秦國(guó)防，秦明輝，王瑨

1. 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系（濟(jì)源 459000）；2. 南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院（南京 210094）

調(diào)質(zhì)是通過(guò)濕熱處理改善農(nóng)作谷物理化性質(zhì)的一種工藝過(guò)程，其中，向物料中添加蒸汽來(lái)完成預(yù)調(diào)質(zhì)或蒸汽調(diào)質(zhì)較為常見(jiàn)?；旌衔锪贤ㄟ^(guò)與蒸汽的充分接觸以獲得水分和熱量，從而確保農(nóng)作物后續(xù)的制粉品質(zhì)。水分是谷物中對(duì)物化性質(zhì)具有關(guān)鍵性作用的重要組分，調(diào)質(zhì)過(guò)程中水分的狀態(tài)變化與遷移對(duì)加工熟化谷物、提高制粉品質(zhì)具有極為重要的意義[1-2]。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，谷物在調(diào)質(zhì)器中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是影響其吸收水分的主要因素，而運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要與蒸汽的飽和壓強(qiáng)、速度及調(diào)質(zhì)器槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)力度息息相關(guān)[3]。如何較為準(zhǔn)確地把握谷物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)尤為重要。

離散元法（DEM）是研究離散型顆粒在復(fù)雜物理場(chǎng)作用下的動(dòng)力學(xué)的重要方法，而計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）能較好地模擬流體在腔體內(nèi)的速度分布。二者相結(jié)合后的應(yīng)用研究已經(jīng)越發(fā)成熟，國(guó)外將CFDDEM耦合研究氣固兩相的數(shù)值模擬較多，而國(guó)內(nèi)也有二維流化床、油氣裂化、三維風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)等方面的應(yīng)用研究[4-5]。試驗(yàn)采用CFD與DEM相耦合研究苞米在調(diào)質(zhì)器中熟化調(diào)質(zhì)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及由此產(chǎn)生的對(duì)苞米性質(zhì)的影響。對(duì)調(diào)質(zhì)器建立幾何模型與CFD-DEM數(shù)學(xué)模型，研究水汽流速與槳葉轉(zhuǎn)速對(duì)苞米松散調(diào)質(zhì)效果的影響[6]，為CFD-DEM的仿真分析奠定基礎(chǔ)，探討其物化性質(zhì)的影響因素。

1 材料與方法

1.1 所用調(diào)質(zhì)器的幾何模型

圖1 調(diào)質(zhì)器的外部幾何模型

圖2 調(diào)質(zhì)器的內(nèi)部幾何模型

如圖1和圖2所示，分別為蒸汽夾套調(diào)質(zhì)器的外部腔體模型和內(nèi)部軸葉模型。其中，外部腔體直徑120 mm，長(zhǎng)度約550 mm。調(diào)質(zhì)軸安裝于腔體中間，直徑約30 mm，長(zhǎng)度與腔體等長(zhǎng)。槳葉共有20組，呈軸向間隔20 mm，徑向90°分布。蒸汽進(jìn)口為8組，直徑約5 mm，環(huán)形分布在端蓋外。出料口在腔體底部，直徑約22 mm。模型均為經(jīng)過(guò)模擬簡(jiǎn)化后的圖型。

1.2 模型中的參數(shù)設(shè)置

表1為離散元模型中的具體參數(shù)設(shè)置值，適宜的參數(shù)設(shè)置有利于模擬苞米在調(diào)質(zhì)器中的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。最終參數(shù)值的選定應(yīng)在調(diào)質(zhì)器穩(wěn)定工作一段時(shí)間后選取，調(diào)質(zhì)器穩(wěn)定工作仿真時(shí)間為100 s，即離散元模型中的最優(yōu)設(shè)定參數(shù)應(yīng)在仿真時(shí)間為100 s后選取。

表1 離散元模型中的設(shè)定參數(shù)值

1.3 CFD-DEM耦合的數(shù)學(xué)模型

采用DEM模型[7]模擬苞米的調(diào)質(zhì)過(guò)程，依據(jù)流體力學(xué)和動(dòng)力學(xué)得到調(diào)質(zhì)工藝中苞米的運(yùn)動(dòng)方程，如式（1）所示[8]。

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為調(diào)質(zhì)時(shí)間，s；▽為哈密頓微分算子；ν1為水汽流速，m/s；ν2為調(diào)質(zhì)器轉(zhuǎn)速，r/s。

運(yùn)動(dòng)方程經(jīng)微分，得：

式中：P為物料所受壓強(qiáng)，Pa；g為重力加速度，m/s2；u為水汽流體黏度，Pa·s。

苞米顆粒的體積在DEM模型的建模中不可忽略[9]，需在運(yùn)動(dòng)方程中加入實(shí)際的苞米顆粒體積分?jǐn)?shù)，則：

式中：ε為苞米顆粒體積分?jǐn)?shù)。

苞米顆粒在調(diào)質(zhì)過(guò)程中，不可避免地會(huì)受到水汽流體阻力所帶來(lái)的影響，因而式（2）中須加入阻力動(dòng)力源因素進(jìn)行模型耦合，得到式（4）。

式中：S為阻力動(dòng)力源，水汽流體黏度u取測(cè)量均值1.87×10-5Pa·s。

2 結(jié)果與分析

2.1 物料運(yùn)動(dòng)分析

苞米通過(guò)力如液橋力會(huì)在水汽作用下粘結(jié)，故物料在調(diào)質(zhì)器中的松散效果直接影響物料的最終調(diào)質(zhì)效果。水汽流速和調(diào)質(zhì)器轉(zhuǎn)速這2個(gè)因素對(duì)物料的松散效果起著決定性作用，故對(duì)這2個(gè)因素進(jìn)行分析，以期得到良好物料松散效果。

2.1.1 水汽流速對(duì)物料松散效果的影響

對(duì)水汽流速為0.5，1.0，1.5和2.0 m/s條件下的苞米分組調(diào)質(zhì)，20個(gè)點(diǎn)取1個(gè)平均值，得到物料間鍵粘結(jié)平均數(shù)和切向力隨時(shí)間和水汽流速變化的相關(guān)數(shù)據(jù)，具體如表2和表3所示。

水汽速度加快有利于物料之間的相互分離，鍵粘結(jié)作用減輕。發(fā)生水汽持續(xù)沖擊物料時(shí)間越長(zhǎng)，越有益于物料充分參與調(diào)質(zhì)工藝。水汽流速的加快和作用時(shí)間的延長(zhǎng)均會(huì)使得物料與調(diào)質(zhì)器充分接觸，從而增強(qiáng)物料與調(diào)質(zhì)器內(nèi)腔之間的切向力大小。

表2 不同水汽流速條件下的物料間鍵粘結(jié)平均數(shù)測(cè)定結(jié)果

表3 不同水汽流速條件下的物料平均切向力測(cè)定結(jié)果

2.1.2 調(diào)質(zhì)器轉(zhuǎn)速對(duì)物料松散效果的影響

分別測(cè)定調(diào)質(zhì)器轉(zhuǎn)速0.3，0.6，1.2和2.4 r/s條件下的鍵粘結(jié)平均數(shù)和切向力隨時(shí)間和調(diào)質(zhì)器轉(zhuǎn)速變化的相關(guān)數(shù)據(jù)，具體如表4和表5所示。

調(diào)質(zhì)器轉(zhuǎn)速的加快和作用時(shí)間延長(zhǎng)均會(huì)減小物料之間的鍵粘結(jié)平均數(shù)，增大物料與調(diào)質(zhì)器之間平均切向力。通過(guò)對(duì)比水汽流速對(duì)鍵粘結(jié)平均數(shù)和切向力的影響，調(diào)質(zhì)器轉(zhuǎn)速對(duì)這二者的影響作用更為顯著。調(diào)質(zhì)器轉(zhuǎn)速2.4 r/s、作用時(shí)間160 s時(shí)，物料之間的鍵粘結(jié)平均數(shù)為0，此時(shí)苞米顆粒在調(diào)質(zhì)器中完全分散開，彼此之間基本不會(huì)產(chǎn)生粘結(jié)，水汽作用的調(diào)質(zhì)效果達(dá)到最佳。但此時(shí)苞米與調(diào)質(zhì)器之間的切向力過(guò)大，會(huì)嚴(yán)重降低苞米的整米率，破壞苞米的物理結(jié)構(gòu)。

表4 不同調(diào)質(zhì)器轉(zhuǎn)速條件下的物料間鍵粘結(jié)平均數(shù)測(cè)定結(jié)果

表5 不同調(diào)質(zhì)器轉(zhuǎn)速條件下的物料平均切向力測(cè)定結(jié)果

2.2 CFD-DEM耦合的仿真分析

將調(diào)質(zhì)器幾何模型導(dǎo)入CFD軟件后，CFD與DEM相耦合[10]。仿真過(guò)程應(yīng)盡量模擬苞米裝入調(diào)質(zhì)器后的工作條件。水汽流速與調(diào)質(zhì)器轉(zhuǎn)速相復(fù)合后的仿真工作圖如圖3所示，物料在調(diào)質(zhì)器中不同壓強(qiáng)場(chǎng)下仿真工作圖如圖4所示。

從圖3中可知，進(jìn)口處的水汽速度較大，隨著水汽對(duì)苞米熟化調(diào)質(zhì)進(jìn)行，水汽速度逐漸下降，到尾端出口處時(shí)由于調(diào)質(zhì)器轉(zhuǎn)速較大，速度又明顯上升。圖4顯示物料在水汽進(jìn)口處所受壓強(qiáng)較大，隨著水汽逐漸運(yùn)動(dòng)到調(diào)質(zhì)器尾端并排出，物料所受的壓強(qiáng)逐漸降低。從圖3和圖4中的變化趨勢(shì)可以看出，物料在速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)中均呈現(xiàn)出整體均勻變化趨勢(shì)，表明調(diào)質(zhì)過(guò)程均勻有序，對(duì)苞米的調(diào)質(zhì)效果較為良好。

圖3 不同復(fù)合速度情況下的仿真狀態(tài)

圖5 為物料運(yùn)動(dòng)隨調(diào)質(zhì)時(shí)間變化的仿真迭代收斂曲線。在經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)初始階段的物料速度紊亂，調(diào)質(zhì)時(shí)間100 s后，物料在調(diào)質(zhì)期間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度趨于平緩，物料動(dòng)能逐漸穩(wěn)定，故此模型的仿真收斂性良好。由于進(jìn)口處與出口處的物料數(shù)量趨于平衡，苞米的調(diào)質(zhì)工藝運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，調(diào)質(zhì)器中各段的調(diào)質(zhì)效果均一而有效。

圖5 調(diào)質(zhì)過(guò)程中物料運(yùn)動(dòng)的仿真收斂曲線

在其他試驗(yàn)條件不變情況下，采用CFD-DEM耦合仿真不同粒徑的苞米隨時(shí)間在調(diào)質(zhì)器中的縱向位移曲線，具體如圖6所示。

圖6 不同粒徑顆粒的縱向仿真運(yùn)動(dòng)曲線

苞米在水汽和槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)的雙重作用下位移變化較大。初始階段，苞米尚未熟化調(diào)質(zhì)，內(nèi)部所含水分有限而質(zhì)量較輕，容易發(fā)生在縱向上的位移。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，調(diào)質(zhì)不斷進(jìn)行，苞米內(nèi)的水分開始增大且會(huì)出現(xiàn)因水汽作用引起的顆粒粘結(jié)，質(zhì)量明顯增大，故在縱向上的運(yùn)動(dòng)受限，位移幅度降低。粒徑較大顆粒的位移幅度相對(duì)粒徑較小的顆粒變窄，這是由于水汽和槳葉攪拌作用于粒徑較大顆粒的效果相對(duì)而言有所弱化，物料動(dòng)能不足使得其縱向位移幅度受限。

2.3 調(diào)質(zhì)工藝中整米率的影響因素

在苞米調(diào)質(zhì)過(guò)程中，加濕量和水分浸潤(rùn)時(shí)間對(duì)其整米率的影響較為顯著，試驗(yàn)結(jié)果如圖7和圖8所示。圖7中整米率隨加濕量上升先增大后減小，這是由于加濕量過(guò)高時(shí)，苞米的籽粒強(qiáng)度下降，調(diào)質(zhì)通風(fēng)過(guò)程中容易產(chǎn)生碎米現(xiàn)象，故整米率下降。加濕量過(guò)低時(shí)，基本達(dá)不到對(duì)苞米的調(diào)質(zhì)效果。剛開始浸潤(rùn)苞米時(shí)，整米率隨著浸潤(rùn)時(shí)間延長(zhǎng)而顯著增大，但隨后整米率呈逐級(jí)下降趨勢(shì)。在調(diào)質(zhì)過(guò)程中，適宜的水分梯度可賦予苞米良好的籽粒強(qiáng)度梯度，而影響水分梯度分布的最主要因素為浸潤(rùn)時(shí)間，浸潤(rùn)時(shí)間60 s時(shí)，調(diào)質(zhì)過(guò)程中可獲得最高整米率。

圖7 加濕量與整米率的關(guān)系曲線

圖8 浸潤(rùn)時(shí)間與整米率的關(guān)系曲線

2.4 不同粒徑苞米調(diào)質(zhì)后的水分和灰分變化

調(diào)質(zhì)過(guò)程中的水分分布應(yīng)盡量均勻以保證調(diào)質(zhì)品質(zhì)，將不同粒徑大小的苞米分類后分別進(jìn)行調(diào)質(zhì)，固定調(diào)質(zhì)時(shí)間100 s，不同試驗(yàn)組調(diào)質(zhì)后的水分如圖9所示。通常情況下，粒徑越小，比表面積越大，水分浸潤(rùn)效果越良好，試驗(yàn)結(jié)果基本符合該理論。但如果考慮到磨粉后的保存和性能穩(wěn)定性，苞米調(diào)質(zhì)后的水分不宜偏大，且粒徑越小，苞米顆粒之間的間隙也越小，容易發(fā)生堆積擠壓致使苞米顆粒受損，整米率下降，故在此調(diào)質(zhì)條件下，粒徑5～8 mm苞米顆粒水分最為合適。

圖9 苞米粒徑與水分的關(guān)系曲線

苞米中灰分的高低影響制粉后的口感和整體品質(zhì)，一般來(lái)說(shuō)，灰分越低，制粉的色澤越偏向于白色且口感越為細(xì)膩。不同粒度苞米調(diào)質(zhì)后制粉的灰分測(cè)定結(jié)果如圖10所示。苞米粒徑與灰分的變化關(guān)系呈反比例關(guān)系，即粒徑越小，灰分越大；粒徑越大，灰分越小。試驗(yàn)中探討得出粒徑5～8 mm苞米顆粒經(jīng)調(diào)質(zhì)水分最佳，而此時(shí)對(duì)應(yīng)的制粉灰分為1.7%。

圖10 苞米粒徑與灰分的關(guān)系曲線

2.5 調(diào)質(zhì)后的其他性能指標(biāo)

表6為苞米調(diào)質(zhì)后的性能指標(biāo)測(cè)定結(jié)果。調(diào)質(zhì)前后，苞米的淀粉含量基本沒(méi)有產(chǎn)生變化，而其他理化性能指標(biāo)均產(chǎn)生了較大變化。其中，還原糖含量、脂肪酸含量、碎米率、彈性、咀嚼度和食味值明顯上升，而過(guò)氧化氫酶活性和硬度性能則有所下降。綜合來(lái)看，苞米經(jīng)調(diào)質(zhì)工藝處理后的整體品質(zhì)上升較為明顯，說(shuō)明調(diào)質(zhì)工藝有助于苞米的品質(zhì)提升。

表6 苞米調(diào)質(zhì)后的其他性能測(cè)定結(jié)果

3 討論與結(jié)論

對(duì)調(diào)質(zhì)器的外部模型和內(nèi)部模型幾何建模，設(shè)定相應(yīng)具體參數(shù)后，基于CFD-DEM耦合的數(shù)學(xué)模型對(duì)苞米在調(diào)質(zhì)器中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬。試驗(yàn)對(duì)影響物料松散效果的水汽流速和調(diào)質(zhì)器轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析，結(jié)果顯示水汽流速的加快有利于物料之間鍵粘結(jié)作用減輕的同時(shí)，增強(qiáng)物料與調(diào)質(zhì)器內(nèi)腔之間的切向力大小。調(diào)質(zhì)器轉(zhuǎn)速的加快同樣會(huì)減小物料之間的鍵粘結(jié)平均數(shù)，增大物料與調(diào)質(zhì)器之間的平均切向力，但調(diào)質(zhì)器轉(zhuǎn)速對(duì)這二者的影響作用更為顯著，并且這2種因素均隨著調(diào)質(zhì)時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)顯著減小物料間鍵粘結(jié)平均數(shù)，增大物料平均切向力。利用CFD-DEM耦合的仿真分析結(jié)果顯示，隨著水汽對(duì)苞米熟化調(diào)質(zhì)進(jìn)行，水汽速度沿腔體逐漸下降，到尾端出口處速度又明顯上升。與此相對(duì)應(yīng)的物料在水汽進(jìn)口處所受壓強(qiáng)較大，隨著水汽逐漸運(yùn)動(dòng)，壓強(qiáng)沿腔體逐漸降低。物料在調(diào)制工藝的速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)中均呈現(xiàn)出整體均勻變化的趨勢(shì)。此外，物料運(yùn)動(dòng)隨調(diào)質(zhì)時(shí)間變化的仿真迭代收斂曲線顯示，調(diào)質(zhì)初期運(yùn)動(dòng)速度紊亂無(wú)序，之后運(yùn)動(dòng)速度趨于平緩，物料動(dòng)能逐漸穩(wěn)定，表明模型的仿真收斂性良好。試驗(yàn)仿真分析不同粒徑顆粒的縱向運(yùn)動(dòng)位移，物料在水汽和槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)的雙重作用下位移變化較大。初始階段，縱向位移程度較大，隨后縱向位移幅度收窄。同時(shí)可觀察到粒徑較大顆粒的位移幅度相對(duì)粒徑較小的顆粒變窄。

試驗(yàn)探討調(diào)質(zhì)工藝對(duì)苞米整米率、水分、灰分及其他性能指標(biāo)的影響，結(jié)果表明，加濕量2.5%、浸潤(rùn)時(shí)間60 s時(shí)，苞米的整米率達(dá)到最高78%。粒徑5～8 mm苞米顆粒水分最為合適，此時(shí)對(duì)應(yīng)的灰分為1.7%。其他性能指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果顯示調(diào)質(zhì)結(jié)束后，苞米的淀粉含量基本沒(méi)有產(chǎn)生變化，還原糖含量、脂肪酸含量、碎米率、彈性、咀嚼度和食味值明顯上升，而過(guò)氧化氫酶活性和硬度性能有所下降。