新型煮飯機(jī)清洗裝置的研制及多相流仿真分析

錢錦年，鄒 洋，朱 洋，劉贛華

（江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000）

1 引言

近年來我國家電行業(yè)飛速發(fā)展，集多種功能于一體的電飯煲產(chǎn)品得到了很大的發(fā)展[1]；不過，現(xiàn)有的電飯煲產(chǎn)品并不具備存米、自動(dòng)取米和洗米等功能，這些必須通過人工操作才能完成；目前科研人員研究的各類米飯售飯機(jī)[2-3]、淘米機(jī)[4-6]普遍存在功能單一，體積過于龐大，僅適用于公共場所，不宜為普通家庭所用。針對以上不足之處，設(shè)計(jì)了一款集存米、洗米與蒸煮于一體的新型煮飯機(jī)；這款煮飯機(jī)可以替代人工做飯，不僅節(jié)約了時(shí)間，提高了生活質(zhì)量，同時(shí)保證了煮飯過程衛(wèi)生健康。該新型煮飯機(jī)能夠自動(dòng)完成取米、洗米與蒸煮全過程，省時(shí)省力，而且具有功能齊全，操作簡單，價(jià)格低廉和使用周期長等特點(diǎn)，適用于城鄉(xiāng)廣大普通家庭，有良好的市場推廣價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

2 煮飯機(jī)整體結(jié)構(gòu)及清洗裝置的設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該新型煮飯機(jī)主要包括儲米裝置、取米裝置、洗米裝置和煮飯裝置；其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、同步帶、凸輪機(jī)構(gòu)、推桿、攪拌器、滑軌等組成，如圖1所示。具體工作過程如下：首先，在煮飯機(jī)的控制面板上設(shè)定米量、米水配比、煮飯種類等參數(shù)；煮飯機(jī)啟動(dòng)后，程序控制取米裝置取得預(yù)設(shè)米量，之后電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)滑塊做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，每次往復(fù)過程中，當(dāng)滑槽和滑塊的孔槽處于同一條垂線時(shí)，取米裝置從儲米裝置中取得固定量的米，并推送到洗米裝置中；然后，進(jìn)水閥門打開，注入的洗米所需的水量，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌器對米進(jìn)行攪拌清洗；清洗完成后，出水閥門開啟，排出洗米水；當(dāng)洗米水排出完成后，出水閥門關(guān)閉，進(jìn)水閥門再次打開，注入煮飯所需水量；同時(shí)凸輪機(jī)構(gòu)開始運(yùn)動(dòng)，打開洗米裝置下方的彈性密封塞，此時(shí)米水一并落入下方的煮飯裝置中；最后，煮飯裝置開始工作，直到米飯做好結(jié)束。

圖1 新型煮飯機(jī)工作原理圖Fig．1 New Cooking Machine Operating Principle

2.2 清洗裝置設(shè)計(jì)

該清洗裝置由清洗槽、進(jìn)水管、流量計(jì)、電磁閥和、攪拌器、超聲波發(fā)生器、出米口啟閉裝置等組成，如圖2所示。取米進(jìn)程結(jié)束后，電磁閥打開，由進(jìn)水管注入預(yù)設(shè)清洗水量；攪拌動(dòng)作完成后，將米糠等低密度懸浮物從溢流口排出，電磁閥打開，洗完的洗米水由排水口排出，排水口處還裝有過濾網(wǎng)以免米粒隨出水管流出，避免浪費(fèi)；排水完畢后由進(jìn)水管再次向清洗槽中注入定量的清水，密封塞由凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)開啟，清水和洗凈的米粒一同進(jìn)入煮飯裝置。此時(shí)若清洗槽內(nèi)壁存有殘留的米粒，可啟動(dòng)超聲波發(fā)生器將米粒振落到出米口中。

圖2 清洗裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig．2 Cleaning Apparatus Structure Diagram

3 清洗裝置的多相流仿真分析

清洗裝置工作時(shí)，攪拌機(jī)構(gòu)對米粒進(jìn)行攪拌清洗，靠近洗米槽中心部分的圓周速度比在洗米槽周邊部分的圓周速度小，大米較易沉積在洗米槽底部；此外，葉片射流處速度會在一定轉(zhuǎn)速下變高，使得米水沿徑向甩動(dòng)，造成大米在米槽內(nèi)壁處堆積；為使米水在清洗過程中達(dá)到較好的均勻度，即槽體內(nèi)壁和底部米粒堆積現(xiàn)象較少出現(xiàn)，利用計(jì)算流體軟件Fluent對攪拌機(jī)構(gòu)進(jìn)行流場分析，確定攪拌機(jī)構(gòu)中攪拌器轉(zhuǎn)速、尺寸、安裝高度的最優(yōu)參數(shù)。在常規(guī)攪拌過程中，流場中所存在的相大多為空氣、液體以及固體顆粒，而洗米動(dòng)作是發(fā)生在洗米盆中，洗米盆的上方由米盆蓋密封，空氣對攪拌過程的影響較小，所以在分析時(shí)主要考慮水和大米這固液兩相流。

3.1 不同攪拌轉(zhuǎn)速對比仿真

在清洗裝置設(shè)計(jì)方案中，轉(zhuǎn)速選擇非常重要，轉(zhuǎn)速過高可能會破壞米粒的完整度從而影響口感，轉(zhuǎn)速過低則會使攪拌力道不足，米水?dāng)嚢璨痪鶆?，達(dá)不到預(yù)期的清洗效果，所以將攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定為一定范圍的內(nèi)的取值，轉(zhuǎn)速取值區(qū)間為（6～15）rad/s，在仿真分析中，轉(zhuǎn)速取值分別為 6rad/s、9rad/s、12rad/s和 15rad/s，通過觀察這四種不同轉(zhuǎn)速下流場內(nèi)固相濃度分布情況，選擇攪拌機(jī)最佳轉(zhuǎn)速。為了更清楚地了解攪拌轉(zhuǎn)速對米水流場的影響，對上述四種不同轉(zhuǎn)速下攪拌槽軸向顆粒濃度的徑向分布情況進(jìn)行了對比[7]，高度比z/H的取值分別為 0．1、0．3、0．5 和 0．7，經(jīng)過流體軟件 Fluent分析得到顆粒濃度的徑向分布情況，如圖3所示。當(dāng)z/H=0．1時(shí)，流場位于槽體底部，攪拌速度越高，底部顆粒濃度越低，堆積現(xiàn)象越嚴(yán)重；當(dāng)z/H=0．3時(shí)，流場位于槽體內(nèi)壁和底部，15rad/s時(shí)的徑向曲線最低，顆粒堆積程度最?。划?dāng)z/H=0．5時(shí)，流場位于攪拌軸兩側(cè)攪拌區(qū)域，攪拌轉(zhuǎn)速越高，槽體兩側(cè)攪拌區(qū)域越大，顆粒濃度越大；當(dāng)z/H=0．7時(shí)，流場位于攪拌區(qū)域的上端，從徑向曲線上來看，轉(zhuǎn)速越高槽體內(nèi)壁顆粒濃度越小，徑向顆粒濃度越高。分析結(jié)果表明：攪拌速率越高，攪拌軸兩側(cè)攪拌區(qū)域越大，顆粒濃度越高，槽體內(nèi)壁結(jié)合面顆粒濃度越低，槽體底部濃度越小，槽體內(nèi)顆粒堆積現(xiàn)象越少，最終攪拌效果也越好。因此，在實(shí)際樣機(jī)制作過程當(dāng)中，應(yīng)優(yōu)先選用高攪拌速率，即攪拌速率最終取值為15rad/s。

圖3 不同z/H大小下顆粒濃度沿徑向的變化Fig．3 Changes Different z/H Size Particle Concentration at Radial

3.2 不同安裝高度對比仿真

攪拌器安裝高度對米粒清洗效果影響顯著，位置過低，將會減小攪拌區(qū)域；位置過高，米盆槽體底部容易產(chǎn)生顆粒堆積現(xiàn)象?？紤]到槽體內(nèi)部空間以轉(zhuǎn)子區(qū)大小的控制，將攪拌器安裝高度設(shè)置在（45～60）mm之間。對比試驗(yàn)中，高度選取分為45mm、50mm、55mm、60mm四種情況，通過對比這四種不同高度下流場內(nèi)顆粒分布情況，得出合適的攪拌器安裝高度。對四種不同高度下攪拌槽軸向顆粒濃度的徑向分布情況進(jìn)行了對比，如圖4所示。

圖4 不同z/H大小下顆粒濃度沿徑向的變化Fig.4 Changes Different z/H Size Particle Concentration at Radial

在四種安裝高度下，不同z/H大小下的顆粒濃度徑向曲線較為相近，趨勢也相同，可見攪拌器的安裝高度對于流場的影響相對較小。當(dāng)z/H=0.1時(shí)，隨著安裝高度的增加，顆粒濃度越來越大，由于此時(shí)流場位于槽體底部，因此顆粒濃度不應(yīng)過高，否則會造成堆積現(xiàn)象，所以可知45mm時(shí)底部流場情況較好，而60mm時(shí)的濃度過高，堆積過于嚴(yán)重；z/H=0.3時(shí)，顆粒濃度由內(nèi)壁沿徑向不斷減小而后又不斷增大，且安裝高度越高徑向曲線越上升。攪拌軸中心處顆粒濃度較大，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中可能會對米粒造成損傷，因此軸心位置濃度不宜過高，此時(shí)，45mm的攪拌情況較好；z/H=0.5時(shí)，在葉狀攪拌區(qū)域內(nèi)，徑向曲線趨勢相同且顆粒濃度相近，但依舊是45mm時(shí)的顆粒濃度最高，其葉狀區(qū)域的米粒密度最高，攪拌效果較好。由于葉狀攪拌區(qū)域面積有限，所以軸心處曲線落差較大，出現(xiàn)如圖驟降的趨勢；z/H=0.7時(shí)，此時(shí)已位于流場的邊緣區(qū)域，攪拌效果已很有限，此時(shí)50mm的曲線位于最上方，顆粒濃度最大。綜上所述在四種安裝高度下，45mm的攪拌混合效果最好。

3.3 不同槳葉直徑對比仿真

針對槳葉直徑，直徑過小，將會直接導(dǎo)致流場速度提升不明顯，在槽體內(nèi)難以形成漩渦狀流場，容易造成顆粒堆積沉淀；槳葉直徑過大，在一定轉(zhuǎn)速下，容易引起槽體內(nèi)流場紊亂，造成顆粒流向雜亂無規(guī)律。由于此前通過仿真確定了攪拌器最佳安裝高度為45mm，考慮到槽體內(nèi)部空間以轉(zhuǎn)子區(qū)設(shè)定，分別選取槳葉直徑為70mm、90mm、110mm和130mm，通過觀察這四種不同直徑下米水?dāng)嚢枨闆r，選擇出合適的攪拌器直徑。對四種不同直徑下攪拌槽軸向顆粒濃度的徑向分布情況進(jìn)行了對比，如圖5所示。槳葉直徑對于米盆流場的影響遠(yuǎn)比攪拌速度要大得多，各個(gè)徑向曲線之間差異較大。z/H=0.1時(shí)，70mm的徑向曲線遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出其他三條且顆粒濃度較大，此時(shí)槽體底部米粒堆積現(xiàn)象很嚴(yán)重，顆粒幾乎得不到旋轉(zhuǎn)攪拌。其余三條曲線趨勢較為相近，但在內(nèi)壁結(jié)合面處依舊是90mm的濃度最小，即槽壁堆積的米粒最少，米水受攪拌的程度最高；z/H=0.3時(shí)，70mm和90mm的徑向曲線趨勢相近，即都是由內(nèi)壁沿著徑向下降，靠近中心軸時(shí)又急劇上升；110mm和130mm的曲線則是由內(nèi)壁沿著徑向一直下降為零，當(dāng)z/H=0.5時(shí)，四者曲線趨勢相同，在攪拌區(qū)域中70mm的徑向曲線波動(dòng)太大，原因在于內(nèi)壁米量堆積過多，攪拌區(qū)域又較小。沿著徑向90mm的顆粒濃度一直高于110mm和130mm，即在葉狀攪拌區(qū)域內(nèi)的米粒密度更高，顆粒受攪拌程度更好；z/H=0.7時(shí)，在攪拌區(qū)域依舊是90mm曲線一直位于上方，攪拌效果較為理想。

圖5 不同z/H大小下顆粒濃度沿徑向的變化Fig.5 Changes Different z/H Size Particle Concentration at Radial

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

清洗裝置實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如圖6所示。清洗槽以及進(jìn)出水的控制電路，如圖6（a）所示。清洗槽上方的攪拌電機(jī)以及同軸設(shè)計(jì)的凸輪機(jī)構(gòu)，如圖6（b）所示。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，為了便于觀察大米清洗的效果，在洗米動(dòng)作完成后將污水排出，重點(diǎn)觀察落入飯煲中的米粒以及清洗槽內(nèi)壁附著的米粒情況。對原型機(jī)清洗裝置進(jìn)行模擬全自動(dòng)清洗工作過程。下面設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件：（1）根據(jù)仿真過程中清洗裝置的攪拌速度、槳葉直徑和攪拌器安裝高度的不同參數(shù)值，分別進(jìn)行試驗(yàn)；（2）為防止試驗(yàn)過程的的偶然性，模擬實(shí)驗(yàn)次數(shù)為多次連續(xù)。對原型機(jī)進(jìn)行了多次試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證明：仿真結(jié)果是符合實(shí)際情況，清洗裝置不僅能夠穩(wěn)定高效的完成清洗功能，而且清洗效果好；對于原型機(jī)的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證明了煮飯機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖6 實(shí)驗(yàn)測試環(huán)境Fig.6 Experimental Testing Environment

5 結(jié)語

（1）運(yùn)用FLUENT軟件對新型煮飯機(jī)清洗裝置進(jìn)行了多相流仿真，針對攪拌速度、槳葉直徑和攪拌器安裝高度等清洗參數(shù)進(jìn)行分析，保證了煮飯機(jī)在洗米過程中效果好；

（2）通過制作原型樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬仿真結(jié)果的正確性；為今后此類煮飯機(jī)的研制提供了參考價(jià)值；

（3）這臺新型煮飯機(jī)能夠廣泛適用于家庭生活，具有很高的推廣價(jià)值，是家居必備的電器。

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