朱德文 趙維松 宗文明 曲浩麗 謝 虎 曹 杰

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014； 2.安徽農(nóng)業(yè)大學工學院，合肥 230036)

斷齒式擠壓脫水流道內(nèi)流場數(shù)值模擬

朱德文1趙維松1宗文明2曲浩麗1謝 虎1曹 杰1

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014； 2.安徽農(nóng)業(yè)大學工學院，合肥 230036)

為了探討在間斷距離影響下斷齒式螺旋流道的脫水性能，采用雙流體模型對斷齒螺旋在20、35、50 mm 3種間斷距離下的流場進行數(shù)值模擬，對比分析了3種結構參數(shù)模型下斷齒式螺旋脫水裝置工作性能、流道內(nèi)顆粒濃度分布、顆粒速度分布及多孔介質區(qū)域內(nèi)外壓差分布情況。研究表明，數(shù)值模擬結果能夠較為準確地推測斷齒式螺旋擠壓脫水裝置的內(nèi)部流動特性。50 mm間斷距離下斷齒式螺旋擠壓脫水裝置工作效率最大下降了7.9%，20 mm間斷距離下出渣口顆粒體積分數(shù)下降3.2%；流道內(nèi)顆粒體積分數(shù)變化分3個階段，整體呈波浪型遞增式趨勢，間斷長度對腔體內(nèi)部流態(tài)影響較大。間斷區(qū)對顆粒運動具有一定的緩沖作用，間斷距離長短能夠控制顆粒在腔體內(nèi)的滯留時間。多孔介質區(qū)域內(nèi)外側壓差在脫水后期增幅最大，相同工況下間斷距離越小壓差越大。本次模擬計算下最優(yōu)間斷距離為35 mm、出渣口壓力為5 000 Pa、轉速為50 r/min。該研究可為斷齒式螺旋擠壓脫水裝置的設計提供參考。

斷齒式螺旋； 間斷距離； 顆粒體積分數(shù)； 顆粒速度； 數(shù)值計算

引言

螺旋擠壓分離機是利用特殊的螺旋擠壓部件，在輸送物料過程中，通過擠壓力使物料快速脫水，具有性能穩(wěn)定、結構緊湊、成本低、易于維修等優(yōu)點[1-6]。螺旋擠壓部件是決定其性能的關鍵部件，根據(jù)其結構形式可分為連續(xù)式螺旋和斷齒式螺旋，斷齒式螺旋在保持連續(xù)螺旋性能基礎上，具有處理能力大、適應范圍廣等優(yōu)點[7-9]。目前針對畜禽糞污處理的應用研究較少，尤其在結構設計及內(nèi)部流場特性等方面研究未見報道。

部分學者對斷齒式螺旋擠壓脫水裝置的結構設計及數(shù)值模擬進行了研究。關正軍等[10]對螺旋擠壓式固液分離機工作參數(shù)進行了優(yōu)化，得出出料端初始壓力為3 250 N，轉速60 r/min時牛糞尿分離效果較好；申江濤等[11]設計了一種斷式螺旋擠壓固液分離機，驗證得出該結構處理畜禽糞污效果較好。武軍等[12]將連續(xù)螺旋和斷式螺旋2種分離機進行了性能對比，進一步指出了斷式螺旋擠壓分離機的性能優(yōu)勢與應用前景。但斷齒式螺旋擠壓脫水機的設計主要還是參照連續(xù)式螺旋擠壓脫水機設計方法及依靠設計者經(jīng)驗，仍存在較多問題。在擠壓理論方面，李鑫[13]基于塑料擠出機理論對螺旋擠壓脫水機機理進行了研究，并建立了擠壓脫水過程的數(shù)學模型。文獻[14-16]利用人工智能系統(tǒng)對壓榨過濾進行了建模研究。文獻[17-19]對泵內(nèi)液固兩相流流場進行了多方面數(shù)值模擬。張龍龍等[20]利用計算流體動力學(Computation fluid dynamics, CFD)技術對秸稈螺旋擠壓脫水機葉片強度和變形進行了流固耦合分析，得出了出口壓力與葉片強度之間的關系。邱愛紅等[21]對變徑變螺距螺旋進行了參數(shù)化建模，并利用混合模型對其進行了性能仿真。周翠紅等[22]運用雷諾應力方程模型和離散相模型對臥式螺旋沉降離心機的三維流場進行了數(shù)值模擬，分析表明螺旋結構參數(shù)和污泥黏度對脫水效果具有較大影響。張念猛等[23]基于Fluent技術，對污泥脫水螺旋壓榨機的流場進行了分析，得到了流場的壓強和速度分布規(guī)律。

斷齒螺旋脫水性能已有初步研究成果，但是流道內(nèi)物料流動特性以及斷齒結構對脫水性能的影響規(guī)律尚不明晰。本文基于CFD技術和臺架試驗對斷齒式螺旋擠壓脫水過程進行數(shù)值模擬計算，對斷齒式葉片影響下的螺旋擠壓式分離機脫水性能進行研究，以期為斷齒式螺旋擠壓脫水裝置結構設計及內(nèi)部流場規(guī)律探索提供參考。

1 工作原理與仿真模型

1.1 斷齒式螺旋擠壓脫水裝置原理

斷齒式螺旋擠壓脫水裝置數(shù)值計算模型如圖1所示，工作時，糞污被泵入擠壓腔體后，在螺旋的不斷推動下向前輸送[24]。物料在輸送過程中受螺旋葉片推力、出料口阻力及篩網(wǎng)摩擦力等綜合作用，形成物料與螺旋、物料與篩網(wǎng)以及物料與物料之間的摩擦力，通過出口壓力控制、葉片間斷距離和螺距變化等手段使得物料在腔體內(nèi)不斷受擠壓作用而脫水，液體由篩網(wǎng)滲流出去，截留在篩網(wǎng)內(nèi)部的殘渣由出渣口排出，進而完成擠壓脫水作業(yè)。

圖1 數(shù)值計算模型Fig.1 Computational domain model1.篩網(wǎng) 2.儲水區(qū)域 3.斷齒式螺旋擠壓脫水部件

圖2 斷齒式螺旋擠壓脫水部件結構圖Fig.2 Structure diagram of interrupted-whorl screw

斷齒式螺旋擠壓脫水裝置由農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所自行研制，江蘇興農(nóng)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰局谱鳎瑪帻X式螺旋擠壓脫水部件如圖2所示，該部件分為連續(xù)式螺旋葉片及斷齒式螺旋葉片，進料段為連續(xù)螺旋，總長為1.5倍螺距，擠壓段為斷齒式螺旋葉片，長度等于該段螺距，兩間斷處之間構成一個螺旋單元，共4個螺旋單元，主要幾何參數(shù)如表1所示。

表1 斷齒式螺旋主要結構參數(shù)Tab.1 Main structural parameters of interrupted-whorl screw mm

1.2 模型建立及網(wǎng)格劃分

本文基于雙流體模型對斷齒式螺旋擠壓部件進行全流道數(shù)值模擬[25]，目的是研究斷齒式螺旋結構對裝置脫水性能的影響，并與臺架試驗結果相比較，驗證仿真模型的準確性。首先利用三維建模軟件Creo 2.0對螺旋部件進行建模，然后導入Fluent前處理軟件Gambit中進行篩網(wǎng)區(qū)域和篩網(wǎng)外部排水區(qū)域建模和網(wǎng)格劃分。采用Gambit對計算域進行網(wǎng)格劃分，螺旋擠壓區(qū)域因葉片不規(guī)則，采用非結構四面體網(wǎng)格，篩網(wǎng)區(qū)域及多孔介質區(qū)域采用結構網(wǎng)格，在螺旋葉片周圍及多孔介質區(qū)域進行網(wǎng)格加密，以適應分析的精細性要求。經(jīng)檢驗，網(wǎng)格整體質量在0.4以上，質量較好。在網(wǎng)格無關性分析時，不斷改變網(wǎng)格數(shù)量進行數(shù)值計算，發(fā)現(xiàn)當網(wǎng)格增加到90萬時，脫水裝置的處理量趨于定值。整體網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 計算區(qū)域網(wǎng)格Fig.3 Computational domain grids1.進料口 2.多孔介質域 3.出渣口 4.出水口 5.水域 6.螺旋擠壓域

1.3 數(shù)學模型

將糞污中液相視為連續(xù)相，把固相視為球形顆粒群，視為擬流體。采用歐拉-歐拉雙流體模型對流體在螺旋中運動過程進行描述，引入相體積分率概念，在歐拉坐標系中對每一項控制方程進行求解[26]。

液相的連續(xù)性方程為

(1)

固相的連續(xù)性方程為

(2)

其中

αl+αs=1

(3)

式中αl、αs——液固兩相在體系中的體積分數(shù)

ρl、ρs——液固兩相的密度

Vl、Vs——液固兩相的速度矢量

t——時間

液相的動量守恒方程為

(4)

固相的動量守恒方程為

(5)

式中p——靜壓g——重力加速度

ps——顆粒壓力

τl——液相湍流脈動產(chǎn)生的雷諾應力

τs——顆粒相互碰撞及非湍流脈動作用產(chǎn)生的顆粒相互作用力

Fex——液固兩相的相互作用力

篩網(wǎng)部分引入多孔介質模型，多孔介質作為流場的一個動量源項，主要影響多孔介質區(qū)域的壓力梯度，其中包含粘性損失項和慣性損失項。

動量源項方程為

(6)

式中si——動量源項

α——粘性阻力系數(shù)

c2——慣性阻力系數(shù)v——速度

ρ——流體密度

vi——垂直于多孔介質表面的速度分量

顆粒的曳力、顆粒與顆粒以及顆粒與邊界碰撞是造成顆粒運動的原因，顆粒碰撞導致能量損失并引發(fā)顆粒速度脈動，這里引入擬顆粒溫度來描述顆粒脈動速度[27]，其方程為

(7)

式中θs——擬顆粒溫度

I——單位張量

kθs——固相能量擴散系數(shù)

γθs——碰撞損耗的能量

φls——固相與液體或固相間交換的能量

根據(jù)以上方程建立螺旋腔內(nèi)多相流流動模型，在有螺旋面段，斷齒螺旋的轉動對液固兩相產(chǎn)生力的作用，并在液相中進行壓力傳遞；當流體運動到無螺旋面的斷齒處，液固兩相運動狀態(tài)發(fā)生改變，此時固相壓力主要由液相提供，斷齒處壓力突變方程無法直接給出，它是由連續(xù)性方程間接規(guī)定的[28]。流體在間斷段處于緩沖帶，脫水時間延長，增強了脫水效果，流體不斷輸送保證整個脫水過程持續(xù)進行。

為了對上述方程進行求解，應用k-ε混合湍流模型對其中雷諾應力和相間作用力進行封閉，采用Phase Couple Simple耦合求解器進行求解，采用基于有限體積法的ANSYS 15.0軟件進行計算。數(shù)值模擬過程中，作以下假設：

(1)為方便計算，對模型進行適當簡化，考慮出料端配重機構復雜，且在分離過程中僅用于控制出渣口壓力，軸頭等部件是動力機構，因此忽略軸頭、配重等機構，其作用由邊界條件設置替代，因此對斷齒式螺旋的脫水過程進行計算即可模擬機具實際工作過程。

(2)篩網(wǎng)結構復雜、網(wǎng)格劃分難度大，多孔介質模型是解決該問題的有效手段，螺旋葉片厚度統(tǒng)一取10 mm，其余尺寸均按照實際設計尺寸進行建模。

(3)豬糞污是成分極其復雜的固液混合物，直接建模難度較大，糞污中固相為大小各異的顆粒物。將糞污視為具有一定粘度的液相和顆粒相的混合物，固液兩相相互滲透[29-30]。實際糞污原料中固形物可壓縮，考慮研究對象固形物干物質含量較低，物料中液相占主導地位，為方便模型的建立，假設物料為不可壓流體。

1.4 初始條件和邊界條件

在歐拉-歐拉雙流體基礎上，引用多重參考系法(Multi-reference frame，MRF)預測斷齒式螺旋擠壓腔內(nèi)液固兩相流運動狀態(tài)，將計算域分為動區(qū)域和靜區(qū)域。動區(qū)域內(nèi)流體設定為螺旋葉片及螺旋軸的旋轉速度，螺旋葉片及螺旋軸為壁面邊界，相對于動區(qū)域轉速為零，靜區(qū)域內(nèi)均為靜止壁面邊界，兩區(qū)域交界面均通過Interface完成信息交換。采用壓力出口替代出料段配置機構，進料條件為液相0.5 m/s，顆粒相0.2 m/s，出水口為自由出水口，出渣口壓力3 000、5 000、8 000 Pa。計算的初始條件為：物料初始溫度253.15 K；顆粒體積分數(shù)18%；壓強1.013×105Pa；物料條件為：液相密度1 000 kg/m3，液相動力粘度0.005 kg/(m·s)，顆粒密度1 200 kg/m3，顆粒動力粘度0.001 kg/(m·s)，多孔介質區(qū)域設置孔隙率ε=0.4，滲透系數(shù)1/α為2.11×1010(液相)、2.11×106(顆粒)，慣性阻力系數(shù)c2為1.01×106(液相)、1×1010(顆粒)。

2 結果與分析

2.1 計算與試驗結果對比

研究的斷齒式螺旋擠壓脫水裝置d=35 mm模型已加工成實體，并在臺架上進行了性能試驗。試驗裝置如圖4所示。試驗材料取自江蘇海門市某養(yǎng)豬場新鮮豬糞，自來水稀釋固相體積分數(shù)為18.52%，進料速度、進料濃度、出口壓力等條件與數(shù)值模擬時保持一致，以保證試驗結果的可比性。試驗結果與數(shù)值模擬結果對比如圖5所示，圖中N表示試驗轉速，r/min，Ndes表示設計轉速，r/min。

圖4 斷齒式螺旋擠壓脫水裝置實物圖Fig.4 Real photo of interrupted-whorl screw separator1.樣機 2.斷齒式螺旋

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結果對比(圖5a)可知，計算值略高于試驗值，在設計工況點，分離效率數(shù)值模擬結果與試驗結果非常接近，轉速-顆粒體積分數(shù)曲線整體擬合度較好，顆粒體積分數(shù)最大偏差為13.25%。分析誤差原因為：①雙流體模型中認為對顆粒相產(chǎn)生主要作用的是流體運動，因而忽略了顆粒群相互之間及顆粒與篩網(wǎng)等其他壁面的互相摩擦，但實際分離中，尤其在出渣口固含量較大，這些摩擦與碰撞作用對結果產(chǎn)生了一定影響。②數(shù)值計算時沒有考慮壁面粗糙度、機械損失等因素，其次是對物料條件、邊界條件等設置是理想化狀態(tài)，與實際試驗采用的物料特性及機具條件存在不可避免的差異。③由于實際試驗過程中，物料條件均勻性未達到理想狀態(tài)，顆粒直徑不同，其他雜質的摻入都易導致試驗誤差的產(chǎn)生。但整體而言，數(shù)值模擬的分離效率、出渣口顆粒體積分數(shù)與試驗值變化趨勢基本一致，偏差范圍較小，說明數(shù)值計算結果可靠，計算模型及方法正確可行，該模型能夠用來預測其性能。

圖5 斷齒式螺旋脫水特性Fig.5 Dewatering characteristics of interrupted-whorl screw separator

由圖5b可以看出，間斷距離為20、35、50 mm 3種模型的分離效率及出渣口顆粒體積分數(shù)具有較明顯差異，間斷距離越大分離效率下降程度越明顯，在0.2Ndes～1.4Ndes之間，分離效率先增后減，高效點向高轉速偏移。在0.85Ndes～1.4Ndes之間，20 mm模型和35 mm模型分離效率差不斷減小，最小差值小于2%，在設計工況點，50 mm模型分離效率下降最大幅度達到7.9%。工作轉速增加，出渣口顆粒體積分數(shù)均明顯下降，設計工況點20 mm模型相對35 mm模型出渣口顆粒體積分數(shù)下降3.2%。由此可見，間斷距離較大程度地影響了螺旋擠壓脫水裝置的性能，間斷距離誘發(fā)腔體內(nèi)部流體的不規(guī)律運動，改變顆粒運動速度及路徑是影響分離效率及出渣口顆粒體積分數(shù)的主要原因。

2.2 流道內(nèi)顆粒體積分數(shù)分布

受斷齒式螺旋葉片的影響，顆粒在螺旋腔體內(nèi)分布規(guī)律不再滿足傳統(tǒng)連續(xù)螺旋的計算公式，螺旋腔內(nèi)物料特性測試難度大，數(shù)值計算方式為研究螺旋腔體內(nèi)顆粒分布規(guī)律提供了有效手段。為便于分析，選取了幾個具有代表性的線和截面，3條線為L1:X=-70 mm，L2:Z=80 mm，L3:X=90 mm，截面過間斷處中點，如圖6所示。顆粒體積分數(shù)在L1、L2和L3處的分布曲線如圖7所示。

圖6 線及截面位置示意圖Fig.6 Position of lines and axial sections

圖7 顆粒體積分數(shù)分布曲線Fig.7 Distribution curves of particle volume fraction

如圖7a所示，在線L1上，0.57d模型和1.42d模型在0～0.44 m段顆粒體積分數(shù)變化較為平緩，有小范圍波動，波峰較小。d模型在0～0.46 m段顆粒體積分數(shù)曲線波動較為明顯，波幅較大，0.46～0.5 m處顆粒體積分數(shù)增長速率最快，且大于0.57d模型和1.42d模型。

如圖7b所示，在線L2上，3個模型的顆粒體積分數(shù)在0～0.4 m段均呈波動型上升趨勢，體積分數(shù)增幅較為明顯。0.57d和1.42d模型第一個峰值點(Y=0.2 m)位置較d模型出現(xiàn)較早，但峰值點前段顆粒體積分數(shù)均小于d模型相應位置顆粒體積分數(shù)；在0.2～0.44 m段，d模型顆粒體積分數(shù)變化較0.57d和1.42d模型激烈，波谷區(qū)域廣且平緩，各點體積分數(shù)均呈上升趨勢，表明該段顆粒群具有良好集聚效應，能夠快速實現(xiàn)固液分離，0.5d模型和1.42d模型顆粒體積分數(shù)在此段波動幅度較小，脫水效果較d模型差。

如圖7c所示，在線L3上，3個模型在0～0.2 m段顆粒體積分數(shù)增長速率均較快，隨后在較高體積分數(shù)值范圍內(nèi)波動變化，最后趨于穩(wěn)定。0.57d模型和1.42d模型在0.2～0.48 m段波峰和波谷變化幅度較小，d模型在0.22 m處出現(xiàn)一明顯波谷，隨后持續(xù)增長至下一波峰，形成類似“w”形變化趨勢直至穩(wěn)定，且“w”段前半部分顆粒體積分數(shù)大于0.57d模型，后半部分顆粒體積分數(shù)大于1.42d模型。3個模型在無螺旋面段顆粒體積分數(shù)均產(chǎn)生突變現(xiàn)象，先是達到最低值，然后呈快速上升趨勢，區(qū)別在于0.57d模型和d模型顆粒體積分數(shù)保持連續(xù)增長，而1.42d模型顆粒體積分數(shù)在無螺旋面段內(nèi)增長過程中還出現(xiàn)了較小波動。其次，通過不同徑向距離曲線變化可以看出，離軸心徑向距離越遠的位置顆粒體積分數(shù)越大，越靠近軸心位置顆粒體積分數(shù)越小，主要是因為半徑越大切向速度越大，顆粒與篩網(wǎng)之間摩擦作用力越大，越有利于固液分離。上述分析表明，斷齒距離d對流道內(nèi)顆粒體積分布的影響較大，且d值不同影響程度差異較大，小間距模型易在流道前端形成高顆粒體積分數(shù)段，且出渣口顆粒體積分數(shù)偏低；大間距模型在無螺旋面段易出現(xiàn)顆粒聚集不均，影響分離效率。

為了研究整個流道內(nèi)顆粒體積分數(shù)變化規(guī)律，在出渣口和靠近出渣口處的4個間斷部位中間處沿垂直于螺旋軸線方向截得5個截面，沿螺旋軸線垂直于進口端面獲得全流道剖面共6個截面顆粒體積分數(shù)分布圖，如圖8所示。由圖8可知，0.57d模型、d模型和1.42d模型顆粒體積分數(shù)由進口到出渣口均明顯遞增，0.57d模型顆粒體積分數(shù)最大值小于d模型和1.42d模型，但最小值高于d模型，d模型最小值高于1.42d模型。d模型中，經(jīng)過一段脫水作用后，在截面2和截面3直接能夠獲得較高顆粒體積分數(shù)，高顆粒濃度段相對較短，周向顆粒濃度均勻性較好，而0.57d模型和1.42d模型中，高顆粒濃度段較長，既不利于快速卸料又極易造成篩網(wǎng)堵塞、出渣口堵塞，由于間斷距離過大或過小，在斷齒葉片的攪動影響下，間斷處顆粒體積分數(shù)周向變化均勻性差(截面6)，0.57d模型和1.42d模型在截面6上均出現(xiàn)兩塊低濃度區(qū)域(b處、c處)，導致出渣口顆粒體積分數(shù)均勻性較差。

2.3 流道內(nèi)顆粒速度分布

在角速度2 rad/s，出渣口壓力5 000 Pa條件下，提取螺旋腔體內(nèi)L1、L2、L3 3條直線上顆粒速度數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖8 不同模型全流道截面顆粒體積分數(shù)分布圖Fig.8 Full port section particle volume fraction distribution diagrams of different models

圖9 流道內(nèi)顆粒速度變化曲線Fig.9 Variation curves of particle velocity in interrupted-whorl screw flow channel

由圖9可知，顆粒速度在輸送過程中呈波浪式波動，且波峰與波谷速度差較大，在0～0.2 m階段顆粒速度變化較為一致，0.2～0.7 m階段速度變化差異性較大。這主要是由于在單位螺旋腔內(nèi)，受斷齒式螺旋面的影響，靠近螺旋面處顆粒速度較大，在無螺旋面的間斷處，顆粒速度迅速降低，然后在下個螺旋起始端面旋轉作用下速度再次提升，每個螺旋單元形成一個小循環(huán)，最終到達出渣口時被排出腔外。由此可見，在相同流道長度情況下，斷齒式螺旋的設計延長了物料在腔體內(nèi)停留時間，因而更有利于脫水。

圖10 各截面速度分布及流線圖Fig.10 Streamline and particle velocity distributions of each cross-section

圖9a中，0.57d模型和1.42d模型整體變化趨勢契合度較高，相同位置1.42d模型顆粒速度略高于0.57d模型，但0.57d模型和1.42d模型顆粒速度在0.22～0.44 m段整體處于低谷區(qū)，表明此較長區(qū)域內(nèi)顆粒速度偏低，相比之下，d模型在全流道內(nèi)波動較為均勻，顆粒速度經(jīng)過一段低速區(qū)后能夠快速上升到極大值，顆粒在無螺旋面和螺旋葉片內(nèi)呈現(xiàn)出較好減速-加速過程。同樣地，圖9b中，在0.2～0.4 m段內(nèi)，d模型顆粒速度保持良好波動態(tài)勢，而0.57d模型和1.42d模型在該段未表現(xiàn)出較好增速趨勢，顆粒速度較低，顆粒在該區(qū)域停留時間過長會阻礙物料在流道內(nèi)快速推進，導致分離性能下降。圖9c中，r=90 mm剛好是螺旋葉片外緣切線，由于缺少螺旋葉片軸向推動力，顆粒速度整體偏低，1.42d模型在0.36 m附近顆粒速度幾乎為零，d模型出渣口速度略高于0.57d模型和1.42d模型。由圖9可以看出斷齒式螺旋流道內(nèi)顆粒速度變化規(guī)律，流道內(nèi)顆粒速度在無螺旋面段(間斷處)和有螺旋葉片段呈極小值和極大值交替變換，間斷處能夠有效降低顆粒速度，相同運動路徑內(nèi)脫水效率增加，間斷處顆粒群相互作用被推動至下一螺旋葉片時重新獲得加速，從而保持流道內(nèi)固液分離作業(yè)的有序進行。小間斷距離設計(0.57d)不能充分發(fā)揮斷齒設計的優(yōu)勢，大間斷距離設計(1.42d)能夠降低出渣口物料含水率，但間斷處顆粒密集度較高，不斷進料產(chǎn)生的壓力無法迫使間斷處物料向前推進時容易導致流道堵塞。

在出渣端3個間斷處分別截取圖6中截面8、截面6、截面4，獲得設計間斷距離(d)、小間距(0.57d)、大間距(1.42d)3個模型不同截面處顆粒速度和流線圖，如圖10所示，對比分析了顆粒在不同間斷距離處速度及流線分布。由圖10可以看出，3個不同參數(shù)模型間斷處截面的顆粒速度分布中，在螺旋葉片旋轉作用下，各截面均產(chǎn)生了明顯的尾跡特征。同一模型不同截面上，截面6和截面8顆粒流線比較密集，速度較大，尾跡特征最明顯，截面4顆粒流線較稀疏，速度較小，主要是因為在不同截面上顆粒體積分數(shù)不同，截面4顆粒體積分數(shù)偏低，顆粒數(shù)相對較少，因此流線稀疏且較分散，而截面6和截面8上顆粒體積分數(shù)較大，顆粒相互碰撞及相互作用明顯，因此流線較密集，腔體內(nèi)混合密度偏高，螺旋葉片尾跡作用也更顯著。分析不同模型的同一截面位置可知間斷距離對腔體內(nèi)顆粒速度的影響，如截面4，小間距(0.57d)模型顆粒速度周向分布最均勻，設計模型次之，大間距(1.42d)模型顆粒速度分布均勻性最差，有兩處極稀疏區(qū)域。同樣，在截面6上，小間距模型在1處出現(xiàn)小范圍盲區(qū)，分析原因是失去螺旋葉片推動力的顆粒能夠在慣性力及流場作用下快速通過小間斷處，導致緩沖作用不明顯；大間距模型在2處有更大范圍盲區(qū)，顆粒速度降低且分布不均，分析原因是間斷過大，顆粒在該段運動發(fā)生紊亂所致。在截面8上，小間距模型和大間距模型截面平均顆粒速度與設計模型相差不大，但整體流線光滑度和均勻性較設計模型差。由此可見，小間距模型難以充分發(fā)揮間斷對顆粒運動的緩沖作用，大間距對顆粒運動抑制過度，容易造成顆粒運動紊亂，這也是間斷距離不合理時導致螺旋擠壓裝置脫水性能下降的原因。

2.4 篩網(wǎng)內(nèi)外側壓差分布

設計工況下0.57d模型、d模型和1.42d模型3個模型多孔介質區(qū)內(nèi)外側壓差如圖11所示。

圖11 多孔介質區(qū)內(nèi)外側壓差曲線Fig.11 Pressure difference inside and outside porous media area

由圖11可知，多孔介質區(qū)內(nèi)外側壓差均可分為3個階段，經(jīng)過較長一段平臺期后壓差有小幅增加，隨后快速增加，在出渣口附近壓差達到最大值。其中，小間距模型壓差最大，且后期壓差增速最快，其變化趨勢和差值與d模型差別不大，但大間距模型下，平臺期壓差明顯偏小，后期壓差增速較慢。主要是間斷距離長度差的累積作用使得3個模型腔體總長發(fā)生了較大變化，相同條件下小間距腔體內(nèi)建壓效果優(yōu)于大間距腔體。

3 結論

(1)利用雙流體模型和多孔介質模型建立了斷齒式螺旋擠壓脫水CFD模型，分離效率和顆粒體積分數(shù)數(shù)值計算結果與試驗實測值吻合度較高，表明本文所采用的數(shù)值計算方法對研究斷齒式螺旋脫水裝置內(nèi)部流動特性具有可行性。

(2)通過對小間距模型(0.57d)、大間距模型(1.42d)和設計參數(shù)下3個模型流道內(nèi)部流動特性分析可知，顆粒在斷齒式螺旋腔內(nèi)呈波動式運動特征，間斷處具有良好緩沖和顆粒聚集作用，脫水效果增強并有利于改善對復雜物料的適應性。間斷距離參數(shù)較大程度地影響了螺旋擠壓脫水裝置的性能，間斷距離越大分離效率下降程度越明顯。在0.5Ndes～0.85Ndes之間，分離效率下降最明顯，50 mm模型在設計工況點分離效率下降了7.9%；工作轉速增加，出渣口顆粒體積分數(shù)均明顯下降，設計工況點20 mm模型相對35 mm模型出渣口顆粒體積分數(shù)下降3.2%。

(3)在斷齒式螺旋脫水流道中，小間距對顆粒運動抑制作用較小，顆粒在腔體中滯留時間較短，不利于脫水，但有利于提高分離效率。間距過大容易導致顆粒運動紊亂，導致分離效率降低且增加堵塞幾率。根據(jù)不同物料特征，合理設計間斷距離是保證斷齒式螺旋擠壓脫水裝置快速高效脫水的關鍵，在本次數(shù)值模擬計算下最優(yōu)間斷距離為35 mm、出渣口壓力為5 000 Pa、轉速為50 r/min。

1 吳軍偉,常志州，周立祥,等.XY型固液分離機的畜禽糞便脫水效果分析[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學，2009(2)：286-290.

2 WAKEMAN R J.Separation technologies for sludge dewatering [J].Journal of Hazardous Materials, 2007，144(3): 614-619.

3 蔣恩臣,蘇旭林，王明峰,等.生物質連續(xù)熱解反應裝置的變螺距螺旋輸送器設計[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2003,44(2): 121-124．

JIANG Enchen, SU Xulin, WANG Mingfeng, et al.Design of variable pitch spiral conveyor for biomass continual pyrolysis reactor[J]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2003,44(2): 121-124．(in Chinese)

4 ANLAUF H.Recent developments in centrifuge technology [J].Separation and Purification Technology, 2007, 58(2): 242-246.

5 楊柏松,關正軍.畜禽糞便固液分離研究[J].農(nóng)機化研究,2010,32(2): 223-225,229.

YANG Baisong, GUAN Zhengjun.Study on the solid-liquid separation [J].Journal of Agricultural Mechanization Research, 2010,32(2): 223-225,229.(in Chinese)

6 林代炎,翁伯琦,錢午巧.FZ-12固液分離機在規(guī)?；i場污水中的應用效果[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2005,21(10): 184-186.

LIN Daiyan, WENG Boqi, Qian Wuqiao.Application of FZ-12 solid-liquid separator to the treatment of wastewater for large scale pig farm [J].Transactions of the CSAE, 2005, 21(10): 184-186.(in Chinese)

7 朱德文,陳永生,杜靜,等.SHJ-400型水葫蘆固液分離機設計與性能試驗[J].農(nóng)機化研究, 2011,33(4): 79-84.

ZHU Dewen, CHEN Yongsheng, DU Jing, et al.Design and experiment of SHJ-400 liquid-solid splitter for hyacinth[J].Journal of Agricultural Mechanization Research,2011,33(4): 79-84.(in Chinese)

8 申江濤.KP-250螺旋擠壓式固液分離機開發(fā)研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院, 2014.

SHEN Jiangtao.Research and design of KP-250 screw press separator [D].Beijing: Chinese Academy of Agriculture Mechanization Sciences，2014.(in Chinese)

9 武軍.新型螺旋擠壓式過濾機的理論研究與分析計算[D].北京：北京化工大學,2008.

WU Jun.Theory study and calculation of new type screw press filter [D].Beijing：Beijing University of Chemical Technology, 2008.(in Chinese)

10 關正軍,王新志,張旭，等.牛糞污螺旋擠壓式固液分離機優(yōu)化設計與試驗[J/OL].農(nóng)業(yè)機械學報,2016,47(11): 192-197．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20161126&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.11.026.

GUAN Zhengjun, WANG Xinzhi, ZHANG Xu, et al.Optimal design and experiment of screw extrusion solid-liquid separation for cow manure[J/OL]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016,47(11): 192-197．(in Chinese)

11 申江濤,吳德勝,趙明杰，等.KP-250螺旋擠壓式固液分離機的設計及試驗[J].農(nóng)機化研究,2014,36(8)：201-203.

SHEN Jiangtao, WU Desheng, ZHAO Mingjie, et al.Design and experiment of KP-250 screw separator[J].Journal of Agricultural Mechanization Research, 2014,36(8)：201-203.(in Chinese)

12 武軍,范德順.間斷式螺旋擠壓過濾機[J].過濾與分離,2008(1):36-37.

WU Jun, FAN Deshun.Interrupted screw filter [J].Journal of Filtration & Separation, 2008(1):36-37.(in Chinese)

13 李鑫.基于基礎理論的螺旋擠壓脫水機機理研究[D].北京:北京化工大學,2011.

LI Xin.Mechanisim study of screw squeezer based on extruded theory [D].Beijing:Beijing University of Chemical Technology, 2011.(in Chinese)

14 WAKEMAN E S, WAKEMAN R J.Simulation, modeling and sizing of pressure filters [J].Filtration & Separation, 1994, 31(4):393-397.

15 MARCY F, RON F.Mechanical solid-liquid separation of livestock manure literature review [D].Ontario：University of Guelph, 2002.

16 SIRRKA L, MARJA O.Modelling module of the intelligent control system for the variable volume pressure filter [J].Filtration & Separation, 2000, 37(2):39-48.

17 周大慶,米紫昊,茅媛婷．基于歐拉固液兩相流模型的泵站進水側流場三維模擬[J/OL]．農(nóng)業(yè)機械學報,2013,44(1): 48-52．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20130110&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2013.01.010.

ZHOU Daqing, MI Zihao, MAO Yuanting.3-D numerical simulation of inlet structure flow in pumping station based on Euler solid-liquid two-phase flow model[J/OL]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(1): 48-52.(in Chinese)

18 陶洪飛,邱秀云,李巧,等.不同鰓片間距下的分離鰓內(nèi)部流場三維數(shù)值模擬[J/OL].農(nóng)業(yè)機械學報,2014,45(6): 183-188．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20140628&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2014.06.028.

TAO Hongfei, QIU Xiuyun, LI Qiao, et al.3D numerical simulation of internal flow field in gill-piece separation device under different gill-piece spacing[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2014,45(6): 183-188．(in Chinese)

19 汪家瓊,蔣萬明,孔繁余,等．固液兩相流離心泵內(nèi)部流場數(shù)值模擬與磨損特性[J/OL]．農(nóng)業(yè)機械學報,2013,44(11): 53-60．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20131110&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2013.11.010.

WANG Jiaqiong, JIANG Wanming, KONG Fanyu, et al.Numerical simulation of solid-liquid two-phase turbulent flow and wear characteristics of centrifugal pump[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2013,44(11): 53-60．(in Chinese)

20 張龍龍,賀李萍,常春.秸稈螺旋擠壓脫水機葉片強和變形的流固耦合分析[J].農(nóng)機化研究,2016,38(2)：26-30.

ZHANG Longlong, HE Liping, CHANG Chun.Fluid-solid coupling analysis of blade strength and deformation in screw extruder of straw[J].Journal of Agricultural Mechanization Research,2016,38(2)：26-30.(in Chinese)

21 邱愛紅,龔曙光,謝桂蘭,等.變徑變螺距螺旋軸參數(shù)化模型及性能仿真[J].機械工程學報,2008,44(5)：131-136.

QIU Aihong, GONG Shuguang, XIE Guilan, et al.Parametric model and performance simulation on the screw conveyor of variable diameters and variable pitches[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2008,44(5)：131-136.(in Chinese)

22 周翠紅,凌鷹,申文君.臥式螺旋沉降離心機污泥脫水模擬研究[J].機械工程學報,2014,50(16)：206-212.

ZHOU Cuihong, LING Ying, SHEN Wenjun.Numerical study on sludge dewatering by horizontal decanter centrifuge[J].Journal of Mechanical Engineering, 2014,50(16)：206-212.(in Chinese)

23 張念猛,曲慶文,陳云華.基于FLUENT 的污泥脫水螺旋壓榨機流場分析[J].中國造紙,2015,34(10)：57-60.

ZHANG Nianmeng, QU Qingwen, CHEN Yunhua.Analysis of internal flow field in screw press based on FLUENT[J].China Pulp & Paper,2015,34(10)：57-60.(in Chinese)

24 王宇.畜禽糞便固液分離技術參數(shù)的優(yōu)化設計與分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2014,52(2)：37-39.

WANG Yu.Optimization design and analysis on the technique parameters of livestock and poultry manure solid-liquid separator [J].Agriculture Equipment & Vehicle Engineering, 2014,52(2)：37-39.(in Chinese)

25 劉永兵, 陳紀忠, 陽永榮.管道內(nèi)液固漿液輸送的數(shù)值模擬[J].浙江大學學報:工學版,2006,40(5):858-863.

LIU Yongbing, CHEN Jizhong, YANG Yongrong.Numerical simulation of liquid- solid two- phase flow in slurry pipeline transportation[J].Journal of Zhejiang University:Engineering Science Edition, 2006, 40(5):858-863.(in Chinese)

26 武生智, 任春勇.基于歐拉雙流體模型的風沙運動模擬[J].蘭州大學學報:自然科學版, 2012, 48(1)：104-108.

WU Shengzhi, REN Chunyong.Numerical simulation of wind blown sand based on the Euler model[J].Journal of Lanzhou University: Natural Sciences Edition,2012,48(1)：104-108.(in Chinese)

27 ANDERSON J D.計算流體動力學基礎及其應用 [M].北京：機械工業(yè)出版社,2007.

28 王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社,2015.

29 任南琪, 王愛杰.厭氧生物技術原理與應用[M].北京：化學工業(yè)出版社,2004.

30 常志州,黃紅英,吳軍偉,等.豬和奶牛糞便的粒徑及養(yǎng)分分布對固液分離效率的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2010,29(2)：392-395.

CHANG Zhizhou, HUANG Hongying, WU Junwei, et al.Effect of particle and nutrient contents in swine and cow manures on efficiency of solid-liquid separation [J].Journal of Agro-Environment Science, 2010,29(2): 392-395.(in Chinese)

NumericalSimulationAnalysisofFlowFieldinFlowChannelofInternalInterrupted-whorlScrewSeparator

ZHU Dewen1ZHAO Weisong1ZONG Wenming2QU Haoli1XIE Hu1CAO Jie1

(1.NanjingResearchInstituteofAgriculturalMechanization,MinistryofAgriculture，Nanjing210014，China2.SchoolofEngineering,AnhuiAgriculturalUniversity，Hefei230036，China)

With the rapid development of intensive livestock and poultry industry, a large amount of livestock and poultry manure is produced every year in China, which will cause environment pollution and a great waste of resources if not treated properly.Deep processing and utilization of livestock and poultry manure is required to achieve the “waste to treasure” change.Solid-liquid separation is an important procedure for the comprehensive utilization of livestock manure.In order to analyze how the dewatering performance of the interrupted-whorl screw separator was affected by different gap distance parameters, an Euler-Euler two fluid model was adopted to conduct numerical simulations of the interrupted-whorl screw with 20 mm, 35 mm and 50 mm of gap distance.Work performances of the dewatering device in different gap distance scenarios were compared as well as the flow distribution of particle volume fraction, particle velocity distribution and the pressure distribution inside and outside the porous media region.Results showed that the numerical simulation can accurately reflect the internal flow characteristics of the interrupted-whorl screw extruding device.Working efficiency of the continuous extrusion dehydration device was decreased most by 7.9% with gap distance of 50 mm.The volume fraction of cinder particles was decreased by 3.2% when the gap distance was shortened to 20 mm.The variations of volume fraction changes in the runner were divided into three stages.The volume fraction was increased with a wavy shape in general and the gap length played an important role in influence on the flow pattern inside the cavity.The discontinuous zone had a certain buffering effect on the particle motion, and the length of the interval can control the retention time of particles in the cavity.The differential pressure inside and outside porous media areas had the largest growth in the late of dehydration.The smaller the gap distance under the same condition was, the greater the pressure difference became.By simulation, the optimal interrupted distance, the pressure on slag notch and speed was found to be 35 mm, 5 000 Pa and 50 r/min, respectively.This study can provide reference for the design of the spiral extrusion dewatering device.

interrupted-whorl screw； interrupted distance； particle volume fraction； particle velocity； numerical simulation

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.011

S817.9

A

1000-1298(2017)10-0092-09

2016-12-20

2017-01-20

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專項 (201403019)和江蘇省自然科學基金項目(BK20151073)

朱德文(1970—)，男，副研究員，博士，主要從事農(nóng)業(yè)機械裝備工程技術研究,E-mail: zdwww7009@sina.com