一种基于CFD的双螺杆膨化机流变模型仿真方法与流程

本发明涉及水产饲料膨化系统技术领域，尤其涉及一种基于cfd的双螺杆膨化机流变模型仿真方法。

背景技术：

在饲料膨化领域，双螺杆膨化机在结构设计方面被广泛研究并进行改进提升。近些年，在计算流体力学领域，双螺杆膨化技术，以及原料熟化后的非牛顿流体，流变模型也被广泛研究。

膨化理论和技术核心是非牛顿流体现象。这种现象主要体现在由生产工艺、生产参数以及结构设计所改变的流变特性。在膨化生产过程中，这种流变特性的改变受到温度，水分，剪切率以及机械能的影响。通过改变结构设计，以及生产参数，改变流变特性，从而生产出客户所需求的膨化产品。

在结构设计方面，开槽螺杆的开槽宽度，膨化腔尺寸，模板模孔以及文丘里形状等方面都是影响物料熟化度、熟化均匀性，导致流变特性改变的重要研究领域。在生产参数方面，针对直链淀粉含量(ac)不同，水分含量，膨化温度以及机械能控制是影响物料粘度变化并最终导致膨化产品品质的重要研究领域。由于膨化技术的实验通常需要大量原料以及资金支持，在结构设计和生产参数研究方面，通常需要cfd(计算流体力学)仿真的结果和数据作为参考，从而提升实验效率，提高实验可靠性并降低实验成本。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于cfd的双螺杆膨化机流变模型仿真方法，该方法基于真实螺杆尺寸，膨化腔结构，模板设计以及生产参数，对膨化过程中由于改变流变特性而造成的物料粘度，流场温度、速度以及膨化腔温度、压力进行预测，并通过计算流体力学的研究，对结构设计提供理论支撑，通过后期数据处理得到物料流变特性的回归模型，从而对现场工艺调试，生产参数提供技术支持。

为了实现上述目的，本发明一种基于cfd的双螺杆膨化机流变模型仿真方法所采取的技术方案如下：

本cfd研究主要基于ansysfluent19.0的非牛顿流体仿真，采用laminaflowmodel(平流模型)，discretephasemodel(物项分离模型)进行流场宏观项(速度，密度，动量以及粘度)模拟和颗粒示踪法观测膨化腔内的流场流动情况以及物料回流情况并分析颗粒在膨化腔中的滞留时间，具体包含以下步骤：

步骤一：引入数学模型，结合实际生产工艺，通过c语言编译的udf文件，引入温度项，水分含量项以及机械能项控制传统流变数学模型中的k和n项，并将其引入到仿真软件fluent的计算中。对于流变数学模型，基于传统的power-law-non-newtonian模型：由于此基础流变模型只包含了剪切率项，并不能准确模拟实际生产过程中的流变特性变化，参考dellavalleetal.在1996年发表的文献中运用anova统计学归纳的预测方程：n＝n0+α1t+α2mc+α3sme+α12t×mc+α13t×sme+α23mc×sme，其中k0，α，β，n0，αi，αij为预测系数，mc为水分含量，t为膨化腔温度，sme为机械能，并结合famsun现有现场调试以及实验大数据进行统计学分析，得到相应的预测系数，从而得到与客户实际生产参数相应的流变模型系数k以及n。

步骤二：导入实际三维模型，生成包含开槽螺杆、正/反向剪切块、推送螺杆在内的物料熟化区域整体计算流体域。

步骤三：导入c语言编写的动网格udf文件，在保证库朗数小于0.5且最大程度节省运算成本的前提下，控制螺杆转速恒定在300rpm，并给定模拟单位时间步长为1×10^-5s，每一单位步长进行35次牛顿迭代，单位模拟步长螺杆推进0.004m，同时设定螺杆所属边界层网格以同样转速随螺杆一起转动控制双螺杆转速从而间接控制机械能。对于动网格处理，在分析courantnumber(库朗数)后，在最大限度节省计算时间以及计算成本，并保证计算准确性的前提下，给定合适的动网格设置，从而达到旋转双螺杆的仿真模拟。

步骤四：通过solidedge设计不同开槽宽度以及不同开槽方式的开槽螺杆、不同模孔形状的模板，并将各组结构模型分别引入到fluent中，生成网格，运用fem(有限元法)，进行数值计算模拟。对于螺杆与膨化腔之间的狭窄空间，给定膨化腔壁以及螺杆边界为no-slipwall(无滑动墙)，入口设定为1.38kg/s的恒定质量流边界，出口设定为标准大气压。

步骤五：通过数据分析，得到开槽螺杆的开槽宽度以及开槽方式对于物料混合均匀性，混合效率的影响；物料回流程度对于粘度变化的影响；温度，水分，sme对于粘度变化的影响；通过anova方法归纳出粘度随温度，水分，sme的变化曲线，并对不同生产工况下的粘度变化进行预测；通过粘度变化的分析，预测物料挤压出模后的膨胀度，容重以及耐水性的变化。在post-cfd后期数据分析方面，主要考虑开槽螺杆的横截面速度分布，建切块的横截面粘度分布，沿螺杆中心线的粘度随剪切率的变化，出口质量流以及粘度分布，沿开槽螺杆边缘轴向速度分布，示踪颗粒浓度以及滞留时间分布。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.通过cfd仿真模拟，优化结构设计，对于结构创新给出理论支撑和数据分析；

2.通过不同对照组的cfd仿真模拟，得到针对不同生产参数的预测回归模型，对于实验以及实际生产给出指导性建议；

3.节省实验成本，提高实际生产中的调试效率。

附图说明

图1是包含推送螺杆，反向剪切块以及开槽螺杆在内的三维cfd模型示意图。

图2是基于cfd模型，运用fluent-meshing建立的有限元网格示意图。

图3是基于不同时间反向建切块平面剖视的粘度分布图。

图4是基于不同时间反向建切块平面剖视的速度分布图。

图5是基于不同时间反向剪切块平面剖视的剪切率分布图。

图6是膨化腔内物料粘度随剪切率变化曲线，并给出回归曲线。

图7是沿膨化腔轴向位置的压力变化曲线。

图8是膨化腔出口质量流分布。

图9是膨化腔出口物料粘度分布。

图10是瞬时轴向速度在纵向平面的分布图。

图11是轴向瞬时速度随时间的变化曲线。

具体实施方式

如图1-11所示，本cfd研究主要基于ansysfluent19.0的非牛顿流体仿真，采用laminaflowmodel(平流模型)，discretephasemodel(物项分离模型)进行流场宏观项(速度，密度，动量以及粘度)模拟和颗粒示踪法观测膨化腔内的流场流动情况以及物料回流情况并分析颗粒在膨化腔中的滞留时间，具体包涵以下步骤：

步骤一：结合实际生产工艺，通过c语言编译的udf文件，引入温度项，水分含量项以及机械能项控制传统流变数学模型中的k和n项，并将其引入到仿真软件fluent的计算中。对于流变数学模型，基于传统的power-law-non-newtonian模型：由于此基础流变模型只包含了剪切率项，并不能准确模拟实际生产过程中的流变特性变化，参考dellavalleetal.在1996年发表的文献中运用anova统计学归纳的预测方程：n＝n0+α1t+α2mc+α3sme+α12t×mc+α13t×sme+α23mc×sme，(其中k0，α，β，n0，αi，αij为预测系数，mc为水分含量，t为膨化腔温度，sme为机械能)，并结合famsun现有现场调试以及实验大数据进行统计学分析，得到相应的预测系数，从而得到与客户实际生产参数相应的流变模型系数k以及n。

步骤二：导入实际三维模型，生成包含开槽螺杆、正/反向剪切块、推送螺杆在内的物料熟化区域整体计算流体域。

步骤三：导入c语言编写的动网格udf文件，在保证库朗数小于0.5且最大程度节省运算成本的前提下，控制螺杆转速恒定在300rpm，并给定模拟单位时间步长为1×10^-5s，每一单位步长进行35次牛顿迭代，单位模拟步长螺杆推进0.004m，同时设定螺杆所属边界层网格以同样转速随螺杆一起转动控制双螺杆转速从而间接控制机械能。对于动网格处理，在分析courantnumber(库朗数)后，在最大限度节省计算时间以及计算成本，并保证计算准确性的前提下，给定合适的动网格设置，从而达到旋转双螺杆的仿真模拟。

步骤四：通过solidedge设计不同开槽宽度以及不同开槽方式的开槽螺杆、不同模孔形状的模板，并将各组结构模型分别引入到fluent中，生成网格，运用fem(有限元法)，进行数值计算模拟。对于螺杆与膨化腔之间的狭窄空间，给定膨化腔壁以及螺杆边界为no-slipwall(无滑动墙)，入口设定为1.38kg/s的恒定质量流边界，出口设定为标准大气压。

步骤五：通过数据分析，得到开槽螺杆的开槽宽度以及开槽方式对于物料混合均匀性，混合效率的影响；物料回流程度对于粘度变化的影响；温度，水分，sme对于粘度变化的影响；通过anova方法归纳出粘度随温度，水分，sme的变化曲线，并对不同生产工况下的粘度变化进行预测；通过粘度变化的分析，预测物料挤压出模后的膨胀度，容重以及耐水性的变化。在post-cfd后期数据分析方面，主要考虑开槽螺杆的横截面速度分布，建切块的横截面粘度分布，沿螺杆中心线的粘度随剪切率的变化，出口质量流以及粘度分布，沿开槽螺杆边缘轴向速度分布，示踪颗粒浓度以及滞留时间分布。

通过比较膨化腔出口质量流分布和轴向速度随时间的变化，从而研究不同螺杆结构对于物料回流以及混合均匀性的影响。通过比较膨化腔出口物料粘度分布，从而分析回流量对于物料粘度变化以及分布的影响。

图2中，由于螺杆之间和螺杆与膨化腔的间隙很狭窄，在这里的网格处理需要局部加密，同时，由于狭窄局域，剪切率和轴向速度会有显著增大，所以在这个局域需要引入边界层来处理边界层流域从而提升计算精度。

图3中，物料粘度在剪切块与膨化腔之间的缝隙处达到最低值，而在建切块周边，粘度相对较大。

图4中，在剪切块与膨化腔壁之间，以及两剪切块之间的狭窄局域，速度较大。

图10中，观测到明显的回流现象。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变形。