新型煮饭机清洗装置的研制及多相流仿真分析

钱锦年，邹 洋，朱 洋，刘赣华

（江西理工大学，江西 赣州 341000）

1 引言

近年来我国家电行业飞速发展，集多种功能于一体的电饭煲产品得到了很大的发展[1]；不过，现有的电饭煲产品并不具备存米、自动取米和洗米等功能，这些必须通过人工操作才能完成；目前科研人员研究的各类米饭售饭机[2-3]、淘米机[4-6]普遍存在功能单一，体积过于庞大，仅适用于公共场所，不宜为普通家庭所用。针对以上不足之处，设计了一款集存米、洗米与蒸煮于一体的新型煮饭机；这款煮饭机可以替代人工做饭，不仅节约了时间，提高了生活质量，同时保证了煮饭过程卫生健康。该新型煮饭机能够自动完成取米、洗米与蒸煮全过程，省时省力，而且具有功能齐全，操作简单，价格低廉和使用周期长等特点，适用于城乡广大普通家庭，有良好的市场推广价值和实用价值。

2 煮饭机整体结构及清洗装置的设计

2.1 整体结构设计

该新型煮饭机主要包括储米装置、取米装置、洗米装置和煮饭装置；其中执行机构由电动机、同步带、凸轮机构、推杆、搅拌器、滑轨等组成，如图1所示。具体工作过程如下：首先，在煮饭机的控制面板上设定米量、米水配比、煮饭种类等参数；煮饭机启动后，程序控制取米装置取得预设米量，之后电机启动，带动滑块做往复运动，每次往复过程中，当滑槽和滑块的孔槽处于同一条垂线时，取米装置从储米装置中取得固定量的米，并推送到洗米装置中；然后，进水阀门打开，注入的洗米所需的水量，由电动机驱动搅拌器对米进行搅拌清洗；清洗完成后，出水阀门开启，排出洗米水；当洗米水排出完成后，出水阀门关闭，进水阀门再次打开，注入煮饭所需水量；同时凸轮机构开始运动，打开洗米装置下方的弹性密封塞，此时米水一并落入下方的煮饭装置中；最后，煮饭装置开始工作，直到米饭做好结束。

图1 新型煮饭机工作原理图Fig．1 New Cooking Machine Operating Principle

2.2 清洗装置设计

该清洗装置由清洗槽、进水管、流量计、电磁阀和、搅拌器、超声波发生器、出米口启闭装置等组成，如图2所示。取米进程结束后，电磁阀打开，由进水管注入预设清洗水量；搅拌动作完成后，将米糠等低密度悬浮物从溢流口排出，电磁阀打开，洗完的洗米水由排水口排出，排水口处还装有过滤网以免米粒随出水管流出，避免浪费；排水完毕后由进水管再次向清洗槽中注入定量的清水，密封塞由凸轮机构驱动开启，清水和洗净的米粒一同进入煮饭装置。此时若清洗槽内壁存有残留的米粒，可启动超声波发生器将米粒振落到出米口中。

图2 清洗装置结构简图Fig．2 Cleaning Apparatus Structure Diagram

3 清洗装置的多相流仿真分析

清洗装置工作时，搅拌机构对米粒进行搅拌清洗，靠近洗米槽中心部分的圆周速度比在洗米槽周边部分的圆周速度小，大米较易沉积在洗米槽底部；此外，叶片射流处速度会在一定转速下变高，使得米水沿径向甩动，造成大米在米槽内壁处堆积；为使米水在清洗过程中达到较好的均匀度，即槽体内壁和底部米粒堆积现象较少出现，利用计算流体软件Fluent对搅拌机构进行流场分析，确定搅拌机构中搅拌器转速、尺寸、安装高度的最优参数。在常规搅拌过程中，流场中所存在的相大多为空气、液体以及固体颗粒，而洗米动作是发生在洗米盆中，洗米盆的上方由米盆盖密封，空气对搅拌过程的影响较小，所以在分析时主要考虑水和大米这固液两相流。

3.1 不同搅拌转速对比仿真

在清洗装置设计方案中，转速选择非常重要，转速过高可能会破坏米粒的完整度从而影响口感，转速过低则会使搅拌力道不足，米水搅拌不均匀，达不到预期的清洗效果，所以将搅拌机的转速设定为一定范围的内的取值，转速取值区间为（6～15）rad/s，在仿真分析中，转速取值分别为 6rad/s、9rad/s、12rad/s和 15rad/s，通过观察这四种不同转速下流场内固相浓度分布情况，选择搅拌机最佳转速。为了更清楚地了解搅拌转速对米水流场的影响，对上述四种不同转速下搅拌槽轴向颗粒浓度的径向分布情况进行了对比[7]，高度比z/H的取值分别为 0．1、0．3、0．5 和 0．7，经过流体软件 Fluent分析得到颗粒浓度的径向分布情况，如图3所示。当z/H=0．1时，流场位于槽体底部，搅拌速度越高，底部颗粒浓度越低，堆积现象越严重；当z/H=0．3时，流场位于槽体内壁和底部，15rad/s时的径向曲线最低，颗粒堆积程度最小；当z/H=0．5时，流场位于搅拌轴两侧搅拌区域，搅拌转速越高，槽体两侧搅拌区域越大，颗粒浓度越大；当z/H=0．7时，流场位于搅拌区域的上端，从径向曲线上来看，转速越高槽体内壁颗粒浓度越小，径向颗粒浓度越高。分析结果表明：搅拌速率越高，搅拌轴两侧搅拌区域越大，颗粒浓度越高，槽体内壁结合面颗粒浓度越低，槽体底部浓度越小，槽体内颗粒堆积现象越少，最终搅拌效果也越好。因此，在实际样机制作过程当中，应优先选用高搅拌速率，即搅拌速率最终取值为15rad/s。

图3 不同z/H大小下颗粒浓度沿径向的变化Fig．3 Changes Different z/H Size Particle Concentration at Radial

3.2 不同安装高度对比仿真

搅拌器安装高度对米粒清洗效果影响显著，位置过低，将会减小搅拌区域；位置过高，米盆槽体底部容易产生颗粒堆积现象。考虑到槽体内部空间以转子区大小的控制，将搅拌器安装高度设置在（45～60）mm之间。对比试验中，高度选取分为45mm、50mm、55mm、60mm四种情况，通过对比这四种不同高度下流场内颗粒分布情况，得出合适的搅拌器安装高度。对四种不同高度下搅拌槽轴向颗粒浓度的径向分布情况进行了对比，如图4所示。

图4 不同z/H大小下颗粒浓度沿径向的变化Fig.4 Changes Different z/H Size Particle Concentration at Radial

在四种安装高度下，不同z/H大小下的颗粒浓度径向曲线较为相近，趋势也相同，可见搅拌器的安装高度对于流场的影响相对较小。当z/H=0.1时，随着安装高度的增加，颗粒浓度越来越大，由于此时流场位于槽体底部，因此颗粒浓度不应过高，否则会造成堆积现象，所以可知45mm时底部流场情况较好，而60mm时的浓度过高，堆积过于严重；z/H=0.3时，颗粒浓度由内壁沿径向不断减小而后又不断增大，且安装高度越高径向曲线越上升。搅拌轴中心处颗粒浓度较大，在转动过程中可能会对米粒造成损伤，因此轴心位置浓度不宜过高，此时，45mm的搅拌情况较好；z/H=0.5时，在叶状搅拌区域内，径向曲线趋势相同且颗粒浓度相近，但依旧是45mm时的颗粒浓度最高，其叶状区域的米粒密度最高，搅拌效果较好。由于叶状搅拌区域面积有限，所以轴心处曲线落差较大，出现如图骤降的趋势；z/H=0.7时，此时已位于流场的边缘区域，搅拌效果已很有限，此时50mm的曲线位于最上方，颗粒浓度最大。综上所述在四种安装高度下，45mm的搅拌混合效果最好。

3.3 不同桨叶直径对比仿真

针对桨叶直径，直径过小，将会直接导致流场速度提升不明显，在槽体内难以形成漩涡状流场，容易造成颗粒堆积沉淀；桨叶直径过大，在一定转速下，容易引起槽体内流场紊乱，造成颗粒流向杂乱无规律。由于此前通过仿真确定了搅拌器最佳安装高度为45mm，考虑到槽体内部空间以转子区设定，分别选取桨叶直径为70mm、90mm、110mm和130mm，通过观察这四种不同直径下米水搅拌情况，选择出合适的搅拌器直径。对四种不同直径下搅拌槽轴向颗粒浓度的径向分布情况进行了对比，如图5所示。桨叶直径对于米盆流场的影响远比搅拌速度要大得多，各个径向曲线之间差异较大。z/H=0.1时，70mm的径向曲线远远高出其他三条且颗粒浓度较大，此时槽体底部米粒堆积现象很严重，颗粒几乎得不到旋转搅拌。其余三条曲线趋势较为相近，但在内壁结合面处依旧是90mm的浓度最小，即槽壁堆积的米粒最少，米水受搅拌的程度最高；z/H=0.3时，70mm和90mm的径向曲线趋势相近，即都是由内壁沿着径向下降，靠近中心轴时又急剧上升；110mm和130mm的曲线则是由内壁沿着径向一直下降为零，当z/H=0.5时，四者曲线趋势相同，在搅拌区域中70mm的径向曲线波动太大，原因在于内壁米量堆积过多，搅拌区域又较小。沿着径向90mm的颗粒浓度一直高于110mm和130mm，即在叶状搅拌区域内的米粒密度更高，颗粒受搅拌程度更好；z/H=0.7时，在搅拌区域依旧是90mm曲线一直位于上方，搅拌效果较为理想。

图5 不同z/H大小下颗粒浓度沿径向的变化Fig.5 Changes Different z/H Size Particle Concentration at Radial

4 实验验证

清洗装置实验验证，如图6所示。清洗槽以及进出水的控制电路，如图6（a）所示。清洗槽上方的搅拌电机以及同轴设计的凸轮机构，如图6（b）所示。在实验验证中，为了便于观察大米清洗的效果，在洗米动作完成后将污水排出，重点观察落入饭煲中的米粒以及清洗槽内壁附着的米粒情况。对原型机清洗装置进行模拟全自动清洗工作过程。下面设置实验条件：（1）根据仿真过程中清洗装置的搅拌速度、桨叶直径和搅拌器安装高度的不同参数值，分别进行试验；（2）为防止试验过程的的偶然性，模拟实验次数为多次连续。对原型机进行了多次试验，实验证明：仿真结果是符合实际情况，清洗装置不仅能够稳定高效的完成清洗功能，而且清洗效果好；对于原型机的实验，进一步证明了煮饭机能够实现设计目标。

图6 实验测试环境Fig.6 Experimental Testing Environment

5 结语

（1）运用FLUENT软件对新型煮饭机清洗装置进行了多相流仿真，针对搅拌速度、桨叶直径和搅拌器安装高度等清洗参数进行分析，保证了煮饭机在洗米过程中效果好；

（2）通过制作原型样机实验验证了模拟仿真结果的正确性；为今后此类煮饭机的研制提供了参考价值；

（3）这台新型煮饭机能够广泛适用于家庭生活，具有很高的推广价值，是家居必备的电器。

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