基于滑移网格技术的碾米机气流场数值模拟分析

张 双，阮竞兰*，吴杰俊

（1．河南工业大学 机电工程学院，河南 郑州 450001;2.湖南郴州粮油机械有限公司，湖南 郴州 423000）

基于滑移网格技术的碾米机气流场数值模拟分析

张 双1，阮竞兰1*，吴杰俊2

（1．河南工业大学 机电工程学院，河南 郑州 450001;2.湖南郴州粮油机械有限公司，湖南 郴州 423000）

以MNML30型立式砂辊碾米机为原型，借助 Solidworks创建三维模型，并利用Workbench对所建模型进行网格划分及网格质量评判，应用Fluent中的滑移网格技术对碾米机碾白室内气流场进行数值模拟。通过改变碾白辊转速，分析不同碾白辊转速对碾白室内气流场的影响，当碾白辊转速分别取500 r/min、900 r/min和1 200 r/min时，得到900 r/min时气流场处于较稳定状态。

碾白室；滑移网格；网格质量；速度压力云图；速度压力曲线

0 前言

碾米机是将糙米碾白的一种动力机械，而碾白室是糙米碾白的主要工作场所，米粒在碾白室内的运动速度和压力是碾白工艺的主要参数，是研究碾米理论的基础[1-2]。近几十年来，世界各国对碾米的工艺方法进行了许多改进，20世纪70年代开发的喷风碾米以其良好的工艺效果，迅速得到了行业的认可、普及和推广[3]。对于喷风碾米的碾米机，影响其碾白室压力的因素有很多，其中最主要的有碾白辊的线速、碾白室间隙、进机流量、米刀的数量和厚度等[4]。

在碾米过程中气流的作用不仅可以加强米粒的翻滚运动，使糙米碾白得更均匀，而且还可以降低白米的温升，降低碾白室的湿度，减少碎米的产生，同时也会促使米糠和米粒分离。适时调整碾白室的碾白压力，可将米糠带出碾米机外，实现米糠分离[5]。由此可见，气流在碾米过程的作用是十分重要的，但是在实际的设计优化中，气流在碾白室内的流动情况理论研究不够，仅有定性的分析，缺乏定量分析。

近年来，计算流体动力学技术在国内外迅速发展，其商用软件Fluent在气流场、温度场、辐射场等的数值模拟上的优势也越来越突出[6]。本文借助流体分析软件Fluent对碾米机内的气流场进行数值模拟。在模拟碾白辊的运动时，Fluent中有多参考系模型、混合面模型、滑移网格和动网格模拟等。但是前两种模型只是针对定常问题的分析，而动网格模型一般用于较为复杂的运动。而本文中的碾白辊只是单一的回转运动，适合用滑移网格技术[7-8]。

1 计算模型创建

本文中计算模型以MNML30型立式砂辊碾米机为原型。MNML30型碾米机的主要技术参数如表1所示。

表1 MNML30技术参数Table 1 MNML30 technical parameters

该型号碾米机的结构组成如图1所示。它主要由进料机构、碾白室、出料机构、传动机构、排糠系统及机架等部分组成。喷风形式采用的是喷风盘喷风。采用喷风盘喷风时，出风口处的负压值选用较小的值，即选用-1 000 Pa。

图1 MNML30型立式砂辊碾米机结构示意图Fig.1 Structure scheme of MNML30 vertical sand roller milling machine

根据实验测绘数据以及厂家提供的相关尺寸，再结合MNML30型碾米机的结构示意图，同时考虑到计算机的运行速度和容量大小方面的限制，在不影响结果的条件下，对计算模型进行适当的简化。应用滑移网格，将计算域分为内外两部分进行创建，图2所示为简化后的碾米机流体区域。左图为碾米机整体的效果图，图中箭头标明了气流在碾米机内的流动方向。右图为运动区域1的整体效果图，从图2可以看出，沿着圆周方向均匀分布的4个扇形区域即为简化后的喷风盘。

图2 简化后的碾米机示意图Fig.2 Schematic diagram of a simplified rice milling machine

2 计算模型网格划分

将图2中的模型保存为IGS格式，导入到Workbench进行网格划分，由于喷风盘的尺寸跟筛孔的尺寸相对来说比较小，而且此两处也是流体计算的关键部分，需对这两部分的网格进行细化，而其他区域的网格，考虑到计算的整体效率，网格的尺寸可以适当地加大，当然必须要控制在合理的范围之内。图3为碾米机网格划分之后的效果图，其中箭头指示的为方框处的局部放大图，在放大图中可以看到筛孔处的网格尺寸要小于其他部位，即进行适当的细化。

图3 碾米机网格图Fig.3 Grid diagram of milling machine

对于仿真计算而言，网格质量的好坏直接关系到求解计算的收敛情况和计算结果的精确度，Fluent中网格质量的评判标准有很多种，比较常用的就是歪斜度（Skewness），一般要求歪斜度最好要在0.9以下[10]。在Workbench中对上述网格进行了歪斜度的检查，如图4所示，其中Skewness平均值为 0.242，最大值为 0.849，最小值为 6.74×10-5。由此可见，该模型的网格质量符合要求。

图4 碾米机网格歪斜度Fig.4 The mesh skewness of milling machine

3 仿真参数设置

3.1 入口边界条件设置

入口采用速度入口边界条件，湍流条件按湍流强度和水力直径进行设置。由表1可知，该型号碾米机的处理风量为35 m3/min，进风口的尺寸为：120 mm×50 mm×2/195 mm×55 mm。=25.67 m/s，

式中：L 为风量，m3/min；F 为风口通风面积，m2；v为进风口的平均风速，m/s。

为了简化仿真计算，省略了进料机构，此时风直接从碾白辊顶端的环形端面直接吹入碾白辊内部，由于风程缩短了，所以取此进风口处的速度为20 m/s。

进风口处的水利直径Φ1、雷诺数Re1和湍流强度I1分别为[11]：

式中：ν为空气的运动黏度，15.06×10-6m2·s-1。

3.2 出风口边界条件设置

出口采用压力出口边界条件，由表1可知，风压为980.4～1 470.6 Pa，则出口处压强为：

P=(980.4～1 470.6)Pa

同上述可计算出出风口处的水利直径Φ2、雷诺数Re2和湍流强度I2分别为：

3.3 滑移网格设置（图5和图6）

将分别模拟碾白辊在转速500 r/min、900 r/min和1 200 r/min下碾米机内气流的压力和速度的变化，将运动区域M_A置于滑移网格的旋转坐标系下，绕y轴顺时针旋转，而静止区域置于静止坐标系。壁面选用无滑动壁面条件，在近壁面区使用标准壁面函数。

图5 M_A区域滑移网格设置Fig.5 Slide mesh settings of M_A filed

图6 不同时刻下横截面Y=154 mm的网格图Fig.6 Grid diagram of cross section Y=154 mm at different moment

4 计算结果与分析

4.1 残差分析

通过优化网格，改进求解参数，控制松弛因子等方法，保证并提高迭代的收敛性。经过多次迭代，图7为2.8 s转速为900 r/min下的残差监视变化曲线。计算至54 500步后，计算收敛，流量报告给出进出口的质量流量的绝对值相对误差达到10-5，每0.1 s记录1次流场数据结果[12]。

4.2 纵截面流场信息结果分析

为了分别考察碾米机内部流场随碾白辊转速变化情况，根据数值计算结果，选取时间为1 s，转速为500 r/min、900 r/min和1 200 r/min时碾白室中心截面Z=0 mm的流场速度信息（图8）和流场压力信息（图9）来进行分析。

由图8的速度云图可以看出，随着碾白辊转速提高，碾米机内气流最大线速也越来越大，碾米机纵向气流速度梯度越来越小。3种转速之下，气流的速度由进风口到出风口基本都呈越来越小的变化趋势。由图9的压力云图可以看出，整个碾白室处在负压的状态，这跟实际的情况也很符合，而且可以看出，随着转速的提高，碾白室内气流压力也呈现增大的趋势。高压区出现在碾白辊的下端，这是因为在简化模型时，将与之装配的轴以及轴承简化掉了，这里形成了一个密闭的空间。

图7 残差曲线Fig.7 Residual curve

图8 1 s时不同转速下Z=0 mm速度云图Fig.8 Velocity cloud of Z=0 mm at different rotating speeds in 1 s

图9 1 s时不同转速下Z=0 mm压力云图Fig.9 Pressure cloud of Z=0 mm at different rotating speeds in 1 s

4.3 横截面流场信息结果分析

根据数值计算结果，选取时间为2 s，转速为500 r/min、900 r/min和1 200 r/min时碾白室横截面Y=154 mm的流场速度信息（图10）和流场压力信息（图11）来进行分析。

图10 2 s时不同转速下Y=154 mm速度云图Fig.10 Velocity cloud of Y=154 mm at different rotating speeds in 2 s

由图10的速度云图可以看出，当碾白辊转速为500 r/min时，整个碾米机横向气流速度梯度变化比较大，而相对来说当转速为900 r/min和1 200 r/min时，碾米机横向气流速度梯度变化较舒缓。由图11的压力云图可以看出，碾米机内气流压力在横向方向上，由碾白辊中心向外压力是越来越小的，而且碾白室整个都是处在负压的状态之下，当转速为1 200 r/min时，横向气流压力梯度的变化较前两者大。

4.4 碾白室某一竖直方向上的压力和速度变化情况

图11 2 s时不同转速下Y=154 mm压力云图Fig.11 Pressure cloud of Y=154 mm at different rotating speeds in 1 s

为了查看碾白室内压力和速度在转速一定时，其值随时间的变化情况，在碾白室选取点P1（153 471.5 0）为起点，选取点P2（153 76.5 0）为终点，连接点P1和P2定义为line33。

图12为直线line33上各点的速度随时间变化的情况，其中v1表示1 s时直线上各点的速度，v2表示2 s时直线上各点的速度，同理可知v3则表示3 s时直线上各点的速度。由图12可以看出，当转速为500 r/min和1 200 r/min时，直线line33上各点速度大小是处在变化之中的，当转速为900 r/min时，直线line33上速度大小基本保持恒定，相当于达到一个稳态。单从line33上各点的速度随时间的变化情况，可以初步推断出，当碾白辊转速为900 r/min时，碾白室内的气流在速度变化上更稳定，也更容易实现控制。

图12 直线line33上的速度变化曲线Fig.12 Velocity change curve of line33

图13为直线line33上各点的压力随时间变化的情况，其中p1表示1 s时直线上各点的静压值，p2表示2 s时直线上各点的静压值，同理可知p3则表示3 s时直线上各点的静压值。由图13可知，当转速为500 r/min时，直线line33上各点的压力随着时间的推移，整体趋势呈上升的趋势；而当转速为900 r/min时，类似于直线上各点的速度值，line33上各点的压力基本保持恒定，也相当于达到了一个稳态；当转速为1 200 r/min时，随着时间的推移，直线上各点的压力大幅减小。单从line33上各点的压力随时间的变化情况，可以初步断定，当碾白辊转速为900 r/min时，碾白室内的压力更稳定，更容易控制。

图13 直线line33上的压力变化曲线Fig.13 Pressure change curve of line33

5 结论

采用滑移网格技术模拟的压力分布情况，在不同的转速之下，规律不尽相同。当碾白辊转速为500 r/min时，碾白室内压力随着时间的推移有增大的趋势；当碾白辊转速为900 r/min时，碾白室内的压力随着时间的推移基本保持在恒定值，呈现出一个稳态的过程；当碾白辊线速为1 200 r/min时，碾白室内的压力随着时间的推移大幅减小。且由碾米机横截面上压力云图可以看出，当转速为1 200 r/min时，横向的压力梯度变化也较前两者大。

采用滑移网格技术模拟的速度分布情况，在不同的转速之下，规律也是各不相同。当碾白辊线速为500 r/min和1 200 r/min时，随着时间的推移，碾白室内各点的速度处在不断的变化之中；而当碾白辊转速为900 r/min时，碾白室内各点的速度没有发生改变，相当于处在一个稳定状态下。且由碾米机横截面上速度云图可以看出，当转速为500 r/min时，横向的速度梯度变化也较其他两种情况大。

单从直线line33上各点在不同时刻时的速度和压力变化情况，可以初步推断，当碾白辊转速为900 r/min时，碾米机碾白室内的气流流动情况较稳定，也最容易实现控制。

［1］ 无锡轻工业学院，武汉粮食工业学院.碾米工艺与设备［M］.北京：中国财政经济出版社，1984.

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NUMERICAL SIMULATION OF AIRFLOW OF MILLING MACHINE WITH SLIP GRID TECHNIQUE

ZHANG Shuang1， RUAN Jinglan1，WU Jiejun2
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou 450001，China；2.Hunan Chenzhou Grain and Oil Machinery Co.，Ltd，Chenzhou 423000，China）

The MNML30 type of vertical sand roller rice milling machine was as the prototype，using Solidworks to create three-dimensional model，and the mesh division and mesh quality of the built model were evaluated by Workbench in this study. The Slip Grid technique technique was applied in the numerical simulation of the fluent field in whitening chamber of rice milling machine. The influence of roller speed on the fluent field in whitening chamber of milling machine was analyzed through the changes of roller speed. Three different roller speeds were delimited，which were 500 r/min， 900 r/min and 1 200 r/min， respectively. The results showed that the fluent field in whitening chamber was at a more steady state at the roller speed of 900 r/min. .

whitening chamber；slip grid technique；mesh quality；velocity and pressure cloud；velocity and pressure curve

TS210.3

B

1673-2383(2017)06-0091-07

http://kns.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20171226.1723.032.html

网络出版时间：2017-12-26 17:24:10

2017-01-25

河南省高等学校重点科研项目（16A46002）

张双（1989—），女，河南信阳人，硕士研究生，研究方向为粮油机械设计理论。

*通信作者