■王 亮 曹麗英

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010）

針對本課題組提出的新型錘片式飼料粉碎機(jī)存在的飼料顆粒過篩率和度電產(chǎn)量不高的問題，我們分別提出了通過改進(jìn)分離裝置外管壁的結(jié)構(gòu)以及在回料管上打孔等方案，都可以在一定程度上解決上述問題。但是在實際生產(chǎn)中是好多因素共同起作用，單獨討論某個因素存在著一定的局限性。本文將上述兩因素共同進(jìn)行仿真模擬，使其更加接近實際情況，看一下在這樣的條件下仿真結(jié)果是否成立，進(jìn)而為生產(chǎn)實際提供進(jìn)一步的依據(jù)和參考。

1 問題描述

本課題組制作的新型錘片式飼料粉碎機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，為了保證在工作時粉碎室內(nèi)不形成環(huán)流層，特將粉碎室右側(cè)連接一個分離裝置。飼料顆粒在粉碎室被粉碎后將沿著分離裝置運動，符合粒徑大小的顆粒將順利過篩，不符合粒徑大小的由于其自身重力的作用將順著回料管流回到粉碎室繼續(xù)粉碎。

圖1 新型錘片式粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)原理

但是在實際工作時，由于分離裝置外管壁的結(jié)構(gòu)特點，有一部分飼料顆粒將與其發(fā)生碰撞并沿著分離裝置內(nèi)壁流回到粉碎室被過粉碎；另外，由于回料管負(fù)壓的吸附作用，還有一部分飼料顆粒在沒有到達(dá)篩片以前就直接被吸回了粉碎室被過粉碎。

為了解決上述問題，我們分別提出了將分離裝置外管壁做成圓弧形，以減少與顆粒的碰撞；還可以在回料管上開孔，達(dá)到泄壓的目的，以減少其對飼料顆粒的吸附作用，兩者的仿真效果都很好。

但是在實際生產(chǎn)中，是這兩種因素同時在對顆粒的濃度分布和運動情況起作用。為了更加接近實際情況，本文將上述兩種方案結(jié)合在一起進(jìn)行仿真，以證明其在實際中的可行性。

2 有限元模型的建立及求解

2.1 模型的建立

由于外管壁結(jié)構(gòu)和回料管負(fù)壓在實際中是共同起作用的，本文將對兩種方法共同建模并進(jìn)行氣固兩相流仿真模擬。

首先，將對現(xiàn)有的分離裝置以及回料管進(jìn)行建模；然后其他條件不變，將分離裝置的外管壁改為圓弧形并且在回料管上打孔進(jìn)行建模。這樣就可以檢驗在回料管泄壓的情況下，圓弧形外管壁是否比原有的外管壁更優(yōu)越，即能否實現(xiàn)上述兩種方法的綜合效果。

圖2和圖3分別為現(xiàn)有分離裝置和圓弧形外管壁分離裝置的簡化模型。建模時采用三維建模軟件Pro/e建立模型，將建立好的三維模型導(dǎo)入到ANSYS/FLUENT中使用自動生成網(wǎng)格。

圖2 分離裝置結(jié)構(gòu)

圖3 改進(jìn)后分離裝置結(jié)構(gòu)

2.2 邊界條件及初始條件的確定

飼料入口設(shè)為速度入口，氣相和固相進(jìn)口速度均為8 m/s。出口設(shè)置為自由出口，回料管出口設(shè)置為壓力出口，壓力值為-600 Pa。未開孔時，開孔出口設(shè)置為wall，即封閉；開孔時，開孔出口設(shè)為壓力出口，出口邊界的靜壓設(shè)為0 Pa，即與空氣相通。兩個模型的進(jìn)出口設(shè)置相同，各進(jìn)出口位置如圖2所示。

2.3 求解

兩相流模型都采用歐拉模型，分散相選用體積分?jǐn)?shù)占連續(xù)相10%的玉米顆粒，固相顆粒直徑設(shè)置為2 mm，連續(xù)相設(shè)置為空氣?？諝獾倪\動黏度為17.9×106m2/s，兩組仿真入口當(dāng)量直徑最小為100 mm，通過計算可知Re＞4 000，所以兩個分離裝置中流體的流動為湍流，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。并選用無滑移邊界，近壁區(qū)的流動模擬采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。其他條件保持默認(rèn)設(shè)置。

3 結(jié)果分析

圖4和圖5分別是閉孔時分離裝置和改進(jìn)后分離裝置中顆粒濃度的分布圖。從圖4可以看出兩個高濃度區(qū)分別分布在飼料出口處和回料管入口處附近。其中，第一部分能夠順利過篩，但是所占比例較少；第二部分將被回料管負(fù)壓直接吸回粉碎室，無法到達(dá)篩片。這部分所占比例較大。從圖5也可以看出飼料顆粒一部分能夠過篩，另外一部分被回料管吸回粉碎室中。由于圖4和圖5都是在回料管沒有開孔時（即現(xiàn)在真實工作環(huán)境中）的飼料顆粒濃度分布圖，從圖中可以看出，在兩種情況下，回料管負(fù)壓對顆粒濃度分布的影響都比較大。

圖4 分離裝置閉孔時顆粒濃度分布

圖5 改進(jìn)后分離裝置閉孔時顆粒濃度分布

圖6 分離裝置開孔時顆粒濃度分布

圖7 改進(jìn)后分離裝置開孔時顆粒濃度分布

圖6和圖7分別是開孔時顆粒濃度的分布圖。從圖中可以看出，開孔的泄壓作用很明顯，回料管的吸附作用明顯較少。但是由于外管壁結(jié)構(gòu)的不同，圖6中的高濃度區(qū)集中在分離裝置的中間位置，過篩率并不算高；而從圖7可以直觀地看出高濃度區(qū)集中在出口附近，過篩率顯著提高，說明圓弧形外管壁對飼料顆粒過篩率的提高能夠起到很大的作用，在實際中也是可行的。

4 結(jié)論

①本文利用FLUENT軟件在回料管負(fù)壓被泄壓的情況下，分別對改進(jìn)前和改進(jìn)后的分離裝置進(jìn)行了氣固兩相流模擬，效果良好，為合理設(shè)計分離裝置的結(jié)構(gòu)及其實際應(yīng)用提供了參考。

②通過仿真實驗，驗證了圓弧形外管壁與回料管的泄壓，這兩種方法可以在粉碎機(jī)工作時產(chǎn)生綜合效果，可以有效地提高飼料顆粒的過篩率。

③由于條件所限，尚未進(jìn)行相應(yīng)的實驗研究。在今后的研究中需要加入實驗研究，可作為一項技術(shù)推廣。