基于Fluent稻米脱壳搅拌装置的分析研究与设计

陈枫航

（枣庄市新中兴实业有限责任公司，山东 枣庄 277100）

0 引言

我国是世界稻谷生产和消费大国，每年稻谷产量高达2亿t，约占世界稻谷总产量的1/3、全国粮食总产量的2/5[1]。精白米是我国的传统主食，其在我国居民膳食结构中占有主导地位。随着生活水平的提高以及消费观念的转变，人们越来越重视精白米的营养价值和保健功能。传统的稻谷加工方法是将稻谷砻谷得到糙米，然后对糙米进行碾磨加工，碾去糠层和胚芽，得到精白米[2]。糙米中大部分营养成分富集在被碾去的糠层和胚芽中[3]，碾米过程会导致大量的营养物质损失和浪费。虽然精白米占据我国主食消费的主导地位，但与精白米相比，糙米具有更高的营养价值。然而糙米皮层含有大量的粗纤维，其吸水性和膨胀性较差，导致糙米的蒸煮性不佳和口感较差[4]。糙米中还含有较多的植酸，植酸会与多数矿物质元素如钾、镁、铁等结合在一起，影响人体对这些矿物质的吸收[5]。这些问题严重影响着糙米的食用品质，如何改善糙米的食用品质成为亟待解决的问题。

1 研究现状

随着计算机行业的不断发展，建模与仿真技术也愈发成熟，人们陆续开发出了仿真软件和图形处理研究技术，为建模和仿真技术的发展提供了新的契机。相应的领域在仿真技术的加持下，也加快了发展速度。仿真技术更加真实，仿真技术的作用也更加明显，很多知名企业开始将仿真技术运用在设备上，对设备进行仿真模拟，运用其模拟的结果，减少生产成本并缩短研发周期。通过仿真手段对设备性能进行分析，能够判断设备发生故障的时间和位置，同时利用设备的仿真结果，对设备进行合理的优化，能够提高设备的产能并减少设备功耗，让设备更加适用于所处的环境[4-6]。

建模仿真主要用到了相似理论。将设备进行建模，同时对建立的模型进行现场工况模拟，揭示仿真对象的各方面性能，得到相应的仿真数据。对仿真数据进行分析，分析建立模型和对应设备的不足并进行改进，建立的模型可以是数学模型、物理模型和概念方法的模型。美国人对人类的行为进行一定的仿真研究，且将数据转化到社会层面，对人类有一定的帮助作用。另外，科学界的许多问题都可以通过仿真技术得到研究和解决，这些都足以说明建模和仿真技术的重要性。

早在20世纪，国外就进行了对加湿调质机的研究分析。日本是世界上对调质机研究最为深入的国家之一，而且研究分析时间较早。受环境等因素的影响，日本也是主要种植稻谷的国家，由于日本具有较发达的工业，且日本政府积极鼓励发展农业生产机器，出台了许多利于农业发展的政策，甚至针对部分地区发放高额的补贴，因此，日本的农业技术在20世纪发展较为迅速。发展迅速离不开技术的力量，日本农业的发展，为我国农业发展提供了许多借鉴。在国外，此类型的调质机器已经非常普遍。20世纪90年代初，欧洲公司就制造出双轴加湿调质机，可以调质高达10 000 L的容积[7]。

相对于国外而言，我国糙米加湿机的研究起步时间较晚，近些年，国内也开始了针对稻米调质机的相关研究，并在机器的结构、控制以及搅拌桨的形状等方面成果颇丰。现阶段，国内知名公司研制出MCT-6的调质机，并且对其喷水发射器进行了深入的研究，设计调质器的开角大于56°，使其能够喷出超微细的水雾分子。该种调质器已经在我国的华北地区开始使用，使用效果优于预期效果，可以与国外的品牌相媲美[8]。

调质机最重要的部件就是搅拌桨，国内外所设计的稻谷调质机都对搅拌桨进行了深入的分析研究。搅拌方式设计主要分为卧式搅拌和立式搅拌两种。卧式搅拌有很多细分种类，主要分为卧式绞龙和卧式滚轮搅拌。卧式搅拌方式可以将搅拌物料通过旋转轴分为几大区域，极大地减少了由于物料集中而造成的搅拌装置变形的问题。陈玉民等对卧式浆体搅拌机进行了一些研究，发现隔离式箱体联合导流结构隔离了搅拌轴端密封与物料的接触，可以减少卧式搅拌方式中主轴的磨损。王娜等研究了搅拌装置的关键参数对搅拌质量的影响，发现卧式搅拌方式中搅拌臂的排列、叶片的安装角度、搅拌筒长宽比、搅拌转速都会对搅拌质量产生一定的影响；在设计卧式搅拌的方式上，既要考虑主轴的刚度以及疲劳寿命，又要考虑搅拌装置的各项参数。立式搅拌机与卧式搅拌机较为类似，分为单绞龙、双绞龙以及多绞龙的搅拌方式。相对于卧式搅拌方式，立式搅拌机制造成本相对较低，其底部叶片直径与物料直径几乎相等，绞龙推动物料转动2～3圈，就可将物料从底部推至顶部，而物料顶部的空间很大，被推至顶部的物料落回底部，从而不断进行循环搅拌[9]。

通过分析的结果，对模型进行修改和优化，然后再进行下一轮仿真，直到得到最好的仿真结果。同时，在仿真的过程中，还可以设置不同的工况，调整稻谷加湿调质机桨叶不同的参数，来进行模拟仿真。另外，很多学者也开始对不同的调质机桨叶进行建模，对其流场、强度进行分析，从而进行实体建模仿真。通过对桨叶的建模，可以分析稻谷与水的混合程度，可以利用仿真模拟不同的工况，也可以利用仿真区分不同桨叶的搅拌均匀性[10]。

2 研究方法

2.1 多相流研究方法

多相流体系在许多工业生产体系中有着至关重要的作用，常常用于工业、农业以及服务业的生产作业中，应用极其广泛。随着我国经济的不断发展，多相流的应用场景越来越多。其中，前期多相流模拟可靠性分析也逐渐成为行业的主流，广泛应用于搅拌器械行业。根据行业的不同，多相流在每个行业的侧重点不同，主要分为以下几个方面：1）智能性判断。多相流在模拟分析的过程中，由于瞬态模拟仿真以及稳态模拟仿真有着一定的不确定性，其数据会随着环境的变化而改变，在分析过程中，要智能地分析数据的变化特征，提取对结果至关重要的数据，因此要对数据进行智能化筛分。2）通用性发展。对于模型验证来讲，验证仿真的准确性是仿真结果是否有误的判断标准。因此在多相流建模时，要对验证的仪器设备进行通用化设置，保证仪器可以在特定的场所、湍流状态、流量范围等情况下使用，同时还要兼顾仪表测量的准确性。3）成本价值。在多相流分析过程中，由于模型过于复杂，使得计算时间成本以及验证模型成本较高，因此在多相流设计中要考虑时间成本和仪器成本[11]。

2.2 Fluent软件

Fluent是流体力学仿真的独立学科软件，可以通过数值模拟的手段对常见的流体进行仿真分析，从而准确判断流体的动向以及流体对其壁面的作用等。Fluent内部多种合理化和稳定性的模型求解器，可以对特殊的流场进行分析研究，也适用于求解多种物理场叠加的流场动态分析，尤其是在油气管道运输、材料力学等学科中应用广泛。在计算流体力学中常常需要对模型的边界层进行网格划分，以提高网格在边界层的精度。将网格导入求解器模块中，可以通过检测功能以及报告网格质量来判断网格划分的质量是否满足分析要求，常见的求解器模块有SIMPLE、SIMPLEC、PISO等，对不可压缩流体进行有效计算时，采用离散方程[12]。针对后处理模块，可以将求解出来的模型数据通过图表的形式表现，常见的后处理表现形式有云图、速度以及体积，通过图表可以直观地反映出是否模拟结果，指明下一步的工作仿真要求[13]。

CFD仿真在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑等各个领域都有应用，特别是针对搅拌装置流固耦合两相流的分析设计。赵昕楠、姚晨明、赵行等通过CFD仿真对搅拌装置进行了深入的研究，发现CFD仿真的确对搅拌装置的设计指导起到关键性的作用。其中，CFD仿真设置搅拌装置边界条件的模拟方法有单参考坐标系模型（SRF）、多参考坐标系模型（MRF）、混合平面模型（MPM）以及滑移网格模型（SMM）。王乐勤等利用CFD软件对搅拌装置附近流场进行分析研究，并对其进行仿真模拟。庞向飞等通过CFD对流场进行模拟仿真，通过仿真得出搅拌叶轮位置等对流场影响较大。Wang H等研究双层叶轮配合四挡板的搅拌槽在不同转速与通气量下的气液两相流动特性。黎义斌等对倾斜搅拌反应釜进行单相流固耦合分析，并且校核了搅拌转子材料的强度。罗松等研究指出六折叶搅拌桨以轴向排液为主，随着叶片夹角增大，涡环会有所减小；相反，当叶片夹角较小时，会产生较大的涡环，而且功耗与夹角存在正比关系，并指出在破碎要求不高的情况下，叶片角度选取不应过大，以降低功耗。姚晨明等对搅拌组合进行了多相流流场的研究，通过CFD对不同搅拌桨组合进行仿真分析，得出在相同工作条件的情况下，最上层采用径向流桨的搅拌组合，整体流场分布比其余的流场分布均匀。

2.3 建立计算区域模型

本研究涉及单个模型测试，将搅拌器设计成直立搅拌，其中搅拌桨设计由四叶搅拌桨、六叶搅拌桨、八叶搅拌桨、长搅拌桨、短搅拌桨几种不同的类型进行排列组合。其边界类型四周为设置成壁面，无出入口设置。其中包含内部流体域和外部流体域，内部流体域为转动域，外部流体域为流动域。图1（a）为短搅拌桨模型图，图1（b）为长搅拌桨模型图。

图1 搅拌桨模型图

2.4 多相流方法

VOF模型可以通过求解单一的动量方程并跟踪区域内每个流体的体积分数来模拟两种或两种以上的非混溶流体。典型的应用包括射流破裂的预测、大气泡在液体中的运动、溃坝后液体的运动以及任何气液界面的稳态或瞬态跟踪。其中连续性方程为：

2.5 湍流模型

本研究运用的湍流模型为剪切压力传输（SST），k-ω模型，其流动方程为：

式中，Gk表示湍流动能，Gω为ω的方程。

3 加湿调质机桨叶后处理结果及分析

3.1 加湿调质机短叶片仿真结果及分析

加湿调质机短叶片三种不同数量桨叶的模拟仿真结果如下。图2为四片短桨叶的仿真，图3为六片短桨叶的仿真，图4为八片短桨叶的仿真。

由图2可知，在四片短桨叶的搅拌下，调质机的底部会有一定的速度流，但搅拌的稻米和水没有充分混合，稻米大部分沉积在调质机的底部。

图2 四片短桨叶的仿真图

由图3可知，六片短桨叶在搅拌的过程中，主要的速度流集中在调质机的底部，在调质机的中部也分布有速度流，表示六片短桨叶的搅拌桨在稻米和水的搅拌过程中较为均匀，部分稻米已经与水混合。

图3 六片短桨叶的仿真图

由图4可知，八片短桨叶在搅拌的过程中，调质机的底部速度是最快的，调质机的中部也有较多的速度流，表示稻米与水的搅拌过程中，较多的稻米在调质机的中部与水混合，搅拌较为均匀。

图4 八片短桨叶的仿真图

在三种不同数量短叶片的搅拌过程中，八片桨叶的速度流已经由底部扩展到调质机的中部，搅拌效果要优于四片桨叶和六片桨叶。

3.2 加湿调质机长叶片仿真结果及分析

加湿调质机长叶片三种不同数量桨叶的模拟仿真结果如下。图5为四片长桨叶的仿真，图6为六片长桨叶的仿真，图7为八片长桨叶的仿真。

由图5可知，四片长桨叶的搅拌在调质机底部的速度是最快的，在调质机的中部和调质机的上部也有一定的速度流，表示在四片长桨叶的搅拌下，稻米和水已经能在整个调质机内进行混合。

图5 四片长桨叶的仿真图

由图6可知，在六片长桨叶的搅拌下，速度最快的是调质机的底部，调质机的中部和上部也有很多的速度流，表示在此调质机的转动下，稻谷已经可以从底部、中部充分地与水混合。

图6 六片长桨叶的仿真图

由图7可知，在八片长桨叶的搅拌下，速度最快的是调质机的底部，在调质机的中部和上部也有充足的速度流，表示在八片桨叶的搅拌下，稻米和水已经可以充分地混合。

图7 八片长桨叶的仿真图

4 研究结果分析

在短桨叶的搅拌仿真中，同一转速下八片桨叶的搅拌效果要优于四片桨叶和六片桨叶的搅拌效果，八片桨叶混合也较为均匀；长桨叶的搅拌效果与短桨叶的搅拌效果类似，八片长桨叶的搅拌效果要优于四片长桨叶、六片长桨叶。因此，八片桨叶可以很好地完成搅拌和脱壳工作。