基于DEM離散元建模技術的雙軸槳葉式食品混合機運動仿真分析

徐玉菁

(東南大學成賢學院，江蘇 南京 210088)

雙軸槳葉式混合機對顆粒的形狀尺寸、顆粒密度等物理性質(zhì)沒有特別的要求，混合性能好，生產(chǎn)率高。粉體顆粒在雙軸槳葉式混合機內(nèi)運動的混合情況非常復雜，實際試驗中很難觀察，也很難用相關儀器對物料顆粒的混合情況進行檢測，而采用離散元法可以有效地解決此問題[1]。劉揚等[2]基于離散元法對雙軸槳葉式混合機中物料顆粒的運動軌跡進行分析，發(fā)現(xiàn)混合機內(nèi)物料顆粒的位移主要發(fā)生在徑向，旋轉運動主要發(fā)生在軸向，顆粒流動性良好，混合程度較高。蘭海鵬等[3]基于離散元法，以物料顆粒的運動軌跡對混合機中物料顆粒的混合程度進行評估，得到了物料顆粒在混合機中的運動軌跡，混合較好的位置及混合情況。彭飛等[4]為探究粉體食品調(diào)質(zhì)器中物料的運動情況，基于DEM-CFD耦合的方法，并采用Design-Expert軟件設計試驗，對調(diào)質(zhì)器模型作業(yè)參數(shù)進行優(yōu)化分析，得出各因素對調(diào)質(zhì)器出料量的影響顯著性，為調(diào)制器的結構設計提供參考。基于離散元法的雙軸槳葉式混合機的研究較多，但針對粒徑較小的粉體顆粒的混合研究甚少，針對物料茶粉、大豆粉、小麥粉3種顆粒的混合分析也相對較少。

DEM離散單元法(Discrete Element Method)，是一種顯示求解的數(shù)值分析方法，該方法是繼有限元法、計算流體力學(CFD)之后，用于分析物質(zhì)系統(tǒng)動力學問題的又一種強有力的數(shù)值計算方法。DEM離散單元法通過建立固體顆粒體系的參數(shù)化模型，進行顆粒行為模擬和分析，是解決涉及顆粒、結構、流體與電磁及其耦合等綜合問題的一種強有力的過程分析工具。為探討混合機內(nèi)粉體食品顆粒的運動混合情況，試驗擬基于離散元法對粉體顆粒混合過程進行仿真。采用EDEM軟件對3種不同尺寸的粉體食品顆粒按比例混合進行仿真，以后處理Bin Groups建立混合箱觀察混合情況，并通過研究不同類型粉體食品之間的顆粒數(shù)量來進行評估。從不同混合箱之間和不同類型粉體食品之間的顆粒數(shù)量、顆粒的軌跡、顆粒群軌跡來對顆粒運動混合情況進行評估，以期為雙軸槳葉式混合機的結構設計及參數(shù)優(yōu)化提供參考。

1 雙軸槳葉式混合機原理

雙軸漿葉混合機(圖1)內(nèi)裝有雙軸旋轉反向的漿葉，漿葉呈一定角度將物料沿軸向、徑向循環(huán)翻攪，使物料迅速混合均勻，槳葉葉片通常做成兩片式。雙軸漿葉混合機充分利用物料在混合器內(nèi)的上拋運動形成流動層，產(chǎn)生瞬間失重，使之達到最佳混合效狀態(tài)。在流動層領域中，物料以一定圓周速度克服離心力，在具有特定角度的槳葉作用下移動，實現(xiàn)在全方位范圍內(nèi)進行混合，形成隨機的最佳運動狀態(tài)。

圖1 雙軸槳葉式混合機

2 離散元仿真分析

2.1 仿真參數(shù)

仿真采用3種不同粉體食品顆粒進行分析，考慮到仿真時間的局限性，結合國內(nèi)外文獻[5-8]對粉體食品顆粒與不銹鋼離散元仿真參數(shù)的設置及軟件內(nèi)置 GEMM 數(shù)據(jù)庫，通過休止角以批處理的方式對粉體食品顆粒進行離散元校準后，得到研究所用粉體食品各仿真參數(shù)的取值如表1所示。

表1 離散元仿真參數(shù)表

2.2 仿真模型

利用Solidworks軟件建立雙軸漿葉混合機的三維模型，另存為step格式，導入EDEM軟件進行仿真。分別建立粒徑分別為2，3，4 mm大小的粉體食品顆粒模型，為節(jié)省仿真時間，結合相關文獻[9-11]，顆粒仿真采用軟球模型，顆粒生成方式為 Dynamic，分別建立3種顆粒的虛擬工廠，3種粉體食品物料顆粒的比例為2∶1∶1進行混合，待粉體食品顆粒處于靜止狀態(tài)后，對雙軸槳葉設置轉速雙向轉速40 r/min，仿真步長設為0.01 s，仿真時間設為10 s，待仿真結束后，通過后處理中Bin Groups等工具進行分析，仿真模型如圖2所示。

圖2 仿真模型圖

2.3 仿真運動狀態(tài)分析

待仿真結束后，采用上色工具對3種粉體食品顆粒上色處理，觀察各個時間點的混合狀態(tài)，分析3種粉體食品顆粒的混合情況，對物流進行著色處理，三色分別為灰色、黑色、白色，如圖3所示。

如圖3所示，t=1 s時，雙軸葉片還未開始轉動，處于準備混合狀態(tài)；t=2 s時，在雙軸葉片的攪動下，3種物料開始發(fā)生混合，最底層的黑色物料中部顆粒有向上運動的趨勢，中層的白色物料中間兩側開始出現(xiàn)兩邊向上運動的趨勢，最頂層的灰色物料兩側開始向下運動；t為2～5 s時，雙軸葉片隨著時間的增加，3種粉體食品顆粒的混合程度逐漸增加；t=6 s時，3種粉體食品的混合程度已較大。通過各個時間點的混合狀態(tài)可知，3種物料的混合從雙軸葉片的周圍開始，隨著時間的增加，混合程度增加的同時逐漸趨于穩(wěn)定。

圖3 粉體食品顆粒混合狀態(tài)圖

2.4 Bin Groups評估

待仿真結束后，采用后處理工具Bin Groups，以每種粉體食品顆粒的數(shù)量來對3種粉體食品的混合程度進行評估[12]。

在混合穩(wěn)定階段后，建立Bin Groups對3種粉體食品顆粒的混合程度進行分析。由圖4可知：當t=5 s時，3種粉體食品顆粒所對應的方格中顆粒數(shù)量還存在一定的差距，但是基本相差不大，3種粉體食品顆粒的混合程度已經(jīng)很高。采用離散元中的Bin Groups功能，可以數(shù)據(jù)化地對物料的混合情況進行分析，實時觀察物料的混合情況，分析雙軸槳葉式混合機的混合效率。

圖4 t=5 s時刻粉體食品顆粒混合分析

2.5 顆粒接觸評估

待仿真結束后，采用后處理工具，利用3種粉體食品之間的接觸數(shù)來對粉體食品的混合程度進行評估，如果3種粉體食品之間的接觸數(shù)達到穩(wěn)定值，則表示混合均勻[13]。

由圖5可知，3種粉體食品顆粒之間的接觸隨時間的變化趨勢大體上是相同的，隨著時間的增加，各種粉體食品之間的接觸數(shù)量也隨之增加，待t=8 s之后，各種粉體食品顆粒之間的接觸數(shù)量基本達到穩(wěn)定值，即3種粉體食品之間的混合程度已經(jīng)達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，仿真結果表明采用顆粒間的接觸來對混合情況進行分析是可行的。

圖5 接觸數(shù)隨時間的變化曲線

2.6 顆粒軌跡評估

待仿真結束后，采用后處理工具，分別選取每種粉體食品顆粒的徑向10個顆粒，以流線的形式觀察3種粉體食品顆粒在10 s內(nèi)的運動軌跡。如圖6所示，粉體食品1位于最底部，以最低部為起始端開始隨雙軸葉漿轉動，最終朝向雙軸葉片中心移動；粉體食品2位于中層顆粒，起始與中層開始運動，與粉體食品1的運動軌跡基本相同，有著相同的運動趨勢；粉體食品3位于最上層顆粒，起始與上層開始運動，與粉體食品1、2的運動軌跡基本相同，有著相同的運動趨勢。

圖6 各個粉體食品的運動軌跡圖

3 結論

基于離散元方法建立了粉體物料與雙軸槳葉式混合機的仿真模型，以顆粒狀態(tài)圖、顆粒間接觸、顆粒軌跡對雙軸槳葉式混合機的混合性能進行分析，仿真分析結果可有效觀察雙軸槳葉式混合機混合粉體物料中的粉體運動趨勢、運動軌跡、速度分布等，為雙軸槳葉式混合機的結構設計及優(yōu)化提供參考。研究分析中3種粉體食品模擬顆粒大小和質(zhì)量密度基本一致，下一步可以針對不同大小和不同密度顆粒的混合仿真進行研究。