基于EDEM的發酵反應器螺旋攪拌結構參數優化設計

摘要：針對秸稈發酵過程中碎料與菌種混合不均問題，對好氧反應器的螺旋攪拌結構進行參數優化。基于離散單元法，對物料進行理論和仿真分析。結果表明，影響變異系數主次順序為轉速、螺距比、葉寬比；隨攪拌葉寬比增加，變異系數先減小后增大，平均功率呈下降趨勢；隨攪拌螺距比增加，變異系數先下降后上升，平均功率呈下降趨勢；隨攪拌轉速增加，變異系數呈下降趨勢，平均功率呈先上升后下降趨勢。構建變異系數模型并進行優化，變異系數最優為13.295%，與仿真結果誤差為1.411%；攪拌裝置進行靜力學分析，最大應力值為47.259 MPa，最大變形為4.357 5 mm；離散元仿真功率與試驗值誤差均值為14.1%，符合設計要求。該攪拌參數優化設計為發酵反應器高效混合提供理論支持。

關鍵詞：秸稈發酵；螺旋攪拌結構；離散單元法；變異系數；參數優化

中圖分類號：S226.9""""" 文獻標識碼：A""""" 文章編號：2095?5553"（2025）"02?0187?07

Optimal design of spiral stirring structure parameters

in fermentation reactor based on EDEM

Zhang Yanli， Zhang Zhengzheng， Niu Guoling， Ma Liuxuan， Liang Qiuyan， Xing Chentai

（College of Mechanical Engineering， Jiamusi University， Jiamusi， 154007， China）

Abstract： Aiming at the problem of unequal mixing of crushed materials and strains in the process of straw fermentation， the parameters of spiral stirring structure of aerobic reactor were optimized. Based on the discrete unit method in the material theory and simulation analysis， the result showed that the primary and secondary order of the influence coefficient of variation was rotational speed， pitch ratio and leaf width ratio. With the increase of stirring leaf width ratio， the value of coefficient of variation was decreased and then increased， and the average power was decreased; with the increase of stirring pitch ratio， the value of coefficient of variation was decreased and then risen， and the average power was fallen; with the increase of stirring rotational speed， the mixing coefficient was fallen， and the average power was increased and then decreased. The coefficient of variation model was constructed and optimized， and the optimal mixing coefficient was 13.295%， and the error with the simulation result was 1.411%. The stirring device was analyzed statically， and the maximum stress value was 47.259 MPa， and the maximum deflection was 4.357 5 mm. The average error between discrete element simulation power and test value was 14.1%， which was in accordance with the design requirements. This stirring device design can provide theoretical support for efficient mixing of fermentation reactor.

Keywords： straw fermentation; spiral stirring structure; discrete element method; coefficient of variation; parameter optimization

收稿日期：2024年3月21日""""""" 修回日期：2024年5月6日

? 基金項目：黑龍江省教育廳基本科研業務費基礎研究項目（2019—KYYWF—1379）

第一作者：張艷麗，女，1974年生，黑龍江佳木斯人，博士，副教授；研究方向為智慧農業及秸稈綜合利用和處理。E?mail： 876638167@qq.com

0 引言

隨著中國農業現代化、科技化、產業化的發展，產生的農業垃圾產量快速增加，目前農作物秸稈理論年產量約9.36×108 t[1]，中國秸稈資源以肥料化利用為主，以好氧堆肥處理方式因其操作便捷、降解效率高等特點，成為處理農業垃圾的有效手段[2]。研究秸稈與菌種高效混合問題是加快秸稈資源化處理有效途徑。目前國內外好氧發酵反應器主要分為立式反應器和臥式反應器，其混合裝置按其結構形式分為槳葉式[3]、螺旋式[4]、渦流式[5]和翻料板[6]。其中臥式反應器具有使用與維護方便、混合方式多樣高效等特點[7]，是適合秸稈碎料與發酵菌種混合的主要結構類型。Hajiyev[8]、陳萍[9]、范雄[10]、石貴振[11]等分別從流場特性、機械結構、熱傳遞等方面對臥式混合進行研究，為其裝置提供理論依據，但缺少具體結構參數對物料混合的研究。王雅雅[12]、劉攀笏[13]、蔡瑞環[14]等對雙螺旋混合器葉片結構進行分析，研究表明攪拌參數對顆粒混合、功率、磨損產生影響。現有的理論研究將物料當作連續介質進行離散性分析，彌補了傳統理論研究的不足，結果表明離散元法是分析離散性物料的運動特性的有效方式。

物料混合過程極其復雜，物料物理特性、混合結構、操作條件等對混合效果產生不同的影響。本文在課題組設計的好氧發酵反應器基礎上，針對玉米秸稈與發酵菌落攪拌混合問題，優化臥式螺旋混合結構，對其攪拌混合裝置進行物料動力學及運動學分析，開展離散元法模擬仿真研究，掌握結構及工作參數對其混合性能的影響，為好氧發酵反應器物料與發酵菌種高效攪拌混合提供理論依據。

1 整機工作原理

基于好氧發酵3階段理論即升溫—持溫—腐熟階段設計好氧發酵反應器，主要有第一處理單元、第二處理單元、第三處理單元、攪拌混合裝置、曝氣裝置、尾氣處理裝置等組成，如圖1所示。

物料由人工放置在導料臺中，進入處理單元組，第一處理單元在攪拌混合裝置及曝氣裝置共同作用下使基質快速升溫促進微生物繁殖，待溫度達到設定要求后，由第一處理單元U型發酵倉下端螺旋輸送裝置將基質送入第二處理單元，第二處理單元用于微生物消耗反應物，待EC值及PH值達到要求后，由第二處理單元U型發酵倉下端螺旋輸送裝置將腐熟后有機肥送至第三處理單元，第三處理單元用于有機肥降溫處理，待溫度降到設定溫度，腐熟后基質送出好氧反應器，完成物料發酵工作。

2 攪拌裝置設計

2.1 攪拌裝置結構模型及工作原理

根據發酵物料黏度的不同選用不同的攪拌裝置。采用Carr流動性指數法[15]對玉米秸稈的流動特性評價進行評定，粉碎后的玉米秸稈流動特性一般，同時考慮粉碎后的玉米秸稈黏度值低于100 Pa ? s，最終選擇螺帶式攪拌混合裝置[16]。攪拌混合裝置主要由攪拌軸、攪拌支桿、內、外螺旋葉片組成，如圖2所示。在發酵作業時，電機輸出軸通過聯軸器傳動到攪拌軸上，U型發酵倉內秸稈、發酵菌劑等物料在攪拌軸作用下沿螺旋葉片預設軌跡循環運動。混合裝置的外螺旋帶葉片略小于物料桶直徑，攪拌葉片沿內螺旋葉片升角（順時針）轉動時，軸向外部區域的物料被外螺旋帶葉片從外部推至內部，軸向內部區域的物料被內螺旋帶葉片從內部推至外部，形成對流混合；當轉速達到某個臨界值后，物料之間、物料與攪拌裝置之間的作用力無法支持其離心力，會產生徑向擴散混合；在螺距之間區域，伴隨著葉片帶動的物料不停翻滾出現局部湍流現象，產生剪切混合。

2.2 物料動力學、運動學分析

研究物料在水平螺旋中因多因素差異導致受力不同，因此采用單質點理論分析，當螺旋軸開始轉動，基質受到螺旋葉片給予螺旋面垂直的法向牽引力[Fn]，基質與螺旋面接觸面切向運動產生切線摩擦力[f1]，使得[Fn]產生偏移即為合力F，偏移角近似等于基質顆粒的外摩擦角[β]，合力F分解為軸向力[Fr]和切向力[Ft]，單質點受力分析如圖3所示。

在雙螺旋葉片表面取半徑為r的A處的基質顆粒進行分析，螺旋螺距為P，螺旋升角為[α]，螺旋轉速為[n]，得基質動力學方程如式（1）所示。

2.3 攪拌裝置主要性能及影響因素分析

雙螺旋混合的性能主要體現在變異系數和功率兩個指標上，基質的運動過程直接影響混合性能，根據上述對物料顆粒動力學及運動學分析發現，當螺旋為單葉片時，攪拌葉片半徑、螺距、轉速對物料的軸向運動和徑向運動會產生一定影響。由粉體攪拌功率公式[17]得出葉片寬度、轉速對功率存在線性關系。

為研究雙螺旋葉片對混合性能影響，以雙螺旋葉片內外葉寬比、內外螺距比、轉速進行試驗分析。攪拌參數設置[18]：以內螺旋葉片為基準，設置內螺旋葉片螺距200 mm，葉寬為75 mm，外葉片外半徑240 mm，參照現有混合裝置結構參數，設置混合裝置內外螺距比范圍為0.50～1.50，混合裝置內外葉寬比范圍為0.50～1.50。物料在攪拌軸帶動下轉動混合，其所作運動可以看作軸線運動和空間復合運動。為使攪拌混合裝置混合效果更好，以物料在混合時不被連環拋起作為邊界條件，由式（5）[19]計算攪拌裝置轉速范圍為30～70 r/min。

式中： R——U型發酵倉半圓半徑，mm；

[θ]——物料攪拌軸旋轉任意角度。

3 螺旋混合性能仿真分析

3.1 基質建模與參數設定

試驗采用玉米秸稈碎料作為原料進行發酵。在試驗過程中，將一定量的玉米秸稈碎料與發酵菌種進行稀釋處理，使發酵菌種黏附在物料上。然后將處理后的碎料與待發酵碎料放入U型發酵倉中進行攪拌混合。最終物料由黏附有發酵菌種的玉米秸稈碎料以及待發酵的發酵物料組成。發酵菌種微粒特性，黏附發酵菌種碎料物料特性與待發酵碎料沒有明顯的差異。

玉米秸稈經粉碎機（MD-10A）粉碎，得到10～30"mm長、2～6"mm寬的秸稈碎料。利用三維建模軟件畫出碎料顆粒形狀，保存為step格式，導入EDEM軟件，建立顆粒模型如圖5所示，表1列出參數設定。

由于實際物料不均勻性，定義4種顆粒大小比例。保留了好氧發酵反應器混合攪拌裝置的核心結構，在U型發酵倉內部上方添加2個顆粒工廠面，分別生成模擬待發酵碎料20"kg，起始時間為0"s，生成速率為100"kg/s；生成模擬黏有菌種碎料10"kg，起始時間為0.5"s，生成速率為30"kg/s。定義攪拌裝置轉速，起始時間為1.0"s，顆粒間接觸采用Hertz-Mindlin（no"slip）模型，并考慮顆粒間的水分黏結作用，引入Linear"Cohesion（黏性系數：2"000），黏結模型添加重力加速度9.81"m/s2，仿真時間步長為雷利時間步長的25.0%、數據保存時間0.10"s、仿真時間5.0"s。

3.2 仿真分析

如圖6所示，利用EDEM軟件的后處理功能，對模擬黏有菌種與待發酵物料進行不同顏色的標記，將混合區域劃分為諸個65 mm[×]65 mm[×]75 mm三維網格，通過EDEM數據導出工具Export—Rescult Data，計算其變異系數[RCV]，如式（6）所示。

式中： m1——每個網格黏有發酵菌種的質量，kg；

m2——每個網格待發酵顆粒的質量，kg；

t——m1+m2大于0.01 kg三維網格個數；

k——理想狀態下物料混合系數，取[k=0.333]。

通過EDEM數據導出工具Export—Rescult Data導出仿真過程中攪拌葉片的的扭矩，計算其平均值M，依據轉速n，計算其平均功率P如式（7）所示。

3.3 單因素試驗

試驗方案1：設置攪拌葉片沿順時針轉速為50 r/min，采用螺距比為1.00，葉寬比取0.50、0.75、1.00、1.25、1.50規格攪拌葉片進行混合試驗。

試驗方案2：設置攪拌葉片沿順時針轉速為50 r/min，采用葉寬比為1.00，螺距比取0.50、0.75、1.00、1.25、1.50規格攪拌葉片進行混合試驗。

試驗方案3：采用螺距比為1.00、葉寬比為1.00規格攪拌葉片，沿順時針轉速取30"r/min、40"r/min、50"r/min、60"r/min、70 r/min，進行混合試驗。

如圖7所示，隨著攪拌葉寬比增加（外葉寬減小），變異系數呈非線性變化，規格螺距比為0.75的變異系數變化最快，混合效果最好；隨著攪拌螺距比增加（外螺距減小），變異系數呈非線性變化，規格螺距比為1.00的變異系數變化最快，混合效果最好；隨著攪拌葉片轉速提升，相同時間內基質在局部空間內對流、擴散、剪切混合循環次數越多，變異系數越小，混合效果越好。

如圖8所示，隨著攪拌葉寬比增加，混合裝置平均功率呈現下降趨勢；隨著攪拌螺距比增加，混合裝置平均功率呈現下降趨勢；隨著攪拌葉片轉速提升，平均消耗功率呈先上升后下降趨勢，其原因是隨著轉速提升，切向速度增大到某個臨界值時，物料顆粒增加拋灑過程，攪拌葉片所受到扭矩降低，功率下降。

4 正交試驗

攪拌混合裝置涉及的參數眾多，每個參數都對混合效果產生影響，而且這些參數之間存在一定的非線性關系。以攪拌混合裝置的葉寬比、螺距比、轉速為3個試驗因素，運用Design—Expert10軟件設計回歸正交旋轉組合試驗，試驗因素編碼如表2所示，試驗方案與結果如表3所示，其中A、B、C為因素編碼值。

進行數據分析，得到異變系數RCV的回歸模型如式（8）所示。

[RCV=17.23-0.29A-0.34B-3.56C-0.025AB+0.333AC+0.007BC+1.12A2-0.51B2+0.37C2] （8）

對仿真試驗結果進行方差分析，結果如表4所示。由表4可知，變異系數的模型F值為258.26，Plt;0.000 1，表明二次回歸模型極為顯著；失擬項P值大于0.05，表明無失擬因素存在，模型擬合度高，對參數P值、F值分析得到各參數對變異系數影響的顯著性大小為：轉速、螺距比、葉寬比，并繪制各因素對變異系數影響的響應曲面圖（圖9）。

從圖9可以看出，當轉速一定時，變異系數隨葉寬比的增加呈先下降后上升趨勢；同時變異系數隨螺距比的增加呈先上升后下降的趨勢。當螺距比一定時，變異系數隨葉寬比的增加呈先下降后上升趨勢；同時變異系數隨轉速呈負相關；當葉寬比一定時，變異系數分別與螺距比、轉速呈負相關。

5 參數優化與驗證

為分析各因素與試驗指標之間的關系，對試驗數據進行分析處理，得到螺距比與轉速交互、葉寬比與螺距比交互對異變系數影響效應響應曲面，根據混合攪拌裝置的攪拌性能要求，變異系數越小，攪拌的效果越好。各因素對變異系數的影響不一致，以變異系數為目標函數，對葉寬比、螺距比、轉速3個因素進行綜合分析優化，得出最佳工作參數：葉寬比為0.749，螺距比為1.250，轉速為70 r/min，此模型預測變異系數為13.295%，將參數代入仿真試驗，得出仿真變異系數為14.706%，誤差為1.411%，與優化結果基本一致，表明預測模型有效。

由EDEM后處理導出物料模擬運動裝置各部分最大扭矩帶入ANSYS軟件，對攪拌裝置工況進行靜應力分析，各部位應力分布及變形如圖10所示。由圖10（a）可知，應力分布隨軸距遠近而變化，攪拌支桿與外葉片兩端連接處的最大應力為47.259 MPa，遠低于45鋼的屈服強度255 MPa，表明攪拌裝置的設計是合理的。同時，從圖10（b）中可以看出，外葉片的外端變形最大，達到4.357 5 mm，這主要是由于葉片厚度較薄引起微小的變形。而攪拌軸的變形為0，說明攪拌軸的強度也符合設計要求。

如表5所示，由于實際試驗中秸稈碎料不均勻性，離散元仿真功率與試驗值最大誤差為26%，誤差均值為14.1%，仿真功率略小于實際功率，符合基本試驗值。

6 結論

1） 針對秸稈與菌種高效混合問題，結合發酵工藝設計好氧發酵反應器，并對其攪拌混合裝置進行核心結構理論分析與物料動力學、運動學分析，不考慮離析狀態下，其混合方式由對流、擴散和剪切共同完成，混合性能影響主要因素有轉速、螺距、葉寬等。

2） 利用EDEM仿真試驗分析得到：隨葉寬比增加，變異系數呈非線性變化，平均功率呈現下降趨勢；隨著攪拌螺距比增加，變異系數呈非線性變化，平均功率呈現下降趨勢；隨著攪拌葉片轉速提升，變異系數呈線性變化，平均消耗功率呈先上升后下降趨勢。

3） 依據Design-Expert軟件對試驗進行回歸分析，結果表明：影響變異系數主次順序為轉速、螺距比、葉寬比。構建變異系數數學模型，葉寬比為0.749，螺距比為1.250，轉速為70 r/min，物料混合系數最優為13.295%，與仿真結果誤差為1.411%；對攪拌裝置進行了ANSYS靜力學分析校核強度，結果顯示最大應力值為47.259 MPa，最大變形為4.357 5 mm，表明設計合理性；離散元仿真功率與試驗值的誤差均值為14.1%，符合試驗值。

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