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摘要：基于离散元法，利用EDEM软件对U型混合机内糙米颗粒混合特性进行模拟研究，分析搅拌工艺参数对糙米颗粒混合程度的影响，得到不同搅拌工艺参数下糙米颗粒混合过程的能耗。结果表明，转速的增加明显提高了混合速度，对混合终了时的混合度作用不明显；混合初期不同填充率下混合速度相差不大，填充率为44.2%时混合终了时的混合度最高。转速对糙米颗粒混合能耗影响不大，填充率与能耗呈线性增长关系。研究结果可为稻谷加工增混设备的改进及操作控制提供依据和参考。
关键词：糙米；混合；EDEM；工艺参数；模拟
中图分类号： S233.5；TP391.9文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2017）15-0214-03
颗粒物质的特殊性，使其超越了固体、液体和气体的界限，被视为第四态物质[1-3]。由于不同颗粒的物理性质存在较大差异，不同颗粒的混合过程不同。混合机是利用外力使颗粒体系达到混合均匀的机械设备，但是目前还没有一种混合机能用于混合任意颗粒，往往要根据颗粒物理性质选择合适的混合机和相应的工艺参数[4]。颗粒的物理性质、混合工艺参数、混合机结构等对混合过程和混合效果均有显著影响[5]。
颗粒混合运动十分复杂[6-8]，物理混合试验难以获得微观参数信息，具有局限性。目前，离散单元法已经成为研究颗粒混合领域问题的重要工具，基于数值模拟的研究方法具有广阔的发展前景[9-11]。在固体颗粒混合方面，国内外研究学者应用离散元法的研究主要集中在容器回转型混合机内颗粒的运动规律和混合过程，容器回转型混合机主要有滚筒型、V型、双锥型等。如李少华等对回转窑内颗粒运动规律和混合过程进行了大量的数值模拟研究[12-14]。赵永志等提出在滚筒内设置十字形内构件的增混方式，得到滚筒内二元颗粒体系的增混机理[15]。Cleary等对V型混合机内颗粒混合过程和混合机理做了更深入分析，并对混合机进行模拟放大研究[16]。但是离散元法在容器固定型混合机上的应用研究相对较少，对其内部颗粒的混合特性尚需深入研究，该类研究可为容器固定型混合机的改进及操作控制提供依据和参考。
本试验基于商业软件EDEM对糙米颗粒在容器固定型叶片搅拌式混合机内的混合特性进行模拟研究，定量分析转速和填充率等搅拌工艺参数对糙米颗粒混合程度的影响，确定不同搅拌工艺参数下糙米颗粒混合的能耗。
1初始参数定义
1.1颗粒
模拟的糙米颗粒为文献[17-19]中的干糙米。采用千分尺测量随机选取的100粒糙米的长短轴尺寸，最后取平均值确定糙米尺寸。试验测定的颗粒长轴L=3.5 mm，短轴D=1.4 mm。糙米外观形态接近椭球体，在仿真软件EDEM中生成的糙米颗粒模型如图1所示。在仿真模拟中，所有的糙米颗粒尺寸完全相同。糙米颗粒的物性参数为密度 1 538 kg/m3，剪切模量1.1×107 Pa，泊松比0.4。
1.2混合机
混合机由U型罐体和搅拌叶片组成（图2）。罐体宽B为82 mm，高H为115 mm，内径R为33 mm。搅拌轴由上下错位等间距排列的8个曲状叶片组成，叶片垂直长度30 mm、弧长30.3 mm、宽度10 mm、厚度1.5 mm，叶片间距10 mm。模拟中的混合机材质为钢，其物性参数为密度7 800 kg/m3，剪切模量7×1010 Pa，泊松比0.3。糙米颗粒与糙米颗粒、糙米颗粒与混合机之间的碰撞参数如表1所示[17-19]。
2研究方法
模拟所用的软件为EDEM，因模拟糙米颗粒为干颗粒，故忽略糙米间的黏附力及液桥力，采用软球碰撞模型，选用Hertz-Mindlin（no slip）接触力学模型。
模拟试验的第1步就是将糙米颗粒装填到混合机内，先后装填数量相同的糙米颗粒，颗粒分为上下2层，上下2层的糙米物理参数完全相同。为便于观察糙米颗粒的运动规律以及混合情况，上層颗粒标记为白色，下层颗粒标记为灰色。待装填完成后，对轴设定不同的转速，轴带动叶片做旋转运动，混合期间糙米颗粒在叶片搅拌作用下发生复杂运动，致使分层的颗粒群混合均匀，如图3所示。
3模拟结果与分析
通过对糙米颗粒运动情况的观察分析，发现颗粒系统是在对流混合、扩散混合和剪切混合3种混合机制的共同作用下混合均匀的。对流混合是指在外力作用下，颗粒团从一处移动到另一处，发生宏观尺度的运动[22]。扩散混合是指颗粒在运动过程中发生的颗粒尺度的相互穿插和渗透作用[23]。剪切混合是指颗粒之间由于速度不同发生相对滑动进而改变相对位置所达到的混合[24]。
3.1工艺参数对混合度的影响
3.1.1转速对混合度的影响
图4为转速在10、20、30 r/min 条件下，混合程度与混合时间的关系曲线，此时填充率固定为44.2%。从图4中可以明显看出，在转速参数范围内，随着混合时间的延长，颗粒体系的混合度先快速增大，接着增长速度降低，最后混合度不再发生变化，趋于定值。且转速越大，颗粒体系的混合速度越快，但3种转速下最终的混合度值接近，说明转速严重影响混合速度，而与颗粒体系最终的混合程度关系不大。分析其原因为在混合初期，对流混合起主要作用，对流混合能快速降低颗粒混合体系的不均匀性，达到宏观上的混合均匀，所以混合初期混合速度较快。随着混合的进行，对流混合作用降低，扩散和剪切混合起主要作用，与对流混合相比扩散和剪切混合的混合速度较慢，可实现微观上的混合均匀。最后，在3种混合机制的作用下，颗粒体系混合均匀，混合终了时的混合程度无明显变化。随着转速的提高，颗粒的运动能力明显增强，颗粒运动更剧烈，3种混合机制作用都得到增强，所以转速越高混合速度越快[25]。
3.1.2填充率对混合度的影响
图5为填充率在44.2%、55.7%、67.3%条件下，混合程度与混合时间的关系曲线，此时转速固定为30 r/min。从图5中可以看出，在不同填充率条件下，3种混合机制的共同作用使得颗粒体系的混合度先快速增加，随后增长速度降低，最后不再发生变化。混合初期3种填充率下的混合速度相差不大，但随着混合的不断进行，填充率为44.2% 时混合速度最快， 混合终了时混合度最高。分析其原因可能是在混合初期，不同填充率下对流混合作用都很强烈， 所以混合速度相差不大。随着对流混合作用的削弱，填充率越低，叶片每旋转1圈颗粒翻滚的次数越多，颗粒运动更加活跃，促进了扩散混合和剪切混合的作用，所以填充率最低时混合度最高。 3.2工艺参数对能耗的影响
为得到不同搅拌工艺参数对能耗的影响，对颗粒混合均匀时能耗随工艺参数的变化进行分析，如图6、图7所示。
3.2.1填充率对能耗的影响
图6为计算得到的混合机内糙米颗粒混合均匀时能量消耗随叶片转速的变化，此时填充率固定为44.2%。由图6可见，在3种转速下，转速为 20 r/min 时颗粒运动能耗最小，但能耗值相差不大。为得到不同转速下能量消耗偏离平均值的程度，求得3种转速下能耗值的变异系数CV=0.031 5，说明能耗波动值很小，能耗值接近。
4结论
本试验基于离散元法对糙米颗粒在容器固定性混合机内的混合特性进行了模拟研究。分层糙米颗粒间混合是在对流混合、扩散混合和剪切混合的共同作用下完成的。随着转速增加，混合速度明显提高，混合终了时的混合度与转速关系不大；随着填充率降低，混合速度相差不大，但混合终了时的混合度提高。搅拌工艺参数转速对能耗影响不大，填充率与能耗呈线性增长关系。
参考文献：
[1]欧阳鸿武，黄誓成，彭政，等. 颗粒物质的堵塞行为[J]. 粉末冶金材料科学与工程，2008，13（5）：260-268.
[2]欧阳鸿武，黄誓成，刘卓民，等. 颗粒物质的堵塞行为与非晶相变[J]. 稀有金属材料与工程，2009，38（7）：1310-1316.
[3]欧阳鸿武，黄立华，程亮，等. 低速转鼓中颗粒流态的滞后转变行为[J]. 粉末冶金材料科学与工程，2013，18（2）：155-162.
[4]欧阳鸿武，何世文，廖奇音，等. 圆筒型混合器中颗粒混合运动的研究[J]. 粉末冶金材料科學与工程，2003，8（4）：278-284.
[5]Brone D，Wightman C，Connor K，et al. Using flow perturbations to enhance mixing of dry pow ders in V-blenders[J]. Powder Technology，1997，91（3）：165-172.
[6]Brone D，Muzzio F J. Enhanced mixing in double-cone blenders[J]. Powder Technology，2000，110（3）：179-189.
[7]Shinbrot T，Alexander A，Muzzio F J. Spontaneous chaotic granular mixing[J]. Nature，1999，397（6721）：675-678.
[8]欧阳鸿武，何世文，陈海林，等. 粉体混合技术的研究进展[J]. 粉末冶金技术，2004，22（2）：104-108.
[9]Radl S，Brandl D，Heimburg H，et al. Flow and mixing of granular material over a single blade[J]. Powder Technology，2012，226（8）：199-212.
[CM（29][10]Cleary P W. Particulate mixing in a Plough share mixer using DEM[LM]
with realistic shaped particles[J]. Powder Technology，2013，248（2）：103-120.
[11]Lemieux M，Léonard G，Doucet J，et al. Large-scale numerical investigation of solids mixing in a V-blender using the discrete element method[J]. Powder Technology，2008，181（2）：205-216.
[12]李少华，张立栋，张轩，等. 回转式干馏炉内影响颗粒混合运动因素的数值分析[J]. 中国电机工程学报，2011，31（2）：32-38.
[13]李少华，朱明亮，张立栋，等. 回转装置内三组元颗粒径向混合评价方法分析[J]. 化工进展，2013，32（6）：1224-1229.
[14]李少华，张轩，张立栋，等. 回转窑内颗粒轴向混合运动的数值模拟[J]. 中国粉体技术，2011，17（2）：23-26.
[15]赵永志，张宪旗，刘延雷，等. 滚筒内非等粒径二元颗粒体系增混机理研究[J]. 物理学报，2009，58（12）：8386-8393.
[16]Cleary P W，Sinnott M D. Assessing mixing characteristics of particle-mixing and granulation devices[J]. Particuology，2008，6（6）：419-444.
[17]韩燕龙，贾富国，唐玉荣，等. 颗粒滚动摩擦系数对堆积特性的影响[J]. 物理学报，2014，63（17）：165-171.
[18]刘扬，韩燕龙，贾富国，等. 椭球颗粒搅拌运动及混合特性的数值模拟研究[J]. 物理学报，2015，64（11）：264-271.
[19]贾富国，韩燕龙，刘扬，等. 稻谷颗粒物料堆积角模拟预测方法[J]. 农业工程学报，2014，30（11）：254-260.
[20]Lacey B C. Developments in the theory of particle mixing[J]. Journal of Applied Chemistry，1954，4（5）：257-268.
[21]陈志平，章序文，林兴华. 搅拌与混合设备设计选用手册[M]. 北京：化学工业出版社，2004.
[22]Sudah O S，Coffin-Beach D，Muzzio F J. Quantitative characterization of mixing of free-flowing granular material in Tote（bin）-blenders[J]. Powder Technology，2002，126（2）：191-200.
[23]McCarthy J J，Khakhar D V，Ottino J M. Computational studies of granular mixing[J]. Powder Technology，2000，109（1/2/3）：72-82.
[24]朱明亮. 多组元颗粒径向混合实验研究[D]. 吉林：东北电力大学，2013.
[25]江茂强. 双锥型混合器内颗粒混合及增混机理研究[D]. 杭州：浙江大学，2010.
关键词：糙米；混合；EDEM；工艺参数；模拟
中图分类号： S233.5；TP391.9文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2017）15-0214-03
颗粒物质的特殊性，使其超越了固体、液体和气体的界限，被视为第四态物质[1-3]。由于不同颗粒的物理性质存在较大差异，不同颗粒的混合过程不同。混合机是利用外力使颗粒体系达到混合均匀的机械设备，但是目前还没有一种混合机能用于混合任意颗粒，往往要根据颗粒物理性质选择合适的混合机和相应的工艺参数[4]。颗粒的物理性质、混合工艺参数、混合机结构等对混合过程和混合效果均有显著影响[5]。
颗粒混合运动十分复杂[6-8]，物理混合试验难以获得微观参数信息，具有局限性。目前，离散单元法已经成为研究颗粒混合领域问题的重要工具，基于数值模拟的研究方法具有广阔的发展前景[9-11]。在固体颗粒混合方面，国内外研究学者应用离散元法的研究主要集中在容器回转型混合机内颗粒的运动规律和混合过程，容器回转型混合机主要有滚筒型、V型、双锥型等。如李少华等对回转窑内颗粒运动规律和混合过程进行了大量的数值模拟研究[12-14]。赵永志等提出在滚筒内设置十字形内构件的增混方式，得到滚筒内二元颗粒体系的增混机理[15]。Cleary等对V型混合机内颗粒混合过程和混合机理做了更深入分析，并对混合机进行模拟放大研究[16]。但是离散元法在容器固定型混合机上的应用研究相对较少，对其内部颗粒的混合特性尚需深入研究，该类研究可为容器固定型混合机的改进及操作控制提供依据和参考。
本试验基于商业软件EDEM对糙米颗粒在容器固定型叶片搅拌式混合机内的混合特性进行模拟研究，定量分析转速和填充率等搅拌工艺参数对糙米颗粒混合程度的影响，确定不同搅拌工艺参数下糙米颗粒混合的能耗。
1初始参数定义
1.1颗粒
模拟的糙米颗粒为文献[17-19]中的干糙米。采用千分尺测量随机选取的100粒糙米的长短轴尺寸，最后取平均值确定糙米尺寸。试验测定的颗粒长轴L=3.5 mm，短轴D=1.4 mm。糙米外观形态接近椭球体，在仿真软件EDEM中生成的糙米颗粒模型如图1所示。在仿真模拟中，所有的糙米颗粒尺寸完全相同。糙米颗粒的物性参数为密度 1 538 kg/m3，剪切模量1.1×107 Pa，泊松比0.4。
1.2混合机
混合机由U型罐体和搅拌叶片组成（图2）。罐体宽B为82 mm，高H为115 mm，内径R为33 mm。搅拌轴由上下错位等间距排列的8个曲状叶片组成，叶片垂直长度30 mm、弧长30.3 mm、宽度10 mm、厚度1.5 mm，叶片间距10 mm。模拟中的混合机材质为钢，其物性参数为密度7 800 kg/m3，剪切模量7×1010 Pa，泊松比0.3。糙米颗粒与糙米颗粒、糙米颗粒与混合机之间的碰撞参数如表1所示[17-19]。
2研究方法
模拟所用的软件为EDEM，因模拟糙米颗粒为干颗粒，故忽略糙米间的黏附力及液桥力，采用软球碰撞模型，选用Hertz-Mindlin（no slip）接触力学模型。
模拟试验的第1步就是将糙米颗粒装填到混合机内，先后装填数量相同的糙米颗粒，颗粒分为上下2层，上下2层的糙米物理参数完全相同。为便于观察糙米颗粒的运动规律以及混合情况，上層颗粒标记为白色，下层颗粒标记为灰色。待装填完成后，对轴设定不同的转速，轴带动叶片做旋转运动，混合期间糙米颗粒在叶片搅拌作用下发生复杂运动，致使分层的颗粒群混合均匀，如图3所示。
3模拟结果与分析
通过对糙米颗粒运动情况的观察分析，发现颗粒系统是在对流混合、扩散混合和剪切混合3种混合机制的共同作用下混合均匀的。对流混合是指在外力作用下，颗粒团从一处移动到另一处，发生宏观尺度的运动[22]。扩散混合是指颗粒在运动过程中发生的颗粒尺度的相互穿插和渗透作用[23]。剪切混合是指颗粒之间由于速度不同发生相对滑动进而改变相对位置所达到的混合[24]。
3.1工艺参数对混合度的影响
3.1.1转速对混合度的影响
图4为转速在10、20、30 r/min 条件下，混合程度与混合时间的关系曲线，此时填充率固定为44.2%。从图4中可以明显看出，在转速参数范围内，随着混合时间的延长，颗粒体系的混合度先快速增大，接着增长速度降低，最后混合度不再发生变化，趋于定值。且转速越大，颗粒体系的混合速度越快，但3种转速下最终的混合度值接近，说明转速严重影响混合速度，而与颗粒体系最终的混合程度关系不大。分析其原因为在混合初期，对流混合起主要作用，对流混合能快速降低颗粒混合体系的不均匀性，达到宏观上的混合均匀，所以混合初期混合速度较快。随着混合的进行，对流混合作用降低，扩散和剪切混合起主要作用，与对流混合相比扩散和剪切混合的混合速度较慢，可实现微观上的混合均匀。最后，在3种混合机制的作用下，颗粒体系混合均匀，混合终了时的混合程度无明显变化。随着转速的提高，颗粒的运动能力明显增强，颗粒运动更剧烈，3种混合机制作用都得到增强，所以转速越高混合速度越快[25]。
3.1.2填充率对混合度的影响
图5为填充率在44.2%、55.7%、67.3%条件下，混合程度与混合时间的关系曲线，此时转速固定为30 r/min。从图5中可以看出，在不同填充率条件下，3种混合机制的共同作用使得颗粒体系的混合度先快速增加，随后增长速度降低，最后不再发生变化。混合初期3种填充率下的混合速度相差不大，但随着混合的不断进行，填充率为44.2% 时混合速度最快， 混合终了时混合度最高。分析其原因可能是在混合初期，不同填充率下对流混合作用都很强烈， 所以混合速度相差不大。随着对流混合作用的削弱，填充率越低，叶片每旋转1圈颗粒翻滚的次数越多，颗粒运动更加活跃，促进了扩散混合和剪切混合的作用，所以填充率最低时混合度最高。 3.2工艺参数对能耗的影响
为得到不同搅拌工艺参数对能耗的影响，对颗粒混合均匀时能耗随工艺参数的变化进行分析，如图6、图7所示。
3.2.1填充率对能耗的影响
图6为计算得到的混合机内糙米颗粒混合均匀时能量消耗随叶片转速的变化，此时填充率固定为44.2%。由图6可见，在3种转速下，转速为 20 r/min 时颗粒运动能耗最小，但能耗值相差不大。为得到不同转速下能量消耗偏离平均值的程度，求得3种转速下能耗值的变异系数CV=0.031 5，说明能耗波动值很小，能耗值接近。
4结论
本试验基于离散元法对糙米颗粒在容器固定性混合机内的混合特性进行了模拟研究。分层糙米颗粒间混合是在对流混合、扩散混合和剪切混合的共同作用下完成的。随着转速增加，混合速度明显提高，混合终了时的混合度与转速关系不大；随着填充率降低，混合速度相差不大，但混合终了时的混合度提高。搅拌工艺参数转速对能耗影响不大，填充率与能耗呈线性增长关系。
参考文献：
[1]欧阳鸿武，黄誓成，彭政，等. 颗粒物质的堵塞行为[J]. 粉末冶金材料科学与工程，2008，13（5）：260-268.
[2]欧阳鸿武，黄誓成，刘卓民，等. 颗粒物质的堵塞行为与非晶相变[J]. 稀有金属材料与工程，2009，38（7）：1310-1316.
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[8]欧阳鸿武，何世文，陈海林，等. 粉体混合技术的研究进展[J]. 粉末冶金技术，2004，22（2）：104-108.
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[14]李少华，张轩，张立栋，等. 回转窑内颗粒轴向混合运动的数值模拟[J]. 中国粉体技术，2011，17（2）：23-26.
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[17]韩燕龙，贾富国，唐玉荣，等. 颗粒滚动摩擦系数对堆积特性的影响[J]. 物理学报，2014，63（17）：165-171.
[18]刘扬，韩燕龙，贾富国，等. 椭球颗粒搅拌运动及混合特性的数值模拟研究[J]. 物理学报，2015，64（11）：264-271.
[19]贾富国，韩燕龙，刘扬，等. 稻谷颗粒物料堆积角模拟预测方法[J]. 农业工程学报，2014，30（11）：254-260.
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