王立宗，余南輝，范吉軍，張藝凡，劉澤軍，張永林

（1.武漢輕工大學(xué) 機械工程學(xué)院，武漢 4300232；2.武漢輕工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，武漢 4300232）

0 引言

碾米機通過碾白輥高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的作用去除糙米糠層獲得完整白米［1-3］。傳統(tǒng)臥式碾米機依靠底部的吸風(fēng)機向下抽氣對米糠碎米混合物進行收集［4-5］。由于米糠與碎米具有不同用途，米廠通常使用糠粞分離器對收集的混合物進行分離［6-7］。但該解決方案前期成本大、能耗高［8-9］，且碾米機下部吸風(fēng)機風(fēng)量過大會造成大米沉積于碾白室底部，導(dǎo)致大米碾白不均［10］。為此，國內(nèi)企業(yè)提出了抽風(fēng)機置于頂部的上吸風(fēng)式碾米機，以實現(xiàn)對米糠與碎米的高效分離收集，并修正米粒堆積于碾白室底部的缺陷［11-12］。此外，生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)冷米拋光效果明顯優(yōu)于熱米拋光，碾米過程中摩擦生熱所形成的溫升對大米的光亮度、碎米率等指標均不利［13］。而上吸風(fēng)碾米機風(fēng)道為上部吸氣下部進氣方式，形成的“過堂風(fēng)”能高效帶走碾米產(chǎn)生的熱量。綜上所述，上吸風(fēng)式碾米機具有許多獨特的優(yōu)點，但相關(guān)的研究報道很少。

計算流體動力學(xué)-離散單元耦合方法（CFDDEM）廣泛應(yīng)用于氣-固兩相流動的研究［14-15］。張開興等［16］利用CFD-DEM技術(shù)分析了一種滾筒式茶葉熱風(fēng)復(fù)干機內(nèi)的流場與顆粒運動特征。史嵩等［17］利用CFD-DEM技術(shù)對驅(qū)導(dǎo)輔助充種氣吸式排種器排種質(zhì)量進行優(yōu)化設(shè)計，確定了最優(yōu)工作參數(shù)并進行試驗驗證。

此外，粒子圖像測速（PIV）已被應(yīng)用于記錄兩相流中顆粒運動和流場特征［18-21］。WILLIAM等［22］開發(fā)了一種粒子圖像測速軟件（PIVlab）。SARNO等［23］使用PIVlab對轉(zhuǎn)筒和溜槽上干顆粒的運動進行研究。目前還未見計算流體動力學(xué)-離散單元耦合方法和粒子圖像測速方法廣泛用于研究米糠碎米顆粒分離。

本文對臥式碾米機的集糠系統(tǒng)進行改進，設(shè)計一種具有環(huán)形分離風(fēng)道的碾米機?；贑FDDEM技術(shù)分析新型上吸風(fēng)碾米機風(fēng)道內(nèi)顆粒的運動特征。搭建試驗樣機，利用PIVlab觀測米糠碎米的運動。設(shè)計的新型碾米機實現(xiàn)了米糠碎米的直接分離回收，有助于碾米工藝的發(fā)展。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1顯示新型碾米機的主要結(jié)構(gòu)。碾米系統(tǒng)主要包括螺旋輸送器、噴風(fēng)管、碾白輥、拔料輥、米篩網(wǎng)和空心軸；糠粞分離收集系統(tǒng)主要包括上吸風(fēng)口、均流板、下進風(fēng)口、隔板、桶形外殼以及與米篩網(wǎng)共同形成的環(huán)形風(fēng)道。噴風(fēng)管連通空心軸與噴風(fēng)孔，噴風(fēng)機向空心軸噴出的氣流經(jīng)噴風(fēng)管流入碾白室內(nèi)，促使米糠和碎米排入環(huán)形風(fēng)道。吸風(fēng)機被置于上吸風(fēng)口處，使環(huán)形風(fēng)道中產(chǎn)生上升氣流，合理設(shè)置風(fēng)機風(fēng)速，使風(fēng)道內(nèi)上升氣流速度介于米糠與碎米懸浮速度之間，而均流板使上升氣流流速均勻分布。米篩網(wǎng)與桶形外殼形成等截面環(huán)形風(fēng)道，有利于風(fēng)道內(nèi)流速均勻、顆粒穩(wěn)定分離。環(huán)形風(fēng)道下部連通下進風(fēng)口。在風(fēng)道內(nèi)上升氣流作用下，米糠從上吸風(fēng)口排出，碎米落至下進風(fēng)口。下進風(fēng)口處設(shè)置隔板，阻擋米糠掉落的同時促使上升氣流形成環(huán)形繞流。

圖1 上吸風(fēng)環(huán)形風(fēng)道碾米機結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of top-suction rice mill with annular duct

2 數(shù)值分析與試驗

2.1 數(shù)值模型

圖2為碾米機離散元簡化模型。模型軸向長度L為150 mm，環(huán)形風(fēng)道直徑160 mm，碾白輥直徑100 mm，上吸風(fēng)口寬度為40 mm，下進風(fēng)口寬度為60 mm。上吸風(fēng)口風(fēng)速u0是影響米糠碎米分離的重要參數(shù)，設(shè)為6 m/s，噴風(fēng)機氣流速度ui約為10 m/s。外界環(huán)境氣流通過下進風(fēng)口進入碾米機內(nèi)部，設(shè)下進風(fēng)口處氣壓為0 Pa。初始時大米、碎米和米糠的混合物位于碾白室內(nèi)。

圖2 離散元模型Fig.2 Discrete element model

僅對一對噴風(fēng)管附近區(qū)域進行分析，見圖2（a）。在FLUENT中利用滑移網(wǎng)格模型（SMM）模擬碾白輥旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的影響，設(shè)置碾白輥內(nèi)區(qū)域為旋轉(zhuǎn)域（轉(zhuǎn)速800 rad/min），其余區(qū)域為靜止域。對于固相，采用Hertz-Mindlin（no slip）模型，氣相采用標準模型。由于重點討論環(huán)形風(fēng)道內(nèi)顆粒運動，且風(fēng)道內(nèi)顆粒體積分數(shù)小于10%，故用Lagrangian模型作為耦合模型。后續(xù)對截面Plane 1、Plane 2上流場特征進行研究如圖2（b）所示。

2.2 顆粒模型

采用球體顆粒對米糠與碎米進行模擬，雪茄形多球模型模擬大米。米糠等效球直徑為0.1～0.5 mm，仿真直徑取平均值，為0.25 mm。碎米等效球直徑范圍為0.8～1.5 mm，平均為1.2 mm。米糠密度采用壓實密度，碎米密度與大米密度相等。顆粒仿真參數(shù)采用文獻［24］的方法進行試驗標定，見表1和表2。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

表2 顆粒接觸參數(shù)Tab.2 Particle contact parameters

依據(jù)顆粒懸浮速度，評價顆粒模型的正確性。將顆粒置于垂直管道內(nèi)，上升氣流流經(jīng)管道，在不同流速下，觀測顆粒運動趨勢，得出懸浮速度范圍。

顆粒懸浮時受力平衡方程：

式中 Fb——顆粒所受浮力，N；

Fd——顆粒所受曳力，N；

G ——顆粒的重力，N。

而顆粒所受曳力：

式中 ds——顆粒等體積球直徑，m；

C ——顆粒阻力系數(shù)；

ρ ——空氣密度，kg/m3；

vp——顆粒速度矢量，m/s；

v ——氣流速度矢量，m/s。

其中阻力系數(shù)為顆粒雷諾數(shù)Rep的分段函數(shù)：

顆粒雷諾數(shù)計算公式：

依據(jù)式（1）與（2）可得：

式中 g ——重力加速度，m/s。

由于顆粒懸浮，所以vp=0。依據(jù)式（5）得顆粒懸浮速度v0計算公式：

理論計算、計算機仿真和試驗得到的顆粒懸浮速度數(shù)據(jù)如表3所示。數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，可認為顆粒建模準確。

表3 懸浮速度對比Tab.3 Comparison of suspension velocity （單位：m/s）

2.3 試驗裝置與試驗過程

圖3為試驗樣機，上吸風(fēng)風(fēng)機與噴風(fēng)機的額定風(fēng)量分別為2.8 m3/min和1.6 m3/min，使用調(diào)速器調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機風(fēng)速與仿真設(shè)置條件一致。將碎米染成深藍色，將米糠、碎米和大米混合物放入碾白室后，碾米機開始工作。利用PIVlab軟件對高速攝影機拍攝的視頻進行分析。

圖3 試驗樣機Fig.3 Experimental prototype

3 試驗結(jié)果

3.1 流場

圖4和圖5顯示了噴風(fēng)口轉(zhuǎn)動至不同位置時的流場。結(jié)果表明，當噴風(fēng)管位于水平位置時，環(huán)形風(fēng)道內(nèi)平均流速為4.52 m/s，Y方向氣流分速度為2.56 m/s（圖4）；當噴風(fēng)管位于垂直位置時，風(fēng)道內(nèi)平均風(fēng)速為4.50 m/s，Y方向氣流分速度為2.49 m/s（圖5）。平均速度均介于米糠和碎米的懸浮速度之間，噴風(fēng)管位置的變化對風(fēng)道內(nèi)流場影響很小。圖4（c）與圖5（c）顯示氣流沿風(fēng)道向上流動。當噴風(fēng)管處于垂直時，噴風(fēng)口離下進風(fēng)口較近，而隔板阻擋了噴風(fēng)口向下噴出的高速氣流，可有效防止米糠隨高速氣流落入下進風(fēng)口。此外，隔板促使上升氣流形成沿環(huán)形風(fēng)道的繞流。對比圖4與圖5中Plane 1截面和Plane 2截面的速度云圖可知，噴風(fēng)管內(nèi)高速氣流僅對環(huán)形風(fēng)道內(nèi)局部流場產(chǎn)生較大影響，其余區(qū)域氣流流向一致、流速分布均勻。

圖4 噴風(fēng)管水平時流場特征Fig.4 Flow field characteristics when blowpipe is horizontal

圖5 噴風(fēng)管垂直時流場特征Fig.5 Flow field characteristics when blowpipe is vertical

3.2 顆粒運動特性

對環(huán)形風(fēng)道內(nèi)顆粒的分離運動進行觀測分析。圖6（a）顯示環(huán)形風(fēng)道內(nèi)顆粒仿真結(jié)果，由于環(huán)形風(fēng)道內(nèi)平均流速大于米糠懸浮速度，米糠整體以圓弧軌跡作向上的加速運動，并從上吸風(fēng)口排出。圖6（b）為試驗中獲得的米糠速度矢量圖，米糠整體運動方向向上，從上吸風(fēng)口排出，下進風(fēng)口附近僅存少量米糠。將仿真所得的米糠運動與試驗中利用PIVlab測得的米糠速度矢量進行對比，可以看到運動趨勢基本一致，米糠整體沿環(huán)形風(fēng)道向上移動，僅極少米糠從下進風(fēng)口排出或堆積于隔板上。

圖6 米糠運動特征Fig.6 Motion characteristics of rice bran

圖7顯示下進風(fēng)口附近顆粒的運動特征。圖7（a）為試驗圖像，方框區(qū)域內(nèi)采用白紙作為拍攝背景，以便于觀測碎米；其中，碎米主要從底部的下進風(fēng)口被排出，隔板附近的米糠（點劃線圈內(nèi)）先下落后上升，最后進入環(huán)形風(fēng)道，僅極少量米糠從下進風(fēng)口排出。圖7（b）顯示仿真結(jié)果，黑線和白線分別為碎米與米糠的運動軌跡，米糠僅在隔板上方運動，碎米整體從下進風(fēng)口處落出。通過對比研究可知，試驗與仿真結(jié)果基本一致。

圖7 下進風(fēng)口處顆粒的運動特征Fig.7 Particle motion characteristics at lower air inlet

3.3 顆粒速度分布

米糠和碎米的垂直分速度（Y方向）一定程度上體現(xiàn)了米糠與碎米相互分離的效率。圖8顯示試驗和仿真得到的米糠垂直分速度的對比。試驗中發(fā)現(xiàn)米糠顆粒的垂直速度分量的分布主要與Y軸方向距離有關(guān)，最大上升速度均位于Y軸20～30 mm的位置（高于環(huán)形風(fēng)道中部約1/2桶形外殼半徑的距離），約為1.5 m/s，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果較為一致。

圖8 米糠的上升速度Fig.8 Rice bran rising velocity

圖9顯示下進風(fēng)口處碎米下落速度的分布。由于垂直氣流速度分量低于碎米懸浮速度，碎米加速向下運動。試驗中碎米最大下落速度為-1.1 m/s，仿真中為 -0.95 m/s，基本一致。

圖9 碎米下落速度Fig.9 Rice bran falling velocity

4 結(jié)語

從CFD-DEM耦合仿真與試驗比較得出：

（1）試驗測得米糠懸浮速度為1～1.3 m/s，碎米速度為5.5～6 m/s，與仿真結(jié)果相近。

（2）環(huán)形風(fēng)道內(nèi)氣流流速分布均勻，整體向上流動。Y方向氣流平均分速度為2.5 m/s，整體平均流速為4.5 m/s。碾白輥的轉(zhuǎn)動對流場影響較小。

（3）米糠以弧形軌跡向上加速運動并從上吸風(fēng)口排出。米糠在環(huán)形風(fēng)道內(nèi)Y方向速度先上升后下降，最大上升速度為1.4～1.5 m/s。碎米的最大下落速度仿真值為-0.95 m/s，試驗值為-1.1 m/s，碎米從下進風(fēng)口排出。

綜上所述，仿真模型可以準確預(yù)測試驗中顆粒運動特征，新型碾米機能實現(xiàn)米糠碎米分離，為工程化應(yīng)用提供設(shè)計思路。