■曹 媛 汪建新 曹麗英

（1.包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)校，內(nèi)蒙古包頭 014010；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010）

目前市場(chǎng)上的錘片式飼料粉碎機(jī)的工作原理是：飼料經(jīng)旋轉(zhuǎn)的錘片敲擊粉碎后，物料在離心力的作用下，于包裹在錘片外側(cè)的篩網(wǎng)上透篩分離出粉碎腔。粉碎機(jī)篩片包在錘片組周圍，物料在篩片內(nèi)側(cè)隨著錘片組高速旋轉(zhuǎn)形成物料環(huán)流層，由于負(fù)壓的作用，致使符合粒度要求的部分物料顆粒無法從篩孔透篩，未能透過篩片的物料被多次粉碎，致使物料溫升大于合理值、過度粉碎等問題。

新型錘片式飼料粉碎機(jī)，在粉碎室內(nèi)不安裝篩網(wǎng)，而是于粉碎室外部另安裝了篩分裝置，新型粉碎機(jī)粉碎過程中，粉碎機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，錘片敲擊物料進(jìn)行粉碎，物料由于敲擊過后產(chǎn)生的動(dòng)能和粉碎室內(nèi)氣流場(chǎng)壓力的雙重作用，將物料帶入分離裝置；分離裝置的頂端安裝了篩片和回料管，將達(dá)到粒度要求的物料分離透篩，不符合粒度要求的物料被回料管吸回粉碎室內(nèi)再粉碎，達(dá)到循環(huán)粉碎的功效。

1 新型飼料粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)

本文選取粉碎機(jī)粉碎室內(nèi)部空間作為計(jì)算區(qū)域進(jìn)行模擬，利用Pro/E建立粉碎機(jī)粉碎室內(nèi)空間的三維模型。

圖1 新型錘片式飼料粉碎機(jī)樣機(jī)

圖2 新型錘片式飼料粉碎機(jī)模型

在建立三維模型時(shí)，對(duì)于粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)做了部分的簡化：

①去除分離裝置和回料管，僅建立粉碎機(jī)的中心粉碎區(qū)域。本課題只研究粉碎機(jī)中心粉碎區(qū)域的流場(chǎng)特性，不需要加入分離裝置和回料管，只要在有限元分析時(shí)設(shè)置好邊界條件即可。

②將粉碎室視為完全密封的區(qū)域，省略所有小縫隙和倒角，簡化流道模型的復(fù)雜程度。粉碎室內(nèi)部本身存在很多縫隙和倒角，但是對(duì)于內(nèi)部的負(fù)壓特性影響較小，所以省略；簡化粉碎機(jī)入料口的形狀，由兩個(gè)矩形簡化為一個(gè)矩形，面積相等。簡化進(jìn)料口形狀是為了使后期劃分網(wǎng)格和分析的速度加快。

③軸和錘片組作為整體，省略各個(gè)結(jié)構(gòu)間的連接。粉碎機(jī)工作平穩(wěn)時(shí)，錘片由于離心力的作用，會(huì)沿著徑向方向展開，所以可以省略之間的鉸鏈連接；而且錘片與連接板、連接板和軸之間的小縫隙并不影響流場(chǎng)的負(fù)壓大小，所以可以直接將軸和錘片組建立為一個(gè)體。

圖3 粉碎室簡化后結(jié)構(gòu)

2 粉碎室流場(chǎng)計(jì)算

在FLUENT計(jì)算過程中涉及的主要物理方程包括質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒方程，當(dāng)系統(tǒng)中涉及到能量傳遞時(shí)，還需要使用能量守恒方程。本文在飼料粉碎機(jī)粉碎室的流場(chǎng)計(jì)算中主要使用了質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程，其中質(zhì)量守恒如公式（1）所示：

?該方程是質(zhì)量守恒的總的形式，可以適合可壓和不可壓流動(dòng)。源項(xiàng)Sm是稀疏相增加到連續(xù)相中的質(zhì)量，或者用戶自定義的質(zhì)量源項(xiàng)。慣性坐標(biāo)系下，i方向的動(dòng)量守恒方程為：

式中，p是靜壓；τij是應(yīng)力張量，其表達(dá)式如公式（3）所示：

其中 ρgi，F(xiàn)i分別是重力體積力和其它體積力，如源于兩相之間的作用，F(xiàn)i還可以包括其它模型源項(xiàng)或者用戶自定義源項(xiàng)。

3 MRF單相流數(shù)值模擬

3.1 基于Gambit的網(wǎng)格劃分

建立網(wǎng)格模型時(shí)，利用平面和曲面將流域模型分割成4個(gè)部分：錘片部分、外圍部分、進(jìn)料部分和出料部分，由這4個(gè)部分構(gòu)成動(dòng)、靜兩個(gè)區(qū)域。網(wǎng)格模型總單元數(shù)達(dá)1086520個(gè)，生成的網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格模型

3.2 設(shè)定邊界條件

首先，指定邊界類型，網(wǎng)格模型共有6個(gè)邊界條件需要設(shè)定，如表1所示。

表1 邊界類型

然后，指定連續(xù)介質(zhì)類型，網(wǎng)格模型分為兩部分：轉(zhuǎn)動(dòng)部分、靜止部分，Volume 2為轉(zhuǎn)動(dòng)部分，Volume 1、4、5分別為外圍部分，進(jìn)料部分，回料部分如表2所示。

表2 連續(xù)介質(zhì)類型

轉(zhuǎn)動(dòng)部分與靜止部分之間通過內(nèi)、外接觸面連接，內(nèi)接觸面屬于轉(zhuǎn)動(dòng)部分，外接觸面屬于靜止部分。內(nèi)、外接觸面在分析過程中非常重要，是MRF模型必須要有的部分，有了接觸面才能設(shè)定相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.3 負(fù)壓特性

不同轉(zhuǎn)速下粉碎機(jī)粉碎室內(nèi)負(fù)壓特性，根據(jù)模擬結(jié)果，粉碎室內(nèi)負(fù)壓特性如下所示：

①粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速2 500 r/min時(shí)，粉碎室內(nèi)截面負(fù)壓特性如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)速2 500 r/min時(shí)截面壓力云圖

②粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r/min時(shí)，粉碎室內(nèi)截面負(fù)壓特性如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)速3 000 r/min時(shí)截面壓力云圖

表3 最大負(fù)壓值

3.4 負(fù)壓分析

①負(fù)壓的最大值隨著粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而升高。在徑向方向，負(fù)壓值向外圍逐漸減小，在軸向方向，負(fù)壓值變化很?。?/p>

②轉(zhuǎn)速每增大500 r/min,負(fù)壓值升高1.2 kPa左右;

③負(fù)壓不僅集中在轉(zhuǎn)軸附近，在出料口以下110 mm處也有小范圍的負(fù)壓集中區(qū)域，大小不低于中心負(fù)壓的大小。

4 基于UDF動(dòng)網(wǎng)格氣固兩相流數(shù)值模擬

4.1 飼料粉碎機(jī)的網(wǎng)格模型

將建立的幾何模型導(dǎo)入到Gambit軟件中，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分為4個(gè)部分，錘片組部分，外圍部分，進(jìn)料口部分，回料口部分，得到的網(wǎng)格如圖7所示。轉(zhuǎn)動(dòng)部分和外圍部分屬于兩個(gè)獨(dú)立的體，之間的區(qū)域是氣體和固體區(qū)域，不需要做interface面，采用UDF動(dòng)網(wǎng)格的方法對(duì)飼料粉碎機(jī)錐片的運(yùn)動(dòng)以及粉碎室內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬，動(dòng)網(wǎng)格采用可以更新的網(wǎng)格，因此采用四面體網(wǎng)格形式，網(wǎng)格劃分總數(shù)為80萬。

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圖7 Gambit劃分網(wǎng)格

由表4可知，Volume 2為錘片部分，Volume 1、4、5為轉(zhuǎn)動(dòng)部分、靜止部分，Volume 2為轉(zhuǎn)動(dòng)部分，Volume 1、4、5分別為外圍部分，進(jìn)料部分，回料部分，不需要設(shè)置內(nèi)外接觸面，和實(shí)際情況相符合。

表4 連續(xù)介質(zhì)類型

4.2 控制方程參數(shù)的設(shè)置

此項(xiàng)設(shè)置的參數(shù)對(duì)于求解結(jié)果的收斂性極為重要，設(shè)置的數(shù)值過高會(huì)導(dǎo)致求解難以收斂，過低難以保證求解精度，同時(shí)要選擇合適的離散方程。通過對(duì)收斂曲線的分析，最終選取欠松弛因子(如表5所示)，邊界條件如表6所示。

表5 松弛因子設(shè)置

表6 邊界條件的設(shè)置

打開FLUENT模塊，為了模擬的真實(shí)性，必須考慮系統(tǒng)的重力，在Y軸方向輸入-9.8，因?yàn)?，初次從粉碎室出來的物料顆粒較大，不能忽略重力對(duì)它產(chǎn)生的影響。設(shè)置物料分離裝置入口處為速度入口，在前人的研究基礎(chǔ)上可知物料的最小懸浮速度為8 m/s，所以本次模擬假定氣流的入口速為10 m/s，玉米的體積百分?jǐn)?shù)為5%；設(shè)置出口為自由出口。湍流強(qiáng)度的設(shè)置非常重要，會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的精度，經(jīng)過計(jì)算本模擬的湍流強(qiáng)度設(shè)置為3.67%。

4.3 UDF動(dòng)網(wǎng)格編程

錐片的運(yùn)動(dòng)采用UDF編程的方式進(jìn)行控制，運(yùn)動(dòng)后的網(wǎng)格采用自動(dòng)更新的形式，UDF主要編程如下：

4.4 負(fù)壓特性

①粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速2 500 r/min時(shí)，粉碎室內(nèi)截面負(fù)壓特性如圖8所示。

圖8 2 500 r/min負(fù)壓特性

②粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r/min時(shí)，粉碎室內(nèi)截面負(fù)壓特性如圖9所示。

圖9 3 000 r/min負(fù)壓特性

表7 最大負(fù)壓值

負(fù)壓分析：負(fù)壓的最大值隨著粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而升高，在粉碎機(jī)徑向方向，負(fù)壓值向外圍逐漸減小，在軸向方向，負(fù)壓值的變化很??；負(fù)壓不一定集中在中心轉(zhuǎn)軸附近，在出料口附近也有負(fù)壓的出現(xiàn)。

5 結(jié)論

5.1 利用MRF需要在轉(zhuǎn)動(dòng)部分和固定的外圍部分建立內(nèi)外接觸面連接，而使用UDF動(dòng)網(wǎng)格則不需要建立，只需要設(shè)置錘片為固體，外圍殼體和錘片之間設(shè)置為流體區(qū)域，其和我們實(shí)際情況對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)是一致，特別是計(jì)算復(fù)雜運(yùn)動(dòng)狀況的運(yùn)動(dòng)邊界時(shí)，動(dòng)網(wǎng)格有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

5.2 比較單相流和雙相流對(duì)粉碎室的模擬結(jié)果,MRF是一種定常求解方法,UDF是時(shí)間作為變量的動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算方式,其中利用MRF計(jì)算的穩(wěn)定性，速度優(yōu)于利用UDF計(jì)算的結(jié)果，動(dòng)網(wǎng)格是一種自定義的函數(shù)，其計(jì)算的結(jié)果接近事實(shí)，但在運(yùn)算的時(shí)間上是MRF的9～10倍。