馬 力孫國友 方書起,2 白 凈,2

(1. 鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001；2. 生物質(zhì)煉制技術(shù)與裝備河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001)

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膨化機(jī)快開門蓋的動(dòng)態(tài)特性研究

馬 力1孫國友1方書起1,2白 凈1,2

(1. 鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001；2. 生物質(zhì)煉制技術(shù)與裝備河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001)

在自行設(shè)計(jì)的新型玉米籽粒膨化機(jī)的基礎(chǔ)上，利用Fluent軟件提供的動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算方法和物理模型，考慮膨化機(jī)內(nèi)部氣體的高溫高壓特性，對膨化機(jī)快開門蓋的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬。通過動(dòng)網(wǎng)格的生成與消亡，較好地解決因門蓋運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的計(jì)算區(qū)域瞬時(shí)變化問題。得到膨化機(jī)在不同內(nèi)部壓力、筒體大小及接管管徑下，門蓋所受壓力、能達(dá)到的最大速度等特性的可視化仿真結(jié)果。結(jié)果表明：膨化機(jī)門蓋運(yùn)動(dòng)的最大速度隨著膨化機(jī)內(nèi)部壓力和膨化機(jī)筒體體積的增加而增大，其所具有的能量隨著接管管徑的增大而增加。

膨化機(jī)；動(dòng)網(wǎng)格；高溫高壓；門蓋

隨著生活水平的不斷提高，人們對爆米花等休閑食品[1-3]的需求量迅速增加。雖然目前市場上存在多種樣式的爆米花機(jī)，但都存在著原料品種單一、生產(chǎn)效率低下等缺點(diǎn)。為此，在老式爆米花機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型的玉米籽粒膨化機(jī)，該膨化機(jī)可對各種谷物原料進(jìn)行加工制作，并且可大大提高單位時(shí)間生產(chǎn)量。

在新型膨化機(jī)的工作過程中，帶壓開啟閥門是一個(gè)必要的步驟。帶壓開啟使得膨化機(jī)內(nèi)部的氣體急速膨脹，壓力迅速減小，玉米籽粒內(nèi)外壓強(qiáng)差變大，導(dǎo)致籽粒內(nèi)高壓水蒸氣急速膨脹，瞬時(shí)爆開米粒，即形成爆米花[4-6]。而膨化機(jī)正常工作壓力可達(dá)到5～6倍的大氣壓，并且內(nèi)部氣體溫度可達(dá)到250 ℃左右，帶壓開啟對閥門的結(jié)構(gòu)有較高的要求，因此，對膨化機(jī)閥門蓋在高壓下的開啟過程進(jìn)行研究可以為閥門蓋的設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)[7-8]。

膨化機(jī)門蓋的動(dòng)力響應(yīng)過程本質(zhì)上是一種流固耦合問題，門蓋在內(nèi)部高壓氣體的作用下脫離原有的位置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)[9-11]。應(yīng)用Fluent動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，對膨化機(jī)閥門蓋帶壓開啟之后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬[12-13]，比較了在不同的初始條件下閥門蓋所能達(dá)到的最大速度，并進(jìn)行了規(guī)律性的總結(jié)，為閥門蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)[14-17]。

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何模型的建立

在新型玉米籽粒膨化機(jī)的設(shè)計(jì)中，采用的是老式爆米花機(jī)的快開閥門的結(jié)構(gòu)型式。圖1為數(shù)值模擬所建立的膨化機(jī)簡化模型。在對膨化機(jī)門蓋的帶壓開啟過程進(jìn)行模擬時(shí)，認(rèn)為閥門蓋只在內(nèi)部高溫高壓氣體的沖擊作用下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，因此，對于實(shí)際設(shè)備中對運(yùn)動(dòng)響應(yīng)過程影響不大，但卻極大地增加收斂難度的附件結(jié)構(gòu)采取了忽略處理。

1.2 基本假設(shè)

本研究中膨化機(jī)門蓋的數(shù)值模擬過程采用二維條件下的軸對稱分析。如圖1所示，簡化后的物理模型不論從結(jié)構(gòu)上還是從施加的載荷上來說都滿足二維軸對稱問題的分析條件。數(shù)值模擬中采用的主要假設(shè)如下：

① 認(rèn)為膨化機(jī)內(nèi)部的介質(zhì)為高溫高壓空氣，溫度設(shè)置為550 K，外部大氣環(huán)境溫度設(shè)置為300 K，壓力為101 kPa；

② 內(nèi)部氣壓在初始狀態(tài)時(shí)保持穩(wěn)定；

③ 忽略重力對門蓋的作用；

④ 膨化機(jī)筒體與門蓋的變形微小，均可忽略不計(jì)，認(rèn)為這兩者都為剛體。

1. 筒體 2. 接管 3. 法蘭 4. 閥門蓋

1.3 控制方程

為了真實(shí)地模擬計(jì)算膨化機(jī)門蓋運(yùn)動(dòng)過程中的特性，在流體軟件Fluent的基礎(chǔ)上，利用用戶自定義函數(shù)UDF實(shí)現(xiàn)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，采用二維軸對稱模型對膨化機(jī)門蓋的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了非定常數(shù)值模擬，獲得了門蓋在運(yùn)動(dòng)過程中整個(gè)計(jì)算域的流場狀態(tài)及門蓋的運(yùn)動(dòng)特性。以下是本研究數(shù)值模擬中所使用的控制方程：

(1) 連續(xù)性方程：

(1)

式中：

ρ——流體密度，kg/m3；

t——時(shí)間，s；

u——速度張量，m/s；

i——坐標(biāo)軸方向，i=1,2,3分別為x，y，z坐標(biāo)軸方向。

(2) 能量方程：Fluent中的能量方程的形式為

(2)

式中：

keff——有效熱導(dǎo)率，W/(m·k)；

Sh——源項(xiàng)，W/m3。

式(2)等號右邊的前三項(xiàng)分別表示由于導(dǎo)熱、組分?jǐn)U散和粘性耗散所產(chǎn)生的能量傳遞。

(3) 湍流方程：湍流方程采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，是一種兩方程形式的湍流模型。這種模型把湍流的粘性與湍流動(dòng)能(k)和耗散率(ε)相聯(lián)系，建立起他們與渦粘性的關(guān)系，這種模型在工程上被廣泛采納。因此應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程，其方程如下：

湍動(dòng)動(dòng)能方程

(3)

湍動(dòng)能耗散率ε方程

(4)

式中：

μl——層流的粘性系數(shù)，m2/s；

μt——湍流的粘性系數(shù)，m2/s；

Gk——由于層流速度梯度的存在而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，J；

Gb——由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，J；

C1ε、C2ε、C3ε、σk和σε——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

(4) 氣體的狀態(tài)方程：在模擬中應(yīng)用了理想狀態(tài)下的氣體方程，如下所示

(5)

式中：

pop——實(shí)際操作壓力，Pa；

p——標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓，Pa；

Mw——?dú)怏w的摩爾質(zhì)量，kg/mol。

1.4 邊界條件

由于膨化機(jī)筒體、接管和門蓋處的固體變形均可忽略不計(jì)，故用來限定流體區(qū)域，定義壁面邊界2；由于本模型形狀及其所受載荷具有軸對稱幾何體的特性，所以定義邊界1為對稱軸；對膨化機(jī)門蓋失去約束后運(yùn)動(dòng)的瞬態(tài)過程來說，高壓氣體存在一定的回流流動(dòng)，所以外流場邊界條件使用壓力出口邊界3，壓力設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力(101 kPa)，與實(shí)際情況是相符的。在初始狀態(tài)下，膨化機(jī)內(nèi)外所受壓力不同，因此應(yīng)對流場內(nèi)外兩個(gè)區(qū)域分別賦予不同的初始壓力。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 膨化機(jī)門蓋運(yùn)動(dòng)過程分析

在有機(jī)化學(xué)中就講述過羧酸可以被還原，但脂肪酸在高溫及催化劑存在下往往被氫化還原為醇，所以此類還原反應(yīng)被稱為氫解（或氫化反應(yīng)）。

首先以膨化機(jī)內(nèi)部壓力設(shè)置為0.5 MPa、膨化機(jī)體積0.08 m3、接管大小為φ150×4.5 mm為初始模型，對膨化機(jī)門蓋的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行模擬分析。圖3、4分別表示在膨化機(jī)門蓋飛出之后，其所受壓力和速度隨時(shí)間的變化圖線。由圖3、4可知，當(dāng)膨化機(jī)門蓋開始運(yùn)動(dòng)，其所受壓力在0.04 s的時(shí)間內(nèi)迅速降低，同時(shí)門蓋的速度有一個(gè)快速增加的過程；當(dāng)門蓋運(yùn)動(dòng)0.04 s后，其所受壓力基本上趨于平衡，此時(shí)門蓋的速度也達(dá)到最大值；之后，由于模擬過程中忽略了重力作用，門蓋會(huì)在前后壓差的作用下速度略有減小，依靠慣性一直運(yùn)動(dòng)下去。

圖2 (a/b)邊界條件示意圖

由圖5可知，在膨化機(jī)門蓋接觸約束開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到膨化機(jī)內(nèi)部壓縮空氣的強(qiáng)烈沖擊，膨化機(jī)內(nèi)部壓力迅速降低，而門蓋在此沖擊作用下，會(huì)有明顯的加速過程，這和圖4中門蓋的速度曲線相吻合；達(dá)到最大速度后，門蓋運(yùn)動(dòng)方向上的壓力大于背面的壓力，并且兩面壓力差較小，門蓋就會(huì)以一種緩慢的減速過程一直運(yùn)動(dòng)下去。

本研究對所用模型主要從膨化機(jī)內(nèi)部壓力、膨化機(jī)筒體體積和接管管徑大小三方面對門蓋的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了研究。根據(jù)模擬結(jié)果顯示，在上述3種因素影響下，膨化機(jī)門蓋的受力曲線和速度曲線的走向基本一致，不同的是門蓋所能達(dá)到的最大速度以及達(dá)到最大速度時(shí)的位移，因此，本研究以最大速度和位移為研究目標(biāo)，對3種因素下膨化機(jī)門蓋的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了規(guī)律性的分析。

2.2 膨化機(jī)內(nèi)部壓力對門蓋的影響

表1為在不同的膨化機(jī)內(nèi)部壓力下，門蓋所能達(dá)到的最大速度以及達(dá)到最大速度時(shí)門蓋的位移情況。

由表1可知，隨著膨化機(jī)內(nèi)部壓力的增大，門蓋所能達(dá)到的最大速度隨之增加，達(dá)到最大速度時(shí)門蓋的位移也有所增加，而達(dá)到最大速度時(shí)門蓋運(yùn)動(dòng)所經(jīng)歷的時(shí)間卻略有減小。結(jié)合上述門蓋運(yùn)動(dòng)過程中的流場變化情況可知，主要是因?yàn)樵谳^大壓力下開始膨化時(shí)，門蓋飛出速度較快，導(dǎo)致膨化機(jī)內(nèi)部的壓縮氣體向外擴(kuò)散的通道變大，作用在門蓋上的壓力減小，使得膨化機(jī)門蓋在較短時(shí)間內(nèi)就達(dá)到平衡狀態(tài)，也即達(dá)到最大速度。為了精確地表示快開門蓋所能達(dá)到的最大速度(vm)和筒體內(nèi)部壓力(p)之間的關(guān)系，運(yùn)用Origin軟件對兩者之間的數(shù)據(jù)關(guān)系進(jìn)行擬合，得到兩者之間的關(guān)系圖線為：

vm=39.63p-1.95(R2=0.999)。

圖3 快開門蓋壓力隨時(shí)間變化曲線

圖4 快開門蓋速度隨時(shí)間變化曲線

圖5 不同運(yùn)動(dòng)時(shí)刻壓力云圖

壓力/MPa時(shí)間/s位移/m速度/(m·s-1)0．50．1161．30922．70．60．1112．12927．80．70．1052．37533．90．80．1002．57338．80．90．0972．81843．5

(6)

由式(6)可知，最大速度和筒體內(nèi)部壓力之間呈現(xiàn)一種正相關(guān)關(guān)系。

2.3 膨化機(jī)體積對門蓋運(yùn)動(dòng)的影響

表2為在不同的膨化機(jī)筒體體積下，門蓋達(dá)到的最大速度與所經(jīng)歷的時(shí)間和位移的關(guān)系。其中，5種膨化機(jī)筒體體積是在保持一定徑高比的前提下進(jìn)行放大的。

由表2可知，門蓋所能達(dá)到的最大速度以及達(dá)到最大速度所經(jīng)歷的時(shí)間和位移均隨著膨化機(jī)筒體體積的增加而增大。需要指出的是，雖然上述5種模型中膨化機(jī)的體積增加，但并沒有改變接管的管徑大小，也就是說膨化機(jī)筒體的內(nèi)徑和接管管徑的比值在不斷擴(kuò)大，這就導(dǎo)致門蓋在運(yùn)動(dòng)過程中受到的膨化機(jī)內(nèi)部壓縮氣體的沖擊作用時(shí)間在不斷增加，使得門蓋在較遠(yuǎn)距離處才達(dá)到平衡狀態(tài)，即達(dá)到最大速度。同樣擬合出最大速度和筒體體積(V)之間的數(shù)量關(guān)系式：

表2 不同體積下快開門蓋的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

(7)

其曲線形式見圖6。

圖6 最大速度和筒體體積之間的關(guān)系圖線

由圖6可知，最大速度的走勢隨著體積的增大而逐漸變緩，這說明當(dāng)體積增加到一定值時(shí)，在給定的內(nèi)部壓力和管徑下，筒體體積對最大速度的影響有所減小。

2.4 接管管徑對門蓋運(yùn)動(dòng)的影響

表3為不同接管管徑對門蓋所能達(dá)到的最大速度以及達(dá)到最大速度所經(jīng)歷的時(shí)間和位移的影響。其中膨化機(jī)筒體體積選取0.37 m3，內(nèi)部壓力設(shè)置為0.5 MPa。

由表3可知，隨著接管管徑的增大，門蓋達(dá)到最大速度所經(jīng)歷的時(shí)間和位移均呈現(xiàn)減小趨勢，這是由于管徑增大導(dǎo)致膨化機(jī)內(nèi)部氣體擴(kuò)散通道擴(kuò)大，其對門蓋的沖擊作用時(shí)間減少，位移也隨之減小。但在門蓋所能達(dá)到的最大速度減小的同時(shí)，門蓋的質(zhì)量卻隨著接管管徑的增大而增加，所以為了更好地比較管徑對門蓋運(yùn)動(dòng)的影響，將以門蓋達(dá)到最大速度時(shí)所具有的動(dòng)能為目標(biāo)，見圖7。

表3 不同接管管徑下快開門蓋的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

由圖7可知，隨著接管管徑的增大，門蓋運(yùn)動(dòng)過程中所具有的能量也隨之增加，基本上呈現(xiàn)出一種正比例關(guān)系。

圖7 門蓋能量的變化圖線

3 結(jié)論

本研究建立了膨化機(jī)門蓋的物理模型和仿真模型，利用Fluent軟件的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)流場的數(shù)值模擬，并對模擬結(jié)果進(jìn)行了分析。由分析可知：

(1) 當(dāng)膨化機(jī)門蓋開始運(yùn)動(dòng)，其所受壓力在很短的時(shí)間內(nèi)迅速降低，同時(shí)門蓋的速度有一個(gè)快速增加的過程；當(dāng)門蓋運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后，其所受壓力基本上趨于平衡，此時(shí)門蓋的速度也達(dá)到最大值；最終依靠慣性繼續(xù)飛行。

(2) 在不同的筒體內(nèi)部壓力作用下，膨化機(jī)門蓋的運(yùn)動(dòng)過程基本相同，但其所能達(dá)到的最大速度隨著膨化機(jī)內(nèi)部壓力的增加而增大。

(3) 由于接管管徑大小的限制，隨著膨化機(jī)體積的增加，其對門蓋的作用時(shí)間延長，造成門蓋達(dá)到最大速度時(shí)其運(yùn)動(dòng)時(shí)間和位移均呈增加趨勢。

(4) 在一定的膨化機(jī)體積和內(nèi)部壓力下，隨著接管管徑的增大，膨化機(jī)內(nèi)部壓縮氣體擴(kuò)散的通道不斷擴(kuò)張，使得氣體作用于門蓋的時(shí)間縮短，位移減小，但門蓋達(dá)到最大速度時(shí)所具有的能量卻在不斷增加。

本研究并沒有考慮重力對門蓋運(yùn)動(dòng)的影響，并且是在二維的情況下進(jìn)行研究和分析的，雖然有利于對問題的簡化，但與實(shí)際情況之間存在一定的差距，因此以后的研究可以考慮在三維且考慮重力因素情況下來分析膨化機(jī)門蓋的實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程。

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Dynamic characteristics of quick actuating valve of expangding machine

MA Li1SUNGuo-you1FANGShu-qi1,2BAIJing1,2

(1.SchoolofChemicalEngineeringandEnergy,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou,Henan450001,China;2.EngineeringLaboratoryofHenanProvinceforBiorefineryTechnologyandEquipment,Zhengzhou,Henan450001,China)

expanding machine; dynamic mesh; high temperature and pressure; the valve; the movement

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號：21176227)

馬力，男，鄭州大學(xué)在讀碩士研究生。

方書起(1964—)，男，鄭州大學(xué)教授。

E-mail：fangsq@zzu.edu.cn

2016-02-08

Abstracct: The movement of the quick actuating valve of expanding machine was simulated by using the calculation and physical models of Fluent software, considering the condition of the gas with high temperature and pressure, and this was newly self-designed for the corn grain. The problem of regional instaneous change in calculation area resulted by valve moving was well solved with generation and disappearance of dynamic mesh. The visualization simulation results of the pressure on the valve and the maximum velocity of the valve, produced at different internal pressure, volume, and the pipe diameter were. The results showed that the maximum velocity of the quick actuating valve of expanding machine increaseed with the internal pressure and the volume of the expanding machine, and the energy of the valve increases with the pipe diameter.