Physico-Mathematical Apparatus for Numerical Modelling of Feed Expander

Abstract

На продуктивність лінії приготування кормів і на її техніко-економічну ефективність впливають конструктивно-технологічні параметри обладнання. Не винятком є геометрія гвинта експандера і режими його роботи. Для зменшення питомих енерговитрат експандера необхідно встановити його раціональні конструктивно-режимні параметри. Це можна зробити використовуючи методи аналітичного розрахунку, які враховують механізми руху і руйнування твердих речовин. Моделювання з використанням методу дискретних елементів набуває все більшого розповсюдження для опису руху твердих компонентів в грануляторах, екструдерах або експандерах. Метою дослідження є удосконалення фізико-математичного апарата руху твердих компонентів корму у гвинтовому каналі експандера кормів і розробка методики його чисельного моделювання. Чисельне моделювання проводилося із застосуванням моделі руху розділеної течії багатофазної ейлерової суміші у тривимірного просторі. При цьому рух підпорядковувався допустимої двошарової k-ε-моделі турбулентності і багатофазного рівняння стану. Було проведено удосконалення фізико-математичного апарата руху твердих компонентів корму у гвинтовому каналі експандера кормів, яке покладено в основу методики чисельного моделювання в програмному пакеті Star CCM+, базувалося на тому, що конгломерат компонентів корму представляється у вигляді упаковки сферичних частинок. При цьому сила тиску повинна компенсуватися сумарною силою контактної взаємодії частинок між собою і стінкою. Проведено попереднє чисельне моделювання процесу експандованого приготування кормів в програмному пакеті Star CCM+. Практична значимість полягає в тому, що удосконалений фізико-математичного апарата і розроблена методика чисельного моделювання процесу роботи експандера кормів дозволяє обґрунтувати його конструктивно-режимні параметри для забезпечення низьких питомих енерговитрат без втрати якості виконання технологічного процесу.

The productivity of the feed preparation line and its technical and economic efficiency are affected by the design and technological parameters of the equipment. The geometry of the expander screw and its operating modes are no exception. To reduce the specific energy consumption of the expander, it is necessary to establish its rational design and operating parameters. This can be done using analytical calculation methods that consider the mechanisms of movement and destruction of solid substances. Modelling using the discrete element method is becoming increasingly common to describe the movement of solid components in granulators, extruders, or expanders. The purpose of the study is to improve the physical and mathematical apparatus of movement of solid feed components in the screw channel of the feed expander and develop a method for its numerical modelling. Numerical modelling was performed using a model of the movement of a multiphase Euler mixture with a split flow in three-dimensional space. In this case, the motion was subject to an admissible two-layer k-ε model of turbulence and the multiphase equation of state. The physical and mathematical apparatus for the movement of solid feed components in the screw channel of the feed expander was improved, which is the basis for the numerical modelling technique in the Star-CCM+ software suite, based on the fact that the conglomerate of feed components is represented as a package of spherical particles. In this case, the pressure force must be compensated by the total force of contact interaction of particles with each other and the wall. Preliminary numerical modelling of the process of expanded feed preparation was performed in the Star-CCM+ software suite. The practical significance lies in the fact that the improved physical and mathematical apparatus and the developed method of numerical modelling of the feed expander operation process allow substantiating its design and regime parameters to ensure low specific energy consumption without losing the quality of the technological process