基于CFD-DEM耦合法的调质器传质过程建模与仿真

■李 恒 李 辉 吴德胜王红英边 远

(1.中国农业机械化科学研究院，北京 100083；2.中国农业大学，北京 100083)

调质是通过湿热处理及添加液体原料，改善制粒原料的理化性质的工艺过程，是饲料制粒重要的前处理部分，物料在调质器中被不断剪切，进行水热反应，达到提高饲料成型特性，改善营养品质，满足安全卫生的目的。

调质器的设计参数为桨叶形状、角度、间距，主轴的转速，调质器的长度等。设计不合理的调质器容易出现堵机、进料不畅、调质时间短等情况。调质时间即物料经过调质器所用的时间，决定了物料参与水热反应的持续时间，是调质器结构设计中最重要的参数。

建立精确的仿真模型分析饲料在调质器内的运动情况，使设计者根据物料的运动状况发现调质器设计中的不足，并且预知特定物料的调质时间，具有重要意义。

目前国内外研究中，散粒体在机械体运动的仿真模型构建方法为离散元法。在农业工程领域，离散元法可以用于谷物颗粒、饲料颗粒等散粒体的机械化提升、混合、粉碎、气力输送等的模拟。EDEM是一款比较成熟的离散元仿真软件，具备构建粘性的颗粒模型能力，模拟导热的能力，同时还可以与CFD进行较好地耦合。目前已有学者使用CFD-DEM偶合法实现传热传质过程的模拟，为构建调质过程离散元仿真模型提供了依据。

本文以如图1所示的中国农业机械化科学研究院中机华丰科技有限公司生产的C400调质器为原型，采用DEM和CFD软件构建相关模型；对其气流运动、颗粒运动过程进行模拟。从而为今后不同物料不同生产调质器的开发的建模和仿真依据，同时为今后调质器传热过程的模拟打下基础。

图1 C400型调质器

1 几何模型构建

依据C400调质器几何形态，使用proe5.0分别构建调质器轴和调质器腔两个几何体。调质器腔如图2所示，包括腔体、进料口和出料口，进料口侧设置3个蒸汽添加点，进料口略长于实际设计，这是由于调质器接收的物料是从较高处的喂料器中落下的。C400调质器调质轴三维模型如图3所示，包括一个方轴及其固定的叶片。依据C400机型调质器的设计原理，叶片的排布和角度遵循一定规律；如图3中标红的部件，为了使调质均匀、充分，设置若干个反向叶片。

图2 C400型调质器外壳几何模型

图3 C400型调质器转轴几何模型

如图4，将所建几何体模型以igs形式导入gambit，所得几何体包括腔体和轴2个独立的构件，共计396个面，对每个面进行标记，以确定进料口、出料口、进气口、腔壁和转轴。如图5所示，对几何体模型以15 mm为间距进行网格划分，腔体得到621 375个网格，轴得到37 061个网格。

2 气流运动分析

将几何模型导入CFD软件，在忽略颗粒影响的情况下进行蒸汽添加和调质轴转动时空气的流动情况，设置进料口为速度入口，出料口为压力出口。依据C400型调质器的相关参数设置蒸汽压力和调质轴转速，以0.02 s为一个步长，每个步长迭代10次，模拟其调质过程中的气流运动，得到如图6所示的0～0.2 s的收敛曲线。可以看出仿真过程在40次计算后，速度值能够收敛于10-2；即使再次出现峰值，不会继续收敛，此时的工作时间为0.08 s。

图4 gambit中调质器几何体模型

图5 gambit中调质器网格划分

图6 调质器空载仿真运行时气流运动收敛曲线

图7为仿真得到的气流分布图，选取水平和竖直两个截面显示，图中可以看出，调质腔内蒸汽添加的位置出现了高的空气速度，而进出口处的空气流动相对比较稳定。图8为仿真得到的压力分布图，所取观察面通过三个蒸汽添加管的轴心；虽然出现局部的高压点，但大部分区域仍为-1～1 mPa，这说明蒸汽已经充分加入到调质腔内，从该图中可以看出蒸汽添加对改变腔体里的气压作用较显著。

图9为仿真得到的x向气流分布图，同图7，选取水平和竖直两个截面显示，显示范围调节为-1.5×103到1.5×103m/s。蒸汽添加段的气流运动不仅剧烈而且无明显规律，各点方向有的指向出口，有的指向入口；可见，调制器内的气流不一定有利于将物料送出，所以无法判断调制器内的气流对调质时间长短有何影响。故在后续的CFD-DEM耦合仿真中，不可忽略蒸汽添加对物料运动的影响。

图7 调质器空载运行时气流速度分布

图8 调质器蒸汽添加口压力分布

图9 调质器空载运行时轴向气流速度分布

3 CFD-DEM耦合仿真

将流体黏性模型调整为标准k-ε模型，与EDEM进行耦合。

考虑到散粒体颗粒堆积的孔隙度比粉料大，整个堆积的物料处于“漏风”的蜂窝状，故减少进气口压力参数设定以使颗粒免于被气流吹散，使工作过程更接近实际情况。球形颗粒孔隙度约为50%，而调质过程中物料呈现半糊状，孔隙度仅为20%，二者比例为0.4。孔隙度决定堆积体各截面通风面积；而压力差一定时，通风面积正比于风速，故可推知孔隙度和风速成正比。根据伯努利方程可知，流体的压力提供的能量，正比于流速的平方。故本文将入口设置为正常压力的0.16倍，即孔隙度放大倍数的平方。调质过程中，物料与水不断融合，黏度也会增大，故应设置黏结模型。

表1中颗粒与转轴和桨叶的黏附能量大于其与筒壁的黏附能量，这是为了防止颗粒在仿真过程中在离心力的作用下被过快甩出，从而更加符合调质器实际运行的情况。

表1 EDEM模型中各材料属性

离散元模型计算的时间步长设置为2×10-5。上一步实验可知，0.8 s后调质器腔体内气流场变化不明显，为了减少计算量，将耦合间隔时间设置较长，为1 s，即CFD的计算步长为1 s。为了便于在如此长的步长内提高收敛性，将每个步长的迭代次数设置为20。本机型生产时的调质时间为30～40 s，故模拟时间设定为60 s。为了减少EDEM在工作时所占的存储空间，设置其存储时隔为0.1 s。

调质器操作时为了防止蒸汽加入过猛导致物料飞溅甚至反流，常采用逐步加汽的方式。预实验中也发生了类似的现象，故模拟操作每隔一段时间重新设置蒸汽添加的边界条件值并初始化：1～10 s的蒸汽压力设定为10 kPa，10～30 s设置蒸汽压力为预设值的1/2，30～60 s设置蒸汽压力为预设值。

图10为通过CFD-DEM耦合得到的，虚拟调质器加载有物料时气流运动收敛曲线，时间是30～60 s，即压力完全加入进气口后的过程。从图中还可以看出，45 s后收敛性仅随时间波动，而不再减少，可见60 s的模拟时间对CFD流场仿真是充足的。

4 结果与分析

图11为调质器运行时轴向气流速度分布图，选取水平和竖直两个截面显示。对比图7可知，3个蒸汽添加口处气流速度较大，由于料层的阻力作用，距离蒸汽添加口越远气流速度越慢。

DEM模拟过程中，可以观测得到0～21 s内调质器不断被填充，21 s后颗粒填充率变化不明显，效果如图12所示。

图10 调质器0～60 s仿真运行时气流运动收敛曲线

图11 调质器运行60 s气流速度分布

图12 0～21 s虚拟调质器工作仿真过程

图13为仿真过程中出口产生的团簇颗粒。可以看出颗粒在调质器的作用下能够形成黏性的团簇，此图中出口处能够看到3个两颗粒聚集的团簇和1个三颗粒聚集的团簇，被调质的物料也呈团簇状被翻起，可见本文中采用的接触模型基本合理。

图13 颗粒成团性示意图

图14为仿真得到的颗粒数量曲线，可以看出30 s后颗粒数量维持在7 600～8 000。可知本文中使用的虚拟调制器在工作30 s后进出调质腔的物料量基本持平，达到了稳定的工作状态。计算并输出30～60 s内300个状态下的颗粒数量的平均数，其值为7 876，根据颗粒生成速度300个/s，计算得到的调质时间为26.25 s，约为C400实际的调质时间30～40 s的75%。

图14 0～60 s时间-颗粒数量曲线

探讨反向叶片对物料的作用效果。在转轴旋转整数圈时，设定如图3所示的1个反向叶片内出口方向侧的40 mm空间为反向叶片的作用范围。在EDEM中导出该范围内颗粒的数量和颗粒的输送速度并求平均数。然后导出各时刻整个腔体中入料段和出料段以外的调质段处颗粒的输送速度并求平均数。结果如表2所示，速度为负表示颗粒向出口方向移动，速度为正表示颗粒向入口方向移动。

表2 反向叶片处颗粒运动参数与调质腔整体颗粒运动参数对比

从表2分析可知，30、35、40、45 s时反向叶片能够使物料朝向相反的方向运动，其余时刻作用并不明显。受反向叶片作用颗粒的数量为3～13个不等，仅占全部被调质物料的0.1%～0.2%。实际设计中反向叶片安装过多会产生堵机，安装过少会起不到增加调质时间的作用。C400调制器内这样的反向叶片占全部数量的1/6以上，能够起到减缓物料向出料口推进的作用。

5 结论

CFD-DEM仿真模型能够对调质器工作时的传质过程。蒸汽对颗粒运动状态影响很大，进行仿真时需要根据颗粒的孔隙度重新设定边界条件方能达到较好的效果；模型中添加蒸汽时，需要阶段性加入，以防止虚拟颗粒的溅出。通过设置离散元中的接触模型能够使虚拟颗粒呈现调质过程中的运动状态。

使用该法能够分析调质腔内流场分布、调质时间、叶片安装方式对颗粒的输送作用等。流场在颗粒的阻力作用下呈现均匀的特点。通过虚拟粒的数量和生成速度，能够计算得到调质时间，仿真得到的调质时间为实际工作过程的75%。模拟得出C400设置的反向叶片能够起到减缓物料向出料口推进的作用，具有延长调质时间，使调质均匀、充分的功能。

（参考文献若干篇，刊略，需者可函索）