基于EDEM-Fluent耦合的米糠碎米分離裝置的試驗(yàn)研究

雷 港，余南輝，范吉軍，蔣左霖，王立宗，陳為真，張永林

（1.武漢輕工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，武漢 430023；2.武漢輕工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430023）

0 引言

大米碾白加工過程產(chǎn)生大量的米糠和碎米混合物，由于米糠、碎米均有各自的用途，故需要進(jìn)行分離作業(yè)[1]。目前對(duì)于顆粒物質(zhì)的分離，采用的方法主要分為振動(dòng)篩選法和風(fēng)選法[2-8]。國內(nèi)目前通過振動(dòng)和風(fēng)選相結(jié)合的方法在農(nóng)作物處理和垃圾分類等方面有廣泛的應(yīng)用[9-11]，然而在米糠、碎米分離方面卻未涉及。

近年來，顆粒兩相流或液-固多相流的離散元法模擬和計(jì)算流體力學(xué)廣泛應(yīng)用于風(fēng)選設(shè)備的分析[12-13]。肖星星等[14]通過 DEM-CFD 耦合方法對(duì)3種顆粒在圓筒篩中的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行模擬研究；陳廣慧等[15]運(yùn)用 EDEM-Fluent耦合方法針對(duì)不同顆粒在風(fēng)機(jī)不同振幅、頻率和振動(dòng)方向角條件下研究稻米的清潔率和損失率，從而得出有限參數(shù)下風(fēng)篩裝置的最優(yōu)工作性能；李永祥等[16]運(yùn)用EDEM軟件模擬裝置振幅、振動(dòng)方向角以及篩面傾角對(duì)風(fēng)篩效果的影響；李驊等[17]運(yùn)用CFD對(duì)風(fēng)機(jī)傾角、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和魚鱗篩夾角3個(gè)參數(shù)變化時(shí)的氣流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和優(yōu)化，并通過正交試驗(yàn)得出有利于谷粒與癟谷有效分離的優(yōu)化結(jié)果。目前還未見EDEM-Fluent耦合方法和正交試驗(yàn)法用于研究振動(dòng)和風(fēng)選相結(jié)合的米糠碎米顆粒分離裝置。

本文運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)原理，設(shè)計(jì)一種吸風(fēng)和振動(dòng)有機(jī)結(jié)合的米糠、碎米分離裝置，運(yùn)用EDEM與Fluent軟件耦合仿真米糠和碎米在分離過程中的微觀運(yùn)動(dòng)過程，對(duì)影響米糠碎米分離效率的拱形隔板的高度、寬度進(jìn)行單因素仿真試驗(yàn)，分析其與分離效率之間的關(guān)系。自制試驗(yàn)裝置并進(jìn)行正交試驗(yàn)，尋找最優(yōu)的拱形隔板參數(shù)，為以后的分離機(jī)構(gòu)的研究提供理論支撐。

1 分離裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

分離裝置結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，主要由吸風(fēng)口、出料口、振動(dòng)板、拱形隔板、弧形擋板和進(jìn)料口等組成。由吸風(fēng)口處風(fēng)機(jī)提供吸風(fēng)動(dòng)力，弧形擋板使氣體流動(dòng)空間變窄，使風(fēng)力更加集中，拱形隔板改變氣流流向，使其在裝置中形成一個(gè)米糠和碎米的分離區(qū)。米糠和碎米由進(jìn)料口落在振動(dòng)板上，受重力和振動(dòng)板的振動(dòng)以及顆粒之間的碰撞力的影響，快速均勻地平鋪在振動(dòng)板上，并以一定的速度向分離區(qū)運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)板兩邊的擋板有效防止顆粒從兩邊掉落。米糠和碎米因自身重力和振動(dòng)板振動(dòng)，出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象，米糠較輕被振到高處，由風(fēng)力吸起從吸風(fēng)口排出；碎米較重，振動(dòng)幅度較小且受風(fēng)力影響較小，以一定速度由出料口排出。從而實(shí)現(xiàn)米糠與碎米之間的分離。

圖1 米糠碎米分離裝置三維模型Fig.1 Three dimensional model of rice bran and broken rice separation device

2 仿真材料與方法

2.1 顆粒建模

由于仿真對(duì)象為米糠和碎米，根據(jù)實(shí)物觀測(cè)，其幾何形狀近似可看做球體，因此在EDEM中均對(duì)米糠和碎米進(jìn)行單球體填充，其中米糠顆粒平均半徑為0.14 mm，碎米顆粒平均半徑為0.75 mm。

2.2 幾何建模

裝置結(jié)構(gòu)模型與實(shí)物采用1：1的尺寸設(shè)計(jì)，保證仿真模型與實(shí)物模型的一致性。使用SolidWorks軟件對(duì)裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，分離裝置長430 mm，寬340 mm，高257 mm，振動(dòng)板距裝置底部高度為18 mm，將模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格圖Fig.2 Grid graph

2.3 仿真參數(shù)確定

根據(jù)分離裝置加工所用材料，設(shè)定裝置模型殼體為亞克力板。米糠、碎米和亞克力板的力學(xué)性能及材料間的接觸參數(shù)分別如表1、表2所示。

表1 材料物理參數(shù)Tab.1 Physical parameters of materials

表2 材料間的接觸參數(shù)Tab.2 Contact parameters between materials

2.4 拱形隔板的設(shè)計(jì)方法

根據(jù)分離裝置的工作原理，針對(duì)拱形隔板改變裝置內(nèi)氣流流向從而影響米糠與碎米分離這一情況，設(shè)計(jì)幾組改變拱形隔板的高度H或?qū)挾萐的方案如圖3所示。為保證米糠和碎米能順利排出，選取拱形隔板高度范圍為55～115 mm，寬度范圍為50～140 mm。每一個(gè)試驗(yàn)參數(shù)都在對(duì)應(yīng)的參數(shù)范圍內(nèi)被均勻劃分為4個(gè)等級(jí)。對(duì)每組拱形隔板進(jìn)行仿真和試驗(yàn)分析，以便得出米糠和碎米的分離效率與拱形隔板參數(shù)之間的關(guān)系。

圖3 拱形隔板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Arch diaphragm structure

3 顆粒的懸浮速度測(cè)量

本文討論裝置的風(fēng)選分離性能，所以最為關(guān)注的顆粒物理參數(shù)為碎米與米糠的懸浮速度。顆粒懸浮速度的測(cè)量原理如圖4所示。風(fēng)管內(nèi)有垂直向上流動(dòng)的氣流，將初速度為0的顆粒置于風(fēng)管之中，改變風(fēng)管內(nèi)氣流流速并觀測(cè)顆粒的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，剛好能使顆粒懸浮的氣流速度即為顆粒的懸浮速度。

圖4 顆粒懸浮速度測(cè)量原理Fig.4 Measurement principle of particle suspension velocity

3.1 理論計(jì)算

對(duì)碎米與米糠顆粒的懸浮速度進(jìn)行理論計(jì)算，顆粒在風(fēng)道中受到顆粒的重力G、上升氣流對(duì)顆粒的曳力Fd以及顆粒在氣流中受到的浮力Fb。顆粒所受曳力：

式中 Cp——顆粒的阻力系數(shù)；

ρ——流體密度，kg/m3；

v——流體速度，m/s；

vp——顆粒速度，m/s；

ds——顆粒等效直徑，ds=（6Vp/π）1/3，m。

阻力系數(shù)：

顆粒雷諾數(shù)：

式中 μ——流體粘度，kg·m-1·s-1。

將所得的顆粒參數(shù)分別帶入式（1）和式（3），得米糠顆粒的懸浮速度為1.4 m/s，碎米的懸浮速度為6.5 m/s。依據(jù)計(jì)算的理論值可知，米糠與碎米的懸浮速度差異較大，可采用風(fēng)選法對(duì)米糠進(jìn)行分離。

3.2 仿真測(cè)量

利用建立的顆粒離散元模型進(jìn)行懸浮速度測(cè)量，由于顆粒在風(fēng)管中的體積分?jǐn)?shù)少于10%，故利用Lagrangian多相流模型框架建立CFD-DEM模型，即忽略顆粒對(duì)氣流的阻礙作用。改變下部進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速觀測(cè)顆粒的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。表3為仿真試驗(yàn)結(jié)果，在仿真中發(fā)現(xiàn)顆粒的懸浮速度無法獲得準(zhǔn)確值，而是一個(gè)范圍值，在該范圍內(nèi)，顆粒處于周期性的起伏運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。由仿真數(shù)據(jù)可知，碎米的懸浮速度范圍為6.1～6.3 m/s，米糠的懸浮速度為1.3～1.5 m/s，仿真所得結(jié)果與理論計(jì)算所得的結(jié)果基本吻合。

表3 顆粒懸浮速度仿真結(jié)果Tab.3 Simulation results of particle suspension velocity （單位：m/s）

3.3 試驗(yàn)測(cè)量

對(duì)顆粒進(jìn)行懸浮速度測(cè)量試驗(yàn)，如圖5所示。依據(jù)得出的懸浮速度理論值進(jìn)行試驗(yàn)，首先利用熱線風(fēng)速儀對(duì)風(fēng)管內(nèi)氣流速度進(jìn)行確定，然后利用長柄勺將少許待測(cè)顆粒放入風(fēng)管內(nèi)部，傾斜勺柄，使顆粒以微小的速度落入風(fēng)管內(nèi)部，同時(shí)利用相機(jī)錄制試驗(yàn)畫面用以分析顆粒運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。表4為試驗(yàn)結(jié)果，米糠的懸浮速度約為1～1.3 m/s，而碎米的懸浮速度波動(dòng)較大，約為5.5～6 m/s，可能是由于碎米顆粒的尺寸和形狀變化范圍較大。

圖5 懸浮速度測(cè)量試驗(yàn)Fig.5 Experimental measurement of suspension velocity

表4 顆粒懸浮速度試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Experimental results of particle suspension velocity （單位：m/s）

3.4 結(jié)果對(duì)比

仿真以及試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比見表5，試驗(yàn)測(cè)得的碎米懸浮速度略小于計(jì)算值，而米糠顆粒的懸浮速度試驗(yàn)測(cè)量值與計(jì)算結(jié)果吻合，可以認(rèn)為建立的顆粒模型基本符合實(shí)際情況，顆粒建模成功。碎米顆粒與米糠顆粒的懸浮速度相差明顯，可采用風(fēng)選法對(duì)其進(jìn)行分離。

表5 懸浮速度對(duì)比Tab.5 Comparison of suspension velocity（單位：m/s）

4 分離裝置仿真

經(jīng)過初步試驗(yàn)，確定振動(dòng)板最佳振動(dòng)頻率為8 Hz，吸風(fēng)口處最佳風(fēng)速為6 m/s，此風(fēng)速下碎米運(yùn)動(dòng)過程基本不受上升氣流的影響而米糠會(huì)作上浮運(yùn)動(dòng)。在對(duì)不同拱形隔板的分離裝置進(jìn)行耦合仿真時(shí)，保證其具有相同的工作參數(shù)。首先在顆粒工廠內(nèi)生成1 000粒米糠和1 000粒碎米，設(shè)定仿真時(shí)間為1 s；然后進(jìn)行單因素仿真試驗(yàn)，對(duì)拱形隔板寬度為110 mm時(shí)高度范圍內(nèi)的4個(gè)等級(jí)進(jìn)行仿真；最后對(duì)拱形隔板高度為75 mm時(shí)寬度范圍內(nèi)的4個(gè)等級(jí)進(jìn)行仿真。在仿真結(jié)束后觀察振動(dòng)板和吸風(fēng)口處米糠、碎米的分布情況，對(duì)不同參數(shù)的拱形隔板的工作效果進(jìn)行分析。

由于碎米自身重力的原因，受上升氣流影響很小，不會(huì)從吸風(fēng)口處排出，因此選取米糠作為研究對(duì)象來分析拱形隔板參數(shù)的改變對(duì)米糠和碎米分離效率的影響。當(dāng)吸風(fēng)口處風(fēng)速為6 m/s，振動(dòng)板振動(dòng)頻率為8 Hz，仿真時(shí)間1 s時(shí)，高度范圍內(nèi)4個(gè)等級(jí)的米糠運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果如圖6所示。拱形隔板高度為55 mm時(shí)振動(dòng)板上存留有大量米糠未被吸走，當(dāng)高度增加至115 mm時(shí)振動(dòng)板上基本沒有米糠。隨著拱形隔板高度的增加，存留在振動(dòng)板上的米糠顯著減少。因此，拱形隔板的高度越高，分離裝置的分離效率也就越高。

圖6 不同高度拱形隔板下的米糠運(yùn)動(dòng)結(jié)果圖Fig.6 Motion result diagram of rice bran under arch diaphragms with different heights

在相同工作參數(shù)條件下，寬度范圍內(nèi)4個(gè)等級(jí)的米糠運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果如圖7所示。拱形隔板寬度為50 mm時(shí)振動(dòng)板上米糠存有量較多，寬度增加至140 mm時(shí)米糠存有量很少。隨著拱形隔板寬度的增加被吸出的米糠數(shù)量也逐漸增多。因此，拱形隔板寬度越寬，分離裝置的分離效率也就越高。

圖7 不同寬度拱形隔板下的米糠運(yùn)動(dòng)結(jié)果圖Fig.7 Movement result diagram of rice bran under different width arch diaphragms

5 試驗(yàn)

5.1 材料與方法

自制的分離裝置如圖8所示，試驗(yàn)裝置由鋁型材固定連接。振動(dòng)板固定在振動(dòng)電機(jī)上，電機(jī)與底部鋁型材固定，裝置的兩側(cè)板采用透明的亞克力板，吸風(fēng)口處固定有風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)風(fēng)速可由風(fēng)速儀進(jìn)行測(cè)量并由調(diào)速電源進(jìn)行調(diào)速，拱形隔板采用鐵皮剪切制成，試驗(yàn)所選取的米糠、碎米在市場(chǎng)上購得。試驗(yàn)前將吸風(fēng)口處風(fēng)機(jī)風(fēng)速調(diào)為6 m/s，振動(dòng)電機(jī)的頻率調(diào)為8 Hz，將50 g的米糠和50 g碎米混合物平鋪在振動(dòng)板上，在吸風(fēng)口處設(shè)立收集裝置。當(dāng)分離裝置工作1 min后關(guān)閉電源開關(guān)，將收集裝置中的米糠和碎米用人工的方法進(jìn)行分離，分別稱重并記錄。以收集的米糠所占米糠總重量的百分比定義為分離率，以收集的碎米所占碎米總重量的百分比定義為損失率。

圖8 試驗(yàn)裝置Fig.8 Experimental device

5.2 分離裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)

對(duì)分離裝置進(jìn)行拱形隔板高度范圍為55～115 mm、寬度范圍為50～140 mm的二因素四水平正交試驗(yàn)，按 L16（42）來安排試驗(yàn)[18]，共有 16組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取其均值。以分離率和損失率作為2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)分離裝置的分離效果進(jìn)行對(duì)比分析，選取拱形隔板的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。正交試驗(yàn)及其結(jié)果如表6所示。

表6 正交試驗(yàn)及結(jié)果Tab.6 Orthogonal experiment and results

利用Origin軟件對(duì)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果進(jìn)行曲面擬合[19]，如圖9所示。在拱形隔板高度一定時(shí)，米糠的分離率隨著隔板寬度的增加而增加，在拱形隔板寬度一定時(shí)，米糠分離率隨著隔板高度的增加而增加，試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)與仿真結(jié)果趨勢(shì)基本一致，驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性。拱形隔板的高度在95 mm以上時(shí)分離裝置有較高的分離率，寬度在140 mm時(shí)出現(xiàn)損失，而高度在95 mm，寬度在110 mm以下時(shí)損失率為0。因此，第11組拱形隔板參數(shù)的結(jié)果最為理想，分離裝置的分離率為82.66%，損失率為0。

圖9 拱形隔板高度、寬度與分離率的關(guān)系Fig.9 Relationship between height, width and separation rate of arch diaphragm

5.3 最佳工況速度場(chǎng)分析

對(duì)高度為95 mm，寬度為110 mm的方案進(jìn)行Fluent流場(chǎng)分析，其速度云圖如圖10所示。可以看出該分離裝置入料口和出料口的氣流都向中間匯聚，其風(fēng)速都達(dá)到2 m/s以上，在該風(fēng)速下入料口的米糠和碎米可以進(jìn)行效果較好的分層，出料口較強(qiáng)的回流風(fēng)速可以對(duì)米糠進(jìn)行二次篩選從而保證分離的徹底性。當(dāng)分離區(qū)的風(fēng)速達(dá)到4.27 m/s以上，米糠能完全地被吸起并最終經(jīng)吸風(fēng)口處排出，而在該方案的速度場(chǎng)里氣流對(duì)碎米的影響很小。因此，該組方案能很好地進(jìn)行米糠和碎米的分離。

圖10 速度云圖Fig.10 Velocity nephogram

使用風(fēng)速儀對(duì)裝置內(nèi)部不同位置的流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。風(fēng)速儀的探頭從開設(shè)的孔中伸入試驗(yàn)裝置內(nèi)，從風(fēng)速儀上直接讀取該位置的風(fēng)速大小。經(jīng)多次測(cè)量，將試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果相比較，如圖11所示。在同一位置處，試驗(yàn)測(cè)得的風(fēng)速比仿真的風(fēng)速稍低，能夠較好地吻合，說明試驗(yàn)裝置可以高效分離米糠碎米。

圖11 流場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)Fig.11 Flow field measurement test

6 結(jié)語

（1）通過理論計(jì)算、仿真與試驗(yàn)得出米糠的懸浮速度約為1～1.3 m/s，而碎米的懸浮速度約為5.5～6 m/s。

（2）利用離散元EDEM-Fluent耦合對(duì)米糠、碎米分離裝置拱形隔板的高度和寬度進(jìn)行單因素仿真試驗(yàn)，得出裝置的分離效率隨著拱形隔板高度的增加而呈現(xiàn)較大幅度增加；隨著拱形隔板寬度的增加而呈現(xiàn)較小幅度增加。

（3）在分離裝置吸風(fēng)口風(fēng)速為6 m/s，振動(dòng)板振動(dòng)頻率為8 Hz，分離時(shí)間為1 min的條件下，進(jìn)行拱形隔板高度為55～115 mm、寬度為50～140 mm的二因素四水平正交試驗(yàn)，得出當(dāng)隔板高度為95 mm，寬度為110 mm時(shí)，分離裝置有82.66%分離率的同時(shí)，其損失率為0。

（4）通過對(duì)數(shù)據(jù)圖和正交試驗(yàn)結(jié)果分析，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果趨勢(shì)基本一致，驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性。使用風(fēng)速儀對(duì)裝置內(nèi)部所示的各個(gè)不同位置的流速進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果能夠較好地吻合，說明試驗(yàn)裝置可以高效分離米糠碎米。