基于EDEM-Fluent的荞麦旋风分离清选装置研究.pdf

第5 1卷 第1 0期2 0 2 3年1 0月西北农林科技大学学报(自然科学版)J o u r n a l o f N o r t h w e s t A&F U n i v e r s i t y(N a t.S c i.E d.)V o l.5 1 N o.1 0O c t.2 0 2 3网络出版时间:2 0 2 3-0 4-1 0 1 4:3 7 D O I:1 0.1 3 2 0 7/j.c n k i.j n w a f u.2 0 2 3.1 0.0 1 4网络出版地址:h t t p s:/k n s.c n k i.n e t/k c m s/d e t a i l/6 1.1 3 9 0.S.2 0 2 3 0 4 0 7.1 8 5 8.0 1 4.h t m l基于E D EM-F l u e n t的荞麦旋风分离清选装置研究 收稿日期 2 0 2 2-0 6-2 4 基金项目 陕西省重点研发计划项目(2 0 1 9 NY-1 7 6);“十三五”国家重点研发计划项目(2 0 1 6 Y F D 0 7 0 1 8 0 4);西北农林科技大学试验示范站科技创新与成果转化项目(2 0 2 0-3 7)作者简介 黄颖石(1 9 9 6-),男,陕西武功人,硕士,主要从事农业机械制造与应用研究。E-m a i l:h y s 8 9 3 4 1 3 5 7 71 6 3.c o m 通信作者 张卫国(1 9 7 9-),男,陕西礼泉人,副教授,博士,硕士生导师,主要从事现代农业装备研发研究。E-m a i l:z w g 2 0 1 0n w s u a f.e d u.c n黄颖石1,2,张卫国1,2,冯松科1,2,刘志杰1,2,杨福增1,2(1 西北农林科技大学 机械与电子工程学院,陕西 杨凌 7 1 2 1 0 0;2 农业农村部北方农业装备科学观测实验站,陕西 杨凌 7 1 2 1 0 0)摘 要【目的】设计适合荞麦清选的旋风分离清选装置,为提高我国荞麦的机械化收获水平提供支持。【方法】以“西农9 9 7 9”品种荞麦为试验对象,测定荞麦和籽粒的主要物料特性,采用 E D EM-F l u e n t 耦合的仿真方法,对旋风分离筒不同截面的气流速度云图和荞麦籽粒在旋风分离筒内的运动进行分析,并对清选的清洁率和损失率进行仿真。【结果】F l u e n t仿真分析表明,旋风分离筒轴向气流对称性较好,基本不受入口位置的影响,中心轴处气流速度约为1 0 m/s,筒壁周围的气流速度约为5 m/s。喂入口位于分离筒上部时,在径向截面处的喂入口气流速度和分离筒内筒壁周围的气流速度相同,可能造成荞麦籽粒的大量损失。E D EM仿真分析表明,旋风分离筒喂入口位于上部、中部和下部时,清洁率分别为9 9.5 0%,9 8.8 0%和9 8.2 8%,损失率分别为8.4 5 6%,0.4 3 3%和0.2 6 0%。根据仿真结果,选择喂入口位于旋风分离筒中部,台架验证试验结果表明,所设计荞麦旋风分离筒的平均清洁率为9 4.7 8%,平均损失率为1.6 7%,可以较好地实现荞麦的分离和清选。【结论】所设计荞麦旋风分离清选装置可以满足荞麦旋风分离清选的需要。关键词 荞麦;分离清选;E D EM-F l u e n t;旋风分离筒 中图分类号 S 2 2 5.9 9 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 1-9 3 8 7(2 0 2 3)1 0-0 1 2 8-1 3B u c k w h e a t c y c l o n e s e p a r a t i o n a n d c l e a n i n g d e v i c e b a s e d o n E D E M-F l u e n tHUAN G Y i n g s h i1,2,Z HANG W e i g u o1,2,F E N G S o n g k e1,2,L I U Z h i j i e1,2,YANG F u z e n g1,2(1 C o l l e g e o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g,N o r t h w e s t A&F U n i v e r s i t y,Y a n g l i n g,S h a a n x i 7 1 2 1 0 0,C h i n a;2 S c i e n t i f i c O b s e r v i n g a n d E x p e r i m e n t a l S t a t i o n o f A g r i c u l t u r a l E q u i pm e n t f o r t h e N o r t h e r n C h i n a,M i n i s t r y o f A g r i c u l t u r e a n d R u r a l A f f a i r s,Y a n g l i n g,S h a a n x i 7 1 2 1 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:【O b j e c t i v e】T o i m p r o v e t h e l e v e l o f m e c h a n i z e d h a r v e s t i n g o f b u c k w h e a t i n C h i n a,a c y c l o n e s e p a r a t i o n a n d c l e a n i n g d e v i c e f o r b u c k w h e a t c l e a n i n g w a s d e s i g n e d.【M e t h o d】M a i n m a t e r i a l p r o p e r t i e s o f b u c k w h e a t a n d g r a i n s o f X i n o n g 9 9 7 9 w e r e m e a s u r e d.U s i n g E D EM-F l u e n t c o u p l i n g s i m u l a t i o n,t h e a i r f l o w v e l o c i t y c o n t o u r o f d i f f e r e n t s e c t i o n s i n t h e c y c l o n e s e p a r a t o r a n d t h e m o v e m e n t o f b u c k w h e a t g r a i n s i n t h e c y c l o n e s e p a r a t o r w e r e a n a l y z e d.T h e c l e a n i n g r a t e a n d l o s s r a t e w e r e a l s o s i m u l a t e d.【R e s u l t】T h e F l u e n t s i m u l a t i o n a n a l y s i s s h o w e d t h a t t h e a x i a l a i r f l o w s y mm e t r y i n t h e c y c l o n e s e p a r a t o r w a s g o o d,a n d i t w a s b a s i c a l l y n o t a f f e c t e d b y i n l e t p o s i t i o n.T h e a i r f l o w v e l o c i t y a t t h e c e n t r a l a x i s w a s a b o u t 1 0 m/s a n d t h e v e l o c i t y a r o u n d t h e c y l i n d e r w a l l w a s a b o u t 5 m/s.Wh e n t h e f e e d i n g i n l e t w a s l o c a t e d i n t h e u p p e r p a r t,t h e a i r v e l o c i t y o f t h e f e e d i n g i n l e t a t t h e h o r i z o n t a l s e c t i o n w a s t h e s a m e a s t h e a i r v e l o c i t y a r o u n d t h e i n n e r c y l i n d e r w a l l,w h i c h m a y c a u s e l a r g e l o s s e s o f b u c k w h e a t g r a i n s.Wh e n t h e f e e d i n g i n l e t w a s l o c a t e d i n t h e u p p e r,m i d d l e a n d l o w e r p a r t s,t h e c l e a n i n g r a t e s w e r e 9 9.5 0%,9 8.8 0%a n d 9 8.2 8%a n d t h e l o s s r a t e s w e r e 8.4 5 6%,0.4 3 3%a n d 0.2 6 0%,r e s p e c t i v e l y.A c c o r d i n g t o s i m u l a t i o n r e s u l t s,t h e d e t e r m i n e d f e e d i n g i n l e t w a s l o c a t e d i n t h e m i d d l e o f t h e c y c l o n e s e p a r a t o r,a n d t h e b e n c h t e s t s h o w e d t h a t t h e a v e r a g e c l e a n i n g r a t e w a s 9 4.7 8%a n d t h e a v e r a g e l o s s r a t e w a s 1.6 7%.【C o n c l u s i o n】T h e d e s i g n e d b u c k w h e a t c y c l o n e s e p-a r a t i o n a n d c l e a n i n g d e v i c e m e t t h e n e e d s o f b u c k w h e a t c y c l o n e s e p a r a t i o n a n d c l e a n i n g.K e y w o r d s:b u c k w h e a t;s e p a r a t i o n a n d c l e a n i n g;E D EM-F l u e n t;c y c l o n e s e p a r a t o r 荞麦营养丰富,药用保健功能突出,是国际上公认的药食兼用杂粮经济作物1-3,我国荞麦的总种植面积及总产量均居世界第二4。但受生长特性和经济因素等影响,我国荞麦主要种植在土壤贫瘠、气候条件恶劣、自然条件差、地块狭小且不平整的丘陵缓坡地区,不适合大、中型联合收获机作业5。现有的人工收获方式劳动强度大、收获时间长、工作效率低,难以适应现代荞麦产业发展的需要。为解决收获机在丘陵缓坡地区清选作业效果不佳的问题,有学者提出将旋风分离清选装置应用在小型联合收获机上。赵学观等6利用F l u e n t数值仿真对大豆脱粒机气力清选装置进行了仿真,得到了吊桶长度、直径等最优结构参数,并对其分离清选作业效果进行了评价。刘正怀等7设计了一种用于小型稻麦联合收割机的旋风分离清选装置,流体仿真分析表明该分离清选装置的结构设计及其气流场分布等符合要求,清选分离效果较好,提高了联合收割机的整机作业质量。S a f i k h a n i等8为提高旋风分离器的分选性能,对旋风分离器的分选性能进行了数值模拟,采用欧拉-拉格朗日计算预测了颗粒物的运动轨迹,并用D RW离散仿真方法得到速度模型,对模型进行了图形抽象分析。路修强9运用C F D-D EM 耦合方法对小麦清选过程中的运动进行仿真分析,表明采用气固数值模拟可以真实表征小麦的物料属性、模拟麦粒和气流的运动、反映气流与小麦籽粒的相互影响,为清选系统的优化和改进提供了理论依据。目前国内外现有的荞麦收获机大多都是在小麦、水稻收获机的基础上改进而来1 0-1 1,用于荞麦籽粒收获时存在清选清洁率低、籽粒含杂率高、清选效果不佳的不足。为此,本研究利用S o l i d W o r k s对荞麦旋风分离清选试验台的分离清选筒进行实体建模,仿真采用颗粒仿真软件E D EM和流体仿真软件F l u e n t,通过E D EM-F l u e n t耦合仿真对该旋风分离筒内的气流场和荞麦物料运动状态进行分析,改进荞麦旋风分离筒结构并对其进行试验验证,以期为适合荞麦收获的旋风分离清选装置研发提供借鉴。1 荞麦旋风分离清选试验台1.1 结构组成由于荞麦籽粒易破碎,荞麦旋风分离清选试验台(图1)采用气力喂入方式1 2进行物料喂入,该试验台主要由离心风机、变频器、吸杂口高度调节装置、分离筒、粮箱、防倒吸喷嘴等部分构成。1.喂入风机变频器;2.喂入风机开关;3.喂入风机;4.喂料口;5.吸杂风机;6.吸杂管道;7.可伸缩拐角;8.吸杂口高度调节装置;9.分离筒;1 0.粮箱;1 1.防倒吸喷嘴;1 2.吸杂风机开关;1 3.吸杂风机变频器1.F e e d i n g f r e q u e n c y c o n v e r t e r;2.F e e d i n g s w i t c h;3.F e e d i n g f a n;4.F e e d i n g i n l e t;5.S u c t i o n f a n;6.S u c t i o n p i p e;7.F l e x i b l e c o r n e r;8.S u c t i o n t h r o a t h e i g h t a d j u s t e r;9.C y c l o n e s e p a r a t o r;1 0.G r a i n t a n k;1 1.C o n v e y i n g n o z z l e;1 2.S u c t i o n f a n s w i t c h;1 3.S u c t i o n f r e q u e n c y c o n v e r t e r图1 荞麦旋风分离清选试验台结构示意图F i g.1 S t r u c t u r a l d i a g r a m o f b u c k w h e a t c y c l o n e s e p a r a t i o n c l e a n i n g t e s t b e n c h1.2 工作原理荞麦经过脱粒滚筒后的清选物料主要包括短茎秆、籽粒、颖糠、灰尘等,其质量、密度、形状和尺寸存在明显差异,在分离筒内的悬浮速度也各不相同。清选物料经喂料口被喂入风机产生的高速气流沿分921第1 0期黄颖石,等:基于E D EM-F l u e n t的荞麦旋风分离清选装置研究离筒壁切向喂入旋风分离筒内,在惯性力和筒内气流的共同作用下,不同成分的清选物料在分离筒内的运动状况也不相同。清选物料中小密度的灰尘、颖糠、短茎秆等轻杂余的离心力较小,在旋风分离筒内悬浮时易向分离筒中心处运动,此处由于吸杂风机所产生的上升气流速度大于其临界悬浮速度,使得轻杂余被分离筒中心与吸杂风机相连的吸杂管道吸出;清选物料中大密度荞麦籽粒的离心力较大,在旋风分离筒内易向分离筒壁处移动,此处的上升气流速度小于其临界悬浮速度,使得荞麦籽粒在分离筒内沿着筒壁下滑,最后由排粮口落入粮箱,实现荞麦脱出物料的分离清选。1.3 旋风分离筒理想状况下的气流速度与气流流量间的关系可表示为:Q=S。(1)式中:Q为气流流量(m3/s);S为喂料口面积(m2);为理想状况下的气流速度(m/s)。荞麦清选物料喂入分离筒时,其与空气混合后密度发生改变,假设清选物料是均匀喂入,清选物料质量与空气质量比为u,由(1)式可得:Q=q0u。(2)式中:q0为清选物料的喂入量(k g/s);u为清选物料质量与空气质量比,一般取u=0.8;为空气密度,取1.2 2 5(k g/m3)。荞麦旋风分离清选试验台以0.4 k g/s的喂入量对分离筒尺寸进行设计计算1 3。由式(2)可知气力喂入气流流量为0.4 1 m3/s,根据现有旋风分离筒的设计经验1 4,确定荞麦旋风分离筒的具体参数如表1所示,其结构示意图见图2。表1 荞麦旋风分离筒的参数T a b l e 1 P a r a m e t e r s o f b u c k w h e a t c y c l o n e s e p a r a t o r分离筒结构参数S t r u c t u r e p a r a m e t e r s o fc y c l o n e s e p a r a t o r尺寸关系S i z e r e l a t i o n取值/mmV a l u e分离筒结构参数S t r u c t u r e p a r a m e t e r s o fc y c l o n e s e p a r a t o r尺寸关系S i z e r e l a t i o n取值/mmV a l u e分离筒直径(D)C y c l o n e s e p a r a t o r d i a m e t e r(D)D3 5 0排粮口直径(D2)O u t l e t d i a m e t e r(D2)0.5 7D2 0 0进口高度(h)I n l e t h e i g h t(h)(0.30.5)D1 2 0筒体长度(L1)C y l i n d e r h e i g h t(L1)0.9 1D3 2 0进口宽度(b)I n l e t w i d t h(b)(0.20.4)D7 0下锥体长度(L2)C o n e l e n g t h(L2)0.7 3D2 5 5吸杂管直径(D1)S u c t i o n p i p e d i a m e t e r(D1)0.4 2D1 5 0总高度G r o s s l e n g t h1.6 4D5 7 5 图2 荞麦旋风分离筒结构示意图F i g.2 S t r u c t u r a l d i a g r a m o f b u c k w h e a t c y c l o n e s e p a r a t o r 2 荞麦物料特性脱粒装置脱出物成分的物料特性对清选装置的清选性能有显著影响,其中籽粒和茎秆的物料特性对旋风分离清选影响显著,是仿真建模的关键对象1 5-1 8。因此,需要对荞麦籽粒和茎秆的相关物料特性进行测定,测定的荞麦品种为“西农9 9 7 9”。2.1 滑动摩擦角的测定滑动摩擦角可以反映清选物料与其接触材料间的摩擦特性。本研究采用自制的摩擦角测定装置(图3)测定清选物料的滑动摩擦角,其斜面采用与试验平台搭建的旋风分离筒材质相同的透明亚克力板,自流角采用数显倾角仪(精度为0.0 5)进行测定。每次从脱出物中随机取2 0粒荞麦籽粒,单层铺放在亚克力板斜面上,逐渐增大斜面角度,记录第一颗荞麦籽粒开始滑动和最后一颗荞麦籽粒滑动时斜面倾角的变化范围,即为荞麦籽粒滑动摩擦角的变化范围。每次从脱出物中随机收集1 0根茎秆,单层铺放在亚克力板斜面上,采用同样方法测量茎秆滑动摩擦角的变化范围,然后根据下面公式计算有关参数:f=Gs i n,FN=Gc o s,=t a n。(3)式中:f为最大静摩擦力(N);G为物料重力(N);为斜面倾角();FN为物料所受的支撑力(N);为摩擦系数。031西北农林科技大学学报(自然科学版)第5 1卷 1.数显倾角仪;2.亚克力板斜面;3.角度调整滑块1.D i g i t a l i n c l i n o m e t e r;2.A c r y l i c p l a t e;3.A n g l e a d j u s t m e n t s l i d e r 图3 清选物料滑动摩擦角测量装置F i g.3 M e a s u r i n g d e v i c e f o r s l i d i n g f r i c t i o n a n g l e o f c l e a n i n g m a t e r i a l s荞麦籽粒和茎秆摩擦系数的测量均重复测定5次,结果 表明:荞麦籽 粒滑动摩擦 角 的 最 小 值 为2 1.9 5,最大值为3 6.2 5,平均值为2 9.1,摩擦系数为0.5 6;荞麦茎秆滑动摩擦角的最小值为2 2.6 5,最大值为3 6.2 5,平 均 值 为2 9.4 5,摩 擦 系 数 为0.5 6。2.2 茎秆和籽粒基本参数的测定从荞麦脱出物中随机挑出1 0 0根茎秆,用游标卡尺和电子秤分别测量茎秆的长度、直径和质量,结果表明,茎秆长度集中分布在6 0 mm左右,茎秆直径集中分布在3 mm左右,茎秆质量与长度的比值约为0.0 0 1。从荞麦脱出物中每次随机取出1 0粒荞麦籽粒,用游标卡尺分别测量荞麦籽粒的长度和棱边宽度,重复测量7组,可得荞麦籽粒的长度均值为6.8 0 mm,棱边宽度均值为4.3 1 mm。籽粒密度采用容积法测量,称取5 g饱满荞麦籽粒倒入装有水的量筒内,量筒内水面增长的体积即为荞麦体积,经5次测量后计算得荞麦籽粒密度为1 2 0 0 k g/m3。3 E D EM-F l u e n t耦合的分离筒仿真分析 E D EM-F l u e n t耦合是根据气固耦合理论进行计算求解。在耦合过程中,F l u e n t将流场迭代计算的数据结果传递给E D EM,E D EM对颗粒的运动受力状况进行分析计算,两者相互交替计算质量、动量及能量并互递数据,从而实现试验数据的共享和实时交换。3.1 F l u e n t流体仿真设置3.1.1 分离筒结构模型的构建及网格划分 采用S o l i d W o r k s建立物料喂入口位置不同的旋风分离筒。图4为物料喂入口分别位于旋风分离筒圆柱筒体下部、中部和上部的实体模型。将这3种实体模型分别导入C F D网格划分软件内,对实体模型进行网格划分。为保证网格的精度,采用六面体网格,网格划分数量设置为3 0万4 0万,网格划分结果如图5所示。1.物料喂入口;2.吸杂管道;3.分离筒圆柱筒体;4.排粮口1.F e e d i n g i n l e t;2.S u c t i o n p i p e;3.S e p a r a t o r c y l i n d e r;4.G r a i n o u t l e t图4 旋风分离筒的三维模型F i g.4 C y c l o n e s e p a r a t o r m o d e l3.1.2 参数及边界条件设定 基于旋风分离筒内的实际气流条件,分离筒内的气流采用R NG k-湍流模型1 9,选择S w i r l D o m i n a t e d F l o w选项的S I MP L E C求解算法。设Y轴方向为重力方向,喂入风速取1 4 m/s,空气密度为1.2 2 5 k g/m3,黏度为1.7 8 91 0-5 P as。131第1 0期黄颖石,等:基于E D EM-F l u e n t的荞麦旋风分离清选装置研究图5 旋风分离筒的网格划分F i g.5 C y c l o n e s e p a r a t o r g r i d d i v i s i o n3.2 E D EM离散元仿真3.2.1 物料颗粒模型的建立及参数设置 E D EM中模型参数的设置主要包括物料的材料特性参数和各物料间的力学参数2 0-2 1,具体参数如表2和表3所示。表2 物料的材料特征参数T a b l e 2 M a t e r i a l c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r s o f m a t e r i a l s物料M a t e r i a l 泊松比P o i s s o ns r a t i o密度/(k gm-3)D e n s i t y剪切模量/MP aS h e a r m o d u l u s荞麦籽粒 B u c k w h e a t g r a i n0.31 2 0 02.6茎秆 S t a l k0.49 31.0亚克力板 A c r y l i c p l a t e0.31.21 047 0 0表3 物料间的力学参数T a b l e 3 M e c h a n i c p a r a m e t e r s b e t w e e n m a t e r i a l s物料M a t e r i a l恢复系数R e s t i t u t i o n c o e f f i c i e n t静摩擦系数S t a t i c f r i c t i o n c o e f f i c i e n t动摩擦系数R o l l i n g f r i c t i o n c o e f f i c i e n t荞麦籽粒-荞麦籽粒 B u c k w h e a t g r a i n-B u c k w h e a t g r a i n0.210.0 1荞麦籽粒-亚克力板 B u c k w h e a t g r a i n-a c r y l i c p l a t e0.50.5 60.0 1荞麦籽粒-茎秆 B u c k w h e a t g r a i n-s t a l k0.20.80.0 1茎秆-亚克力板 S t a l k-a c r y l i c p l a t e0.20.5 60.0 1茎秆-茎秆 S t a l k-s t a l k0.20.70.0 1 采用S o l i d W o r k s构建“西农9 9 7 9”荞麦籽粒的轮廓,导入E D EM后用球形颗粒进行堆积和填充以逼近荞麦籽粒的实际轮廓,最终得到荞麦籽粒模型如图6-a所示。荞麦茎秆模型采用实心短棒代替,按照2.2节的测定结果,确定茎秆长度为6 0 mm,直径为3 mm,荞麦茎秆模型如图6-b所示。图6 荞麦籽粒和茎秆模型F i g.6 M a t e r i a l m o d e l o f b u c k w h e a t g r a i n a n d s t a l k3.2.2 E D EM参数设置 将图5所示的网格划分文件导入E D EM中,设置旋风分离筒的入口位置为荞麦茎秆和籽粒的生成面。为保证仿真的顺利进行,结合荞麦脱粒时脱出物的脱出速率,综合考虑确231西北农林科技大学学报(自然科学版)第5 1卷定物料的喂入量为0.2 k g/s,计算可得单位时间内产生荞麦籽粒的数量为4 7 2 2个,产生荞麦茎秆的数量为1 8 0个,荞麦籽粒和茎秆的喂入初速度均设为1 5 m/s,颗粒产生的时间设置为1.5 s,模拟总时间设置为3 s,以雷利时间步长的2 5%作为模拟的时间步长。3.3 F l u e n t与E D EM的耦合考虑到气流和清选物料间的相互作用力,耦合模型采用欧拉模型。在F l u e n t和E D EM 耦合模块中,曳力模型选择精确的E r g u n a n d W e n&Y u模型2 2选项。由于旋风分离筒内的气流主要是旋转运动,因此升力模型选择与流场相互垂直的M a g-n u s升力模型2 3选项,接触模型在E D EM模型选项选择农作物及其他物料颗粒输送仿真分析中常用的H e r t z-M i n d l i n w i t h J K R接触模型2 4。4 仿真结果与分析4.1 F l u e n t仿真物料喂入口位于旋风分离筒圆柱筒体上、中、下部不同位置时,不同位置气流速度的变化范围也不同,3种喂入口位置不同的旋风分离筒内纵向和径向的气流速度云图如图7、8和9所示,每张速度云图颜色所代表的速度大小范围也略有不同。图7 物料喂入口位于圆柱筒体上部时旋风分离筒内不同截面的气流速度云图F i g.7 A i r f l o w v e l o c i t y d i s t r i b u t i o n a t d i f f e r e n t s e c t i o n s i n t h e c y c l o n e s e p a r a t o r w i t h f e e d i n g i n l e t o n t h e u p p e r p a r t 图8 物料喂入口位于圆柱筒体中部时旋风分离筒内不同截面的气流速度云图F i g.8 A i r f l o w v e l o c i t y d i s t r i b u t i o n a t d i f f e r e n t s e c t i o n s i n t h e c y c l o n e s e p a r a t o r w i t h f e e d i n g i n l e t o n t h e m i d d l e p a r t 分析喂入口位置不同的3种分离筒内纵向截面的速度云图(图7-a、8-a和9-a)可知,3种喂入口位置对分离筒内纵向气流速度分布的影响并不显著,气流速度沿分离筒中心轴的对称性较好,中心轴处气流速度较大,约为1 0 m/s;筒壁周围的速度较小且均匀,约为5 m/s。由分离筒排粮口处径向截面的速度云图(图7-d、8-d和9-d)可知,喂入口位置不同的3种分离筒排粮口处径向截面的气流速度均以中心轴处速度较低,筒壁周围速度较高;由分离筒喂入口处径向截面的气流速度云图(图7-b、8-b和9-b)和分离筒圆柱筒体处径向截面的气流速度云图(图7-c、8-c和9-c)可知,沿旋风分离筒中心轴方向,旋风分离筒圆柱筒体不同位置的径向截面气流速度均以中心轴处速度较高,筒壁周围速度较低,喂入口331第1 0期黄颖石,等:基于E D EM-F l u e n t的荞麦旋风分离清选装置研究处径向截面的气流速度均以入口处及中心轴处速度较高。图9 物料喂入口位于圆柱筒体下部时旋风分离筒内不同截面的气流速度云图F i g.9 A i r f l o w v e l o c i t y d i s t r i b u t i o n a t d i f f e r e n t s e c t i o n s i n t h e c y c l o n e s e p a r a t o r w i t h f e e d i n g i n l e t o n t h e l o w e r p a r t 由图7-b还可知,分离筒上部喂入口径向截面处的喂入口气流速度和分离筒内筒壁周围的气流速度相同,说明喂入口处喂入气流对荞麦籽粒的影响较小,而喂入气流有将荞麦籽粒沿旋风分离筒壁切向喂入分离筒的作用。因此物料喂入口位于旋风分离筒圆柱筒体上部时,无法保证荞麦籽粒在刚被喂入旋风分离筒时继续沿旋风分离筒壁切向运动,容易导致此截面处物料直接进入分离筒中心并从分离筒上端被吸出。图1 0为旋风分离筒不同横截面气流速度的矢量分布图,图中气流速度矢量的长短可以反映气流速度的大小,气流速度矢量箭头的方向可以反映气流的方向。在旋风分离清选过程中,荞麦籽粒进入分离筒后大都在气流作用下沿着分离筒内壁旋转下滑,而少量荞麦籽粒进入分离筒中心区域后在吸杂风机产生的上升气流作用下从吸杂管道吸出。由于分离清选主要发生在分离筒的圆柱段,为进一步了解荞麦籽粒在旋风分离筒内的运动,对分离筒圆柱段的横截面气流速度矢量进行了分析,其中横截面上气流速度矢量的放大图见图1 1。图1 0 旋风分离筒不同横截面气流速度的矢量分布F i g.1 0 A i r f l o w v e l o c i t y v e c t o r d i s t r i b u t i o n a t d i f f e r e n t c r o s s s e c t i o n s i n t h e c y c l o n e s e p a r a t o r图1 1 旋风分离筒中部横截面气流速度矢量的分布F i g.1 1 A i r f l o w v e l o c i t y v e c t o r d i s t r i b u t i o n a t c r o s s s e c t i o n i n t h e m i d d l e o f t h e c y c l o n e s e p a r a t o r431西北农林科技大学学报(自然科学版)第5 1卷 由图1 1可知,分离清选时分离筒内壁上的气流速度相等且分布均匀,从分离筒内壁到分离筒中心的气流速度逐渐增加,方向由沿分离筒内壁切向向下逐渐转变为沿平行于分离筒轴线方向向上。喂入分离筒的荞麦籽粒若沿分离筒内壁旋转下滑,由于其距离吸杂口较远,由吸杂风机产生的上升气流较小,则难以通过吸杂管道吸出,而分离筒中心区域的上升气流较大,荞麦籽粒易在上升气流作用下由吸杂管道吸出。因此,旋风分离清选的效果主要取决于未与分离筒内壁接触部分荞麦籽粒的运动状态。由于荞麦籽粒为不规则的三棱形,在气流作用下难以绕着通过其质心的轴旋转,故马格纳斯力对荞麦籽粒的影响可忽略,此时水平方向的受力可分解为径向力和切向力2 5。设荞麦籽粒受到的自身重力为m g,气流作用力为Fq,荞麦籽粒速度为,气流速度为q,荞麦籽粒与气流之间相对速度为d,Fq与d方向相同,因此d与x轴在竖直面内的夹角为,气流速度q与籽粒速度在竖直面内的夹角为,则竖直面内靠近分离筒内壁的荞麦籽粒的运动分析如图1 2所示,图中籽粒旋转运动方向为x轴正向,旋风分离筒竖直向上方向为z轴正向。图1 2 旋风分离筒圆柱筒体竖直面内荞麦籽粒的运动分析F i g.1 2 M o t i o n a n a l y s i s o f b u c k w h e a t g r a i n i n t h e v e r t i c a l p l a n e o f t h e s e p a r a t o r c y l i n d e r图1 3 旋风分离筒圆柱筒体水平面内荞麦籽粒的运动分析F i g.1 3 M o t i o n a n a l y s i s o f b u c k w h e a t g r a i n i n t h e h o r i z o n t a l p l a n e o f t h e s e p a r a t o r c y l i n d e r 与此同时,当荞麦籽粒沿分离筒壁切向被喂入分离筒后,荞麦籽粒会在水平面的径向分力作用下向分离筒中心区域或分离筒筒壁方向运动,对荞麦籽粒在水平面内的运动分析如图1 3所示,图中FB为气流所产生的向心力,FC为荞麦籽粒在分离筒内的离心力,为气流速度与籽粒速度在水平面内的夹角,为d与x轴在水平面内的夹角,x轴正向为荞麦籽粒喂入时的方向,与图1 2的x轴方向相同,y轴正向指