王詠梅，黃曉鵬，吳勁鋒

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不同工藝參數(shù)下苜蓿草粉環(huán)模制粒機(jī)流場(chǎng)的模擬與驗(yàn)證

王詠梅，黃曉鵬※，吳勁鋒

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730070）

環(huán)模制粒成型技術(shù)以其高效率、高成型率、強(qiáng)適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于生物質(zhì)能源和飼料產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。該文以苜蓿草粉為原料，應(yīng)用POLYFLOW軟件對(duì)環(huán)模制粒機(jī)擠壓區(qū)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了喂料量、環(huán)模轉(zhuǎn)速和物料含水率的變化對(duì)流場(chǎng)壓力、速度、剪切速率和黏度分布特性的影響規(guī)律，并以試驗(yàn)驗(yàn)證，旨在為生產(chǎn)工藝的有效控制提供參考依據(jù)。結(jié)果表明：在結(jié)構(gòu)參數(shù)等條件一定的情況下，增大喂料量，流場(chǎng)壓力升高，擠壓成型區(qū)域擴(kuò)大，且物料以較快的速度作層流運(yùn)動(dòng)，流場(chǎng)剪切速率降低，黏度增大，出模壓力和成型密度較大；減小環(huán)模轉(zhuǎn)速，流場(chǎng)壓力和擠壓成型區(qū)增大，流動(dòng)速度減小，剪切速率降低，黏度較大，但出模壓力和成型密度降低；物料含水率降低使流場(chǎng)壓力、黏度、出模壓力和成型密度增加。通過(guò)比較得出：當(dāng)喂料量為6 t/h、環(huán)模線速度為6.5 m/s和物料含水率為15%時(shí)所形成的流場(chǎng)有利于苜蓿草粉的制粒成型。

生物質(zhì)；流場(chǎng)；水分；環(huán)模制粒機(jī)；喂料量；環(huán)模轉(zhuǎn)速；數(shù)值模擬

0 引 言

隨著顆粒飼料和生物質(zhì)固體成型燃料需求量的日益增長(zhǎng)，環(huán)模制粒機(jī)因其生產(chǎn)效率高、成型效果好和原料適應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在環(huán)模制粒技術(shù)的產(chǎn)品品質(zhì)[1-10]、力學(xué)特性[11-16]、能耗[17-20]以及模輥磨損[21-25]等方面作了大量的研究，為環(huán)模制粒機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝參數(shù)的有效控制提供了重要的依據(jù)。其中有關(guān)不同工藝參數(shù)對(duì)制粒產(chǎn)品品質(zhì)影響的研究包括：林云鑒等[1]研究了物料水分、?？组L(zhǎng)徑比和模輥間隙的變化對(duì)生產(chǎn)率、顆粒質(zhì)量和電耗的影響。李艷聰?shù)萚2]憑借試驗(yàn)研究得出飼料加工產(chǎn)量與環(huán)模線速度之間呈線性關(guān)系，對(duì)于一定的物料，采用合理的線速度即可獲得最大的制粒產(chǎn)量。黃曉鵬等[3]通過(guò)模擬壓縮試驗(yàn)建立了苜蓿草粉制粒密度與擠出力、含水率和草粉粒度變化關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。吉林大學(xué)韓盛林等[4]通過(guò)相同的試驗(yàn)方法，得出生物質(zhì)原料的含水率、顆粒度和擠壓力等因素對(duì)成型密度影響的最佳取值范圍。Obidziński[5]應(yīng)用試驗(yàn)研究表明顆粒密度和動(dòng)態(tài)耐久性隨?？讖介L(zhǎng)比和模輥間隙的增加而增加。Relova[6]對(duì)加勒比松制粒過(guò)程進(jìn)行研究，得出對(duì)顆粒質(zhì)量影響最大的是擠壓力，含水率次之，顆粒尺寸最小。Caronen等[7]研究了制粒工藝參數(shù)和物料特性對(duì)橄欖樹(shù)枝條顆粒品質(zhì)的影響，結(jié)果表明各因素對(duì)顆粒密度和耐久性的影響從大到小的順序是溫度、物料含水率、粒度和擠壓力。諸如以上研究均是通過(guò)試驗(yàn)來(lái)探討各影響因素對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響規(guī)律。由于環(huán)模制粒機(jī)工作時(shí)的擠壓過(guò)程比較復(fù)雜，且物料性質(zhì)特殊，因此通過(guò)對(duì)制粒機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬來(lái)研究上述問(wèn)題的文獻(xiàn)記載較少，而這種方法是對(duì)試驗(yàn)的有效補(bǔ)充。工藝參數(shù)的不同將導(dǎo)致制粒機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的變化，而內(nèi)部流場(chǎng)的變化必然反映出產(chǎn)品品質(zhì)的不同。因此對(duì)不同工藝參數(shù)下環(huán)模制粒機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬分析有助于實(shí)際生產(chǎn)工藝的有效控制。

本文通過(guò)對(duì)環(huán)模制粒機(jī)成型機(jī)理和制粒過(guò)程的分析，建立合理簡(jiǎn)化的物理模型，應(yīng)用POLYFLOW軟件對(duì)苜蓿草粉擠壓成型過(guò)程內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究當(dāng)工藝參數(shù)如喂料量、環(huán)模轉(zhuǎn)速和物料含水率不同時(shí)環(huán)模制粒機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)分布特性的變化規(guī)律，進(jìn)而揭示對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響。

1 環(huán)模制粒機(jī)工作原理

環(huán)模制粒機(jī)主要由供料攪龍、攪拌機(jī)構(gòu)和制粒室構(gòu)成。供料攪龍起輸送物料的作用，送料量的控制可以通過(guò)改變攪龍的轉(zhuǎn)速和控制出料閘門的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。攪拌機(jī)構(gòu)由可調(diào)節(jié)角度的攪拌桿組成，攪拌桿按螺旋排列起攪拌和推運(yùn)物料的作用。在攪拌室側(cè)壁裝有蒸汽和糖漿或油脂的噴嘴，使噴出的蒸汽、漿液和粉料混合，以增加物料的溫度和濕度。調(diào)質(zhì)后的物料被送入制粒室。制粒室的核心工作部件是環(huán)模和壓輥。環(huán)模在主電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下以一定的速度旋轉(zhuǎn)，安裝于環(huán)模內(nèi)的壓輥通過(guò)模輥與物料間的摩擦作用而發(fā)生自轉(zhuǎn)。由于模輥的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，物料在摩擦力與離心力的作用下向前移動(dòng)，擠壓力和密度逐漸增加。當(dāng)擠壓力增大到足以克服?？讓?duì)物料的摩擦阻力時(shí)，具有一定密度和黏結(jié)力的物料被壓入?？?，并隨著輥軋過(guò)程的進(jìn)行，呈圓柱狀從?？字袛D出，再由裝在環(huán)模外面的固定切刀切斷形成顆粒狀物料[3-4]。如圖1所示，根據(jù)物料在擠壓過(guò)程中的受力狀態(tài)，可將模輥間流場(chǎng)劃分為供料區(qū)、變形壓緊區(qū)和擠壓成型區(qū)[19]。在供料區(qū)，物料基本處于自然松散狀態(tài)，密度較小。物料被輥軋的區(qū)域只有變形壓緊區(qū)和擠壓成型區(qū)。這里，將這2個(gè)區(qū)域統(tǒng)稱為擠壓區(qū)。

1. 環(huán)模 2. 壓輥 3. 擠壓成型區(qū) 4. 變形壓緊區(qū) 5. 供料區(qū)

2 數(shù)值模擬

2.1 模型結(jié)構(gòu)與參數(shù)

本文以牧羊MUZL420型環(huán)模制粒機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其擠壓區(qū)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。MUZL420設(shè)備主要的技術(shù)參數(shù)為：環(huán)模有效尺寸為420 mm×180 mm，環(huán)模開(kāi)孔率為44.2%，?？卓讖? mm，孔深度54 mm；壓輥數(shù)量2個(gè)，壓輥直徑為203 mm；設(shè)計(jì)時(shí)產(chǎn)量3～12 t/h。環(huán)模制粒機(jī)在運(yùn)行工作中有2個(gè)主要環(huán)節(jié)，即模輥對(duì)物料的輥軋和物料從模孔中的擠出成型，而且雙壓輥制粒機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的2個(gè)擠壓區(qū)關(guān)于中心對(duì)稱分布。因此，為了簡(jiǎn)化數(shù)值計(jì)算，僅選取一個(gè)擠壓區(qū)來(lái)建立物理模型，如圖2所示。因?yàn)榄h(huán)模周向布有1 508個(gè)?？?，只有在擠壓區(qū)物料才被擠壓流經(jīng)?？?，所以建模時(shí)僅考慮物料擠壓區(qū)的?？?，而且假設(shè)其靜止不動(dòng)，物料在流道內(nèi)作連續(xù)的擠壓流動(dòng)。

2.2 數(shù)學(xué)模型

為了簡(jiǎn)化模擬過(guò)程，作如下假設(shè)：1）流體為假塑性非牛頓流體；2）忽略黏性生熱，流體作等溫穩(wěn)定流動(dòng)；3）因?yàn)橘|(zhì)量力遠(yuǎn)小于黏滯力，所以忽略質(zhì)量力的影響；4）由于物料相對(duì)于環(huán)模和壓輥的剛度較小，所以將環(huán)模和壓輥看作剛性體；5）環(huán)模與壓輥之間的間隙忽略不計(jì)；6）環(huán)模和壓輥間軸向物料分布視為均勻。

1. 環(huán)模 2. 模孔 3. 壓輥 4. 進(jìn)口 5. 出口

流體流動(dòng)的控制方程主要包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和描述流體黏性的流變學(xué)本構(gòu)方程[26]。在擠壓過(guò)程中，物料苜蓿草粉的黏度隨溫度、壓力、含水率和局部剪切速率的變化而變化。本文采用Harper等[27-29]提出的描述各向同性、假塑性非牛頓擠壓流體穩(wěn)態(tài)流變學(xué)特性的黏度模型，其本構(gòu)方程表達(dá)式如下

草粉輥軋有一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是壓縮率大，即流體的密度是變化的，這導(dǎo)致控制方程組的高度非線性。參數(shù)漸進(jìn)（Evolution）是POLYFLOW提供的輔助解決非線性流動(dòng)問(wèn)題的有效工具[30]。這里，設(shè)密度為漸進(jìn)參數(shù)，漸進(jìn)函數(shù)選擇()，初始值init=0，最終值final=1，初始增量init=0.01，最小增量min=0.000 1，最大增量max=0.25，計(jì)算最大步驟為20。

2.3 邊界條件

在GAMBIT中創(chuàng)建幾何模型，再進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將生成的.msh 文件導(dǎo)入POLYDATA中進(jìn)行計(jì)算模塊的設(shè)置，生成數(shù)據(jù)文件以供POLYFLOW計(jì)算。進(jìn)口邊界條件設(shè)為體積流量，出口邊界設(shè)為outflow。環(huán)模和壓輥的旋轉(zhuǎn)角速度分別通過(guò)Cartesian Velocities Imposed選項(xiàng)加載。?？妆诿孢吔绮捎肞OLYDATA默認(rèn)的無(wú)滑移固壁條件，即Zero Normal Velocity And Zero Tangential Velocity。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

環(huán)模制粒機(jī)擠壓過(guò)程中影響流場(chǎng)流變性質(zhì)的工藝參數(shù)主要有喂料量、環(huán)模轉(zhuǎn)速和物料含水率等。本文采用單一因素變化法，將POLYDATA中生成的數(shù)據(jù)文件在POLYFLOW中運(yùn)用Picard黏度迭代收斂法完成計(jì)算后，使用CFD-POST后處理模塊分析物料各個(gè)流變參數(shù)的結(jié)果，得到流場(chǎng)壓力、速度、剪切速率和黏度的分布規(guī)律。

3.1 不同喂料量下的流場(chǎng)特性

在環(huán)模制粒機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、物料特性（含水率=15%）和環(huán)模轉(zhuǎn)速相同的條件下，改變擠壓區(qū)的喂料量（即進(jìn)口流量），將得到不同的流場(chǎng)分布特性。將邊界條件作以下設(shè)定：環(huán)模線速度為6.5 m/s，其對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度為31 rad/s，壓輥的旋轉(zhuǎn)角速度為64 rad/s；按照MUZL420環(huán)模制粒機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)產(chǎn)量（即設(shè)計(jì)喂料量）為3、6、12 t/h和進(jìn)口處苜蓿草粉的密度0.93 g/cm3，進(jìn)口體積流量依據(jù)=×1 000×8/(3 600×1 508×0.93×0.001)分別折算為4.754、9.507和19.014 cm3/s。數(shù)值模擬結(jié)果如下，基于篇幅考慮，這里僅圖示差別顯著的2種工況對(duì)應(yīng)的模擬結(jié)果。

3.1.1 壓力場(chǎng)分布

由圖3可以看出，由于擠壓區(qū)喂料量的不同，流場(chǎng)的壓力分布發(fā)生了顯著的變化。如圖3a所示，當(dāng)進(jìn)口流量較小時(shí)，隨著模輥間擠壓空間的逐漸縮小，流體壓力沿流動(dòng)方向由較小的負(fù)壓向正壓逐漸增加，且在負(fù)壓區(qū)環(huán)模模孔內(nèi)壓力從進(jìn)口到出口也是漸增的，說(shuō)明物料正由進(jìn)口向出口流動(dòng)并聚集。在擠壓成型區(qū)，流體壓力增加至正值，當(dāng)壓力增大至能夠克服?？讓?duì)物料的摩擦阻力時(shí)，?？變?nèi)進(jìn)口壓力大于出口壓力，物料從?？字斜粩D出。如圖3b所示，當(dāng)進(jìn)口流量較大時(shí)，沿物料的流動(dòng)方向壓力由較大的負(fù)壓向正壓增加，而且流場(chǎng)內(nèi)壓力明顯高于前者。負(fù)壓區(qū)非常小，出現(xiàn)在進(jìn)口附近。環(huán)模模孔進(jìn)口壓力均大于出口壓力，物料被擠出。這說(shuō)明在環(huán)模轉(zhuǎn)速和物料特性等因素不變的情況下，擠壓區(qū)喂料量偏大，擠壓成型區(qū)隨之增大，制粒產(chǎn)量相應(yīng)提高。另外，若將壓力等值線圖局部放大可觀察到，環(huán)模?？滋幍膲毫^環(huán)模無(wú)孔處的壓力明顯降低，尤為在擠壓成型區(qū)這種現(xiàn)象比較顯著。

圖3 不同喂料量Q下的壓力等值線

3.1.2 速度場(chǎng)分布

由圖4、5可以看出，在模輥連續(xù)旋轉(zhuǎn)擠壓物料的過(guò)程中，緊貼模輥壁面處流速最大，距離壁面越遠(yuǎn)流速越低，且出現(xiàn)了明顯的回流或漩渦狀態(tài)。這是由于該區(qū)域流動(dòng)速度相對(duì)較低，無(wú)法克服沿流動(dòng)方向正的壓強(qiáng)梯度的影響而形成的。如圖4a、5a所示，當(dāng)進(jìn)口流量較小時(shí)，由于流場(chǎng)的壓力相對(duì)要小，且呈現(xiàn)大面積負(fù)壓，物料回流區(qū)域比較大，回流速度也有所增加。在相對(duì)較長(zhǎng)的變形壓緊區(qū)內(nèi)，環(huán)模?？變?nèi)物料出現(xiàn)從出口到進(jìn)口的倒流趨勢(shì)，倒流速度隨擠壓力的增大而減小。而在相對(duì)較短的物料擠壓成型區(qū)內(nèi)，壓力陡增，物料從?？妆粩D出。如圖4b、5b所示，當(dāng)進(jìn)口流量較大時(shí)，由于流場(chǎng)的壓力相對(duì)要大，且呈現(xiàn)大面積正壓，所有模孔內(nèi)物料均有被擠出的趨勢(shì)，且運(yùn)動(dòng)速度隨擠壓力的增大而增大。在較長(zhǎng)的擠壓成型區(qū)域內(nèi)，物料近似呈層流狀態(tài)向前運(yùn)動(dòng)，且速度越來(lái)越大。

圖4 不同喂料量Q下的速度矢量圖

圖5 不同喂料量Q下的流線圖

3.1.3 剪切速率和黏度場(chǎng)分布

由圖6可以看出，由于模輥的旋轉(zhuǎn)給予物料一定的剪切作用，靠近模輥壁面處物料剪切速率最大；由于物料的黏滯作用，距離壁面越遠(yuǎn)剪切速率越低。沿物料的流動(dòng)方向，隨著模輥間隙的減小物料受到的剪切、摩擦作用增強(qiáng)，剪切速率增大。如圖6a所示，在模輥轉(zhuǎn)速相同的條件下，當(dāng)進(jìn)口流量較小時(shí)，由于沿流道半徑方向物料的速度梯度較大，所以流場(chǎng)的剪切速率相對(duì)進(jìn)口流量較大時(shí)（如圖6b所示）要相應(yīng)地增大。這有利于物料的混合和輸送。由圖7可以看出，隨著剪切速率的增大，物料的黏度減小。很顯然，當(dāng)進(jìn)口流量較大時(shí)，流場(chǎng)的黏度分布較前者相應(yīng)增大，即物料分子間的黏滯作用較大，這將導(dǎo)致生產(chǎn)功率消耗和模輥接觸應(yīng)力的增大，使環(huán)模磨損加劇。

圖6 不同喂料量Q下的剪切速率云圖

3.2 不同環(huán)模轉(zhuǎn)速下的流場(chǎng)特性

在環(huán)模制粒機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、物料特性（含水率=15%）和進(jìn)口流量（=9.507 cm3/s）相同的條件下，改變環(huán)模轉(zhuǎn)速，將其對(duì)應(yīng)的線速度分別設(shè)為2.5、6.5、12.5 m/s 3種情況，來(lái)探討流場(chǎng)分布特性的變化。當(dāng)=2.5 m/s時(shí)，對(duì)應(yīng)的邊界條件為：環(huán)模旋轉(zhuǎn)角速度為11.9 rad/s，壓輥旋轉(zhuǎn)角速度為24.63 rad/s；當(dāng)=6.5 m/s時(shí)，對(duì)應(yīng)的邊界條件為：環(huán)模旋轉(zhuǎn)角速度為31 rad/s，壓輥的旋轉(zhuǎn)角速度為64 rad/s；當(dāng)=12.5 m/s時(shí)，對(duì)應(yīng)的邊界條件為：環(huán)模旋轉(zhuǎn)角速度為59.52 rad/s，壓輥旋轉(zhuǎn)角速度為123.15 rad/s。因篇幅所限，這里僅圖示以下區(qū)分顯著的2種工況的模擬結(jié)果。

圖7 不同喂料量Q下的黏度云圖

3.2.1 壓力場(chǎng)分布

由圖8可以看出，環(huán)模轉(zhuǎn)速的不同對(duì)流場(chǎng)內(nèi)的壓力分布是有顯著影響的。如圖8a所示，當(dāng)環(huán)模轉(zhuǎn)速較小時(shí)，隨著模輥的旋轉(zhuǎn)，模輥間流場(chǎng)壓力呈正壓逐漸增加，較大的壓力使環(huán)模?？變?nèi)進(jìn)口壓力均大于出口壓力，物料均有被擠出的趨勢(shì)，即擠壓成型區(qū)域比較大。如圖8b所示，隨著環(huán)模轉(zhuǎn)速的增大，模輥對(duì)物料的剪切和拖拽作用增強(qiáng)，模輥間流場(chǎng)壓力由負(fù)壓逐漸增大至正壓。在負(fù)壓區(qū)，因?yàn)槲锪嫌蛇M(jìn)口向出口流動(dòng)堆積，環(huán)模?？變?nèi)壓力逐漸升高。在正壓區(qū)，?？走M(jìn)口壓力大于出口壓力，物料被擠出成型，而且在擠壓成型區(qū)壓力較前者明顯增加。盡管制粒生產(chǎn)率與環(huán)模線速度呈正比，卻以設(shè)備功耗為代價(jià)[20]。所以，在考慮功耗的前提下，提高環(huán)模轉(zhuǎn)速，物料擠壓成型區(qū)域比較小，制粒生產(chǎn)效率降低。

圖8 不同環(huán)模轉(zhuǎn)速v下的壓力等值線

3.2.2 速度場(chǎng)分布

由圖9、10可以看出，不同環(huán)模轉(zhuǎn)速下的流場(chǎng)速度分布特性也截然不同。如圖9b、10b所示，在環(huán)模轉(zhuǎn)速較大的情況下，流場(chǎng)內(nèi)部各點(diǎn)的速度相對(duì)較大。因?yàn)榇竺娣e負(fù)壓區(qū)域的存在，流場(chǎng)的回流區(qū)域沿流動(dòng)方向深入延伸至擠壓區(qū)，且回流速度較大，并伴有大量漩渦產(chǎn)生。處于負(fù)壓區(qū)的?？變?nèi)物料亦出現(xiàn)倒流趨勢(shì)。在相對(duì)較短的擠壓成型區(qū)內(nèi)物料以較小的出模速度被擠出?？?。這說(shuō)明在控制設(shè)備功耗的情況下，若環(huán)模轉(zhuǎn)速過(guò)大，不但制粒生產(chǎn)效率降低，而且因漩渦的存在影響產(chǎn)品的致密性。如圖9a、10a所示，當(dāng)環(huán)模轉(zhuǎn)速較小時(shí)，雖然流場(chǎng)各點(diǎn)的速度相對(duì)較小，但因回流區(qū)域明顯較小，擠壓成型區(qū)域較長(zhǎng)，且無(wú)漩渦，物料近似作層流運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)品致密性好。

圖9 不同環(huán)模轉(zhuǎn)速v下的速度矢量圖

圖10 不同環(huán)模轉(zhuǎn)速v下的流線圖

3.2.3 剪切速率和黏度場(chǎng)分布

由圖11、12可以看出，環(huán)模轉(zhuǎn)速的不同對(duì)流場(chǎng)的剪切速率和黏度分布特性亦有影響。如圖11a、12a所示，當(dāng)環(huán)模轉(zhuǎn)速較小時(shí)，剪切作用對(duì)物料分子鏈重排作用不明顯，部分分子鏈相互交織纏結(jié)，流道內(nèi)流場(chǎng)的剪切速率比較低，其對(duì)應(yīng)的黏度比較大。如圖11b、12b所示，由于環(huán)模轉(zhuǎn)速的提高會(huì)造成強(qiáng)烈的混合、剪切和摩擦作用，物料高分子鏈逐漸沿著流體運(yùn)動(dòng)的方向排列，分子間的作用力減小，因此流場(chǎng)的剪切速率增大，物料黏度反而降低，流動(dòng)性增強(qiáng)。

圖11 不同環(huán)模轉(zhuǎn)速v下的剪切速率云圖

3.3 不同物料含水率下的流場(chǎng)特性

在環(huán)模制粒機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、喂料量和環(huán)模轉(zhuǎn)速相同的條件下，改變苜蓿草粉物料的含水率，將其分別取為=10%、=15%和=20%，來(lái)分析流道內(nèi)流場(chǎng)分布特性的變化情況。邊界條件設(shè)為：進(jìn)口流量=9.507 cm3/s，環(huán)模線速度為6.5 m/s，其對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度為31 rad/s，壓輥的旋轉(zhuǎn)角速度為64 rad/s。因篇幅所限，僅圖示以下2種差別顯著的數(shù)值模擬結(jié)果。

圖12 不同環(huán)模轉(zhuǎn)速v下的黏度云圖

3.3.1 壓力場(chǎng)分布

由圖13可以看出，不同物料含水率下流場(chǎng)的壓力分布也發(fā)生了變化。如圖13a所示，隨著模輥的旋轉(zhuǎn)擠壓，當(dāng)物料含水率較低時(shí)，流場(chǎng)的壓力從較低的負(fù)壓迅速增長(zhǎng)至較高的正壓；如圖13b所示，當(dāng)物料含水率較高時(shí)，流場(chǎng)的壓力從相對(duì)較高的負(fù)壓增長(zhǎng)至相對(duì)較低的正壓。前者擠壓成型區(qū)域的壓力明顯要高于后者，因而產(chǎn)品的壓縮成型密度大于后者。這是由于物料的含水率越高，在擠壓成型過(guò)程中水分所占用的間隙越大，阻礙了物料的變形和結(jié)合。若考慮物料的黏性生熱，產(chǎn)生的熱量會(huì)使水分蒸發(fā)而形成過(guò)多的蒸汽，使物料與?？變?nèi)壁的摩擦力增大，使壓縮過(guò)程中產(chǎn)品的成型密度降低。當(dāng)然，過(guò)低的含水率將使物料難以黏結(jié)成型，粉化率高，顆粒表面粗糙，制粒質(zhì)量低。

圖13 不同物料含水率C下的壓力等值線圖

3.3.2 速度場(chǎng)分布

圖14 不同物料含水率C下的速度矢量圖

圖15 不同物料含水率C下的流線圖

3.3.3 剪切速率和黏度場(chǎng)分布

由圖16、17可以看出，不同物料含水率下流場(chǎng)的剪切速率和黏度分布特性變化明顯。當(dāng)物料含水率較小時(shí)，如圖16a、17a所示，由于草粉顆粒吸收水分較少，熟化不夠，可塑性差，剪切流動(dòng)阻力大，流場(chǎng)的剪切速率和黏度相對(duì)比較大，容易阻塞，能耗增大，影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。當(dāng)物料含水率較大時(shí)，如圖16b、17b所示，草粉顆粒吸收較多的水分，變得柔軟而具有較好的可塑性，剪切流動(dòng)性好，流場(chǎng)的剪切速率和黏度相對(duì)比較小。但過(guò)高的含水率會(huì)使物料不易擠壓成型。

圖16 不同物料含水率C下的剪切速率云圖

圖17 不同物料含水率C下的黏度云圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

評(píng)價(jià)環(huán)模制粒機(jī)性能優(yōu)劣的指標(biāo)有多個(gè)，如成型密度、生產(chǎn)效率、能耗和穩(wěn)定性等，其中擠出成型密度是衡量成型顆粒質(zhì)量尤為重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此這里僅就在不同工藝參數(shù)下物料的擠出成型密度進(jìn)行探討。

在POLYFLOW后處理模塊CFD-POST中利用Probe功能捕捉所建模型中各個(gè)環(huán)模模孔的進(jìn)、出口壓力數(shù)值。這里取不同工藝參數(shù)條件下環(huán)模?？走M(jìn)口壓力最大、出口流速最大的?？壮隹趬毫槌瞿毫Α１?給出了喂料量、環(huán)模線速度和物料含水率發(fā)生變化時(shí)的出模壓力值。

表1 不同工藝參數(shù)下的出模壓力和成型密度

圖18 環(huán)模制粒機(jī)

圖19 試驗(yàn)成型草顆粒

結(jié)果表明，對(duì)于一定結(jié)構(gòu)的環(huán)模制粒機(jī)，在其他條件都不變的情況下，喂料量或者環(huán)模轉(zhuǎn)速相對(duì)較大，物料含水率相對(duì)較小，出模壓力則越大，物料擠出成型密度亦隨之增大。這在一定程度上間接驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的有效性。

結(jié)合前面的比較分析可以得出：在本文所考慮因素水平的各種組合狀態(tài)下，若僅從擠出成型密度指標(biāo)考慮，當(dāng)擠壓區(qū)喂料量為9.507 cm3/s（即環(huán)模制粒機(jī)喂料量為6 t/h）、環(huán)模線速度為6.5 m/s、物料含水率為15%時(shí)形成的流場(chǎng)有利于苜蓿草顆粒的制粒成型，此時(shí)流場(chǎng)壓力、速度、剪切速率大小相對(duì)適中，黏性不是很大，有利于流動(dòng)，且產(chǎn)品致密性較好，出模壓力較大，具有較高的制粒成型密度。

5 結(jié) 論

基于POLYFLOW軟件對(duì)環(huán)模制粒機(jī)不同工藝參數(shù)條件下的擠壓區(qū)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了喂料量、環(huán)模轉(zhuǎn)速和物料含水率不同時(shí)壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、剪切速率和黏度場(chǎng)分布特性的變化規(guī)律，結(jié)果表明：

1）當(dāng)喂料量相對(duì)較大時(shí)，流場(chǎng)壓力增大，且沿物料流動(dòng)方向以較高的負(fù)壓向正壓逐漸增加，回流區(qū)域變小且回流速度緩慢，擠壓成型區(qū)擴(kuò)大且物料以較快的速度作層流運(yùn)動(dòng)，流場(chǎng)剪切速率降低，黏度增大，因此制粒產(chǎn)量提高，出模壓力和成型密度較大，產(chǎn)品致密性較好，但生產(chǎn)功耗增加。

2）當(dāng)環(huán)模轉(zhuǎn)速相對(duì)較小時(shí)，流場(chǎng)壓力增大，且沿物料流動(dòng)方向呈正壓逐漸增加，回流區(qū)域變小，擠壓成型區(qū)增大，流動(dòng)速度減小，剪切速率降低，黏度較大，產(chǎn)品致密性較好，但出模壓力和成型密度有所降低。

3）當(dāng)物料含水率相對(duì)較小時(shí)，流場(chǎng)擠壓成型區(qū)壓力增高，剪切速率和黏度相對(duì)增加，出模壓力和成型密度較大。

4）通過(guò)試驗(yàn)間接驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的有效性，并得出在文中所設(shè)計(jì)的不同工藝參數(shù)條件中，僅考慮顆粒密度指標(biāo)的優(yōu)選參數(shù)組合為：環(huán)模制粒機(jī)喂料量為6 t/h、環(huán)模線速度為6.5 m/s和物料含水率為15%。

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Wang Yongmei, Huang Xiaopeng, Wu Jinfeng. Numerical simulationand verification of flow field in ring die pellet mill at different process parameters for alfalfa[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(21): 267－274. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.21.033 http://www.tcsae.org

Numerical simulation and verification of flow field in ring die pellet mill at different process parameters for alfalfa

Wang Yongmei, Huang Xiaopeng※, Wu Jinfeng

(730070,)

Rotary roll extrusion pelleting technology has been widely used in the bioenergy industry, feed industry, chemical industry, pharmacy industry, and so on, because of the advantages such as high productivity, high forming rate, high adaptability and low pollution. By working principle analysis, numerical simulation, and experimental research, this paper revealed the distribution laws of internal flow field at different process parameters of ring die pellet mill in order to provide reference for the effective control of actual production process. First, the numerical simulation of two-dimensional isothermal flow field in the extruding domain of the ring die pellet mill MUZL420 with granulated alfalfa as the pelletizing material was performed by the POLYFLOW based on the reasonable simplification. The structural parameters of the pellet mill MUZL420 were as follows: The ring die diameter was 420 mm, the ring die width was 180 mm, the number of rollers was 2, the roller diameter was 203 mm, the percentage of the die opening area was 44.2%, the die hole diameter was 8 mm, and the die hole length was 54 mm. Effects of the changes in the feeding rate, ringdie speed and material moisture content on the distribution laws of pressure, velocity, shear rate and viscosity in the fluid field were analyzed on basis of the contour plots and cloud charts generated by CFD-POST. Then the extruding force in the exit of each die hole was captured by the Probe function in the CFD-POST. Next, according to the different process parameters set by the above numerical simulation, the experiments were carried out to measure the density of forming alfalfa pellet using the ring die pellet mill MUZL420. Finally, it was concluded by comparison that the forming density of alfalfa pellet increased with the increase of extruding force, which verified the validity of numerical simulation to some extent. The results showed that: 1) In the case of the same structural parameters and other conditions, increasing the feeding rate made the pressure in flow field gradually increase from higher negative pressure to positive pressure along the material flow direction, and the extruding area enlarged and the material here approximated to laminar flow, which improved the granulation yield and the product compactness. At the same time the shear rate was smaller and the viscosity and extruding force and forming density were larger. 2) Decreasing the ringdie speed led to the positive increase in fluid pressure along the material flow direction and the decrease in flow velocity and shear rate, in addition to obtaining larger extruding area and viscosity. However, the extruding pressure and forming density were reduced with the decrease in ringdie speed. 3) Decreasing material moisture content made the increase in pressure and viscosity and extruding pressure and forming density. 4) Only considering the pelletizing density, the optimal parameters combination in various combinations of the factor levels in this paper was as follows: The feeding rate was 6t/h, the ringdie speed was 6.5m/s, and the material moisture content was 15%.

biomass; fluid fields; moistures; ring die pellet mill; feed rate; ring-die speed; numerical simulation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.21.033

TK6

A

1002-6819(2017)-21-0267-08

2017-05-14

2017-10-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51365002）；甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)青年導(dǎo)師基金項(xiàng)目（GAU-QNDS-201204）

王詠梅，女，甘肅金昌人，講師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備制造方面的研究。Email：wangyongm@gsau.edu.cn

※通信作者：黃曉鵬，男，甘肅臨洮人，教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備制造方面的研究。Email：huangxp@gsau.edu.cn