攪拌工藝參數對糙米混合特性影響的數值模擬

劉揚　曹昕昕　蘭海鵬

摘要：基于離散元法，利用EDEM軟件對U型混合機內糙米顆粒混合特性進行模擬研究，分析攪拌工藝參數對糙米顆粒混合程度的影響，得到不同攪拌工藝參數下糙米顆粒混合過程的能耗。結果表明，轉速的增加明顯提高了混合速度，對混合終了時的混合度作用不明顯；混合初期不同填充率下混合速度相差不大，填充率為44.2%時混合終了時的混合度最高。轉速對糙米顆粒混合能耗影響不大，填充率與能耗呈線性增長關系。研究結果可為稻谷加工增混設備的改進及操作控制提供依據和參考。

關鍵詞：糙米；混合；EDEM；工藝參數；模擬

中圖分類號： S233.5；TP391.9文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）15-0214-03

顆粒物質的特殊性，使其超越了固體、液體和氣體的界限，被視為第四態物質[1-3]。由于不同顆粒的物理性質存在較大差異，不同顆粒的混合過程不同。混合機是利用外力使顆粒體系達到混合均勻的機械設備，但是目前還沒有一種混合機能用于混合任意顆粒，往往要根據顆粒物理性質選擇合適的混合機和相應的工藝參數[4]。顆粒的物理性質、混合工藝參數、混合機結構等對混合過程和混合效果均有顯著影響[5]。

顆粒混合運動十分復雜[6-8]，物理混合試驗難以獲得微觀參數信息，具有局限性。目前，離散單元法已經成為研究顆粒混合領域問題的重要工具，基于數值模擬的研究方法具有廣闊的發展前景[9-11]。在固體顆粒混合方面，國內外研究學者應用離散元法的研究主要集中在容器回轉型混合機內顆粒的運動規律和混合過程，容器回轉型混合機主要有滾筒型、V型、雙錐型等。如李少華等對回轉窯內顆粒運動規律和混合過程進行了大量的數值模擬研究[12-14]。趙永志等提出在滾筒內設置十字形內構件的增混方式，得到滾筒內二元顆粒體系的增混機理[15]。Cleary等對V型混合機內顆粒混合過程和混合機理做了更深入分析，并對混合機進行模擬放大研究[16]。但是離散元法在容器固定型混合機上的應用研究相對較少，對其內部顆粒的混合特性尚需深入研究，該類研究可為容器固定型混合機的改進及操作控制提供依據和參考。

本試驗基于商業軟件EDEM對糙米顆粒在容器固定型葉片攪拌式混合機內的混合特性進行模擬研究，定量分析轉速和填充率等攪拌工藝參數對糙米顆粒混合程度的影響，確定不同攪拌工藝參數下糙米顆粒混合的能耗。

1初始參數定義

1.1顆粒

模擬的糙米顆粒為文獻[17-19]中的干糙米。采用千分尺測量隨機選取的100粒糙米的長短軸尺寸，最后取平均值確定糙米尺寸。試驗測定的顆粒長軸L=3.5 mm，短軸D=1.4 mm。糙米外觀形態接近橢球體，在仿真軟件EDEM中生成的糙米顆粒模型如圖1所示。在仿真模擬中，所有的糙米顆粒尺寸完全相同。糙米顆粒的物性參數為密度 1 538 kg/m3，剪切模量1.1×107 Pa，泊松比0.4。

1.2混合機

混合機由U型罐體和攪拌葉片組成（圖2）。罐體寬B為82 mm，高H為115 mm，內徑R為33 mm。攪拌軸由上下錯位等間距排列的8個曲狀葉片組成，葉片垂直長度30 mm、弧長30.3 mm、寬度10 mm、厚度1.5 mm，葉片間距10 mm。模擬中的混合機材質為鋼，其物性參數為密度7 800 kg/m3，剪切模量7×1010 Pa，泊松比0.3。糙米顆粒與糙米顆粒、糙米顆粒與混合機之間的碰撞參數如表1所示[17-19]。

2研究方法

模擬所用的軟件為EDEM，因模擬糙米顆粒為干顆粒，故忽略糙米間的黏附力及液橋力，采用軟球碰撞模型，選用Hertz-Mindlin（no slip）接觸力學模型。

模擬試驗的第1步就是將糙米顆粒裝填到混合機內，先后裝填數量相同的糙米顆粒，顆粒分為上下2層，上下2層的糙米物理參數完全相同。為便于觀察糙米顆粒的運動規律以及混合情況，上層顆粒標記為白色，下層顆粒標記為灰色。待裝填完成后，對軸設定不同的轉速，軸帶動葉片做旋轉運動，混合期間糙米顆粒在葉片攪拌作用下發生復雜運動，致使分層的顆粒群混合均勻，如圖3所示。

3模擬結果與分析

通過對糙米顆粒運動情況的觀察分析，發現顆粒系統是在對流混合、擴散混合和剪切混合3種混合機制的共同作用下混合均勻的。對流混合是指在外力作用下，顆粒團從一處移動到另一處，發生宏觀尺度的運動[22]。擴散混合是指顆粒在運動過程中發生的顆粒尺度的相互穿插和滲透作用[23]。剪切混合是指顆粒之間由于速度不同發生相對滑動進而改變相對位置所達到的混合[24]。

3.1工藝參數對混合度的影響

3.1.1轉速對混合度的影響

圖4為轉速在10、20、30 r/min 條件下，混合程度與混合時間的關系曲線，此時填充率固定為44.2%。從圖4中可以明顯看出，在轉速參數范圍內，隨著混合時間的延長，顆粒體系的混合度先快速增大，接著增長速度降低，最后混合度不再發生變化，趨于定值。且轉速越大，顆粒體系的混合速度越快，但3種轉速下最終的混合度值接近，說明轉速嚴重影響混合速度，而與顆粒體系最終的混合程度關系不大。分析其原因為在混合初期，對流混合起主要作用，對流混合能快速降低顆粒混合體系的不均勻性，達到宏觀上的混合均勻，所以混合初期混合速度較快。隨著混合的進行，對流混合作用降低，擴散和剪切混合起主要作用，與對流混合相比擴散和剪切混合的混合速度較慢，可實現微觀上的混合均勻。最后，在3種混合機制的作用下，顆粒體系混合均勻，混合終了時的混合程度無明顯變化。隨著轉速的提高，顆粒的運動能力明顯增強，顆粒運動更劇烈，3種混合機制作用都得到增強，所以轉速越高混合速度越快[25]。

3.1.2填充率對混合度的影響

圖5為填充率在44.2%、55.7%、67.3%條件下，混合程度與混合時間的關系曲線，此時轉速固定為30 r/min。從圖5中可以看出，在不同填充率條件下，3種混合機制的共同作用使得顆粒體系的混合度先快速增加，隨后增長速度降低，最后不再發生變化。混合初期3種填充率下的混合速度相差不大，但隨著混合的不斷進行，填充率為44.2% 時混合速度最快， 混合終了時混合度最高。分析其原因可能是在混合初期，不同填充率下對流混合作用都很強烈， 所以混合速度相差不大。隨著對流混合作用的削弱，填充率越低，葉片每旋轉1圈顆粒翻滾的次數越多，顆粒運動更加活躍，促進了擴散混合和剪切混合的作用，所以填充率最低時混合度最高。endprint

3.2工藝參數對能耗的影響

為得到不同攪拌工藝參數對能耗的影響，對顆粒混合均勻時能耗隨工藝參數的變化進行分析，如圖6、圖7所示。

3.2.1填充率對能耗的影響

圖6為計算得到的混合機內糙米顆粒混合均勻時能量消耗隨葉片轉速的變化，此時填充率固定為44.2%。由圖6可見，在3種轉速下，轉速為 20 r/min 時顆粒運動能耗最小，但能耗值相差不大。為得到不同轉速下能量消耗偏離平均值的程度，求得3種轉速下能耗值的變異系數CV=0.031 5，說明能耗波動值很小，能耗值接近。

4結論

本試驗基于離散元法對糙米顆粒在容器固定性混合機內的混合特性進行了模擬研究。分層糙米顆粒間混合是在對流混合、擴散混合和剪切混合的共同作用下完成的。隨著轉速增加，混合速度明顯提高，混合終了時的混合度與轉速關系不大；隨著填充率降低，混合速度相差不大，但混合終了時的混合度提高。攪拌工藝參數轉速對能耗影響不大，填充率與能耗呈線性增長關系。

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