基于EDEM-FLUENT耦合的飼料粉碎機(jī)分離裝置內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)分析

■曹麗英 汪 飛 李春東 李 琦 汪 陽(yáng) 李帥波

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010）

飼料加工業(yè)是農(nóng)牧業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)，是聯(lián)系種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)和農(nóng)副產(chǎn)品加工業(yè)的綜合性產(chǎn)業(yè)[1]。粉碎是飼料加工過(guò)程中的重要工序之一，粉碎機(jī)是飼料粉碎的主要設(shè)備[2-4]。錘片式粉碎機(jī)因其粉碎質(zhì)量好、傳動(dòng)連接方式靈活、空載啟動(dòng)迅速、物料的適應(yīng)性好、通用性強(qiáng)、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛使用[5-7]。在進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，錘片式粉碎機(jī)的現(xiàn)存缺點(diǎn)主要有粉碎能耗高、篩分效率低、噪聲大、物料被過(guò)粉碎、飼料溫升快、錘片和篩片磨損嚴(yán)重[8-10]等。

由曹麗英設(shè)計(jì)的錘片式飼料粉碎機(jī)是一種運(yùn)用新型篩分原理，以實(shí)現(xiàn)物料循環(huán)粉碎為目標(biāo)的新型錘片式粉碎機(jī)。相比傳統(tǒng)粉碎機(jī)而言，新型錘片式粉碎機(jī)粉碎室內(nèi)以齒板代替原有的篩板，被粉碎的物料在氣流場(chǎng)及拋射的雙重作用下，經(jīng)分離裝置到達(dá)篩網(wǎng)，符合粒度要求的物料穿過(guò)篩網(wǎng)完成透篩，不符合粒徑要求的物料在粉碎室負(fù)壓及物料自重的作用下經(jīng)由回料管再次進(jìn)入粉碎室進(jìn)行粉碎，工作原理如圖1所示。

圖1 新型錘片式粉碎機(jī)工作原理

新型錘片式飼料粉碎機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于解決了原有粉碎機(jī)因環(huán)流層太強(qiáng)而造成的物料過(guò)粉碎、物料升溫大的問(wèn)題[11]。本文以錘片式粉碎機(jī)為研究對(duì)象，采用EDEM-CFD耦合方法對(duì)粉碎機(jī)分離裝置內(nèi)氣-固兩相流進(jìn)行數(shù)值模擬分析，系統(tǒng)研究粉碎機(jī)內(nèi)部物料運(yùn)動(dòng)情況，把握物料顆粒的宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)于提高顆粒篩分效率、合理設(shè)計(jì)錘片[12]、機(jī)殼結(jié)構(gòu)[13]、優(yōu)化工作轉(zhuǎn)速等具有實(shí)際意義[14]。粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示[15]。

圖2 錘片式粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1 模型建立和數(shù)值求解

1.1 氣固兩相流數(shù)值模擬方法

采用EDEM-FLUENT耦合[16]的方式模擬兩相流動(dòng)：將氣相和顆粒相視為連續(xù)相，采用Euler-Euler耦合方法對(duì)兩相流進(jìn)行了數(shù)值模擬；使用FLUENT軟件對(duì)兩相流場(chǎng)進(jìn)行求解計(jì)算，最后利用EDEM對(duì)位于分離裝置內(nèi)的物料顆粒進(jìn)行受力分析[17-19]。本文只考慮動(dòng)量的耦合，F(xiàn)LUENT和EDEM通過(guò)一定的模型傳遞動(dòng)量，動(dòng)量耦合主要通過(guò)它們之間的作用力與反作用力來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體流程如圖3所示，首先使用FLUENT軟件進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算，迭代收斂后，將流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果輸入EDEM中；離散元EDEM顆粒軟件定義顆粒工廠生成顆粒，并以一定的速率填充到模型中，考慮流場(chǎng)作用力計(jì)算顆粒運(yùn)動(dòng)情況，把顆粒的位置結(jié)果返回到FLUENT中繼續(xù)進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算，以此循環(huán)計(jì)算得到顆粒在分離裝置中的運(yùn)動(dòng)情況[20]。

圖3 EDEM-FLUENT耦合

1.2 模型建立和網(wǎng)格劃分

模擬中使用的主要設(shè)計(jì)參數(shù)取自新型錘片式粉碎機(jī)的原型。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模擬參數(shù)

本文利用SolidWorks軟件對(duì)新型錘片式粉碎機(jī)樣機(jī)的分離裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，如圖4所示。

圖4 粉碎機(jī)分離裝置

將模型導(dǎo)入ANSYS-ICEM中進(jìn)行模型簡(jiǎn)化刪除外壁面，得到分離裝置內(nèi)部流道的實(shí)體簡(jiǎn)化模型，考慮到該模型較為復(fù)雜，劃分的網(wǎng)格使用適應(yīng)性較好的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，經(jīng)劃分后所得到的網(wǎng)格數(shù)為2 541 733個(gè)，生成的分離裝置網(wǎng)格圖模型如圖5所示。

圖5 分離裝置網(wǎng)格圖

1.3 邊界條件和求解設(shè)置

以空氣為氣相，顆粒相設(shè)置為谷物顆粒，為方便計(jì)算，將其設(shè)置為球形顆粒，尺寸大小及所占比例以具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，試驗(yàn)所選玉米顆粒為2020年收獲的內(nèi)蒙古包頭地區(qū)種植的黃玉米，含水率為14%并常溫保存，符合GB/T 17890—2008《飼料用玉米》標(biāo)準(zhǔn)。在試驗(yàn)中對(duì)玉米顆粒進(jìn)行3次稱(chēng)重取樣，每組100 g，測(cè)量其直徑并記錄各直徑范圍內(nèi)玉米顆粒質(zhì)量占比，最后取3組試驗(yàn)樣品的平均值，具體尺寸及比例分布見(jiàn)表2。

表2 顆粒尺寸及比例

在FLUENT中，對(duì)分離裝置內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)求解，使用k-ε模型與壁面函數(shù)法對(duì)裝置內(nèi)部物料顆粒的運(yùn)動(dòng)分布進(jìn)行模擬。壁面邊界使用無(wú)滑移邊界條件，代數(shù)方程迭代計(jì)算采取亞松弛，設(shè)定收斂精度為1×10-5。時(shí)間步長(zhǎng)為2×10-3s，步數(shù)為1 000步，邊界類(lèi)型見(jiàn)表3。

表3 邊界類(lèi)型

EDEM中計(jì)算時(shí)間步是根據(jù)瑞利波法[21-22]計(jì)算得到的結(jié)果而選取的，具體為瑞利時(shí)間步的20%～40%，這樣才能夠保證計(jì)算的穩(wěn)定性與精確性[23-24]。而FLUENT中的時(shí)間步取離散相時(shí)間步的倍數(shù)關(guān)系，取值范圍為1～100倍[25]。根據(jù)已有的顆粒屬性，得到的瑞利時(shí)間步為1.1×10-4s，這里選擇顆粒相時(shí)間步為2.5×10-5s，而FLUENT中的時(shí)間步選取為2×10-3s。顆粒從分離裝置的入口處進(jìn)入，EDEM在入口初始處建立了顆粒工廠，用于生成顆粒，為更好地觀察分離裝置分離情況，設(shè)置生產(chǎn)1 kg顆粒，生成速率為1 kg/s，為防止顆粒生成異常，顆粒工廠與壁面設(shè)置了1 mm的間隔，具體參數(shù)見(jiàn)表4、表5。

表4 顆粒及壁面參數(shù)

表5 顆粒與顆粒接觸參數(shù)

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 氣固兩相流云圖分析

兩相流耦合的分離裝置的速度云圖和壓力云圖如圖6所示，由圖6(a)可以看出分離裝置中負(fù)壓主要集中在回料管內(nèi)，且壓力梯度變化較大，越靠近回料口出口的地方負(fù)壓越高，其特性符合粉碎機(jī)實(shí)際情況；圖6(b)可以看出流體在進(jìn)料口處的速度最大，越靠近篩網(wǎng)，速度逐漸減小，當(dāng)經(jīng)過(guò)篩網(wǎng)之后，速度又逐漸增大，這是由于篩網(wǎng)對(duì)流體有一定的阻礙作用，流體在回料管內(nèi)速度較進(jìn)料口和出料口的速度小，整個(gè)分離裝置中，在篩網(wǎng)頂端的速度最小，是因?yàn)樵诤Y網(wǎng)頂部的氣體流通性較差。

圖6 速度云圖和壓力云圖

2.2 速度與風(fēng)速相同的物料顆粒運(yùn)動(dòng)分析

在進(jìn)行EDEM仿真時(shí)，將物料顆粒在分離流道起始位置的初始速度與風(fēng)速設(shè)置為相同，顆粒進(jìn)入分離流道時(shí)的角度及其運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真時(shí)間為1 s，運(yùn)算結(jié)果如圖7所示，篩分結(jié)束后，顆粒與分離裝置內(nèi)腔體中內(nèi)壁面與外壁面總碰撞次數(shù)如圖8所示，以及顆粒在分離裝置中的運(yùn)動(dòng)速度如圖9所示。

圖7 顆粒不同入口位置時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡

圖8 顆粒與壁面碰撞次數(shù)隨時(shí)間的變化

圖9 顆粒運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間的變化

從圖7、圖8及圖9可以看出，顆粒的入射速度與流體進(jìn)口速度都為12 m/s時(shí)，入射角度分別為30°、45°和60°時(shí)，絕大多數(shù)的物料顆粒都能到達(dá)篩網(wǎng)表面。入射傾斜角為30°時(shí)，分離裝置內(nèi)靠近流道下壁面的濃度大于上壁面，入射傾斜角為45°與60°時(shí)，分離裝置內(nèi)濃度呈內(nèi)疏外密的狀況；當(dāng)物料的入射角度為45°時(shí)，顆粒與顆粒，顆粒與分離裝置內(nèi)表面的碰撞總次數(shù)最少，顆粒的動(dòng)能損失較低，透過(guò)篩網(wǎng)的概率較大；顆粒進(jìn)入分離裝置的角度過(guò)大或者過(guò)小時(shí)，都會(huì)增加顆粒的碰撞次數(shù)，不利于物料到達(dá)篩網(wǎng)處；在較短時(shí)間內(nèi)物料顆粒速度變化較明顯，這是由于運(yùn)動(dòng)速度大、運(yùn)動(dòng)距離短導(dǎo)致，相比于物料顆粒受重力作用的影響程度而言，顆粒在分離裝置入口處的初速度影響更大。

當(dāng)EDEM仿真結(jié)束，將顆粒工廠生產(chǎn)的物料篩分結(jié)束后，分析不同入射角度下物料堵塞篩網(wǎng)的質(zhì)量，仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同入射角度物料堵塞篩網(wǎng)情況

從圖10中可以看出，物料顆粒在以30°、45°、60°角進(jìn)入分離裝置時(shí)，堵塞篩網(wǎng)停留的質(zhì)量分別為：0.082 678 7、0.054 520 8、0.072 103 3 kg。根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，當(dāng)入射角度為45°時(shí)，不易出現(xiàn)篩網(wǎng)因物料的集聚而出現(xiàn)堵塞的現(xiàn)象，此時(shí)物料的篩分效率較高。

EDEM仿真結(jié)束之后，觀察不同入射角度回料管回料量累計(jì)隨時(shí)間變化的質(zhì)量關(guān)系折線圖，結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同入射角度下回料管回料量隨時(shí)間的變化關(guān)系

通過(guò)不同入射角度回料管回料量變化的時(shí)間與回料量趨勢(shì)圖可知，分離裝置入射角度為30°、45°、60°時(shí)，進(jìn)入回料管的總料量分別為：0.319、0.312、0.329 kg。數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，入射角度為45°時(shí)，回料量最少，出料量最多。由折線圖曲線走勢(shì)可知，回料管的物料質(zhì)量隨時(shí)間先增大后減小，當(dāng)分離1 kg物料時(shí)，物料持續(xù)進(jìn)入分離裝置內(nèi)，回料管內(nèi)物料的質(zhì)量處于隨時(shí)間增大的階段，當(dāng)分離結(jié)束時(shí)，未被篩分的物料隨回料管進(jìn)入粉碎室內(nèi)，回料管內(nèi)物料質(zhì)量下降，直至為零。

2.3 速度小于或大于風(fēng)速的物料顆粒運(yùn)動(dòng)分析

由速度等于風(fēng)速的物料顆粒運(yùn)動(dòng)分析可知，當(dāng)入射角度為45°時(shí)，新型錘片式粉碎機(jī)的篩分效率達(dá)到最高，現(xiàn)對(duì)顆粒入口速度小于或大于風(fēng)速的物料顆粒進(jìn)行分析。

當(dāng)顆粒速度為8 m/s和16 m/s時(shí)，EDEM模擬分離裝置篩分1 kg物料，時(shí)間為1 s時(shí)的運(yùn)算結(jié)果如圖12所示，篩分結(jié)束后顆粒與壁面的碰撞次數(shù)如圖13所示，回料管回料量隨粉碎時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖14所示，物料顆粒以不同初速度進(jìn)入分離裝置內(nèi)的速度變化如圖15所示。

圖13 不同進(jìn)口速度下碰撞次數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系

圖14 不同入射速度下回料量隨時(shí)間的變化關(guān)系

圖15 不同入射速度下顆粒運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間的變化關(guān)系

由圖12、圖13、圖14、圖15對(duì)比分析可知，在三種不同入射速度作用下，物料顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡相似，運(yùn)動(dòng)速度在達(dá)到入射速度值后都隨時(shí)間的增加而快速下降?？拷蛛x裝置外壁面的顆粒濃度大于內(nèi)壁面，且顆粒的速度變化波動(dòng)明顯，這是由于顆粒初始速度大，運(yùn)動(dòng)距離短，在較短的時(shí)間內(nèi)撞擊篩網(wǎng)導(dǎo)致，當(dāng)氣相速度大于物料顆粒的運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，氣流對(duì)物料顆粒的作用力增強(qiáng)；物料顆粒與分離通道內(nèi)壁的碰撞次數(shù)小于其他兩種情況，更有利于物料顆粒到達(dá)篩網(wǎng)表面。當(dāng)入射速度為8 m/s時(shí)，回料管回料量最少為0.294 14 kg，篩分效率最高。

3 結(jié)論

錘片式粉碎機(jī)內(nèi)物料顆粒在分離裝置中的運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜。本文基于前期設(shè)計(jì)的錘片式飼料粉碎機(jī)為試驗(yàn)平臺(tái)，利用EDEM-FLUENT耦合分析1 kg物料顆粒在1 s內(nèi)進(jìn)入分離流道內(nèi)運(yùn)動(dòng)情況，所得結(jié)論不僅適用于具有分離裝置的錘片式粉碎機(jī)，同時(shí)對(duì)分離裝置內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的相關(guān)研究具有參考價(jià)值。主要結(jié)論有以下幾個(gè)方面：

①以EDEM-FLUENT耦合為基礎(chǔ)，對(duì)分離裝置內(nèi)氣固兩相流進(jìn)行模擬，全面清晰地了解物料顆粒在分離裝置內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，找到了顆粒能夠順利到達(dá)篩網(wǎng)的最佳運(yùn)動(dòng)軌跡。

②物料顆粒以30°、45°、60°三種不同入射角度進(jìn)入分離裝置內(nèi)，通過(guò)對(duì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，物料顆粒在入口處的速度方向沿水平方向45°角時(shí)，物料顆粒較易到達(dá)篩面進(jìn)行透篩，回料管回料量最少，能量損失較小。

③進(jìn)入分離裝置內(nèi)物料顆粒的速度大小是影響篩分效率的重要因素之一，通過(guò)耦合顆粒相的速度大于、等于及小于流體相的速度分析，結(jié)果表明：顆粒運(yùn)動(dòng)距離較短且其速度較大，運(yùn)動(dòng)受重力影響較小，當(dāng)氣相速度略高于物料速度時(shí)，篩分效率達(dá)到最優(yōu)。