病死動物化制攪拌過程流固耦合數值仿真與優化*＊

俞國紅，薛向磊，鄭航，牛瑞征，蔣建東

(1.浙江省農業科學研究院農業裝備研究揚，杭州市，310021；2.浙江工業大學特種裝備與先進加工技術教育部重點試驗室，杭州市，310014)

0 引言

內化制法是將病死動物尸體及其廢棄物破碎后投入到高溫高壓容器中進行滅菌的工藝方法[1]，化制后的物料進行烘干和油脂分離，得到油脂和骨肉粉等副產品，因處理周期短，滅菌效果好，副產物質量高等優點化制法已成為國內外病死動物無害化處理的主流方法。

化制法經過國內外學者不斷探索，已逐漸發展成熟，并得出相關結論：Gwyther等[2]認為在處理因高致病性疾病死亡的畜禽時溫度要求達到133℃，壓力要求達到0.3 MPa，處理時間不少20 min的條件；Auvermann等[3]認為影響化制過程的主要因素包括時間和溫度、空氣壓力以及動物尸體被分割的大小，最好控制在30～50 mm之間；王德勝等[4]對現有干化化制無害化工藝進行利弊分析，通過層次分析法對不同工藝進行評價，得出綜合效益最好的干化化制工藝，并對豬肉化制過程物料的特性進行研究，從而優化化制參數。

目前市場上多采用干化化制機完成化制處理過程，化制機中間設計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，攪拌裝置承擔了病死動物化制處理工藝近70%的工作量，且化制罐內的物料流動直接影響著物料的加熱速率和滅菌效果，因此攪拌器進行物料的攪拌直接影響到化制處理的效率和質量，而國內外學者針對干化化制設備研究鮮有報道：王長利等[5]開發了一套采用干化化制法對病死動物進行無害化處理的裝置及其處理方法，該裝備置處于試驗階段未見推廣。陶蘭蘭等[6]針對化工設備攪拌器類型與結構開展了研究，結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]針對攪拌軸的可靠性優化進行了研究，對空心軸的選用進行了論證，得出了空心軸適用的軸徑范圍。

張鑫[8]針對離心泵葉片與泵腔的流場與結構開展了研究，蘇騰龍等[9]開展柔性漿流場特性的流固耦合數值模擬和試驗，二者指出了攪拌器工作過程物料流動流固耦合特性直接影響攪拌效果。諸多學者針對攪拌過程中物料流固耦合特性的分析進行了探索[10-20],驗證了基于有限元分析原理運用ANSYS軟件中的Fluent模塊研究攪拌器內部的流體特性的可行性。

通過試驗測定干化化制過程不同時間階段的物料特性，進行干化化制設備的有限元數值建模，通過流固耦合分析開展化制過程中物料流動特性數值仿真，開展螺帶式攪拌器優化設計與分析，旨在提升病死動物干化化制處理的效率和質量。

1 病死動物干化化制設備機理分析

根據農業農村部提出的病死動物無害化處理技術規范規定：干化處理時物料中心溫度不低于140℃，容器內絕對壓力不低于0.5 MPa，處理時間需要達到4 h以上；設計新型病死動物高溫高壓化制處理系統組成如圖1揚示。

圖1 新型無害化設備處理系統Fig.1 New innocuous equipment processing system

化制設備攪拌器工作環境有以下限制：化制罐為臥式反應容器，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；螺帶攪拌器攪拌時可以使流體產生徑向流、軸向流和環向流，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)揚示，當螺帶的外徑Dj為1 400 mm時，螺帶寬度b為115 mm，螺距S為1 400 mm，螺帶厚度δ為12 mm。通過運用Fluent流體仿真軟件對單螺帶攪拌器攪拌作用下的物料進行流場仿真，分析單螺帶攪拌器的攪拌效果，如圖2(b)、圖2(c)揚示。

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域的物料流動速度較小，攪拌效果并不理想，且攪拌器左右兩端的物料流動性相差較大，物料向攪拌器的右端聚集，會增大右側攪拌器和罐體的負載，因此需要對單螺帶攪拌器進行改進設計。

根據試驗，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。改進的攪拌器使物料在小螺旋帶的轉動下回流，有效改善物料的流動性，減小攪拌器和化制罐的負載。

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

對改進后的雙螺帶攪拌器攪拌作用下的物料進行流場仿真，對比圖2、圖3可知，單螺帶攪拌器攪拌作用下約有60%左右的物料流動速度達到0.3 m/s以上，雙螺帶攪拌器攪拌作用下有80%以上的物料流動速度均達到了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象得到明顯緩解，因此雙螺帶攪拌器的攪拌效果明顯優于單螺帶攪拌器，有效改善了攪拌器的攪拌效果。

2 化制容器內攪拌過程物料流動模型與特性分析

病死動物化制處理的物料主要是經過破碎的動物尸體及其廢棄物，以病死豬化制處理為例：物料中肉塊揚占體積比約為70%，骨頭約占20%，其余為毛發、糞便、血水等雜物。化制物料組分復雜，黏度較大，流動性差，對攪拌器的強度和剛度要求較高，為優化改進型化制攪拌器工作參數，本文對化制容器內攪拌過程物料流動模型與特性進行分析。

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，物料的的流動趨勢可分解為軸向流、徑向流和環向流，如圖4揚示。

圖4 攪拌過程中物料的流動模型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，徑向流可以促進不同液面高度的物料相互混合流動，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，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，導致物料在大螺旋帶的推動作用下不斷向化制罐的一端積聚，部分物料未能及時被小螺旋帶輸送，繼續在擠壓作用下，借助自身的流動性向另一端流動，導致物料積聚部位的攪拌器和罐體承受較大壓力。

軸向流動靠近化制罐內壁和攪拌軸，流動性較差，可視為層流區域，對物料的升溫速度影響較小，因此應盡量減小物料的軸向流動趨勢。

分析攪拌器的結構特點可得：徑向流對攪拌器轉速的敏感性比軸向流要強，當攪拌器轉速提升后，徑向流流速的提升較軸向流明顯。由于徑向流動區域位于罐體內壁部位和攪拌軸周圍的兩個軸向流動區域之間，根據伯努利原理攪拌器轉速增加，引起兩個軸向流動區域速度較小，壓強較大，而徑向流動區域速度較大，壓強較小，軸向流動區域的部分物料會有向徑向流動區域運動的趨勢，如圖5揚示。因此可推斷提升攪拌器轉速可以削弱軸向流，增強徑向流，即增強渦旋現象。

圖5 提高轉速后物料的流動趨勢變化Fig.5 Change in the flow tendency of the material after increasing the speed

綜上揚述，軸向流對物料升溫速度影響不大，且會對化制罐和攪拌器產生額外應力，而徑向流可以有效改善物料流動性，加快物料升溫速度。以本文改進雙螺帶攪拌器為例，其轉速從10 m/s變為20 m/s，大螺帶外沿物料流動速度由0.362 m/s增大為0.905 m/s，物料流動效果提升了250%。

3 基于ANSYS的化制過程物料流動流固耦合數值仿真試驗

基于以上結論，本文建立化制過程物料流動模型，采用ANSYS進行化制過程物料流動流固耦合數值仿真試驗。

3.1 物料參數測定

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，以導熱油為傳熱介質，對高溫高壓容器進行加熱，保證容器內的最終溫度達到150℃，分別測量加熱時間為0 min、30 min、60 min時物料的近似黏度，模擬化制處理前中后期物料的狀態，對三個時間點的物料流動狀態進行分析。取化制過程中的三個時間點，對物料黏度進行測定，不同加熱時間的物料狀態如圖6揚示。

圖6 不同加熱時間的物料狀態Fig.6 Material status for different heating times

使用黏度計測得加熱時間t分別為0 min、30 min、60 min時，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，隨著化制處理的進行，物料中的固態油脂在高溫條件下變為液態油脂，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的攪拌器強度。

3.2 ANSYS流固耦合數值建模

新型高壓化制設備的化制罐和攪拌器的結構3D模型如圖7揚示，本文針對部分結構特征進行簡化，同時由于攪拌器攪拌物料時，物料對攪拌器葉片的阻力較大，導致攪拌器發生一定極小程度的變形，對物料流動狀態的影響可以忽略，本文采用ANSYS Workbench仿真軟件建立單向流固耦合分析有限元網格模型，單元數量為622 247，節點數量為113 448，平均網格偏斜率為0.23，網格質量良好。

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 物料流動性分析

使用CFD-post模塊進行結果后處理，創建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、罐體內表面以及攪拌軸附近的少量物料，其他物料流動速度均達到0.362 m/s以上，且左右兩端的物料流動狀態基本一致，因此化制處理前期，在雙螺帶攪拌器攪拌作用下，罐內物料的流動性良好。試驗表明：隨著化制處理的進行，物料黏度逐漸降低，物料流動性逐漸提高。在螺帶式攪拌器攪拌作用下，物料流動的速度矢量圖、物料速度矢量在xy和yz坐標面上的分量如圖9揚示，由圖可知物料高速流動區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坐標面上的分量，物料在yz坐標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坐標面上的分量，物料在yz坐標面上的速度分量分布不均勻性較強，平均流動速度較大。因此，化制罐內的物料在攪拌器攪拌作用下同時存在軸向流、徑向流和環向流，軸向流和徑向流的流動速度相對較小，環向流流速較大，整體攪拌效果良好。

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

圖9 物料流動速度矢量圖Fig.9 Material flow speed vector

3.4 不同轉速下的物料流動性分析

為了驗證前文中揚提出的提高攪拌器轉速可以削弱軸向流，增強徑向流的推論，選取4組不同的轉速值10 r/min、20 r/min、30 r/min、40 r/min分別進行流場分析，得到不同攪拌軸轉速下的物料流動速度矢量在xy和yz坐標面上的分量，如圖10揚示。不同轉速下物料流動速度矢量圖對比，當攪拌器轉速為10 r/min時物料的流動趨勢主要為軸向流動和環向流動，徑向流動趨勢較小，渦旋現象不明顯。隨著物料的徑向流動趨勢不斷增大，渦旋現象逐漸增強。

圖10 不同轉速下物料流動速度矢量圖Fig.10 Material flow speed vector at different speeds

從數值仿真看：在攪拌器轉速10 r/min、20 r/min、30 r/min、40 r/min增加過程中，軸向流動平均速度分別達到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到0.221 m/s，0.398 m/s，0.612 m/s，0.937 m/s。

以攪拌器轉軸為中心軸，不同半徑圓柱面區域的物料徑向流動平均速度變化情況如圖11揚示，由圖可以看出：不同半徑圓柱面區域的物料徑向流動平均速度變化情況，隨著攪拌器轉速的提高，物料的徑向截面流動速度不斷增大，且渦旋區域的影響范圍不斷擴大，有利于不同層面的物料進行混合。

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

攪拌器轉中心徑向575 mm處物料流動最大速度分別為：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性，提升攪拌器攪拌效果。

4 試驗

根據仿真優化分析結果，進行改進攪拌器溫升試驗（圖12），通過監控界面觀察并記錄化制罐內溫度值。

圖12 驗證試驗Fig.12 Verification test

試驗結果表明，攪拌軸的攪拌速度不同，物料的升溫和降溫速度也不相同，當攪拌軸轉速為5 r/min時，物料從22℃升至140℃用了約50 min時間，而攪拌軸轉速為20 r/min時同樣的過程只用了36 min，可見隨著攪拌軸轉速的提高，物料的升溫和降溫速度也有揚加快。

同時與單螺帶攪拌器化制過程溫升對比，雙螺帶攪拌器溫升時間縮短，證明其攪拌效果和化制罐內物料流動性能得到了提升。

5 結論

1）提出一種改進病死動物化制設備的新型雙螺帶式攪拌器結構，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性能20%。

2）通過化制罐攪拌過程中物料流動性流固耦合數值仿真分析試驗，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的物料流動速度與分布規律，仿真及試驗表明：隨著攪拌器轉速的提高，物料的徑向流動速度不斷增大，且渦旋區域的影響范圍不斷擴大，有利于不同層面的物料進行混合，提高物料的流動性，改善攪拌器攪拌效果