新型煮飯機清洗裝置的研制及多相流仿真分析

錢錦年，鄒 洋，朱 洋，劉贛華

（江西理工大學，江西 贛州 341000）

1 引言

近年來我國家電行業飛速發展，集多種功能于一體的電飯煲產品得到了很大的發展[1]；不過，現有的電飯煲產品并不具備存米、自動取米和洗米等功能，這些必須通過人工操作才能完成；目前科研人員研究的各類米飯售飯機[2-3]、淘米機[4-6]普遍存在功能單一，體積過于龐大，僅適用于公共場所，不宜為普通家庭所用。針對以上不足之處，設計了一款集存米、洗米與蒸煮于一體的新型煮飯機；這款煮飯機可以替代人工做飯，不僅節約了時間，提高了生活質量，同時保證了煮飯過程衛生健康。該新型煮飯機能夠自動完成取米、洗米與蒸煮全過程，省時省力，而且具有功能齊全，操作簡單，價格低廉和使用周期長等特點，適用于城鄉廣大普通家庭，有良好的市場推廣價值和實用價值。

2 煮飯機整體結構及清洗裝置的設計

2.1 整體結構設計

該新型煮飯機主要包括儲米裝置、取米裝置、洗米裝置和煮飯裝置；其中執行機構由電動機、同步帶、凸輪機構、推桿、攪拌器、滑軌等組成，如圖1所示。具體工作過程如下：首先，在煮飯機的控制面板上設定米量、米水配比、煮飯種類等參數；煮飯機啟動后，程序控制取米裝置取得預設米量，之后電機啟動，帶動滑塊做往復運動，每次往復過程中，當滑槽和滑塊的孔槽處于同一條垂線時，取米裝置從儲米裝置中取得固定量的米，并推送到洗米裝置中；然后，進水閥門打開，注入的洗米所需的水量，由電動機驅動攪拌器對米進行攪拌清洗；清洗完成后，出水閥門開啟，排出洗米水；當洗米水排出完成后，出水閥門關閉，進水閥門再次打開，注入煮飯所需水量；同時凸輪機構開始運動，打開洗米裝置下方的彈性密封塞，此時米水一并落入下方的煮飯裝置中；最后，煮飯裝置開始工作，直到米飯做好結束。

圖1 新型煮飯機工作原理圖Fig．1 New Cooking Machine Operating Principle

2.2 清洗裝置設計

該清洗裝置由清洗槽、進水管、流量計、電磁閥和、攪拌器、超聲波發生器、出米口啟閉裝置等組成，如圖2所示。取米進程結束后，電磁閥打開，由進水管注入預設清洗水量；攪拌動作完成后，將米糠等低密度懸浮物從溢流口排出，電磁閥打開，洗完的洗米水由排水口排出，排水口處還裝有過濾網以免米粒隨出水管流出，避免浪費；排水完畢后由進水管再次向清洗槽中注入定量的清水，密封塞由凸輪機構驅動開啟，清水和洗凈的米粒一同進入煮飯裝置。此時若清洗槽內壁存有殘留的米粒，可啟動超聲波發生器將米粒振落到出米口中。

圖2 清洗裝置結構簡圖Fig．2 Cleaning Apparatus Structure Diagram

3 清洗裝置的多相流仿真分析

清洗裝置工作時，攪拌機構對米粒進行攪拌清洗，靠近洗米槽中心部分的圓周速度比在洗米槽周邊部分的圓周速度小，大米較易沉積在洗米槽底部；此外，葉片射流處速度會在一定轉速下變高，使得米水沿徑向甩動，造成大米在米槽內壁處堆積；為使米水在清洗過程中達到較好的均勻度，即槽體內壁和底部米粒堆積現象較少出現，利用計算流體軟件Fluent對攪拌機構進行流場分析，確定攪拌機構中攪拌器轉速、尺寸、安裝高度的最優參數。在常規攪拌過程中，流場中所存在的相大多為空氣、液體以及固體顆粒，而洗米動作是發生在洗米盆中，洗米盆的上方由米盆蓋密封，空氣對攪拌過程的影響較小，所以在分析時主要考慮水和大米這固液兩相流。

3.1 不同攪拌轉速對比仿真

在清洗裝置設計方案中，轉速選擇非常重要，轉速過高可能會破壞米粒的完整度從而影響口感，轉速過低則會使攪拌力道不足，米水攪拌不均勻，達不到預期的清洗效果，所以將攪拌機的轉速設定為一定范圍的內的取值，轉速取值區間為（6～15）rad/s，在仿真分析中，轉速取值分別為 6rad/s、9rad/s、12rad/s和 15rad/s，通過觀察這四種不同轉速下流場內固相濃度分布情況，選擇攪拌機最佳轉速。為了更清楚地了解攪拌轉速對米水流場的影響，對上述四種不同轉速下攪拌槽軸向顆粒濃度的徑向分布情況進行了對比[7]，高度比z/H的取值分別為 0．1、0．3、0．5 和 0．7，經過流體軟件 Fluent分析得到顆粒濃度的徑向分布情況，如圖3所示。當z/H=0．1時，流場位于槽體底部，攪拌速度越高，底部顆粒濃度越低，堆積現象越嚴重；當z/H=0．3時，流場位于槽體內壁和底部，15rad/s時的徑向曲線最低，顆粒堆積程度最??；當z/H=0．5時，流場位于攪拌軸兩側攪拌區域，攪拌轉速越高，槽體兩側攪拌區域越大，顆粒濃度越大；當z/H=0．7時，流場位于攪拌區域的上端，從徑向曲線上來看，轉速越高槽體內壁顆粒濃度越小，徑向顆粒濃度越高。分析結果表明：攪拌速率越高，攪拌軸兩側攪拌區域越大，顆粒濃度越高，槽體內壁結合面顆粒濃度越低，槽體底部濃度越小，槽體內顆粒堆積現象越少，最終攪拌效果也越好。因此，在實際樣機制作過程當中，應優先選用高攪拌速率，即攪拌速率最終取值為15rad/s。

圖3 不同z/H大小下顆粒濃度沿徑向的變化Fig．3 Changes Different z/H Size Particle Concentration at Radial

3.2 不同安裝高度對比仿真

攪拌器安裝高度對米粒清洗效果影響顯著，位置過低，將會減小攪拌區域；位置過高，米盆槽體底部容易產生顆粒堆積現象?？紤]到槽體內部空間以轉子區大小的控制，將攪拌器安裝高度設置在（45～60）mm之間。對比試驗中，高度選取分為45mm、50mm、55mm、60mm四種情況，通過對比這四種不同高度下流場內顆粒分布情況，得出合適的攪拌器安裝高度。對四種不同高度下攪拌槽軸向顆粒濃度的徑向分布情況進行了對比，如圖4所示。

圖4 不同z/H大小下顆粒濃度沿徑向的變化Fig.4 Changes Different z/H Size Particle Concentration at Radial

在四種安裝高度下，不同z/H大小下的顆粒濃度徑向曲線較為相近，趨勢也相同，可見攪拌器的安裝高度對于流場的影響相對較小。當z/H=0.1時，隨著安裝高度的增加，顆粒濃度越來越大，由于此時流場位于槽體底部，因此顆粒濃度不應過高，否則會造成堆積現象，所以可知45mm時底部流場情況較好，而60mm時的濃度過高，堆積過于嚴重；z/H=0.3時，顆粒濃度由內壁沿徑向不斷減小而后又不斷增大，且安裝高度越高徑向曲線越上升。攪拌軸中心處顆粒濃度較大，在轉動過程中可能會對米粒造成損傷，因此軸心位置濃度不宜過高，此時，45mm的攪拌情況較好；z/H=0.5時，在葉狀攪拌區域內，徑向曲線趨勢相同且顆粒濃度相近，但依舊是45mm時的顆粒濃度最高，其葉狀區域的米粒密度最高，攪拌效果較好。由于葉狀攪拌區域面積有限，所以軸心處曲線落差較大，出現如圖驟降的趨勢；z/H=0.7時，此時已位于流場的邊緣區域，攪拌效果已很有限，此時50mm的曲線位于最上方，顆粒濃度最大。綜上所述在四種安裝高度下，45mm的攪拌混合效果最好。

3.3 不同槳葉直徑對比仿真

針對槳葉直徑，直徑過小，將會直接導致流場速度提升不明顯，在槽體內難以形成漩渦狀流場，容易造成顆粒堆積沉淀；槳葉直徑過大，在一定轉速下，容易引起槽體內流場紊亂，造成顆粒流向雜亂無規律。由于此前通過仿真確定了攪拌器最佳安裝高度為45mm，考慮到槽體內部空間以轉子區設定，分別選取槳葉直徑為70mm、90mm、110mm和130mm，通過觀察這四種不同直徑下米水攪拌情況，選擇出合適的攪拌器直徑。對四種不同直徑下攪拌槽軸向顆粒濃度的徑向分布情況進行了對比，如圖5所示。槳葉直徑對于米盆流場的影響遠比攪拌速度要大得多，各個徑向曲線之間差異較大。z/H=0.1時，70mm的徑向曲線遠遠高出其他三條且顆粒濃度較大，此時槽體底部米粒堆積現象很嚴重，顆粒幾乎得不到旋轉攪拌。其余三條曲線趨勢較為相近，但在內壁結合面處依舊是90mm的濃度最小，即槽壁堆積的米粒最少，米水受攪拌的程度最高；z/H=0.3時，70mm和90mm的徑向曲線趨勢相近，即都是由內壁沿著徑向下降，靠近中心軸時又急劇上升；110mm和130mm的曲線則是由內壁沿著徑向一直下降為零，當z/H=0.5時，四者曲線趨勢相同，在攪拌區域中70mm的徑向曲線波動太大，原因在于內壁米量堆積過多，攪拌區域又較小。沿著徑向90mm的顆粒濃度一直高于110mm和130mm，即在葉狀攪拌區域內的米粒密度更高，顆粒受攪拌程度更好；z/H=0.7時，在攪拌區域依舊是90mm曲線一直位于上方，攪拌效果較為理想。

圖5 不同z/H大小下顆粒濃度沿徑向的變化Fig.5 Changes Different z/H Size Particle Concentration at Radial

4 實驗驗證

清洗裝置實驗驗證，如圖6所示。清洗槽以及進出水的控制電路，如圖6（a）所示。清洗槽上方的攪拌電機以及同軸設計的凸輪機構，如圖6（b）所示。在實驗驗證中，為了便于觀察大米清洗的效果，在洗米動作完成后將污水排出，重點觀察落入飯煲中的米粒以及清洗槽內壁附著的米粒情況。對原型機清洗裝置進行模擬全自動清洗工作過程。下面設置實驗條件：（1）根據仿真過程中清洗裝置的攪拌速度、槳葉直徑和攪拌器安裝高度的不同參數值，分別進行試驗；（2）為防止試驗過程的的偶然性，模擬實驗次數為多次連續。對原型機進行了多次試驗，實驗證明：仿真結果是符合實際情況，清洗裝置不僅能夠穩定高效的完成清洗功能，而且清洗效果好；對于原型機的實驗，進一步證明了煮飯機能夠實現設計目標。

圖6 實驗測試環境Fig.6 Experimental Testing Environment

5 結語

（1）運用FLUENT軟件對新型煮飯機清洗裝置進行了多相流仿真，針對攪拌速度、槳葉直徑和攪拌器安裝高度等清洗參數進行分析，保證了煮飯機在洗米過程中效果好；

（2）通過制作原型樣機實驗驗證了模擬仿真結果的正確性；為今后此類煮飯機的研制提供了參考價值；

（3）這臺新型煮飯機能夠廣泛適用于家庭生活，具有很高的推廣價值，是家居必備的電器。

［1］李傳海，余昌雄，王李.自動淘米式電飯煲設計與研究［J］.電子測試，2013（15）：1-2.（Li Chuan-hai，Yu Chan-xiong，Wang Li.Research and design of automaticrice cooker［J］.Electronic Test，2013（15）：1-2.）

［2］常軍然，唐宏，馮新剛.全自動米飯計量售飯機創新設計與實現［J］.工程設計學報，2012，19（3）：231-234.（Chang Jun-ran，Tang Hong，Feng Xin-gang.Innovative designing and realization of the full-automatic metering rice-vending machine［J］.Chinese Journal of Engineering Design，2012，19（3）：231-234.）

［3］張航偉，劉曉紅，文懷興.自動米飯售賣機的設計與實現［J］.陜西科技大學學報，2010，28（2）：104-106.（Zhang Han-wei，Liu Xiao-hong，Wen Huai-xing.Designing and realization of the rice automatic vending machine［J］.Journal of Shaanxi University of Science and Technology，2010，28（2）：104-106.）

［4］賀新彬.水射流輸洗米機的開發和研制［J］.糧油加工，2006（7）：78-80.（He Xin-bin.Research and development of water jet rice washing machine［J］.Cereals and Oils Processing，2006（7）：78-80.）

［5］包清彬.新型連續式洗米機［J］.包裝與食品機械，2001（3）：29-30+37.（Bao Qing-bin.A new kind of continuous washing rice machine［J］.Packaging and Food Machinery，2001（3）：29-30+37.）

［6］劉鵬，孟廣耀，黃居鑫.全自動淘米電飯煲的整體結構和控制設計［J］.裝備制造技術，2014（1）：214-216.（Liu Peng，Meng Guang-yao，Huang Ju-xin.Overall structure and control ofautomaticwashricemachine［J］.EquipmentManufacturing Technology，2014（1）：214-216.）

［7］袁祖強，景榮榮，倪受東.基于Fluent的陶瓷漿料攪拌槽的結構優化［J］.機械設計與制造，2009（3）：23-25.（Yuan Zu-qiang，Jing Rong-rong，Ni Shou-dong.The structure optimum for ceramic slurry stirring tank based on fluent［J］.Machinery Design&Manufacture，2009（3）：23-25.）