苞米调质器中的运动模拟及特性影响

秦国防，秦明辉，王瑨

1. 济源职业技术学院机电工程系（济源 459000）；2. 南京理工大学自动化学院（南京 210094）

调质是通过湿热处理改善农作谷物理化性质的一种工艺过程，其中，向物料中添加蒸汽来完成预调质或蒸汽调质较为常见。混合物料通过与蒸汽的充分接触以获得水分和热量，从而确保农作物后续的制粉品质。水分是谷物中对物化性质具有关键性作用的重要组分，调质过程中水分的状态变化与迁移对加工熟化谷物、提高制粉品质具有极为重要的意义[1-2]。在实际生产过程中，谷物在调质器中的运动状态是影响其吸收水分的主要因素，而运动状态主要与蒸汽的饱和压强、速度及调质器桨叶转动力度息息相关[3]。如何较为准确地把握谷物的运动状态尤为重要。

离散元法（DEM）是研究离散型颗粒在复杂物理场作用下的动力学的重要方法，而计算流体动力学（CFD）能较好地模拟流体在腔体内的速度分布。二者相结合后的应用研究已经越发成熟，国外将CFDDEM耦合研究气固两相的数值模拟较多，而国内也有二维流化床、油气裂化、三维风沙运动等方面的应用研究[4-5]。试验采用CFD与DEM相耦合研究苞米在调质器中熟化调质时的运动状态及由此产生的对苞米性质的影响。对调质器建立几何模型与CFD-DEM数学模型，研究水汽流速与桨叶转速对苞米松散调质效果的影响[6]，为CFD-DEM的仿真分析奠定基础，探讨其物化性质的影响因素。

1 材料与方法

1.1 所用调质器的几何模型

图1 调质器的外部几何模型

图2 调质器的内部几何模型

如图1和图2所示，分别为蒸汽夹套调质器的外部腔体模型和内部轴叶模型。其中，外部腔体直径120 mm，长度约550 mm。调质轴安装于腔体中间，直径约30 mm，长度与腔体等长。桨叶共有20组，呈轴向间隔20 mm，径向90°分布。蒸汽进口为8组，直径约5 mm，环形分布在端盖外。出料口在腔体底部，直径约22 mm。模型均为经过模拟简化后的图型。

1.2 模型中的参数设置

表1为离散元模型中的具体参数设置值，适宜的参数设置有利于模拟苞米在调质器中的实际运动状态。最终参数值的选定应在调质器稳定工作一段时间后选取，调质器稳定工作仿真时间为100 s，即离散元模型中的最优设定参数应在仿真时间为100 s后选取。

表1 离散元模型中的设定参数值

1.3 CFD-DEM耦合的数学模型

采用DEM模型[7]模拟苞米的调质过程，依据流体力学和动力学得到调质工艺中苞米的运动方程，如式（1）所示[8]。

式中：ρ为流体密度，kg/m3；t为调质时间，s；▽为哈密顿微分算子；ν1为水汽流速，m/s；ν2为调质器转速，r/s。

运动方程经微分，得：

式中：P为物料所受压强，Pa；g为重力加速度，m/s2；u为水汽流体黏度，Pa·s。

苞米颗粒的体积在DEM模型的建模中不可忽略[9]，需在运动方程中加入实际的苞米颗粒体积分数，则：

式中：ε为苞米颗粒体积分数。

苞米颗粒在调质过程中，不可避免地会受到水汽流体阻力所带来的影响，因而式（2）中须加入阻力动力源因素进行模型耦合，得到式（4）。

式中：S为阻力动力源，水汽流体黏度u取测量均值1.87×10-5Pa·s。

2 结果与分析

2.1 物料运动分析

苞米通过力如液桥力会在水汽作用下粘结，故物料在调质器中的松散效果直接影响物料的最终调质效果。水汽流速和调质器转速这2个因素对物料的松散效果起着决定性作用，故对这2个因素进行分析，以期得到良好物料松散效果。

2.1.1 水汽流速对物料松散效果的影响

对水汽流速为0.5，1.0，1.5和2.0 m/s条件下的苞米分组调质，20个点取1个平均值，得到物料间键粘结平均数和切向力随时间和水汽流速变化的相关数据，具体如表2和表3所示。

水汽速度加快有利于物料之间的相互分离，键粘结作用减轻。发生水汽持续冲击物料时间越长，越有益于物料充分参与调质工艺。水汽流速的加快和作用时间的延长均会使得物料与调质器充分接触，从而增强物料与调质器内腔之间的切向力大小。

表2 不同水汽流速条件下的物料间键粘结平均数测定结果

表3 不同水汽流速条件下的物料平均切向力测定结果

2.1.2 调质器转速对物料松散效果的影响

分别测定调质器转速0.3，0.6，1.2和2.4 r/s条件下的键粘结平均数和切向力随时间和调质器转速变化的相关数据，具体如表4和表5所示。

调质器转速的加快和作用时间延长均会减小物料之间的键粘结平均数，增大物料与调质器之间平均切向力。通过对比水汽流速对键粘结平均数和切向力的影响，调质器转速对这二者的影响作用更为显著。调质器转速2.4 r/s、作用时间160 s时，物料之间的键粘结平均数为0，此时苞米颗粒在调质器中完全分散开，彼此之间基本不会产生粘结，水汽作用的调质效果达到最佳。但此时苞米与调质器之间的切向力过大，会严重降低苞米的整米率，破坏苞米的物理结构。

表4 不同调质器转速条件下的物料间键粘结平均数测定结果

表5 不同调质器转速条件下的物料平均切向力测定结果

2.2 CFD-DEM耦合的仿真分析

将调质器几何模型导入CFD软件后，CFD与DEM相耦合[10]。仿真过程应尽量模拟苞米装入调质器后的工作条件。水汽流速与调质器转速相复合后的仿真工作图如图3所示，物料在调质器中不同压强场下仿真工作图如图4所示。

从图3中可知，进口处的水汽速度较大，随着水汽对苞米熟化调质进行，水汽速度逐渐下降，到尾端出口处时由于调质器转速较大，速度又明显上升。图4显示物料在水汽进口处所受压强较大，随着水汽逐渐运动到调质器尾端并排出，物料所受的压强逐渐降低。从图3和图4中的变化趋势可以看出，物料在速度场与压力场中均呈现出整体均匀变化趋势，表明调质过程均匀有序，对苞米的调质效果较为良好。

图3 不同复合速度情况下的仿真状态

图5 为物料运动随调质时间变化的仿真迭代收敛曲线。在经过调质初始阶段的物料速度紊乱，调质时间100 s后，物料在调质期间内的运动速度趋于平缓，物料动能逐渐稳定，故此模型的仿真收敛性良好。由于进口处与出口处的物料数量趋于平衡，苞米的调质工艺运动稳定，调质器中各段的调质效果均一而有效。

图5 调质过程中物料运动的仿真收敛曲线

在其他试验条件不变情况下，采用CFD-DEM耦合仿真不同粒径的苞米随时间在调质器中的纵向位移曲线，具体如图6所示。

图6 不同粒径颗粒的纵向仿真运动曲线

苞米在水汽和桨叶转动的双重作用下位移变化较大。初始阶段，苞米尚未熟化调质，内部所含水分有限而质量较轻，容易发生在纵向上的位移。随着时间延长，调质不断进行，苞米内的水分开始增大且会出现因水汽作用引起的颗粒粘结，质量明显增大，故在纵向上的运动受限，位移幅度降低。粒径较大颗粒的位移幅度相对粒径较小的颗粒变窄，这是由于水汽和桨叶搅拌作用于粒径较大颗粒的效果相对而言有所弱化，物料动能不足使得其纵向位移幅度受限。

2.3 调质工艺中整米率的影响因素

在苞米调质过程中，加湿量和水分浸润时间对其整米率的影响较为显著，试验结果如图7和图8所示。图7中整米率随加湿量上升先增大后减小，这是由于加湿量过高时，苞米的籽粒强度下降，调质通风过程中容易产生碎米现象，故整米率下降。加湿量过低时，基本达不到对苞米的调质效果。刚开始浸润苞米时，整米率随着浸润时间延长而显著增大，但随后整米率呈逐级下降趋势。在调质过程中，适宜的水分梯度可赋予苞米良好的籽粒强度梯度，而影响水分梯度分布的最主要因素为浸润时间，浸润时间60 s时，调质过程中可获得最高整米率。

图7 加湿量与整米率的关系曲线

图8 浸润时间与整米率的关系曲线

2.4 不同粒径苞米调质后的水分和灰分变化

调质过程中的水分分布应尽量均匀以保证调质品质，将不同粒径大小的苞米分类后分别进行调质，固定调质时间100 s，不同试验组调质后的水分如图9所示。通常情况下，粒径越小，比表面积越大，水分浸润效果越良好，试验结果基本符合该理论。但如果考虑到磨粉后的保存和性能稳定性，苞米调质后的水分不宜偏大，且粒径越小，苞米颗粒之间的间隙也越小，容易发生堆积挤压致使苞米颗粒受损，整米率下降，故在此调质条件下，粒径5～8 mm苞米颗粒水分最为合适。

图9 苞米粒径与水分的关系曲线

苞米中灰分的高低影响制粉后的口感和整体品质，一般来说，灰分越低，制粉的色泽越偏向于白色且口感越为细腻。不同粒度苞米调质后制粉的灰分测定结果如图10所示。苞米粒径与灰分的变化关系呈反比例关系，即粒径越小，灰分越大；粒径越大，灰分越小。试验中探讨得出粒径5～8 mm苞米颗粒经调质水分最佳，而此时对应的制粉灰分为1.7%。

图10 苞米粒径与灰分的关系曲线

2.5 调质后的其他性能指标

表6为苞米调质后的性能指标测定结果。调质前后，苞米的淀粉含量基本没有产生变化，而其他理化性能指标均产生了较大变化。其中，还原糖含量、脂肪酸含量、碎米率、弹性、咀嚼度和食味值明显上升，而过氧化氢酶活性和硬度性能则有所下降。综合来看，苞米经调质工艺处理后的整体品质上升较为明显，说明调质工艺有助于苞米的品质提升。

表6 苞米调质后的其他性能测定结果

3 讨论与结论

对调质器的外部模型和内部模型几何建模，设定相应具体参数后，基于CFD-DEM耦合的数学模型对苞米在调质器中的运动进行模拟。试验对影响物料松散效果的水汽流速和调质器转速进行分析，结果显示水汽流速的加快有利于物料之间键粘结作用减轻的同时，增强物料与调质器内腔之间的切向力大小。调质器转速的加快同样会减小物料之间的键粘结平均数，增大物料与调质器之间的平均切向力，但调质器转速对这二者的影响作用更为显著，并且这2种因素均随着调质时间延长会显著减小物料间键粘结平均数，增大物料平均切向力。利用CFD-DEM耦合的仿真分析结果显示，随着水汽对苞米熟化调质进行，水汽速度沿腔体逐渐下降，到尾端出口处速度又明显上升。与此相对应的物料在水汽进口处所受压强较大，随着水汽逐渐运动，压强沿腔体逐渐降低。物料在调制工艺的速度场与压力场中均呈现出整体均匀变化的趋势。此外，物料运动随调质时间变化的仿真迭代收敛曲线显示，调质初期运动速度紊乱无序，之后运动速度趋于平缓，物料动能逐渐稳定，表明模型的仿真收敛性良好。试验仿真分析不同粒径颗粒的纵向运动位移，物料在水汽和桨叶转动的双重作用下位移变化较大。初始阶段，纵向位移程度较大，随后纵向位移幅度收窄。同时可观察到粒径较大颗粒的位移幅度相对粒径较小的颗粒变窄。

试验探讨调质工艺对苞米整米率、水分、灰分及其他性能指标的影响，结果表明，加湿量2.5%、浸润时间60 s时，苞米的整米率达到最高78%。粒径5～8 mm苞米颗粒水分最为合适，此时对应的灰分为1.7%。其他性能指标的测定结果显示调质结束后，苞米的淀粉含量基本没有产生变化，还原糖含量、脂肪酸含量、碎米率、弹性、咀嚼度和食味值明显上升，而过氧化氢酶活性和硬度性能有所下降。