基于DEM-CFD耦合的辣椒风选模拟研究.pdf

农机论坛基于 耦合的辣椒风选模拟研究张小明(贵州省山地农业机械研究所贵州 贵阳)摘 要:为降低辣椒收获机收获的辣椒含杂率增加辣椒风选效果从而获得最佳辣椒分离参数 通过离散单元法()与计算流体力学()耦合的研究方法对辣椒、椒叶和椒秆在不同风速和不同气流倾角下进行清选模拟分析改变气流速度和倾角对气流速度分布规律和对辣椒含杂率及损失率的影响 经过不同参数辣椒含杂率和损失率比较可知在风速为 /可获得较好的风选效果辣椒含杂率为.损失率为.而在气流速率为 /气流倾角 的条件下辣椒含杂率为.损失率为.此时辣椒风选效果为最佳 通过田间采收试验可知收获机采摘的辣椒经过风选辣椒含杂率为.辣椒损失率为.进一步验证了该机风选系统满足辣椒的风选工作关键词:辣椒果实风选分离 与 耦合不同风速与不同气流倾角含杂率损失率 引言辣椒产业是贵州特色优势产业已成为带动农民脱贫创业增收的一个重要途径 到 年全省种植辣椒面积已经达到了.万公顷(万亩)辣椒产量占全国的六分之一辣椒销售额超过 亿 当前贵州正从“辣椒大省”向“辣椒强省”迈进针对山地自走式履带辣椒收获机收获的辣椒含杂率高辣椒果实风选急待解决的问题通过离散单元法()与计算流体力学()相耦合的仿真计算模拟方法对朝天椒混合物的风选分离进行模拟仿真研究气体速度大小和气体倾角对辣椒含杂率和损失率的直接影响规律 风选装置结构及颗粒模型.几何模型构建使用三维建模软件 对辣椒风选装置进行建模如图 所示 该辣椒风选装置采用单进风口结构由进风口、进料口、清选室、出口、出口、出口 组成 整体壁厚为 整体长度为 宽度为 厚度为 进料口宽口长度为 宽度为 高度为 进料口窄口长度为 宽度为 进风口长度为 宽度 在 里建模完成后将风选装置模型输出为 格式并导入 网格划分软件中添加进风口、物料入口、辣椒出口、辣椒茎秆出口 及辣椒叶出口 设置各进出口完成后划分网格如图 所示图 风选装置示意张小明:基于 耦合的辣椒风选模拟研究收稿日期:作者简介:张小明()男贵州贵阳人硕士高级工程师研究方向为农业技术推广图 风选装置网格.颗粒模型考虑到 软件本身自动模型的一些缺陷因此选取在辣椒清选除杂中成分浓度较大的辣椒、辣椒叶片、辣椒茎秆等作为重点的研究对象进行颗粒建模 由于目前 软件研究粒子模型均全部使用球形结构来描述所以采用“多球丛聚法”的方式对 个大小不同的研究粒子加以简化、重叠合并及重新填充来替代实际风选的研究粒子模型 颗粒模型如图 所示朝天椒由 个不同粒径(最大直径 )的小球形结构合并填充而成总长度为 辣椒叶由 个直径为 的球体合并填充而成总体长度为 总体宽度为 而辣椒秆则由 个直径为 的球体合并填充而成总体长度为 图 三维模型示意 物料力学特性及仿真参数设置.物料力学特性及接触参数根据 文 献 中 所 述 方 法 通 过 微机控制电子万能试验机对朝天椒、辣椒叶及辣椒秆进行压破试验和拉伸试验求取泊松比与剪切模量通过天平与量筒法测量密度 根据文献中的测量方法通过斜板试验(滑动法与滚动法)分别测量辣椒、辣椒秆、辣椒叶与钢板之间的摩擦接触参数通过碰撞试验分别测量辣椒、辣椒秆、辣椒叶及钢板间的恢复系数 软件中物料粒子的力学特征参数和接触系数分别如表 和表 所示风力分选装置材料则采用钢材表 材料的物理参数名称辣椒辣椒叶辣椒杆钢材泊松比.剪切模量/.密度/().表 相关颗粒的材料接触系数材料关系恢复系数静摩擦系数滑动摩擦系数辣椒辣椒.辣椒辣椒叶.辣椒辣椒杆.辣椒钢材.辣椒叶辣椒叶.辣椒叶辣椒杆.辣椒叶钢材.辣椒杆辣椒杆.辣椒杆钢材.仿真参数设置利用软件 耦合技术对辣椒进行风选模拟在 软件中选择()的颗粒接触模型用于仿真模拟将辣椒、辣椒叶和辣椒茎秆的时间生成比率设置为 .辣椒的时间生成步长速率设置为 个/辣椒叶的时间生成步长速率设置为 个/辣椒秆的时间生成步长速率设置为 个/在 中仿真的固定时间步长设置为.模拟时间总时长设置为 中模拟的仿真结果计算模型使用标准的 湍流模型并设置仿真边界的状态将入口处设置为速度入口将出口设置为压力出口将时间步长设置为 的 倍即时间步长设置为总的步数为 步张小明:基于 耦合的辣椒风选模拟研究 仿真模拟及分析.气流速度分析辣椒风选装置的进料口设置有颗粒生成工厂辣椒、辣椒叶和辣椒杆从进料口颗粒生成工厂处自由下落以气流速度 /为例图 为 时辣椒风选装置物料分布位置瞬态示意图在出口、处设置区为辣椒含杂率统计区及区为辣椒损失率统计区 由图 可看出当物料在水平气流的影响下落入气流区域时 种仿真物料颗粒的运动轨迹不同:辣椒落入出口而出口 和出口 收集到的分别是辣椒杆和辣椒叶图 物料颗粒位置瞬态图()这是因为辣椒、辣椒叶子和辣椒茎秆的空气动力学特性不同因此垂直下落的物料在水平气流作用后会有不同的轨迹 物料受自身重力、空气浮力 和水平气流 的作用三力合力为 如图 所示物料在力 的方向上其运动轨迹是一条抛物线角度a方向就是物料运动的角度图 物料颗粒受力示意 如果空气浮力 忽略不计则有 ()()为粒子和气体相对运动时其所引起的相互作用力 其大小为 ()()为空气阻力系数为空气密度 为物料的受风面积即物料在空气流动方向的直接投影面积 为物料与气流的相对速度 为气流速度 为物料速度辣椒含杂率与损失率为评价辣椒清选装置工作性能的关键指标因此以辣椒含杂率 和辣椒损失率 作为该风选装置的主要性能衡量指标则有:()()为区辣椒含杂率统计区域统计的辣椒质量 为区辣椒含杂率统计区域统计的物料总质量为区辣椒损失率统计区域统计的辣椒质量为探讨风速大小对辣椒风选结果的影响效果采用控制变量的方法保证其他各项条件参数相同从而进行模拟风速分别为 /、/和/三种不同风速时的辣椒风选过程 通过区辣椒含杂率统计区域和区辣椒损失率统计区域统计的数据得到不同风速下的辣椒含杂率与损失率如图 所示图 风速对辣椒风选效果的影响 由图 可以看到当气流速度分别设定为/、/和 /时辣椒的含杂率分别张小明:基于 耦合的辣椒风选模拟研究为.、.和.比较上述三种气流速度条件下的仿真统计结果在气流速度为/时辣椒的含杂率相比气流速度为 /时的含杂率减少了.而在气流速度为/时辣椒的含杂率相较气流速度为 /时的含杂率减少了.辣椒的损失率分别为.、.和.经过比较三组数据后可知:当气流速度为/时辣椒的损失率相对较小将气流速度增大至 /时辣椒的损失率就上升了.而继续将气流速度提高至 /时辣椒的损失率则比原气流速度为/时上升了.由以上仿真数据的对比分析可以看出提高风速可以增加辣椒的风选效果但会导致风速增大时辣椒从辣椒叶出口处吹出缺陷 这是因为水平气流速度的增大从而使水平气流作用力 增加故物料夹角a和物料水平方向上的运动速度都增大了辣椒叶片和辣椒茎秆中掺杂的辣椒数量也增多所以在提高水平气流速度时可以减少辣椒中的含杂率但同时辣椒的损失率也会增大 总体而言选择具有较高分离率和较低损失率的吹风速度即在风速为/时可获得最佳分离效果此时辣椒含杂率为.损失率为.气流倾角对风选结果的影响为研究气体倾角对物料运动行为及清选质量的影响将风选装置进风口由(水平)改为倾角 即气体倾角 改为 图、图 是在气流速度均为 /时进风口倾角分别为、条件下的气流速度云图 由图 和图 可知两种条件下的气流在风力分选装置内都存在着层流现象近壁侧区域气流速度相对较小但在进风口处的气流速度均高于出口 处的气流速度 气流倾角倾斜 时辣椒风选装置的顶部气流速度较大装置内气流走向整体高度有所抬升 经过比较图、图 可知改变气流倾角对气流速度的总体分配规律影响并不大图 气流倾角为 的气流速度云图图 气流倾角为 的气流速度云图 图 给出了当气流速度为 /时气流水平与气流倾角 情况下辣椒的含杂率变化和损失率情况 由图 可以看到在气流倾角 时辣椒的含杂率为.损失率为.比较同样气流速度下根据气流倾角为 时的计算结果可知当气流倾角为 时辣椒的含杂率减少了.而损失率则上升了.图 风速 /时气流倾角对辣椒风选效果的影响张小明:基于 耦合的辣椒风选模拟研究根据空气动力学原理在相同风速下当气流倾角为 时 出口辣椒中杂质含量减少而、出口辣椒损失率增加综上所述当风力速度为 /时选择吹风倾角为 能达到较好的辣椒风力分选效果而此时辣椒的含杂率为.损失率为.为最佳的辣椒风力分选参数 田间试验 年 月使用改进的辣椒收获样机对辣椒进行田间采收试验设置风选装置的进风口的气流倾角为 试验时风选气流速率大小调节为/试验地点为贵州省遵义市绥阳县风华镇金承村的辣椒培育试验区辣椒平均含水率为.由田间采收试验可知:收获机采摘的辣椒经过风选辣椒的含杂率为.辣椒的损失率为.对比改进前辣椒风选改进后辣椒的风选效果较好收获机采摘的辣椒经过风选达到辣椒的存储及运输条件进一步验证了该机风选系统满足辣椒的风选工作要求 结语通过对辣椒在不同风速和不同气流倾角下的仿真结果数据分析及田间采收试验得出如下结论:()风速对最终的辣椒风选的结果影响较大 当风速为 /如果不考虑辣椒的损失率辣椒风选的风速越高辣椒的含杂率也就越低在平均风速为 /情况下最终风选得到的辣椒含杂率最低可以达到.如果考虑损失率在/的平均风速下可以获得最佳的风选结果所得辣椒最终含杂率为.辣椒损失率为.()气流的角度对辣椒的风选效果也有一定的影响 当风速设定为 /进风口气流倾角为 时辣椒的杂质含量为.损失率为.对于水平气体则不同因为倾斜气体的物料颗粒飞行系数比水平气体的高而物料颗粒的水平运动距离也大所以在相同条件下如果气体倾角为 时物料颗粒的含杂率降低但损失率也增加了()通过田间采收试验可知收获机采摘的辣椒经过风选辣椒的含杂率为.辣椒的损失率为.收获机采摘的辣椒经过风选达到辣椒的存储及运输条件进一步验证了该机风选系统满足辣椒的风选工作要求参考文献:牟玉梅毛妃凤张绍刚.贵州省辣椒产业现状与发展建议.中国蔬菜():.贵州:从辣椒大省迈向辣椒强省.中国蔬菜():.():.黄深闯杨望杨坚等.甘蔗茎秆蔗叶系统有限元建模方法研究.农机化研究():.郭无极杨望温翔等.切段式甘蔗收割机排杂仿真建模方法研究.农机化研究():.刘文政何进李洪文等.基于离散元的微型马铃薯仿真参数标定.农业机械学报():.张涛刘飞赵满全等.玉米秸秆接触物理参数测定与离散元仿真标定.中国农业大学学报():.阮竞兰武文斌.粮食机械原理及应用.北京:机械工业出版社.赵磊马学东郭柄江等.稻米清选的数值模拟研究与试验.中国农机化学报():.陈广慧李军滕杰等.基于 耦合的风筛式清选装置仿真及分析.中国农机化学报():.王国欣师清翔刘师多等.物料状态对圆筒式短茎秆清理装置性能的影响.农业机械学报():.(责任编辑:曾 萍)张小明:基于 耦合的辣椒风选模拟研究