本文參照食品擠壓膨化的數(shù)值模擬技術(shù)，運(yùn)用ANSYS/FLOTRAN模塊對秸稈壓塊機(jī)的流道進(jìn)行數(shù)值模擬，為秸稈壓塊機(jī)的優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)。
1、數(shù)值模擬
1.1幾何模型的建立
對于擠壓膨化機(jī)流道的分析，幾何模型有三維和二維兩種形式，二維幾何模型可以對三維模型流道的中間段進(jìn)行截面分解，在ANSYS中進(jìn)行二維參數(shù)化建模，且容易加載，因此，本文采用二維截面進(jìn)行分析，如圖1所示．
1.2有限元模型建立
根據(jù)幾何模型的形狀，選用FLOTRAN單元中的FLUID 141的二維單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對流道的螺棱處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化．為了保證求解精度，采用自由網(wǎng)格劃分，并且由粗到細(xì)進(jìn)行多次網(wǎng)格的劃分，取各監(jiān)測曲線波動最小的網(wǎng)格為最終有限元網(wǎng)格．圖2即為流道的有限元模型，其中單元數(shù)為698個，節(jié)點(diǎn)數(shù)為831個。
1.3工程假設(shè)
基于流體輸送理論，作如下假設(shè)： (1)流體流動為層流流動；(2)流場為穩(wěn)定流
場；(3)慣性力、重力等體積力忽略不計；(4)流體為不可壓縮流體；(5)流道壁面無滑移；(6)物料與螺桿內(nèi)壁接觸的地方摩擦生熱，看成一個不斷供熱的熱源。
1.4物理特性參數(shù)
參照其他物料在一定溫度下的表觀黏度數(shù)值，確定秸稈在擠壓膨化過程中的表觀黏度n=2 000 Pa．s．取密度為1 530 kg／m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.10 W/(m．K)，比熱為330 J/(kg．K)。
1.5邊界條件
根據(jù)秸稈壓塊機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)條件，流道分析的邊界條件如下：
(1)機(jī)筒靜止，螺桿旋轉(zhuǎn)，機(jī)筒內(nèi)壁速度為零，螺桿外表面速度在軸向上不為零，在徑向上為零。
(2)壓力邊界條件采用計算域兩端的壓力差A(yù)p= Pi - P2．其中，Pi為出口壓力，P2為入口壓力。
(3)在擠壓膨化過程中，物料受到來自螺桿剪切摩擦、物料內(nèi)部相互摩擦和物料與機(jī)筒摩擦產(chǎn)生的熱，此時，存在熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射3種傳熱形式，但由于物料全部被機(jī)筒包圍，因此，在分析中僅考慮傳導(dǎo)熱和摩擦熱，螺桿熱源的熱通量，即由運(yùn)動摩擦生成熱通量計算式為‘4]：其中：產(chǎn)為秸稈物料與鋼接觸表面的摩擦因數(shù)；v為摩擦速度；，為兩者接觸面的摩擦力；n為螺桿的轉(zhuǎn)速( r/min)；r為流道內(nèi)部的平均半徑(mm)；p為平均壓力值(MPa)；q為熱通量(W／m3)。
計算過程中，取u=0. 25；p=l.6 MPa；n-550 r/min;r= 78.5 mm;q=34 976 W/m2。
(4)假設(shè)入口處溫度和機(jī)筒壁溫度均為60℃。
1.6施加載荷
在ANSYS中，載荷可以施加在實(shí)體模型上，也可以直接施加在有限元模型上，其中，有限元模型的加載可將載荷直接施加在主節(jié)點(diǎn)上，因此，本文采用有限元模型的加載方式，進(jìn)行邊界載荷的施加，加載后的模型如圖3所示。
2、結(jié)果分析
2.1壓力分析
流道內(nèi)的壓力分布如圖4所示，可以看出，壓力分布的總趨勢是沿擠出膨化方向逐漸增加，在螺桿的螺槽區(qū)域內(nèi)，壓力等值線分布較為均勻；接近螺棱頂部時，壓力等值線的密度顯著增加；并且，壓力變化較大處發(fā)生在螺棱的流入端：這說明，螺槽區(qū)的壓力變化較小，螺棱處的壓力變化較。
2.2速度分析
圖5所示為流道的速度分布，由圖5可以看出，螺桿頂面物料速度較高，螺槽處物料的速度值小于螺棱頂端物料的速度值；速度梯度最大值出現(xiàn)在物料流體最薄處，而其他部分速度變化較小，物料流動平穩(wěn)。
2.3溫度分析
在秸稈膨化的過程中，溫度是隨著物料在膨化腔內(nèi)的流動速度和壓力而不斷變化的，根據(jù)膨化機(jī)理可知，秸稈膨化產(chǎn)品質(zhì)量的好壞與溫度參數(shù)的變化有著直接的聯(lián)系．圖6描述了秸稈壓塊機(jī)流道內(nèi)的溫度分布狀況．由圖6可以看出，溫度沿軸向逐漸增加，但非線性增加；越接近出口處，溫度等值線越密，溫度變化越大；溫度最大處位于螺槽處，溫度最小處位于貼近螺棱處。
膨化機(jī)的膨化機(jī)理可以從氣體膨脹做功和水汽化做功兩方面來考慮，氣態(tài)方程，可以合理地解釋物料的膨化過程，由于前面假設(shè)物料為不可壓縮流體，可以認(rèn)為物料在膨化腔內(nèi)體積變化不大，因此，腔內(nèi)溫度近似與內(nèi)部壓力成正比．將溫度軸向分布規(guī)律與2.1節(jié)的壓力分布比較研究，可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與理論研究結(jié)果基本一致，
為研究不同螺距的螺桿對溫度分布規(guī)律的影響，在保證其他參數(shù)不變的情況下，將螺桿的螺距減半，得到的溫度分布圖如圖7所示，可以看出，螺距減小，溫度在徑向上的分布分層更明顯，且溫度等值線密度較大；最大溫度的位置仍在螺槽末端出口處。
3、結(jié)論
通過對非等溫條件下流道的溫度、壓力及速度的分析，了解流道中間段壓力、流速等參數(shù)的分布規(guī)律，為秸稈擠壓膨化機(jī)的設(shè)計提供參考．以提高秸稈膨化質(zhì)量為目標(biāo)，針對螺桿、機(jī)筒的設(shè)計和加熱系統(tǒng)的設(shè)置提出以下優(yōu)化建議：
(1)自流道的入口處至出口處，壓力逐漸增大是必然的趨勢，即對螺桿和機(jī)筒的壓力也逐漸增加，可以考慮對螺桿與機(jī)筒的材料采用分段處理，以減少機(jī)器的制造成本。
(2)分析表明，溫度分布不均勻，造成溫度分布不均的主要原因是物料的流動速度不一致、摩擦不同，因此，膨化機(jī)應(yīng)該在合適的位置裝有加熱裝置，一方面滿足秸稈的膨化要求，另一方面使徑向上溫度一致。
