■李 恒 李 輝 吳德勝王紅英邊 遠

(1.中國農業(yè)機械化科學研究院，北京 100083；2.中國農業(yè)大學，北京 100083)

調質是通過濕熱處理及添加液體原料，改善制粒原料的理化性質的工藝過程，是飼料制粒重要的前處理部分，物料在調質器中被不斷剪切，進行水熱反應，達到提高飼料成型特性，改善營養(yǎng)品質，滿足安全衛(wèi)生的目的。

調質器的設計參數(shù)為槳葉形狀、角度、間距，主軸的轉速，調質器的長度等。設計不合理的調質器容易出現(xiàn)堵機、進料不暢、調質時間短等情況。調質時間即物料經過調質器所用的時間，決定了物料參與水熱反應的持續(xù)時間，是調質器結構設計中最重要的參數(shù)。

建立精確的仿真模型分析飼料在調質器內的運動情況，使設計者根據物料的運動狀況發(fā)現(xiàn)調質器設計中的不足，并且預知特定物料的調質時間，具有重要意義。

目前國內外研究中，散粒體在機械體運動的仿真模型構建方法為離散元法。在農業(yè)工程領域，離散元法可以用于谷物顆粒、飼料顆粒等散粒體的機械化提升、混合、粉碎、氣力輸送等的模擬。EDEM是一款比較成熟的離散元仿真軟件，具備構建粘性的顆粒模型能力，模擬導熱的能力，同時還可以與CFD進行較好地耦合。目前已有學者使用CFD-DEM偶合法實現(xiàn)傳熱傳質過程的模擬，為構建調質過程離散元仿真模型提供了依據。

本文以如圖1所示的中國農業(yè)機械化科學研究院中機華豐科技有限公司生產的C400調質器為原型，采用DEM和CFD軟件構建相關模型；對其氣流運動、顆粒運動過程進行模擬。從而為今后不同物料不同生產調質器的開發(fā)的建模和仿真依據，同時為今后調質器傳熱過程的模擬打下基礎。

圖1 C400型調質器

1 幾何模型構建

依據C400調質器幾何形態(tài)，使用proe5.0分別構建調質器軸和調質器腔兩個幾何體。調質器腔如圖2所示，包括腔體、進料口和出料口，進料口側設置3個蒸汽添加點，進料口略長于實際設計，這是由于調質器接收的物料是從較高處的喂料器中落下的。C400調質器調質軸三維模型如圖3所示，包括一個方軸及其固定的葉片。依據C400機型調質器的設計原理，葉片的排布和角度遵循一定規(guī)律；如圖3中標紅的部件，為了使調質均勻、充分，設置若干個反向葉片。

圖2 C400型調質器外殼幾何模型

圖3 C400型調質器轉軸幾何模型

如圖4，將所建幾何體模型以igs形式導入gambit，所得幾何體包括腔體和軸2個獨立的構件，共計396個面，對每個面進行標記，以確定進料口、出料口、進氣口、腔壁和轉軸。如圖5所示，對幾何體模型以15 mm為間距進行網格劃分，腔體得到621 375個網格，軸得到37 061個網格。

2 氣流運動分析

將幾何模型導入CFD軟件，在忽略顆粒影響的情況下進行蒸汽添加和調質軸轉動時空氣的流動情況，設置進料口為速度入口，出料口為壓力出口。依據C400型調質器的相關參數(shù)設置蒸汽壓力和調質軸轉速，以0.02 s為一個步長，每個步長迭代10次，模擬其調質過程中的氣流運動，得到如圖6所示的0～0.2 s的收斂曲線?？梢钥闯龇抡孢^程在40次計算后，速度值能夠收斂于10-2；即使再次出現(xiàn)峰值，不會繼續(xù)收斂，此時的工作時間為0.08 s。

圖4 gambit中調質器幾何體模型

圖5 gambit中調質器網格劃分

圖6 調質器空載仿真運行時氣流運動收斂曲線

圖7為仿真得到的氣流分布圖，選取水平和豎直兩個截面顯示，圖中可以看出，調質腔內蒸汽添加的位置出現(xiàn)了高的空氣速度，而進出口處的空氣流動相對比較穩(wěn)定。圖8為仿真得到的壓力分布圖，所取觀察面通過三個蒸汽添加管的軸心；雖然出現(xiàn)局部的高壓點，但大部分區(qū)域仍為-1～1 mPa，這說明蒸汽已經充分加入到調質腔內，從該圖中可以看出蒸汽添加對改變腔體里的氣壓作用較顯著。

圖9為仿真得到的x向氣流分布圖，同圖7，選取水平和豎直兩個截面顯示，顯示范圍調節(jié)為-1.5×103到1.5×103m/s。蒸汽添加段的氣流運動不僅劇烈而且無明顯規(guī)律，各點方向有的指向出口，有的指向入口；可見，調制器內的氣流不一定有利于將物料送出，所以無法判斷調制器內的氣流對調質時間長短有何影響。故在后續(xù)的CFD-DEM耦合仿真中，不可忽略蒸汽添加對物料運動的影響。

圖7 調質器空載運行時氣流速度分布

圖8 調質器蒸汽添加口壓力分布

圖9 調質器空載運行時軸向氣流速度分布

3 CFD-DEM耦合仿真

將流體黏性模型調整為標準k-ε模型，與EDEM進行耦合。

考慮到散粒體顆粒堆積的孔隙度比粉料大，整個堆積的物料處于“漏風”的蜂窩狀，故減少進氣口壓力參數(shù)設定以使顆粒免于被氣流吹散，使工作過程更接近實際情況。球形顆粒孔隙度約為50%，而調質過程中物料呈現(xiàn)半糊狀，孔隙度僅為20%，二者比例為0.4。孔隙度決定堆積體各截面通風面積；而壓力差一定時，通風面積正比于風速，故可推知孔隙度和風速成正比。根據伯努利方程可知，流體的壓力提供的能量，正比于流速的平方。故本文將入口設置為正常壓力的0.16倍，即孔隙度放大倍數(shù)的平方。調質過程中，物料與水不斷融合，黏度也會增大，故應設置黏結模型。

表1中顆粒與轉軸和槳葉的黏附能量大于其與筒壁的黏附能量，這是為了防止顆粒在仿真過程中在離心力的作用下被過快甩出，從而更加符合調質器實際運行的情況。

表1 EDEM模型中各材料屬性

離散元模型計算的時間步長設置為2×10-5。上一步實驗可知，0.8 s后調質器腔體內氣流場變化不明顯，為了減少計算量，將耦合間隔時間設置較長，為1 s，即CFD的計算步長為1 s。為了便于在如此長的步長內提高收斂性，將每個步長的迭代次數(shù)設置為20。本機型生產時的調質時間為30～40 s，故模擬時間設定為60 s。為了減少EDEM在工作時所占的存儲空間，設置其存儲時隔為0.1 s。

調質器操作時為了防止蒸汽加入過猛導致物料飛濺甚至反流，常采用逐步加汽的方式。預實驗中也發(fā)生了類似的現(xiàn)象，故模擬操作每隔一段時間重新設置蒸汽添加的邊界條件值并初始化：1～10 s的蒸汽壓力設定為10 kPa，10～30 s設置蒸汽壓力為預設值的1/2，30～60 s設置蒸汽壓力為預設值。

圖10為通過CFD-DEM耦合得到的，虛擬調質器加載有物料時氣流運動收斂曲線，時間是30～60 s，即壓力完全加入進氣口后的過程。從圖中還可以看出，45 s后收斂性僅隨時間波動，而不再減少，可見60 s的模擬時間對CFD流場仿真是充足的。

4 結果與分析

圖11為調質器運行時軸向氣流速度分布圖，選取水平和豎直兩個截面顯示。對比圖7可知，3個蒸汽添加口處氣流速度較大，由于料層的阻力作用，距離蒸汽添加口越遠氣流速度越慢。

DEM模擬過程中，可以觀測得到0～21 s內調質器不斷被填充，21 s后顆粒填充率變化不明顯，效果如圖12所示。

圖10 調質器0～60 s仿真運行時氣流運動收斂曲線

圖11 調質器運行60 s氣流速度分布

圖12 0～21 s虛擬調質器工作仿真過程

圖13為仿真過程中出口產生的團簇顆粒?？梢钥闯鲱w粒在調質器的作用下能夠形成黏性的團簇，此圖中出口處能夠看到3個兩顆粒聚集的團簇和1個三顆粒聚集的團簇，被調質的物料也呈團簇狀被翻起，可見本文中采用的接觸模型基本合理。

圖13 顆粒成團性示意圖

圖14為仿真得到的顆粒數(shù)量曲線，可以看出30 s后顆粒數(shù)量維持在7 600～8 000?？芍疚闹惺褂玫奶摂M調制器在工作30 s后進出調質腔的物料量基本持平，達到了穩(wěn)定的工作狀態(tài)。計算并輸出30～60 s內300個狀態(tài)下的顆粒數(shù)量的平均數(shù)，其值為7 876，根據顆粒生成速度300個/s，計算得到的調質時間為26.25 s，約為C400實際的調質時間30～40 s的75%。

圖14 0～60 s時間-顆粒數(shù)量曲線

探討反向葉片對物料的作用效果。在轉軸旋轉整數(shù)圈時，設定如圖3所示的1個反向葉片內出口方向側的40 mm空間為反向葉片的作用范圍。在EDEM中導出該范圍內顆粒的數(shù)量和顆粒的輸送速度并求平均數(shù)。然后導出各時刻整個腔體中入料段和出料段以外的調質段處顆粒的輸送速度并求平均數(shù)。結果如表2所示，速度為負表示顆粒向出口方向移動，速度為正表示顆粒向入口方向移動。

表2 反向葉片處顆粒運動參數(shù)與調質腔整體顆粒運動參數(shù)對比

從表2分析可知，30、35、40、45 s時反向葉片能夠使物料朝向相反的方向運動，其余時刻作用并不明顯。受反向葉片作用顆粒的數(shù)量為3～13個不等，僅占全部被調質物料的0.1%～0.2%。實際設計中反向葉片安裝過多會產生堵機，安裝過少會起不到增加調質時間的作用。C400調制器內這樣的反向葉片占全部數(shù)量的1/6以上，能夠起到減緩物料向出料口推進的作用。

5 結論

CFD-DEM仿真模型能夠對調質器工作時的傳質過程。蒸汽對顆粒運動狀態(tài)影響很大，進行仿真時需要根據顆粒的孔隙度重新設定邊界條件方能達到較好的效果；模型中添加蒸汽時，需要階段性加入，以防止虛擬顆粒的濺出。通過設置離散元中的接觸模型能夠使虛擬顆粒呈現(xiàn)調質過程中的運動狀態(tài)。

使用該法能夠分析調質腔內流場分布、調質時間、葉片安裝方式對顆粒的輸送作用等。流場在顆粒的阻力作用下呈現(xiàn)均勻的特點。通過虛擬粒的數(shù)量和生成速度，能夠計算得到調質時間，仿真得到的調質時間為實際工作過程的75%。模擬得出C400設置的反向葉片能夠起到減緩物料向出料口推進的作用，具有延長調質時間，使調質均勻、充分的功能。

（參考文獻若干篇，刊略，需者可函索）