筛体结构与转轴转速对米粒动态特性的影响研究

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碾米作为稻谷加工中的关键环节,直接关系到碾后大米的质量,通常在米筛和转轴构成的碾白室内完成。米粒碾磨时不仅外部糠层会被去除,过度的碾磨也会导致米粒发生破碎,使碾米质量降低、能耗升高。传统的碾米机设计和研究长期依赖于大量碾米试验所得的经验数据,无法从机制机理层面为碾米节能降碎提出合理的结构、操作和工艺参数。要探究碾白室内潜在的机理,需开展米粒的动态特性研究。目前关于碾白室内米粒运动、动力特性的研究还较少,该领域的进展可以为碾米机的性能优化和规格放大设计提供指导。明晰米粒在微观层次的状态信息是探究碾白室内米粒群行为机制的关键,但是受制于碾白室内复杂的碾磨环境,传统的试验监测手段难以获取米粒的状态信息。为此,本文采用基于离散元法的数值模拟来探究米粒在碾白室内的碾磨过程。为从本质机理层面找到碾白室内的关键结构和重要参数,本研究以米筛的截面形状为切入点,建立起配置截面积相同的正多边形筛(边数范围是5-12)和圆形筛的立式碾磨模型。首先在恒定转速条件下对不同截面形状米筛内的各种米粒微观行为特征量进行了观察,然后又分别用定性和定量的方法重点探究了转轴转速和米筛截面形状对碾白室内颗粒紊乱运动的影响机制。最后为考察轴筛间径向间隙变化特征作为颗粒行为相似准则的可能性,本研究对原有的立式碾磨模型进行了简化,建立仅含碾磨区的类批式碾磨模型,并通过比较两种碾磨模型内碰撞能的概率密度分布验证类批式碾磨模型的合理性,在此基础上探究了相同间隙变化曲线条件下碾白室内的颗粒运动、动力特性。研究主要结论如下:(1)米筛截面形状对碾白室内米粒的各微观行为特征量有显著影响,随着正多边形筛边数的增加,碾白室的内部结构变得更为平缓,米粒的翻滚运动、内外易位运动和米粒间的碰撞逐渐减弱,米粒的周向运动与转轴的自转运动愈加一致,在圆形筛时米粒的周向运动角速度均值8335~°/s接近转轴的自转角速度8400~°/s,因而米粒碾磨的均匀性和效率都在下降。但米粒在碾白室内的停留时间和碾磨路程都随米筛边数的增加逐渐变长,且两者的变异系数有减小的趋势,使米粒在碾白室获得更加充分、均匀的碾磨,这与其他特征量导向的结论在碾磨均匀性上相悖。另外,米筛截面形状对米粒径向运动和轴向运动的影响趋势与其对周向运动的影响趋势也完全相反,但米粒的周向运动在各运动分量中占主导地位,故随着米筛边数的增加米粒的速度与其周向运动角速度一样逐渐变大,因而米粒对米筛的碰撞也随之加剧,并在圆形筛时最为剧烈。(2)通过对比各类米筛内的速度场和各速度分量的概率密度分布,发现碾白室内颗粒运动的一致性随着米筛边数的增加逐渐加强,圆形筛内的颗粒受碾筋驱使随着转轴的自转处于一种较为有序的状态,其颗粒运动的一致性是最强的。为深入了解转轴转速和米筛截面形状对颗粒紊乱运动的影响机制,本研究在颗粒温度的基础上提出平均紊乱动能的概念,用来定量表征碾白室内颗粒运动的紊乱程度。结果显示同一种米筛内的平均紊乱动能和碰撞率、平均碰撞能之间是线性相关的,这不仅证实平均紊乱动能可以有效地定量描述颗粒紊乱运动,且由于颗粒间的碰撞强度与颗粒的碾磨强度密切相关,结果也确定了颗粒紊乱运动与碾磨强度间的联系;本研究整合碾白室的结构参数和转轴转速提出平均间隙变化率的概念来描述碾白室内的空间形态变化,并发现了平均紊乱动能和平均间隙变化率之间的相关关系(R~2=0.996),这表明碾白室内更剧烈的空间形态变化会导致更加强烈的颗粒紊乱运动,从而对颗粒间的碰撞和碾磨产生很大的影响。(3)在相同间隙变化曲线条件下,不同结构参数、转速和处理量的碾白室内的颗粒系统可以维持一定程度的运动相似和动力相似,其中对颗粒碾磨更为关键的动力相似较为明显。这为相关设备的规格放大设计提供了新的参考基准。此外,通过类批式碾磨模型保证碾磨区填充水平相同的情况下,可以建立起平均碰撞能和平均间隙变化率间的直接联系,发现平均碰撞能随着平均间隙变化率的增大线性增加。这表明碾白室内更剧烈的空间形态变化会使颗粒发生更加剧烈的碰撞和碾磨,从而增加碾磨效率或产生更多的碎米。研究结果可为明晰米粒在碾白室内的动态行为机制提供参考,同时也有助于加深对颗粒这种耗散的非平衡态体系的理解。
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