張克平 譚 成 張鋒偉

基于Fluent的小麥輥式制粉流場模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證

張克平 譚 成 張鋒偉

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，蘭州 730070）

為了研究小麥輥式制粉過程中芯磨輥間研磨區(qū)的流場特性和壓力分布規(guī)律，探討各操作參數(shù)對小麥粉質(zhì)量的影響規(guī)律，以試驗(yàn)?zāi)シ蹤C(jī)的光輥研磨機(jī)構(gòu)為研究對象，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對喂料量分別為40、50、60 g／min、軋距分別為0.10、0.15、0.20 mm 以及快輥轉(zhuǎn)速分別為16、26、36 rad／s等不同操作參數(shù)下的粉磨流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過磨粉試驗(yàn)對模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果顯示：隨著喂料量、快輥轉(zhuǎn)速的增大，以及軋距的減小，快輥與物料接觸面最大動(dòng)壓力及粉料顆粒流沿著定直線段的動(dòng)壓力增加，試驗(yàn)結(jié)果顯示小麥粉中灰分減?。辉谥品塾行嚎s區(qū)內(nèi)，喂料量為60 g／min、快輥轉(zhuǎn)速為36 rad／s、軋距為0.10 mm時(shí)，輥面壓力沿磨輥軸向最為均勻，且定直線壓力曲線斜率最大，試驗(yàn)結(jié)果表明，該工況下小麥粉中灰分含量最小，具有較好的制粉效果。

輥式制粉 Fluent 流場 數(shù)值模擬

輥式制粉是小麥粉的主要加工形式。由于其產(chǎn)量高、操作方便、研磨時(shí)間短、小麥物料在被加工的過程中溫升較低，因而小麥粉質(zhì)量好，被廣泛應(yīng)用于小麥粉加工［1－2］。磨輥工作時(shí)，要求輥體表面受力均勻，否則，一方面會縮短磨輥的使用壽命，增加生產(chǎn)成本；另一方面，不能最大限度地保持麩皮完整性的前提下將胚乳磨細(xì)成粉，麩皮與胚乳粉末的粒度會參差不齊，不便篩理機(jī)械分離，從而小麥粉灰分（主要表現(xiàn)為小麥粉中麩皮的含量）增加，小麥粉品質(zhì)下降。因此，研究輥式制粉工作區(qū)壓力與磨輥轉(zhuǎn)速、軋距以及喂料量等操作參數(shù)之間的關(guān)系，探討磨輥受力均勻的最佳參數(shù)組合，以保證磨輥正常工作，改善小麥粉品質(zhì)，是十分必要的。

計(jì)算流體力學(xué)（CFD，Computational Fluid Dynamics）是近代迅速發(fā)展起來的一門新的學(xué)科分支，它通過建立各種條件下流體的基本守恒方程，應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算理論和方法，模擬真實(shí)過程各種場分布［3］。近年來，研究工作者利用CFD方法，對各種流體的溫度場、壓力場進(jìn)行了大量模擬研究，研究結(jié)果被普遍用于指導(dǎo)相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)和操作。赫飛麟等［4］為分析單棟塑料溫室內(nèi)的溫度場分布情況，建立了溫室內(nèi)外空間、室內(nèi)作物和土壤層等的溫室環(huán)境幾何模型，在分析太陽輻射及各部分熱交換的基礎(chǔ)上，應(yīng)用CFD方法對單棟塑料溫室內(nèi)溫度場進(jìn)行了三維穩(wěn)態(tài)模擬，模擬值與絕對誤差值均小于2.2℃。孫宏宇等［5］為了研究冷態(tài)氣化爐在單、雙層汽化劑配風(fēng)工況下的床層壓力分布情況，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對其壓力場進(jìn)行了仿真研究，仿真與試驗(yàn)結(jié)果的誤差值在2.5%以內(nèi)。王新等［6］應(yīng)用Fluent對淀粉分離旋轉(zhuǎn)器進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了能基本實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)真實(shí)過程中的速度場、壓力場以及淀粉顆粒的體積比分布。本研究利用Fluent對小麥輥式制粉過程中粉碎工作區(qū)域的物料流場進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同操作參數(shù)下輥間壓力分布的可視化結(jié)果，分析確定最佳工作狀態(tài)，并通過制粉試驗(yàn)對模擬結(jié)果完成驗(yàn)證。

1 輥式制粉的工作原理

小麥輥式制粉過程主要包括皮磨系統(tǒng)和芯磨系統(tǒng)，皮磨系統(tǒng)主要用來研磨整粒麥粒并篩理出一定含量的小麥粉，芯磨系統(tǒng)主要用來研磨皮磨系統(tǒng)提供的小麥粉料，各系統(tǒng)的研磨工作是由1對水平排列相向轉(zhuǎn)動(dòng)的等徑磨輥來完成，其中1個(gè)為快輥，1個(gè)為慢輥，皮磨系統(tǒng)一般采用齒輥，芯磨系統(tǒng)一般采用光輥［7］。本研究以芯磨系統(tǒng)的光輥研磨裝置為研究對象，其工作原理示意圖如圖1所示，制粉過程主要是由一對快、慢磨輥完成，小麥粉料在重力、轉(zhuǎn)動(dòng)磨輥的摩擦力作用下進(jìn)入粉磨工作區(qū)域，在粉磨工作區(qū)域內(nèi)，小麥粉體呈壓縮狀態(tài)流動(dòng)，隨著快、慢輥之間的間距不斷縮小，磨輥表面對小麥粉體施加的擠壓力、剪切力和摩擦力等載荷逐漸增大，最終小麥粉體以小麥粉的形式從輥間隙最小s處排出［7－9］。對輥制粉工作時(shí)必須要滿足的條件：（1）快、慢輥直徑相等。（2）快、慢輥轉(zhuǎn)速不相等，轉(zhuǎn)速方向相反。（3）快、慢輥均為定軸勻角速度旋轉(zhuǎn)［10］。

圖1 磨輥工作原理示意圖

2 流體湍流模型

在芯磨系統(tǒng)的光輥研磨裝置工作過程中，小麥粉料球徑一般小于1.5 mm（未研磨前的小麥粉料平均當(dāng)量球徑），且完全填充輥間研磨區(qū)域，因此，研磨區(qū)內(nèi)的顆粒流可以認(rèn)為是一種單相流。另外，小麥粉料在被研磨過程中，料層與料層之間存在相互干擾，而且干擾的力度會隨著對輥之間壓縮區(qū)域的縮小而增大，料層與料層之間有動(dòng)量傳遞，由于整個(gè)粉料顆粒流體系統(tǒng)是質(zhì)量守恒的，顆粒流體的密度會隨著對輥之間的壓縮區(qū)域縮小而增大，所以在此過程中，存在著可壓縮非定常湍流流動(dòng)。粉料顆粒流流動(dòng)的控制方程主要是連續(xù)方程、動(dòng)量方程和湍流模型方程，由于RNG k－ε模型能夠很好處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)［11－12］，適合輥式制粉壓縮區(qū)內(nèi)旋轉(zhuǎn)剪切流場的模擬。因此，本研究所建立的湍流模型采用RNG k－ε兩方程模型。

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

RNG k－ε兩方程模型：

式中：ρ為粉料顆粒流體密度；t為時(shí)間；u、v為速度矢量分別在x、y方向的分量；P為作用于流體微團(tuán)表面的壓力；K為湍動(dòng)能；ε為耗散率；ui、uj為時(shí)均速度分量；xi、xj為各坐標(biāo)分量；μt為湍動(dòng)黏度。

3 數(shù)值模擬

3.1 研磨機(jī)構(gòu)主要參數(shù)的確定

3.1.1 光輥的結(jié)構(gòu)參數(shù)與操作參數(shù)

通過對CD1型仿工業(yè)試驗(yàn)?zāi)シ蹤C(jī)實(shí)際測繪計(jì)算，參閱相關(guān)技術(shù)資料，結(jié)合粉質(zhì)等級及制粉時(shí)常用的操作參數(shù)，確定相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)與操作參數(shù)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)與操作參數(shù)

3.1.2 起軋條件及對輥工作區(qū)直線長度計(jì)算

如圖2所示，將小麥粉料顆粒形狀簡化為球形，起軋角計(jì)算公式如式（7）所示：

式中：αq為起軋角；R為磨輥半徑；e為軋距；r為小麥粉料顆粒球徑。

小麥粉料顆粒形狀在磨輥距離最小以下區(qū)域的主要存在形式為小麥粉，因工作區(qū)的結(jié)構(gòu)形式是半開放的，因此在該區(qū)域磨輥對小麥粉的作用力可忽略不計(jì)，故對輥粉磨加工小麥時(shí)沒有終軋角。

工作輥對小麥籽粒粉料加工時(shí)從起軋點(diǎn)到終扎點(diǎn)的直線距離S稱為工作區(qū)直線長度，由S1和S2組成，如圖2所示。

圖2 對輥工作區(qū)直線長度

工作區(qū)間直線長度S的計(jì)算公式如式（8）所示。

由于研磨小麥時(shí)沒有S2，則：

由式（8）、式（9）知：起軋角度及對輥工作區(qū)直線長度與磨輥半徑R、軋距e、小麥粉料顆粒球徑r有關(guān)，根據(jù)實(shí)際磨輥結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)及小麥粉料結(jié)構(gòu)參數(shù)可以求得。

3.1.3 模擬參數(shù)

查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料及根據(jù)試驗(yàn)值，確定相關(guān)模擬參數(shù)如表2所示。

表2 模擬參數(shù)

3.2 計(jì)算區(qū)域與網(wǎng)格生成

利用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算的整個(gè)過程分為3個(gè)部分：前處理模塊、計(jì)算模塊和后處理模塊。利用前處理模塊Gambit軟件結(jié)合3.1確定的主要參數(shù)，建立模型，然后對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分是Fluent軟件建模中很重要的步驟，網(wǎng)格劃分過細(xì)，不僅會延長計(jì)算時(shí)間、降低計(jì)算精度，而且使得計(jì)算結(jié)果無法收斂；網(wǎng)格劃分太粗，會嚴(yán)重影響仿真精度。經(jīng)過多次預(yù)仿真，采用Internal Size＝0.5對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行貼體六面體網(wǎng)格的劃分，如圖3所示。計(jì)算區(qū)域中，墻壁編號為wall1～wall6，分別為有效研磨區(qū)進(jìn)料口、有效研磨區(qū)出料口、快輥壁面、慢輥壁面、軸向兩端面，網(wǎng)格總數(shù)為92 400個(gè)。

3.3 邊界條件及數(shù)值計(jì)算方法

針對單相、可壓縮小麥粉料顆粒流體介質(zhì)，采用Pressure Based隱式（Implicit）求解，保證收斂的穩(wěn)定性；壓力和速度耦合采用SIMPLE（Semi－Implicit

Method for Pressure－Linked Equation）算法；動(dòng)量、能量以及湍流參量的求解采用二階迎風(fēng)格式（Second Order Upwind）；為了避免數(shù)值計(jì)算過程中出現(xiàn)不必要的迭代振蕩，提高計(jì)算精度，節(jié)約計(jì)算時(shí)間，本研究在參照相關(guān)文獻(xiàn)及實(shí)際工況預(yù)模擬的基礎(chǔ)上，對各方程參數(shù)松弛因子重新進(jìn)行了設(shè)置，如表3所示。

表3 松弛因子的設(shè)置

利用Fluent軟件包進(jìn)行計(jì)算過程中，邊界條件的正確設(shè)置是關(guān)鍵的一步。設(shè)置邊界條件的方法一般是在利用Gambit建模過程中設(shè)定，也可以在Fluent求解器中對邊界類型進(jìn)行重新設(shè)定。

由于小麥粉料在擠壓和研磨過程中，料層與料層之間相互有干擾，而且干擾的力度會隨著對輥之間的壓縮區(qū)域減小而增大，料層之間有動(dòng)量傳遞；而整個(gè)粉料顆粒流體系統(tǒng)是質(zhì)量守恒的，使得顆粒流體的密度也會隨著對輥之間的壓縮區(qū)域減小而增大，所以在此過程中，存在著可壓縮非定常湍流流動(dòng)。Fluent軟件中提供的3種入口條件分別為速度入口、壓力入口和質(zhì)量入口，其中速度入口適用于不可壓縮流動(dòng)問題，對可壓縮的粉料顆粒流不適用，否則該入口邊界條件會使入口處的總溫或總壓有一定的波動(dòng)；壓力入口邊界條件通常用于流體在入口處的壓力為已知的情形，對計(jì)算可壓和不可壓問題都適合，通常用于進(jìn)口流量或流動(dòng)速度為未知的流動(dòng)。顯然針對本課題的研究模型，入口處的壓力未知，但是進(jìn)口質(zhì)量流量可知，且質(zhì)量入口邊界條件主要用于可壓縮流動(dòng)。因此，本研究的計(jì)算流體入口（inlet）類型采用質(zhì)量入口（mess－flow －inlet）條件，給定流體質(zhì)量流量及相應(yīng)的湍流條件；進(jìn)口的湍動(dòng)能和湍流耗散率分別由式（10）、式（11）計(jì)算得到。

式中：湍流強(qiáng)度取I＝5%；uwall為壁面運(yùn)動(dòng)最大速度；l為進(jìn)口段的特征尺寸。

為了能夠很好地解決回流出口的收斂困難問題，出口（outlet）類型采用壓力出口（pressure－outlet）條件，給定流體出口壓力、溫度及相應(yīng)的湍流條件；出口的湍動(dòng)能和湍流耗散率也是分別由式（10）、式（11）計(jì)算得到。

墻壁有4 面，分別是wall3、wall4、wall5、wall6，其中wall3對應(yīng)的是快輥壁面；wall4對應(yīng)的是慢輥壁面；將wall3、wall4、wall5、wall6 的類型全部定義為wall。由于快慢輥壁面有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以wall3、wall4分別設(shè)置為旋轉(zhuǎn)移動(dòng)墻壁，指定壁面切向速度分量。wall5、wall6設(shè)定為壁面無滑移條件。

4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

在數(shù)值模擬的可視化結(jié)果中，將磨輥在不同喂料量、軋距及快輥轉(zhuǎn)速時(shí)的壓力云圖及壓力曲線圖的數(shù)值模擬結(jié)果可視化3個(gè)方面進(jìn)行對比分析：在快輥轉(zhuǎn)速、軋距相同，喂料量不同時(shí)，得到磨粉過程流場可視化圖；在喂料量、快輥轉(zhuǎn)速相同，軋距不同時(shí)，得到磨粉過程流場可視化圖；得到最佳喂料量和軋距的組合后，在該組合的基礎(chǔ)上，變化不同的快輥轉(zhuǎn)速，得到磨粉過程流場可視化圖，最終得出最優(yōu)解。

4.1 喂料量對流場壓力分布的影響

在快輥轉(zhuǎn)速為36 rad／s，軋距為0.15 mm時(shí)，對喂料量分別為40、50、60 g／min的研磨機(jī)構(gòu)工作區(qū)的粉料顆粒流場進(jìn)行數(shù)值模擬，快輥與物料接觸面動(dòng)壓力分布云圖如圖3所示，粉料顆粒流體沿著起點(diǎn)坐標(biāo)為（－25，0，20）、終點(diǎn)坐標(biāo)為（－25，0，0）的直線段動(dòng)壓力分布曲線圖分別如圖4所示。

圖3 快輥與物料接觸面動(dòng)壓力分布云圖

圖4 粉料顆粒流沿定直線段的動(dòng)壓力曲線圖

隨著喂料量的增加，快輥與物料接觸面最大動(dòng)壓力及粉料顆粒流沿著定直線段的動(dòng)壓力增加，同一喂料量工況下，粉料顆粒流沿著定直線段的最大動(dòng)壓力明顯小于快輥與料層之間的壓力。說明流量的改變對粉料流場的壓力有影響；小麥籽粒受到的載荷作用有2個(gè)區(qū)域，一是料層與料層之間，二是快輥與料層之間，其中快輥與料層之間的載荷作用要比料層之間的大。從壓力分布云圖可以看出：壓力降主要集中在最小軋距處附近，結(jié)合曲線圖判斷，其范圍約在距離最小軋距處0～6 mm內(nèi)，根據(jù)式（7）可以推得起軋角αq的范圍約為0°～9°；在此壓力角范圍內(nèi)，無論是哪種喂料量工況下，粉料顆粒流體壓力曲線以近似一次函數(shù)形式上升至壓力最大，整體斜率呈逐漸增大趨勢。

4.2 軋距對流場壓力分布的影響

在快輥轉(zhuǎn)速為36 rad／s，喂料量為60 g／min工況下，對軋距分別是0.10、0.20 mm的研磨機(jī)構(gòu)工作區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬，快輥與物料接觸面動(dòng)壓力分布云圖如圖5、粉料顆粒流體沿著起點(diǎn)坐標(biāo)為（－25，0，20）、終點(diǎn)坐標(biāo)為（－25，0，0）的直線段動(dòng)壓力分布曲線圖如圖6所示。

圖5 快輥與物料接觸面動(dòng)壓力分布云圖

圖6 粉料顆粒流沿著某一條定直線段的動(dòng)壓力曲線圖

由圖5和圖6知：隨著軋距的增大，快輥與物料接觸面最大動(dòng)壓力及粉料顆粒流沿著定直線段的動(dòng)壓力減小，同一軋距工況下，粉料顆粒流沿著定直線段的最大動(dòng)壓力小于快輥與料層之間的壓力；在制粉有效壓縮區(qū)內(nèi)，粉料顆粒流體壓力曲線以近似一次函數(shù)形式上升，整體斜率變化基本一致，但軋距為0.10 mm時(shí)的曲線斜率明顯大于其他2種工況，說明其具有較大的壓力降，而壓力云圖反映出該條件下壓力沿磨輥軸向分布均勻，從而推斷出該工況條件具有較好的制粉效果。

4.3 快輥轉(zhuǎn)速對流場壓力分布的影響

在喂料量為60 g／min，軋距為0.10 mm工況下，對快輥轉(zhuǎn)速分別為16、26 rad／s時(shí)的研磨機(jī)構(gòu)工作區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬，快輥與物料接觸面動(dòng)壓力分布云圖分別如圖7所示。粉料顆粒流體沿著起點(diǎn)坐標(biāo)為（－25，0，20）、終點(diǎn)坐標(biāo)為（－25，0，0）的直線段動(dòng)壓力分布曲線圖如圖8所示。

圖7 快輥與物料接觸面動(dòng)壓力分布云圖

由壓力云圖及曲線圖知：快輥轉(zhuǎn)速16、26、36 rad／s所對應(yīng)的最大動(dòng)壓力分別為6.17 619、7.102 2、26.63 Pa，隨著快輥轉(zhuǎn)速的增大，快輥與物料接觸面最大動(dòng)壓力及粉料顆粒流沿著定直線段的動(dòng)壓力增加。比較各種參數(shù)條件下的壓力云圖及定直線壓力曲線圖可以看出，在制粉有效壓縮區(qū)內(nèi)，喂料量為60 g／min、快輥轉(zhuǎn)速為36 rad／s、軋距為0.10 mm時(shí)，輥面壓力沿磨輥軸向最為均勻，且定直線壓力曲線斜率最大，從而推斷出該工況條件具有較好的制粉效果。

圖8 粉料顆粒流沿著某一條定直線段的動(dòng)壓力曲線圖

5 驗(yàn)證試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)?zāi)康募翱己酥笜?biāo)

利用CD1型仿工業(yè)試驗(yàn)?zāi)シ蹤C(jī)加工不同操作參數(shù)下的小麥粉樣品，試驗(yàn)方案依據(jù)模擬條件擬定，通過對小麥粉質(zhì)量檢驗(yàn)，考察操作參數(shù)喂料量、快輥轉(zhuǎn)速、軋距3個(gè)因素對小麥粉質(zhì)量的影響，驗(yàn)證模擬結(jié)果的正確性。

小麥粉質(zhì)量的考核指標(biāo)選用灰分（主要表現(xiàn)為小麥粉中麩皮的含量）來衡量，因?yàn)椋?）研磨區(qū)域壓力較大且沿磨輥軸向分布均勻、壓力降沿磨輥周向較大，則能夠在保證麩皮完整性的前提下將胚乳磨細(xì)成粉，便于小麥粉與麩皮的機(jī)械篩理分離，從而小麥粉灰分減小，因此，小麥粉灰分可以反映研磨區(qū)域壓力分布狀況；2）研磨機(jī)構(gòu)工作過程中，磨輥處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，且研磨區(qū)域極為狹小，故磨輥與物料接觸面及物料之間的壓力分布無法直接測量；3）灰分是區(qū)分小麥粉等級的主要指標(biāo)。

5.2 試驗(yàn)材料與儀器

材料：本試驗(yàn)選取甘肅省主產(chǎn)西旱號小麥籽粒為制粉原料。

儀器及試驗(yàn)用品：CD1型仿工業(yè)試驗(yàn)?zāi)シ蹤C(jī)、箱式電阻爐（溫度≥600℃）、分析天平（精確度為0.1 mg，型號為AL204）、瓷坩堝、坩堝鉗、干燥器（內(nèi)有干燥器）、電熱板（又稱為萬用電爐，量程為0～1 000 W）、濃度為37%的鹽酸。

5.3 試驗(yàn)步驟

5.3.1 制粉過程：檢測試驗(yàn)?zāi)シ蹤C(jī)空轉(zhuǎn)正常，清理皮磨系統(tǒng)、芯磨系統(tǒng)及各接料斗；設(shè)定皮磨系統(tǒng)各操作參數(shù)為該機(jī)常規(guī)制粉參數(shù)值，將準(zhǔn)備好的小麥籽粒原料經(jīng)皮磨系統(tǒng)制粉，得到麩皮、皮磨小麥粉、麥渣，棄去麩皮及小麥粉，保留麥渣備用；依據(jù)模擬條件擬定的試驗(yàn)方案，調(diào)節(jié)芯磨系統(tǒng)各參數(shù)，其中喂料量通過喂料量調(diào)節(jié)按鈕設(shè)定、快輥轉(zhuǎn)速通過接在電動(dòng)機(jī)上的變頻器調(diào)節(jié)、軋距通過軋距調(diào)節(jié)按鈕設(shè)定，將皮磨系統(tǒng)制得的麥渣，經(jīng)芯磨系統(tǒng)制粉，得到不同操作參數(shù)下的小麥粉，取樣備用。

5.3.2 先用流動(dòng)的清水初洗坩堝，其次用濃度為37%的鹽酸涮洗，然后放入到電熱板上加熱，目的使雜質(zhì)與鹽酸充分反應(yīng)，待完全反應(yīng)后，用坩堝鉗夾住坩堝放到流動(dòng)的清水下清洗，清洗完畢，將坩堝放到電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)進(jìn)行干燥，干燥后取出，標(biāo)號。

5.3.3 將標(biāo)記好的坩堝放到箱式電阻爐中，在（550±25）℃ 下灼燒1 h冷卻至200℃，取出，放入干燥器中冷卻30 min，準(zhǔn)確稱量。重復(fù)灼燒至前后2次稱量相差不超過0.5 mg為恒重。

5.3.4 稱樣：由于小麥粉灰分小于10 g／100 g，故在3～10 g范圍內(nèi)稱取小麥粉試樣。

5.3.5 測定：小麥粉試樣，先在電熱板上以小火加熱使試樣充分炭化至無煙，然后置于箱式電阻爐中，在（550±25）℃灼燒4 h。冷卻至200℃左右，取出，放入干燥器中冷卻30 min，稱量前如發(fā)現(xiàn)灼燒殘?jiān)刑苛r(shí)，應(yīng)向試樣中滴入少許水濕潤，使結(jié)塊松散，蒸干水分再次灼燒至無炭粒即表示灰化完全，方可稱量。重復(fù)灼燒至前后2次稱量相差不超過0.5 mg為恒重。

5.4 灰分計(jì)算公式

小麥粉試樣中的灰分按式（13）計(jì)算：

式中：m1為坩堝和灰分的質(zhì)量；m2為坩堝的質(zhì)量；m3為坩堝和試樣的質(zhì)量。

試樣中灰分含量≥10 g／100 g時(shí)，保留3位有效數(shù)字；試樣中灰分含量＜10 g／100 g時(shí)，保留2位數(shù)字。在重復(fù)性條件下獲得的2次獨(dú)立測定結(jié)果的絕對差值不得超過算術(shù)平均值的5%。

5.5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

依據(jù)流場模擬所設(shè)定參數(shù)，在試驗(yàn)?zāi)シ蹤C(jī)芯磨系統(tǒng)快輥轉(zhuǎn)速為36 rad／s，軋距為0.15 mm時(shí)，對喂料量分別為40、50、60 g／min研磨制得的小麥粉取樣，在芯磨系統(tǒng)快輥轉(zhuǎn)速為36 rad／s，喂料量為60 g／min工況下，對軋距分別為0.10、0.15、0.20 mm研磨制得的小麥粉取樣，在試驗(yàn)?zāi)シ蹤C(jī)喂料量為60 g／min，軋距為0.10 mm工況下，對快輥轉(zhuǎn)速分別為16、26、36 rad／s研磨制得的小麥粉取樣，由圖9可以看出，隨著喂料量、快輥轉(zhuǎn)速的增大，小麥粉中灰分含量降低，隨著軋距的增大，小麥粉中灰分含量增加，與模擬結(jié)果中快輥與物料接觸面最大動(dòng)壓力及粉料顆粒流沿著定直線段的動(dòng)壓力的變化趨勢一致。在所有考察工況中，快輥轉(zhuǎn)速為36 rad／s、喂料量為60 g／min、軋距為0.10 mm時(shí)，小麥粉灰分最小，這與模擬得到的在該工況條件下，輥面壓力沿磨輥軸向最為均勻，且定直線壓力曲線斜率最大，從而具有較好的制粉效果的結(jié)論一致。從而驗(yàn)證了模擬過程及結(jié)果的正確性。從制粉機(jī)理方面分析，輥式制粉是通過1對高速旋轉(zhuǎn)的磨輥對進(jìn)入研磨區(qū)域的小麥粉料施加擠壓力、剪切力和摩擦力等載荷來完成，當(dāng)載荷沿磨輥軸向均勻、沿物料下落方向逐漸增大時(shí)，具有較好的制粉效果。

圖9 不同參數(shù)條件下灰分含量圖

6 結(jié)論

6.1 從理論結(jié)合實(shí)際工況分析了小麥輥式制粉過程中粉料顆粒流流動(dòng)的特點(diǎn)，從質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒原理出發(fā)，建立了描述粉料顆粒流的控制方程組。

6.2 在考察的范圍內(nèi)，隨著喂料量、快輥轉(zhuǎn)速的增大，以及軋距的減小，快輥與物料接觸面最大動(dòng)壓力及粉料顆粒流沿著定直線段的動(dòng)壓力增加，小麥粉中灰分減小。

6.3 模擬結(jié)果顯示，在制粉有效壓縮區(qū)內(nèi)，喂料量為60 g／min、快輥轉(zhuǎn)速為36 rad／s、軋距為0.10 mm時(shí)，輥面壓力沿磨輥軸向最為均勻，且定直線壓力曲線斜率最大，具有較好的制粉效果，試驗(yàn)結(jié)果表明，該工況下小麥粉中灰分含量最小。

［1］Kamm B K，Kamm M，Gruber P R，et al.Biorefinery systems－an overview［M］.Wiley－VCH Verlag GmbH，2006

［2］Koutinas A A，Wang R，Campbell GM，et al.A whole crop biorefinery system：a closed system for the manufacture of non － food products from cereals［J］.Biorefineries－ Industrial Processes and Products，2008，1：165 －191

［3］John D.Anderson.計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)及其應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009

［4］赫飛麟，沈明衛(wèi)，張雅.單棟塑料溫室內(nèi)溫度場CFD三維穩(wěn)態(tài)模擬［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43（12）：222 －228

Hao Feilin，Shen Mingwei，Zhang Ya.3 －D steady simulation of temperature pattern inside single plastic greenhouse using CFD［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2012，43（12）：222 －228

［5］孫宏宇，董玉平，周淑霞，等.基于Fluent的固定床生物質(zhì)氣化爐冷態(tài)壓力場分布［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（11）：94 －98

Sun Hongyu，Dong Yuping，Zhou Shuxia，et al.Analysis of fixed－bed biomass gasifier cold internal pressure field based on Fluent［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2010，41（11）：94 －98

［6］王新，武文斌，張海紅.基于CFD的淀粉分離旋流器數(shù)值模擬［J］.糧食與飼料工業(yè)，2008（4）：21 －23

Wang Xin，Wu Wenbin，Zhang Haihong.Numerical Simulation of Starch separation hydrocyclone Based on Fluent［J］.Cereal and Feed Industry，2008（4）：21 －23

［7］張克平，黃建龍，趙春花，等.基于Fluent的小麥籽粒對輥粉磨流場模擬［J］.中國農(nóng)機(jī)化，2011，238（6）：95 －97

Zhang Keping，Huang Jianlong，Zhao Chunhua，et al.Virtual experimental platform design of automobile automatic airconditioner on base of single － chip control［J］.Chinese Agricultural Mechanization，2011，238（6）：95 －97

［8］蔣冬青.輥壓機(jī)破裂過程數(shù)學(xué)模型的建立及計(jì)算機(jī)仿真［J］.中國建材裝備，1999（1）：9 －11

Jiang Dongqing.Establishment of Mathematical Model and Computer Simulation For Roller Press Framentation Process［J］.China Building Material Equipment，1999，（1）：9 －11

［9］李欣.高壓輥磨機(jī)工作機(jī)理研究及磨輥強(qiáng)度有限元分析［D］.吉林：吉林大學(xué)，2004

Li Xin.Study on the working principle of high pressure roller mill and finite element analysis of grinding roller strength［D］.Jilin：Jilin University，2004

［10］顧堯臣.糧食加工設(shè)備工作原理、設(shè)計(jì)和應(yīng)用［M］.武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，1998

［11］Dong L，Johansen ST，Engh T A.Flow induced by an impeller in an unbaffled tank － Ⅱ numerical modeling［J］.Chemical Engineering Science，1994，49 （20）：3511 －3518

［12］沈培玉，趙浩，張?jiān)Ｖ?農(nóng)產(chǎn)品物料高速切割粉碎流場數(shù)值模擬與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（9）：60－65

Shen Peiyu，Zhao Hao，Zhang Yuzhong.Numerical simulation of fluid field for high － speed cutting grinding［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2010，41（9）：60 －65.

Fluid Field Simulation of Wheat Milling Based on Fluent and Experiment Verification

Zhang Keping Tan Cheng Zhang Fengwei
（College of Engineering，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070）

In order to research the properties of flow field characteristics and press distribution rules in wheat milling zone between reduction rollers，and discuss the effects of various operating parameters on the quality of the wheat flour，in this paper we took the smooth roller mill of the experiment flour miller as a research subject，and made use of the computational fluid mechanics software Fluent to simulate values of flour fluid field under different operating parameters such as the feeding quantity of 40，50 and 60 g／min，and roll clearance of 0.10，0.15 and 0.20 mm，as well as the rotate speed of the fast roller of 6，26 and 36 rad／s and the simulation results were validated by milling experiments.The results showed that，with the increase of feeding quantity and rotate speed of the fast roller，as well as the decrease of the roll clearance，the maximum dynamic stress between surface of roller and material，and the dynamic pressure of powder particles flow along the straight line segment increased，and experimental results showed that the ash content of flour decreased；in the pulverizing effective compression zone，when the feeding quantity is60 g／min ，and rotate speed of the fast roller is36 rad／s，and the roll clearance is 0.10 mm，the roller surface pressure along roller is most even，and constant linear pressure curve slope is the largest，the experiment results showed that the gray－level of flour in this working status is minimum with better flour processing effect.

roller milling，F(xiàn)luent，flow field，numberical simulation

TS211.3

A

1003－0174（2016）07－0011－08

國家自然科學(xué)基金（51265001），中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2014M562471），甘肅省高等學(xué)校科研項(xiàng)目（2013A－058），甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)伏羲青年英才培養(yǎng)計(jì)劃（FXYC20130103），甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)青年導(dǎo)師基金（GAU －QNDS－201405）

2014－11－26

張克平，男，1981年出生，副教授，農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)械及材料摩擦磨損