秸秆压块机是秸秆挤压膨化的关键设备，目前，关于秸秆压块机的研究还处于定性分析的初步阶段，深入了解秸秆压块机在螺杆压块机中的流场分布，有助于压块机结构参数的优化。 本文参照食品挤压膨化的数值模拟技术，运用ANSYS/FLOTRAN模块对秸秆压块机的流道进行数值模拟，为秸秆压块机的优化设计提供指导。 1、数值模拟 1.1几何模型的建立 对于挤压膨化机流道的分析，几何模型有三维和二维两种形式，二维几何模型可以对三维模型流道的中间段进行截面分解，在ANSYS中进行二维参数化建模，且容易加载，因此，本文采用二维截面进行分析，如图1所示． 1.2有限元模型建立 根据几何模型的形状，选用FLOTRAN单元中的FLUID 141的二维单元进行网格划分，并对流道的螺棱处进行网格细化．为了保证求解精度，采用自由网格划分，并且由粗到细进行多次网格的划分，取各监测曲线波动最小的网格为最终有限元网格．图2即为流道的有限元模型，其中单元数为698个，节点数为831个。 1.3工程假设 基于流体输送理论，作如下假设： (1)流体流动为层流流动；(2)流场为稳定流 场；(3)惯性力、重力等体积力忽略不计；(4)流体为不可压缩流体；(5)流道壁面无滑移；(6)物料与螺杆内壁接触的地方摩擦生热，看成一个不断供热的热源。 1.4物理特性参数 参照其他物料在一定温度下的表观黏度数值，确定秸秆在挤压膨化过程中的表观黏度n=2 000 Pa．s．取密度为1 530 kg／m3，导热系数为0.10 W/(m．K)，比热为330 J/(kg．K)。 1.5边界条件 根据秸秆压块机实际运转条件，流道分析的边界条件如下： (1)机筒静止，螺杆旋转，机筒内壁速度为零，螺杆外表面速度在轴向上不为零，在径向上为零。 (2)压力边界条件采用计算域两端的压力差Ap= Pi - P2．其中，Pi为出口压力，P2为入口压力。 (3)在挤压膨化过程中，物料受到来自螺杆剪切摩擦、物料内部相互摩擦和物料与机筒摩擦产生的热，此时，存在热传导、热对流和热辐射3种传热形式，但由于物料全部被机筒包围，因此，在分析中仅考虑传导热和摩擦热，螺杆热源的热通量，即由运动摩擦生成热通量计算式为‘4]：其中：产为秸秆物料与钢接触表面的摩擦因数；v为摩擦速度；，为两者接触面的摩擦力；n为螺杆的转速( r/min)；r为流道内部的平均半径(mm)；p为平均压力值(MPa)；q为热通量(W／m3)。 计算过程中，取u=0. 25；p=l.6 MPa；n-550 r/min;r= 78.5 mm;q=34 976 W/m2。 (4)假设入口处温度和机筒壁温度均为60。 1.6施加载荷 在ANSYS中，载荷可以施加在实体模型上，也可以直接施加在有限元模型上，其中，有限元模型的加载可将载荷直接施加在主节点上，因此，本文采用有限元模型的加载方式，进行边界载荷的施加，加载后的模型如图3所示。 2、结果分析 2.1压力分析 流道内的压力分布如图4所示，可以看出，压力分布的总趋势是沿挤出膨化方向逐渐增加，在螺杆的螺槽区域内，压力等值线分布较为均匀；接近螺棱顶部时，压力等值线的密度显著增加；并且，压力变化较大处发生在螺棱的流入端：这说明，螺槽区的压力变化较小，螺棱处的压力变化较。 2.2速度分析 图5所示为流道的速度分布，由图5可以看出，螺杆顶面物料速度较高，螺槽处物料的速度值小于螺棱顶端物料的速度值；速度梯度最大值出现在物料流体最薄处，而其他部分速度变化较小，物料流动平稳。 2.3温度分析 在秸秆膨化的过程中，温度是随着物料在膨化腔内的流动速度和压力而不断变化的，根据膨化机理可知，秸秆膨化产品质量的好坏与温度参数的变化有着直接的联系．图6描述了秸秆压块机流道内的温度分布状况．由图6可以看出，温度沿轴向逐渐增加，但非线性增加；越接近出口处，温度等值线越密，温度变化越大；温度最大处位于螺槽处，温度最小处位于贴近螺棱处。 膨化机的膨化机理可以从气体膨胀做功和水汽化做功两方面来考虑，气态方程，可以合理地解释物料的膨化过程，由于前面假设物料为不可压缩流体，可以认为物料在膨化腔内体积变化不大，因此，腔内温度近似与内部压力成正比．将温度轴向分布规律与2.1节的压力分布比较研究，可以看出，数值模拟结果与理论研究结果基本一致， 为研究不同螺距的螺杆对温度分布规律的影响，在保证其他参数不变的情况下，将螺杆的螺距减半，得到的温度分布图如图7所示，可以看出，螺距减小，温度在径向上的分布分层更明显，且温度等值线密度较大；最大温度的位置仍在螺槽末端出口处。 3、结论 通过对非等温条件下流道的温度、压力及速度的分析，了解流道中间段压力、流速等参数的分布规律，为秸秆挤压膨化机的设计提供参考．以提高秸秆膨化质量为目标，针对螺杆、机筒的设计和加热系统的设置提出以下优化建议： (1)自流道的入口处至出口处，压力逐渐增大是必然的趋势，即对螺杆和机筒的压力也逐渐增加，可以考虑对螺杆与机筒的材料采用分段处理，以减少机器的制造成本。 (2)分析表明，温度分布不均匀，造成温度分布不均的主要原因是物料的流动速度不一致、摩擦不同，因此，膨化机应该在合适的位置装有加热装置，一方面满足秸秆的膨化要求，另一方面使径向上温度一致。