数值化米粒碾白机理及碾米机降碎设计方法

It is understood that rice kernel milling mechanism is the theoretical basis to design an anti- breakage rice mill, but the quantitative description for milling mechanism, especially the numerical relationship between mill structure and milling quality are not clear. Based on modeling analysis of rice kernel and rice mill, this project uses granular system, continuous medium and milling theory as guide, focuses on pressure inside whitening chamber, rice kernel motion characteristics and rice bran layer forms as new study points. The milling pressure, kernel motion indexes and damaged form of bran layer after milling are obtained by approaches of digital microscope, sensor, high-speed photography, tracer particle and visualization platform, moreover, the axial and radial pressures in whitening chamber are simulated with discrete element method, computational fluid dynamics and kinetics numerical modeling, and rice kernel rolling and translocation between inner and outer bran layer in the flow regime are analyzed with the DEM-CFD coupling technique numerically. Finally, numerical indicators that show milling performance are selected, and theory of milling process and bench test and numerical modeling systems are established. The numerical relationships between whitening chamber structure and milling quality and milling theory are revealed, with the aim of obtaining a parameter combination for anti-breakage mill design. Our research finding can enrich and improve milling theory and has significant practical value to guide anti-breakage technique.

明晰米粒碾白机理是碾米机降碎设计的理论基础，然而碾白机理的定量表述方法，特别是碾米机结构与碾米品质间的数值关系尚不清楚。本项目在米粒和碾米机建模分析基础上，以散粒体、连续介质和碾白运动理论为指导，以碾白室内压力、米粒运动特征和米粒皮层形态等方面为研究切入点，利用数码显微镜、传感器、高速摄像、示踪粒子及可视化平台试验手段, 获取碾白压力、米粒运动指标、碾后米粒皮层破损形态；采用离散元、计算流体力学及动力学数值模拟方法，在EAlink平台模拟碾白室轴径向压力及基于DEM-CFD耦合技术数值分析流态下米粒的碾白翻滚、内外层易位现象。筛选出能表征碾米性能的数值指标，建立碾米过程的理论、台架试验及数值模拟体系，阐明碾白室结构对碾米性能指标的数值关系，揭示米粒的碾白机理，获得碾米机降碎设计参数组合。研究成果可丰富米粒碾白理论，对指导碾米降碎工艺具有重要的实际价值。

碾米是大米加工的一个主要环节，碾米机的性能直接关系到大米的产量和质量。提升碾米机的设计水平、改善碾米机性能、减少碾米加工过程中产生的碎米对保证我国粮食安全具有重要意义。明晰米粒碾白机理是碾米机降碎设计的理论基础，但是受制于碾白室内复杂的碾磨环境，传统的试验监测手段难以获取米粒的状态信息。本研究以散粒体、连续介质和碾白运动理论为指导，以米粒运动特征、碾白室内压力、碾米机主要部件优化和碾米过程中米粒的破碎机制等方面为研究切入点。采用数值模拟并结合可视化平台试验的方法，观测并分析了碾磨过程中米粒的动态特性，米粒碾磨破碎机制及碾米机主要部件对米粒碾磨及破碎的影响规律，获得了如下开创性研究成果：（1）建立了糙米籽粒及碾米机的数值模型，并提出了创新性的验证方法，进一步提升了数值化设计的准确性（2）探究了碾米机内米粒运动过程，主要分析了米粒在入料、输运及碾磨方面的擦离运动特点，对擦离碾白机制的揭示提供了支持（3）在碾白试验的基础上，采用离散元方法，进一步数值地分析了碾米机和米粒的关键参数对米粒碾白的影响规律（4）分别以单籽粒和米粒群为研究对象，明晰米粒擦离破碎的过程和原因，对碾米机降碎设计提供参考（5）探寻了碾米机关键操作参数，分析了评价碾白性能的指标，采用组合试验的方法，优化了擦离式碾米机参数。研究成果可丰富米粒碾白理论，对指导碾米降碎工艺具有重要的实际价值。