度是最快的，調質機的中部也有較多的速度流，表示稻米與水的攪拌過程中，較多的稻米在調質機的中部與水混合，攪拌較為均勻。

圖4 八片短槳葉的仿真圖

在三種不同數量短葉片的攪拌過程中，八片槳葉的速度流已經由底部擴展到調質機的中部，攪拌效果要優于四片槳葉和六片槳葉。

3.2 加濕調質機長葉片仿真結果及分析

加濕調質機長葉片三種不同數量槳葉的模擬仿真結果如下。圖5為四片長槳葉的仿真，圖6為六片長槳葉的仿真，圖7為八片長槳葉的仿真。

由圖5可知，四片長槳葉的攪拌在調質機底部的速度是最快的，在調質機的中部和調質機的上部也有一定的速度流，表示在四片長槳葉的攪拌下，稻米和水已經能在整個調質機內進行混合。

圖5 四片長槳葉的仿真圖

由圖6可知，在六片長槳葉的攪拌下，速度最快的是調質機的底部，調質機的中部和上部也有很多的速度流，表示在此調質機的轉動下，稻谷已經可以從底部、中部充分地與水混合。

圖6 六片長槳葉的仿真圖

由圖7可知，在八片長槳葉的攪拌下，速度最快的是調質機的底部，在調質機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，稻米和水已經可以充分地混合。

圖7 八片長槳葉的仿真圖

4 研究結果分析

在短槳葉的攪拌仿真中，同一轉速下八片槳葉的攪拌效果要優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；長槳葉的攪拌效果與短槳葉的攪拌效果類似，八片長槳葉的攪拌效果要優于四片長槳葉、六片長槳葉。因此，八片槳葉可以很好地完成攪拌和脫殼工作。