王立宗，范吉軍，余南輝，張藝凡，劉澤軍，張永林

（武漢輕工大學(xué)，武漢 430023）

0 引言

碾米機(jī)主要利用碾白輥高速旋轉(zhuǎn)去除糙米糠層獲得白米，傳統(tǒng)臥式碾米機(jī)在碾米過程中產(chǎn)生的米糠碎米的混合料在下吸風(fēng)口被收集［1-3］。為此，需要專門的糠粞分離器加以分離［4-8］，同時(shí)若下吸風(fēng)量過大，會(huì)使大米沉淀于米篩底部，造成大米碾白不均，碎米率增大。國內(nèi)一些企業(yè)提出采用上吸風(fēng)式碾米機(jī)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)米糠的高效收集，并杜絕了米粒存積于下部的缺陷［9-11］。目前的研究為碾米機(jī)的米糠碎米分離問題提供了新的解決思路，但針對(duì)上吸風(fēng)式碾米機(jī)風(fēng)道設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鮮有報(bào)道。

近年來，隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術(shù)的發(fā)展，已成為對(duì)農(nóng)業(yè)流體機(jī)械進(jìn)行流場分析的重要手段［12-15］。張雙等［16］利用Fluent軟件對(duì)MNML30型立式砂輥碾米機(jī)內(nèi)風(fēng)道進(jìn)行有限元分析，研究了碾白輥轉(zhuǎn)速對(duì)碾米機(jī)內(nèi)氣流場的影響；李祖吉等［17］通過EDEM—Fluent耦合對(duì)傳統(tǒng)臥式碾米機(jī)進(jìn)行氣固兩相流耦合仿真求解，獲得了內(nèi)部顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及碾米機(jī)內(nèi)流場分布；江濤等［18］利用Fluent研究了聯(lián)合收割機(jī)風(fēng)篩選裝置吹風(fēng)口結(jié)構(gòu)對(duì)流場分布規(guī)律的影響，通過對(duì)比仿真結(jié)果得出最有利于清選的結(jié)構(gòu)分布；劉帥等［19］運(yùn)用Fluent中DPM模型對(duì)花生清選室流場進(jìn)行模擬，得出花生運(yùn)動(dòng)軌跡。

運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)，對(duì)傳統(tǒng)碾米機(jī)內(nèi)風(fēng)道進(jìn)行改進(jìn)。設(shè)計(jì)一種采用獨(dú)特環(huán)形分離風(fēng)道的上吸風(fēng)式碾米機(jī)，以實(shí)現(xiàn)在碾米機(jī)內(nèi)部直接對(duì)米糠碎米進(jìn)行高效分離收集；利用Fluent軟件對(duì)碾米機(jī)風(fēng)道內(nèi)流場進(jìn)行仿真分析；制作試驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)分離效果進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，對(duì)碾米工藝的改進(jìn)具有重要意義。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1、圖2所示，一種帶有環(huán)形風(fēng)道的上吸風(fēng)碾米機(jī)，主要由碾白系統(tǒng)和上吸風(fēng)式排糠系統(tǒng)組成。碾白系統(tǒng)主要包括：螺旋推進(jìn)器、空心軸、碾白輥、米篩網(wǎng)、拔料輥等，上吸風(fēng)排糠系統(tǒng)主要包括：環(huán)形風(fēng)道、噴風(fēng)管、氣壓隔板、上吸風(fēng)口、下進(jìn)風(fēng)口等。

圖1 主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of the main shaft system

上吸風(fēng)機(jī)置于碾米機(jī)頂部，米篩網(wǎng)與外殼之間的空間形成環(huán)形風(fēng)道，環(huán)形風(fēng)道下部為下進(jìn)風(fēng)口，下進(jìn)風(fēng)口處設(shè)置有氣壓隔板，將風(fēng)道與外界大氣隔開，使環(huán)形風(fēng)道下部維持負(fù)壓狀態(tài)。同時(shí)，氣壓隔板使下進(jìn)風(fēng)口上端變窄，形成狹管效應(yīng)，上升風(fēng)力更加集中，防止米糠從下進(jìn)風(fēng)口排出。氣壓隔板同時(shí)還具有折流板的作用，使上升氣流形成環(huán)形繞流。噴風(fēng)機(jī)向空心軸內(nèi)噴風(fēng)，噴風(fēng)管連通空心軸和碾白輥的噴風(fēng)孔，氣流直接從空心軸經(jīng)噴風(fēng)管流入碾白室，減少壓力損失（見圖2）。

圖2 主軸系統(tǒng)橫截面圖Fig.2 Section view of the main shaft system

2 模型建立及仿真參數(shù)

2.1 簡化建模

針對(duì)環(huán)形風(fēng)道內(nèi)的氣體流場進(jìn)行分析，建立簡化模型，對(duì)噴風(fēng)槽附近區(qū)域進(jìn)行分析，圖3中箭頭示意氣流流向。對(duì)機(jī)械部件建立三維模型，并對(duì)流體域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖3 仿真模型Fig.3 Simulation model

2.2 物理模型及參數(shù)

設(shè)定噴風(fēng)機(jī)風(fēng)速為10 m/s，上吸風(fēng)口風(fēng)速為6 m/s，下進(jìn)風(fēng)口為壓力入口，與大氣相通，氣壓為0 Pa。

依據(jù)雷諾數(shù)Re判定碾米機(jī)內(nèi)氣流流動(dòng)狀態(tài)

式中 d——特征長度，m；

v——流速，m/s；

ρ——流體密度，kg/m3；

μ——?jiǎng)恿︷ざ认禂?shù)，Pa·s。

空心軸內(nèi)徑d為80 mm，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為10 m/s，空氣密度ρ為1.177 kg/m3，空氣動(dòng)力黏度系數(shù)μ為1.8×10-5Pa·s。得空心軸處雷諾數(shù)Re=52 311>4 000，流場為湍流狀態(tài)，故選用k-ε湍流模型進(jìn)行有限元分析。

許多研究中均采用多孔介質(zhì)模型模擬糧食堆內(nèi)氣流流動(dòng)問題［20-22］，故采用此方法模擬碾白室內(nèi)糙米對(duì)氣流產(chǎn)生的阻力。氣流穿過多孔介質(zhì)區(qū)內(nèi)部孔隙會(huì)產(chǎn)生壓力損失，損失系數(shù)采用Ergun方程項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算：

式中 1/α——黏性阻力系數(shù)，m-2；

ε——孔隙率，%；

ds——顆粒等效球直徑，m；

ρs——顆粒密度，kg/m3；

C2——慣性阻力系數(shù)，m-1。

依據(jù)曾勇的研究可得碾白室內(nèi)物料的孔隙率約為0.5，糙米的等效球直徑約為3 mm，帶入式中計(jì)算出黏性阻力系數(shù)為3.3×107m-2，慣性阻力系數(shù)為 4 666 m-1。

2.3 顆粒懸浮速度

風(fēng)選機(jī)械一般依據(jù)目標(biāo)顆粒懸浮速度進(jìn)行設(shè)計(jì)。顆粒的自由懸浮速度公式如下所示：

式中 v0——懸浮速度，m/s；

g——重力加速度，m/s2；

ρs——顆粒密度，kg/m3；

C——阻力系數(shù)。

碎米密度約1 600 kg/m3，米糠密實(shí)密度約為1 500 kg/m3；空氣密度 1.17 kg/m3。

由于阻力系數(shù)C是顆粒雷諾數(shù)Rep的函數(shù)，采用分區(qū)懸浮速度公式，根據(jù)待測物料的等效球直徑來確定阻力系數(shù)：

碎米顆粒ds約為1.2 mm，計(jì)算出碎米懸浮速度約為 6.4 m/s［23-25］；米糠顆粒 ds為 0.22 mm［26-27］，懸浮速度約為1.6 m/s，遠(yuǎn)小于碎米。

3 結(jié)果與分析

對(duì)噴風(fēng)管轉(zhuǎn)至水平位置以及傾斜45°的情形進(jìn)行仿真分析。圖4為速度云圖，可以看出噴風(fēng)管處流速明顯加快、風(fēng)力集中，可提高米糠排出效率。環(huán)形風(fēng)道內(nèi)流速分布均勻，無停滯區(qū)。氣壓隔板間空隙處的上升氣流流速從1.4 m/s上升至3～4 m/s（見表1），狹管效應(yīng)明顯，有效防止米糠下落。

圖4 速度云圖Fig.4 Velocity nephogram

如圖5所示，由于上吸風(fēng)機(jī)的引風(fēng)作用，不論噴風(fēng)管轉(zhuǎn)至水平或斜45°位置，環(huán)形風(fēng)道內(nèi)氣流均保持向上流動(dòng)，可以將米糠粉塵高效地向上運(yùn)輸。氣壓隔板產(chǎn)生折流作用，上升氣流改變流向，形成環(huán)形繞流。

圖5 氣流流線Fig.5 Air streamline

對(duì)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)流速進(jìn)行等距取樣測量，得到具有代表性的平均流速。由表1可知，噴風(fēng)管旋轉(zhuǎn)位置對(duì)流場影響較??；噴風(fēng)槽附近的米篩網(wǎng)網(wǎng)眼風(fēng)速極快，達(dá)到21～25 m/s；由于物料的阻礙作用，遠(yuǎn)離噴風(fēng)槽處的米篩網(wǎng)網(wǎng)眼氣流接近于0 m/s；環(huán)形風(fēng)道內(nèi)平均風(fēng)速為4.1～4.6 m/s。圖6為兩種情形的垂直X方向風(fēng)速分量等值面，僅噴風(fēng)槽和上吸風(fēng)口附近垂直方向流速分量大于6.5 m/s，環(huán)形風(fēng)道內(nèi)流速大于2 m/s而小于6.5 m/s，介于米糠與碎米懸浮速度之間，可實(shí)現(xiàn)顆粒分離；碾白室內(nèi)噴風(fēng)槽處平均風(fēng)速為10.5～11.7 m/s，較高的流速易于大米流態(tài)化，能提高碾白效果。

圖6 X軸方向流速分量等值面Fig.6 Isosurface of flow velocity component in X-axis direction

表1 風(fēng)速對(duì)照表Tab.1 Comparison of air velocity 單位：m·s-1

圖7為氣壓隔板處壓力云圖，噴風(fēng)槽處的米篩網(wǎng)內(nèi)側(cè)的氣壓高達(dá)5 500 Pa，環(huán)形風(fēng)道內(nèi)為負(fù)壓，約為-50 Pa，米篩網(wǎng)內(nèi)外壓差最大約5 550 Pa，遠(yuǎn)大于常規(guī)碾米機(jī)噴風(fēng)槽處氣壓差最低要求［28］，較高的內(nèi)外壓差可以提高米糠碎米排出速率，并防止米糠從下進(jìn)風(fēng)口排出。

圖7 壓力云圖Fig.7 Pressure nephogram

4 樣機(jī)試驗(yàn)

為檢驗(yàn)該新型碾米機(jī)對(duì)米糠碎米的分離效果，按1：2比例搭建樣機(jī)。選擇合適的風(fēng)機(jī)使上吸風(fēng)口和噴風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速與仿真一致，為區(qū)分米糠與碎米，將碎米染成藍(lán)色，利用高速相機(jī)拍攝顆粒運(yùn)動(dòng)過程，并利用軟件PIVlab測量顆粒速度?？梢杂^察到：絕大部分米糠從上吸風(fēng)口排出，僅氣壓隔板上沉積少量米糠，碎米均從下進(jìn)風(fēng)口排出，圖8為利用PIVlab測量得到的環(huán)形風(fēng)道處米糠以及下進(jìn)風(fēng)口處碎米的速度矢量圖，米糠整體向上運(yùn)動(dòng)，最大上升速度為1.15 m/s；碎米向下掉落，最大掉落速度為0.25 m/s，分離效果基本與仿真預(yù)測結(jié)果一致，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

圖8 風(fēng)道內(nèi)顆粒速度矢量圖Fig.8 Vector of particle velocity in duct

5 結(jié)論

（1）運(yùn)用Fluent軟件對(duì)上吸風(fēng)式環(huán)形風(fēng)道碾米機(jī)的流場進(jìn)行分析。結(jié)果表明：環(huán)形風(fēng)道內(nèi)氣流速度為4.1～4.6 m/s，垂直方向分速度為2.0～6.5 m/s，均介于米糠與碎米懸浮速度之間，沒有產(chǎn)生較大旋渦區(qū)域，有利于米糠從上吸風(fēng)口快速排出，碾白輥的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)流場影響較小，工作狀況穩(wěn)定。

（2）仿真結(jié)果證實(shí)氣壓隔板形成狹管效應(yīng)，下進(jìn)風(fēng)口處上升氣流由1.4 m/s加速至3～4 m/s，同時(shí)具有折流效應(yīng)，有助于形成環(huán)形繞流。噴風(fēng)槽處米篩網(wǎng)內(nèi)外壓差最大約5 550 Pa，空心軸內(nèi)的氣流直接從噴風(fēng)管噴出，減少了風(fēng)能損失。

（3）制作了試驗(yàn)樣機(jī)，測得米糠最大上升速度為1.15 m/s，碎米最大下落速度為0.25 m/s，可實(shí)現(xiàn)米糠與碎米的有效分離。