谷物颗粒流动特性的试验研究

谷物颗粒流动特性的试验研究

塔娜1，赵晓根1，赵卫东1

（1.内蒙古农业大学机电工程学院，呼和浩特市 010018）

摘要：21世纪中国人口将继续增长，人均粮食消费水平将有所提高，粮食需求压力日益增大。随着谷物消费量的逐年增加，其加工、输送、储存设备呈现出向大型化、精密化、自动化发展的趋势。由于不能准确的预测谷物颗粒的流动特性，农业产品及粮食加工机械在向精密化、自动化的发展过程中,存在许多具体的问题，造成直接经济损失。本课题研制出垂直管谷物流动试验台及测试系统，对垂直管内的谷物流场进行测试分析，获取垂直管内的谷物流动的动力学参数。通过压力脉动信号的测试对其流动特性进行分析，推测出不同谷物颗粒的流动化开始风速、悬浮速度。为粮食加工输送设备的优化设计, 食品加工机械、农业机械的设计和改进提供理论依据。

关键词：谷物；悬浮速度；垂直管道；测试分析

中图分类号：S129

0引 言

自2000年以来我国每年的谷物消费量均达到4.8亿吨，该数字已超过了其4.55亿吨的年产量。随着谷物消费量的逐年增加，其加工、输送、储存设备呈现出向大型化、精密化、自动化发展的趋势。由于不能准确的预测谷物颗粒的流动特性，农产品及食品加工机械在向精密化、自动化的发展过程中,存在许多具体的问题，造成直接经济损失，因此有必要对谷物流动特性进行研究，为谷物加工过程中干燥、气力输送及农业机械的设计提供参考依据[1-3]。谷物颗粒在气流的作用下移动称为流动，将其分为固定床和流化床进行研究。谷物流动是多相、松散和物性分散的颗粒群的动态变形和运动过程[4]。连续体理论适合对结合紧密的散体做静态分析，无法解决散粒体的运动特性问题[5-9]。本研究，对垂直管道内谷物颗粒的流动特性进行测试分析；探讨了固定层、流动层及输送层的静压变动和流动状态的关系；同时对流动化开始速度和悬浮速度进行了测定。∗

1 试验装置与方法

1.1试验装置

本研究采用的试验装置如图1所示。以1.5kw的鼓风机作为风力源。管道是由内径113.4mm的透明塑料管组成，填充谷物颗粒的金属网(整流网)夹置在法兰之间。A为金属网下方400mm处的测量点，B点为金属网上方

∗收稿日期：修订日期：

基金项目：内蒙古自然科学基金重点项目（200408020703）

作者简介：塔娜（1967—），女（蒙古族），内蒙古正蓝旗人，博士，内蒙古农业大学机电工程学院教授，2000年赴日本冈山大学攻读博士学位，从事振动及噪声测试，谷物气力输送方面的教学和研究。内蒙古呼和浩特市昭乌达路306号内蒙古农业大学机电工程学院，010018。Email:jdtn@ 800mm处的测量点，在A、B点测量静压。本试验使用多功能风速计8386型(风速测定范围为0~50m/s，静压范围为–1245~3735Pa)测定静压和风速。利用直径为3mm的L型皮托管、微压变送器、动态应变仪、数值存储示波器(IW A TSU制 DS-9200C)记录静压变动信号。

图1 试验装置简图

Fig.1 Outline of experimental apparatus

1.2试验材料

为了研究谷物颗粒的形状、尺寸和密度对流动特性的影响，选取稻谷、糙米、大豆、大麦、直径与稻谷平均直径相近的BB弹作为研究对象。其中采用了两种直径为6mm但质量不同的BB弹。试验材料的物理特性如表1所示。所谓的当量球径(以后称粒径)是指与颗粒椭球体相同体积的球体半径。有效密度(以后称密度)测量方法为用颗粒填满标准体积容器，并测定填充颗粒的重量，用重量和体积的比值计算出的密度。

表1 试验材料的物理特性

Table 1 Physical characteristics of experimental materials

三轴尺寸/mm

颗粒

L W T

当量球径/mm单位质量/g有效密度/g·cm–3糙米 5.31 3.00 2.02 3.14 0.022 0.946 稻谷 7.13 3.32 2.27 3.77 0.027 0.628 大豆 8.82 8.04 7.02 7.93 0.315 0.801 大麦 8.08 3.93 2.98 4.56 0.046 0.777

BB弹(0.12g) 6.00 6.00 0.120 0.644

BB弹(0.2g) 6.00 6.00 0.200 1.154

1.3 试验方法

用变频器调节鼓风机的旋转速度，在A点处测静压和风速，同时在B点处测静压。将稻谷、糙米、大豆、大麦、BB弹(0.12g) 、BB弹(0.2g)等六种颗粒的填充量每增加100g进行上述测量。用皮托管对A、B两点的静压进行同步测量，获取风速和静压降的关系曲线，求出流动化开始风速和悬浮速度。使用数码摄像机(sonyDCR-TRV950)记录了固定层、流动层及输送层的图像。谷物颗粒的填充形式会影响其流动特性，所以在每次试验之前，将管道内的颗粒全部吹起来，然后让其自由落下，从而消除充填方式的差异。

2 结果与分析

2.1静压降

静压降是指当空气通过颗粒层产生的静压的损失量。图1中A、B两点的静压差是由颗粒层和金属网引起的。所以从A、B两点的静压差中减去金属网引起的静压差后得到的静压差为颗粒层的静压降(称静压降)。静压降随A点处的风速和谷物颗粒的填充量而变化。

2.1.1静压降和风速的关系

图2 风速与静压降的关系(糙米)

Fig.2 Relation between air velocity and static pressure

drop(brown rice)

图2为采用30目金属网时糙米静压降随风速和填充量的变化曲线。风速增加时静压降也增加，但是颗粒不动(固定层)；风速增加到一定值时颗粒层整体有所膨胀，同时表面的颗粒有微小的颤动，此后继续增加风速时静压降也不会增加趋于恒定值，但是颗粒的运动状态非常复杂(流动层)；在继续增加风速到一定值时颗粒会冲出管道顶端(输送层)。固定层和流动层的临界风速为流动化开始风速u f；流动层和输送层的临界风速为悬浮速度u t。由图2可知流动化开始风速随颗粒的尺寸和密度变化，而基本上不受填充量的影响。

2.1.2流动化开始风速与悬浮速度

利用静压降和风速之间的关系测定了六种试验材料的流动化开始风速和悬浮速度(表2)。粒径相同的两种BB弹的流动化开始风速不同，这是由于它们的密度不同而造成的。表2所示的测量结果表明粒径相同的颗粒其流动化开始风速与悬浮速度的比值(u f/u t)相同。随着粒径的增大流动化开始风速与悬浮速度的比值也增大。

表2 流动化开始风速与悬浮速度

Table 2 Minimum fluidization wind velocity and terminal velocity

颗粒u f/m·s-1u t/m·s-1u f/u t

糙米 0.63 8.01 0.079

稻谷 0.64 7.44 0.086

大麦 0.74 7.70 0.096

大豆 2.05 17.10 0.120 BB弹(0.12g) 1.32 11.80 0.112

BB弹(0.2g) 1.90 16.90 0.112

2.1.3静压降和充填量的关系

如图2所示在流动化开始风速之后静压降随着充填量的增加而增加。由图3可知充填量与静压降成线性关系。颗粒粒径越大所对应的直线的斜率就越大，这是因为移动大直径颗粒迎风面积大，所以空气阻力大；静压降也大。由图3可知粒径相同质量不同的两种BB弹的静压降与充填量的关系直线的斜率相同。