病死動(dòng)物化制攪拌過程流固耦合數(shù)值仿真與優(yōu)化*＊

俞國(guó)紅，薛向磊，鄭航，牛瑞征，蔣建東

(1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院農(nóng)業(yè)裝備研究揚(yáng)，杭州市，310021；2.浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，杭州市，310014)

0 引言

內(nèi)化制法是將病死動(dòng)物尸體及其廢棄物破碎后投入到高溫高壓容器中進(jìn)行滅菌的工藝方法[1]，化制后的物料進(jìn)行烘干和油脂分離，得到油脂和骨肉粉等副產(chǎn)品，因處理周期短，滅菌效果好，副產(chǎn)物質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)化制法已成為國(guó)內(nèi)外病死動(dòng)物無害化處理的主流方法。

化制法經(jīng)過國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷探索，已逐漸發(fā)展成熟，并得出相關(guān)結(jié)論：Gwyther等[2]認(rèn)為在處理因高致病性疾病死亡的畜禽時(shí)溫度要求達(dá)到133℃，壓力要求達(dá)到0.3 MPa，處理時(shí)間不少20 min的條件；Auvermann等[3]認(rèn)為影響化制過程的主要因素包括時(shí)間和溫度、空氣壓力以及動(dòng)物尸體被分割的大小，最好控制在30～50 mm之間；王德勝等[4]對(duì)現(xiàn)有干化化制無害化工藝進(jìn)行利弊分析，通過層次分析法對(duì)不同工藝進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出綜合效益最好的干化化制工藝，并對(duì)豬肉化制過程物料的特性進(jìn)行研究，從而優(yōu)化化制參數(shù)。

目前市場(chǎng)上多采用干化化制機(jī)完成化制處理過程，化制機(jī)中間設(shè)計(jì)有用于加熱攪拌的攪拌單元，攪拌單元包括攪拌軸體以及軸體上安裝的具有分解和輸送功能的攪拌葉片，攪拌裝置承擔(dān)了病死動(dòng)物化制處理工藝近70%的工作量，且化制罐內(nèi)的物料流動(dòng)直接影響著物料的加熱速率和滅菌效果，因此攪拌器進(jìn)行物料的攪拌直接影響到化制處理的效率和質(zhì)量，而國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)干化化制設(shè)備研究鮮有報(bào)道：王長(zhǎng)利等[5]開發(fā)了一套采用干化化制法對(duì)病死動(dòng)物進(jìn)行無害化處理的裝置及其處理方法，該裝備置處于試驗(yàn)階段未見推廣。陶蘭蘭等[6]針對(duì)化工設(shè)備攪拌器類型與結(jié)構(gòu)開展了研究，結(jié)果表明采用螺帶式攪拌器更適合于黏度較高的流體化制過程。陸旭等[7]針對(duì)攪拌軸的可靠性優(yōu)化進(jìn)行了研究，對(duì)空心軸的選用進(jìn)行了論證，得出了空心軸適用的軸徑范圍。

張?chǎng)蝃8]針對(duì)離心泵葉片與泵腔的流場(chǎng)與結(jié)構(gòu)開展了研究，蘇騰龍等[9]開展柔性漿流場(chǎng)特性的流固耦合數(shù)值模擬和試驗(yàn)，二者指出了攪拌器工作過程物料流動(dòng)流固耦合特性直接影響攪拌效果。諸多學(xué)者針對(duì)攪拌過程中物料流固耦合特性的分析進(jìn)行了探索[10-20],驗(yàn)證了基于有限元分析原理運(yùn)用ANSYS軟件中的Fluent模塊研究攪拌器內(nèi)部的流體特性的可行性。

通過試驗(yàn)測(cè)定干化化制過程不同時(shí)間階段的物料特性，進(jìn)行干化化制設(shè)備的有限元數(shù)值建模，通過流固耦合分析開展化制過程中物料流動(dòng)特性數(shù)值仿真，開展螺帶式攪拌器優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析，旨在提升病死動(dòng)物干化化制處理的效率和質(zhì)量。

1 病死動(dòng)物干化化制設(shè)備機(jī)理分析

根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出的病死動(dòng)物無害化處理技術(shù)規(guī)范規(guī)定：干化處理時(shí)物料中心溫度不低于140℃，容器內(nèi)絕對(duì)壓力不低于0.5 MPa，處理時(shí)間需要達(dá)到4 h以上；設(shè)計(jì)新型病死動(dòng)物高溫高壓化制處理系統(tǒng)組成如圖1揚(yáng)示。

圖1 新型無害化設(shè)備處理系統(tǒng)Fig.1 New innocuous equipment processing system

化制設(shè)備攪拌器工作環(huán)境有以下限制：化制罐為臥式反應(yīng)容器，攪拌軸軸向跨度較大；容器直徑較大，需要的葉片攪拌范圍較大；物料黏度大，攪拌速度慢；螺帶攪拌器攪拌時(shí)可以使流體產(chǎn)生徑向流、軸向流和環(huán)向流，攪拌效果好，且適用于黏度較高的流體。

常用的單螺帶攪拌器，如圖2(a)揚(yáng)示，當(dāng)螺帶的外徑Dj為1 400 mm時(shí)，螺帶寬度b為115 mm，螺距S為1 400 mm，螺帶厚度δ為12 mm。通過運(yùn)用Fluent流體仿真軟件對(duì)單螺帶攪拌器攪拌作用下的物料進(jìn)行流場(chǎng)仿真，分析單螺帶攪拌器的攪拌效果，如圖2(b)、圖2(c)揚(yáng)示。

圖2 單螺帶攪拌效果圖Fig.2 Stirring effect diagram of single ribbon

攪拌軸周圍大范圍區(qū)域的物料流動(dòng)速度較小，攪拌效果并不理想，且攪拌器左右兩端的物料流動(dòng)性相差較大，物料向攪拌器的右端聚集，會(huì)增大右側(cè)攪拌器和罐體的負(fù)載，因此需要對(duì)單螺帶攪拌器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

根據(jù)試驗(yàn)，造成攪拌軸周圍攪拌效果較差的原因是螺帶與攪拌軸距離較大，為改善攪拌軸周圍物料的攪拌效果，本文在攪拌軸和大直徑螺帶之間加裝旋向相反的小直徑螺帶(圖3）：外徑700 mm，寬度55 mm，螺距700 mm，螺帶厚度8 mm。改進(jìn)的攪拌器使物料在小螺旋帶的轉(zhuǎn)動(dòng)下回流，有效改善物料的流動(dòng)性，減小攪拌器和化制罐的負(fù)載。

圖3 雙螺帶攪拌效果圖Fig.3 Stirring effect diagram of double ribbon

對(duì)改進(jìn)后的雙螺帶攪拌器攪拌作用下的物料進(jìn)行流場(chǎng)仿真，對(duì)比圖2、圖3可知，單螺帶攪拌器攪拌作用下約有60%左右的物料流動(dòng)速度達(dá)到0.3 m/s以上，雙螺帶攪拌器攪拌作用下有80%以上的物料流動(dòng)速度均達(dá)到了0.419 m/s以上，雙螺帶攪拌器攪拌作用下，物料向攪拌器一端聚集的現(xiàn)象得到明顯緩解，因此雙螺帶攪拌器的攪拌效果明顯優(yōu)于單螺帶攪拌器，有效改善了攪拌器的攪拌效果。

2 化制容器內(nèi)攪拌過程物料流動(dòng)模型與特性分析

病死動(dòng)物化制處理的物料主要是經(jīng)過破碎的動(dòng)物尸體及其廢棄物，以病死豬化制處理為例：物料中肉塊揚(yáng)占體積比約為70%，骨頭約占20%，其余為毛發(fā)、糞便、血水等雜物?；莆锪辖M分復(fù)雜，黏度較大，流動(dòng)性差，對(duì)攪拌器的強(qiáng)度和剛度要求較高，為優(yōu)化改進(jìn)型化制攪拌器工作參數(shù)，本文對(duì)化制容器內(nèi)攪拌過程物料流動(dòng)模型與特性進(jìn)行分析。

由于雙螺旋攪拌器攪拌葉片由旋向相反大小螺帶組成，在其攪拌作用下，物料的的流動(dòng)趨勢(shì)可分解為軸向流、徑向流和環(huán)向流，如圖4揚(yáng)示。

圖4 攪拌過程中物料的流動(dòng)模型Fig.4 Flow model of material during mixing

物料升溫過程中，不同液面高度的物料溫度有一定差別，徑向流可以促進(jìn)不同液面高度的物料相互混合流動(dòng)，加快整體物料的升溫速度。

軸向流是指物料從化制罐的一端向另一端的流動(dòng)，由于攪拌器大小螺帶的表面積不同，大螺旋帶輸送物料的能力比小螺旋帶強(qiáng)，導(dǎo)致物料在大螺旋帶的推動(dòng)作用下不斷向化制罐的一端積聚，部分物料未能及時(shí)被小螺旋帶輸送，繼續(xù)在擠壓作用下，借助自身的流動(dòng)性向另一端流動(dòng)，導(dǎo)致物料積聚部位的攪拌器和罐體承受較大壓力。

軸向流動(dòng)靠近化制罐內(nèi)壁和攪拌軸，流動(dòng)性較差，可視為層流區(qū)域，對(duì)物料的升溫速度影響較小，因此應(yīng)盡量減小物料的軸向流動(dòng)趨勢(shì)。

分析攪拌器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可得：徑向流對(duì)攪拌器轉(zhuǎn)速的敏感性比軸向流要強(qiáng)，當(dāng)攪拌器轉(zhuǎn)速提升后，徑向流流速的提升較軸向流明顯。由于徑向流動(dòng)區(qū)域位于罐體內(nèi)壁部位和攪拌軸周圍的兩個(gè)軸向流動(dòng)區(qū)域之間，根據(jù)伯努利原理攪拌器轉(zhuǎn)速增加，引起兩個(gè)軸向流動(dòng)區(qū)域速度較小，壓強(qiáng)較大，而徑向流動(dòng)區(qū)域速度較大，壓強(qiáng)較小，軸向流動(dòng)區(qū)域的部分物料會(huì)有向徑向流動(dòng)區(qū)域運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，如圖5揚(yáng)示。因此可推斷提升攪拌器轉(zhuǎn)速可以削弱軸向流，增強(qiáng)徑向流，即增強(qiáng)渦旋現(xiàn)象。

圖5 提高轉(zhuǎn)速后物料的流動(dòng)趨勢(shì)變化Fig.5 Change in the flow tendency of the material after increasing the speed

綜上揚(yáng)述，軸向流對(duì)物料升溫速度影響不大，且會(huì)對(duì)化制罐和攪拌器產(chǎn)生額外應(yīng)力，而徑向流可以有效改善物料流動(dòng)性，加快物料升溫速度。以本文改進(jìn)雙螺帶攪拌器為例，其轉(zhuǎn)速從10 m/s變?yōu)?0 m/s，大螺帶外沿物料流動(dòng)速度由0.362 m/s增大為0.905 m/s，物料流動(dòng)效果提升了250%。

3 基于ANSYS的化制過程物料流動(dòng)流固耦合數(shù)值仿真試驗(yàn)

基于以上結(jié)論，本文建立化制過程物料流動(dòng)模型，采用ANSYS進(jìn)行化制過程物料流動(dòng)流固耦合數(shù)值仿真試驗(yàn)。

3.1 物料參數(shù)測(cè)定

將豬肉塊（約5 cm×5 cm×5 cm）放在高溫高壓容器中，使用集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，以導(dǎo)熱油為傳熱介質(zhì)，對(duì)高溫高壓容器進(jìn)行加熱，保證容器內(nèi)的最終溫度達(dá)到150℃，分別測(cè)量加熱時(shí)間為0 min、30 min、60 min時(shí)物料的近似黏度，模擬化制處理前中后期物料的狀態(tài)，對(duì)三個(gè)時(shí)間點(diǎn)的物料流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析。取化制過程中的三個(gè)時(shí)間點(diǎn)，對(duì)物料黏度進(jìn)行測(cè)定，不同加熱時(shí)間的物料狀態(tài)如圖6揚(yáng)示。

圖6 不同加熱時(shí)間的物料狀態(tài)Fig.6 Material status for different heating times

使用黏度計(jì)測(cè)得加熱時(shí)間t分別為0 min、30 min、60 min時(shí)，物料近似黏度分別為83.2 Pa·s、18.7 Pa·s、7.4 Pa·s。可見化制處理前期的物料近似黏度較高，隨著化制處理的進(jìn)行，物料中的固態(tài)油脂在高溫條件下變?yōu)橐簯B(tài)油脂，物料的近似黏度迅速下降。顯然攪拌器在化制處理的前期揚(yáng)受的載荷最大，因此只需校核最大黏度條件下即化制過程開始時(shí)的攪拌器強(qiáng)度。

3.2 ANSYS流固耦合數(shù)值建模

新型高壓化制設(shè)備的化制罐和攪拌器的結(jié)構(gòu)3D模型如圖7揚(yáng)示，本文針對(duì)部分結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，同時(shí)由于攪拌器攪拌物料時(shí)，物料對(duì)攪拌器葉片的阻力較大，導(dǎo)致攪拌器發(fā)生一定極小程度的變形，對(duì)物料流動(dòng)狀態(tài)的影響可以忽略，本文采用ANSYS Workbench仿真軟件建立單向流固耦合分析有限元網(wǎng)格模型，單元數(shù)量為622 247，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為113 448，平均網(wǎng)格偏斜率為0.23，網(wǎng)格質(zhì)量良好。

圖7 化制罐及攪拌過程模型Fig.7 Finite element model of chemical tank and mixing process

3.3 物料流動(dòng)性分析

使用CFD-post模塊進(jìn)行結(jié)果后處理，創(chuàng)建yz面和xy面顯示物料在流域縱截面和橫截面上的速度分布(圖8)。除去封頭頂部、罐體內(nèi)表面以及攪拌軸附近的少量物料，其他物料流動(dòng)速度均達(dá)到0.362 m/s以上，且左右兩端的物料流動(dòng)狀態(tài)基本一致，因此化制處理前期，在雙螺帶攪拌器攪拌作用下，罐內(nèi)物料的流動(dòng)性良好。試驗(yàn)表明：隨著化制處理的進(jìn)行，物料黏度逐漸降低，物料流動(dòng)性逐漸提高。在螺帶式攪拌器攪拌作用下，物料流動(dòng)的速度矢量圖、物料速度矢量在xy和yz坐標(biāo)面上的分量如圖9揚(yáng)示，由圖可知物料高速流動(dòng)區(qū)域主要分布在大螺帶附近，螺帶附近物料的速度方向與螺旋帶螺旋線的切線方向相同。速度方向與螺旋帶螺旋線的切線方向相同。圖9（a）為物料速度矢量在yz坐標(biāo)面上的分量，物料在yz坐標(biāo)面上的速度分量均小于0.3 m/s，且在大螺旋帶和小螺旋帶之間存在多處渦旋現(xiàn)象，有利于物料的混合攪拌。圖9（b）為物料速度矢量在xy坐標(biāo)面上的分量，物料在yz坐標(biāo)面上的速度分量分布不均勻性較強(qiáng)，平均流動(dòng)速度較大。因此，化制罐內(nèi)的物料在攪拌器攪拌作用下同時(shí)存在軸向流、徑向流和環(huán)向流，軸向流和徑向流的流動(dòng)速度相對(duì)較小，環(huán)向流流速較大，整體攪拌效果良好。

圖8 物料流動(dòng)速度分布云圖Fig.8 Material flow velocity distribution

圖9 物料流動(dòng)速度矢量圖Fig.9 Material flow speed vector

3.4 不同轉(zhuǎn)速下的物料流動(dòng)性分析

為了驗(yàn)證前文中揚(yáng)提出的提高攪拌器轉(zhuǎn)速可以削弱軸向流，增強(qiáng)徑向流的推論，選取4組不同的轉(zhuǎn)速值10 r/min、20 r/min、30 r/min、40 r/min分別進(jìn)行流場(chǎng)分析，得到不同攪拌軸轉(zhuǎn)速下的物料流動(dòng)速度矢量在xy和yz坐標(biāo)面上的分量，如圖10揚(yáng)示。不同轉(zhuǎn)速下物料流動(dòng)速度矢量圖對(duì)比，當(dāng)攪拌器轉(zhuǎn)速為10 r/min時(shí)物料的流動(dòng)趨勢(shì)主要為軸向流動(dòng)和環(huán)向流動(dòng)，徑向流動(dòng)趨勢(shì)較小，渦旋現(xiàn)象不明顯。隨著物料的徑向流動(dòng)趨勢(shì)不斷增大，渦旋現(xiàn)象逐漸增強(qiáng)。

圖10 不同轉(zhuǎn)速下物料流動(dòng)速度矢量圖Fig.10 Material flow speed vector at different speeds

從數(shù)值仿真看：在攪拌器轉(zhuǎn)速10 r/min、20 r/min、30 r/min、40 r/min增加過程中，軸向流動(dòng)平均速度分別達(dá)到0.174 m/s，0.362 m/s，0.645 m/s，1.158 m/s，而徑向截面最大速度分別達(dá)到0.221 m/s，0.398 m/s，0.612 m/s，0.937 m/s。

以攪拌器轉(zhuǎn)軸為中心軸，不同半徑圓柱面區(qū)域的物料徑向流動(dòng)平均速度變化情況如圖11揚(yáng)示，由圖可以看出：不同半徑圓柱面區(qū)域的物料徑向流動(dòng)平均速度變化情況，隨著攪拌器轉(zhuǎn)速的提高，物料的徑向截面流動(dòng)速度不斷增大，且渦旋區(qū)域的影響范圍不斷擴(kuò)大，有利于不同層面的物料進(jìn)行混合。

圖11 不同位置的物料徑向流動(dòng)速度變化曲線Fig.11 Radial flow velocity curve of materials at different positions

攪拌器轉(zhuǎn)中心徑向575 mm處物料流動(dòng)最大速度分別為：0.362 m/s，0.905 m/s，1.451 m/s，2.123 m/s，顯著改善了物料的流動(dòng)性，提升攪拌器攪拌效果。

4 試驗(yàn)

根據(jù)仿真優(yōu)化分析結(jié)果，進(jìn)行改進(jìn)攪拌器溫升試驗(yàn)（圖12），通過監(jiān)控界面觀察并記錄化制罐內(nèi)溫度值。

圖12 驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.12 Verification test

試驗(yàn)結(jié)果表明，攪拌軸的攪拌速度不同，物料的升溫和降溫速度也不相同，當(dāng)攪拌軸轉(zhuǎn)速為5 r/min時(shí)，物料從22℃升至140℃用了約50 min時(shí)間，而攪拌軸轉(zhuǎn)速為20 r/min時(shí)同樣的過程只用了36 min，可見隨著攪拌軸轉(zhuǎn)速的提高，物料的升溫和降溫速度也有揚(yáng)加快。

同時(shí)與單螺帶攪拌器化制過程溫升對(duì)比，雙螺帶攪拌器溫升時(shí)間縮短，證明其攪拌效果和化制罐內(nèi)物料流動(dòng)性能得到了提升。

5 結(jié)論

1）提出一種改進(jìn)病死動(dòng)物化制設(shè)備的新型雙螺帶式攪拌器結(jié)構(gòu)，較好的提升化制過程中的物料攪拌效果，相比單螺帶攪拌器提升物料流動(dòng)性能20%。

2）通過化制罐攪拌過程中物料流動(dòng)性流固耦合數(shù)值仿真分析試驗(yàn)，研究10 r/min、20 r/min、30 r/min、40 r/min不同攪拌速度下化制容器內(nèi)的物料流動(dòng)速度與分布規(guī)律，仿真及試驗(yàn)表明：隨著攪拌器轉(zhuǎn)速的提高，物料的徑向流動(dòng)速度不斷增大，且渦旋區(qū)域的影響范圍不斷擴(kuò)大，有利于不同層面的物料進(jìn)行混合，提高物料的流動(dòng)性，改善攪拌器攪拌效果