清选混合物成分的分析及玉米籽粒的机械物理特性的确定.doc

1) .清选混合物成分的分析及玉米籽粒的机械物理特性的确定
1）采用实验的方法确定玉米联合收割机脱出物的成分及其所占比重并进行脱出物的含水量的测定。2）确定玉米籽粒的三维几何尺寸、籽粒的千粒重及密度、内摩擦系数、滑动摩擦系数、玉米籽粒的恢复系数、物料的悬浮速度的测定
(2) 确定风机类型与清选筛的类型，以及风机与清选筛的组合方式，研究时采用的风机类型为双风道贯流风机、圆锥形离心风扇风机，清选筛种类为螺旋钢丝圆筒筛和往复振动式复合筛(由于玉米含水量较多在筛分是容易出现堵筛孔的现象因此可以在筛子的底部增加振动球），随机两两组合组成清选机构。其中双风道贯流风机的最佳结构数

圆锥形风扇的结构参数如表

（3） 进行仿真模拟
1)建立清选机构的三维模型2）无物料时清选室内气流场的研究：应用CFD软件对全流道气流场进行数值模拟。分析风机的结构参数、功能参数，等因素对气流场分布规律的影响，并利用布点法进行试验验证3）)物料在筛面上运动规律的研究：对单颗粒在气流和振动筛的共同作用下进行理论分析;利用EDEM软件对单颗粒的非线性运动状态进行模拟与分析，在此基础上对物料群在筛子的形状、位置、运动方式等因素变化情况下进行数值模拟，找出影响筛分清洁度和筛分损失的主要因素4）基于CFD一DEM藕合的清选室内气固两相流的研究：针对玉米清选混合物的清选过程，研究并建立基于CFD一DEM祸合的数值模型，进行计算机仿真，研究风力因素对清选性能的影响。
（4） 清选装置的结构与参数优化
清选装置的结构与参数优化根据理论分析结果，在风筛式清选试验台上进行正交试验，建立清洁率和损失率与各工作参数的数学模型，以筛分损失率、筛分效率和含杂率为目标，综合考虑风筛式清选装置的清选性能情况，通过多目标遗传算法对风筛式清选装置进行参数优化。
（5） 实验检验与改进
具体的仿真过程，1、物理模型与网格化，数值模拟对象为风筛式清选装置清选室(简称清选室）在FLUENT的前处理软件Gambit中选择FLUENTS/6求解器，为便于建模和计算，在Gambit中对实际结构进行简化，确定出模型中筛面倾角、筛面前沿距进风口的高度尺寸和轴向尺寸、筛子孔径、孔隙率然后利用Gambit对模型进行体网格划分，网格生成对整个计算工作起着重要的作用，其质量直接影响计算精度和收敛速度。本例中Elements选择Tet/Hybrid，Type选择Torid进行体网格划分。
2、数值模拟及分析，采用基于压力的SIMPLE非藕合隐式求解算法，为提高计算精度，离散格式采用几阶迎风格式。设置作压力为一个大气压。为减少计算复杂性，设置3个边界条件:设置离心风机的出风口为速度入，设置振动筛前土方的抖动板上方为压力入口，设置振动筛尾部的吹出口为压力出口，其余系统默认为壁面。假设风机出风卜J的风度是均匀一致的，在风速为？和？的情况下，分别对风机出风口角不同的几种情况如A、B、C、D和筛面中部离清选室顶部am、bm况进行模拟。
1）风机出风口角度对气流场的影响 在风机出风口风速一定、筛面中部距顶部距离一定、风机出风口角度为不同值的情况下，对清选室内气流场进行模拟，取典型截面一筛面中部纵剖面为例。
2）筛面中部距清选室顶部的距离对气流场的影响，在风速和风机出风日角度都相同的情况下，对筛面中部距清选室顶部距离离为不同值情况下进行模拟，同样取典型截而—筛面中部纵剖面为例，得出其模拟结图。
3）进风口风速对流场的影响，在其他条件与1）相同，出风口速度不同的情况下进行试验的出模拟结果矢量图4）清选室内不同部位的气流场分析。
物料颗粒在筛面上的运动分析及数值模拟
1、 建立振动筛的三维模型、物料的三维模型2、确定Hertz一Mindiin接触模型为EDEM的接触模型分析物料群在筛面上的运动规律。3、确定颗粒模型由于软颗粒接触模型可以吸纳众多的接触模型，并且在模拟庞大数目颗粒系统时，其执行时间也有优势，因此具有较广的适用范围。考虑到筛面上物料群碰撞的复杂性选用软接触模型。4、利用EDEM软件进行单颗粒混沌运动的数值模拟及其分析。5、物料群的振动筛分数值模拟与分析，1）用EDEM对物料的相关参数进行赋值2）物料在筛面上的运动仿真，振幅对筛分的影响、频率对筛分的影响、方向角对筛分的影响、以及振动筛其他机构或功能参数对筛分的影响。（基于软颗粒模型的颗粒离散元方法，根据颗粒间重叠量计算接触力，依此更新每个颗粒的速度和位置，进而确定性的演化整个颗粒系统，即颗粒的运动轨迹）
风筛式清选装置振动筛上物料运动的CFD一DEM数值模拟
前面分别应用计算流体力学(CFD)和颗粒离散元法(DEM)对风筛式清选装置内的气流场和物料在筛面上的运动进行了数值模拟与分析，而在风筛式清选装置中，既有气流对颗粒运动的影响，也有颗粒对气流的影响，同时还有颗粒与颗粒之间、颗粒与筛面之间的碰撞，它是一种复杂的气固两相流动，在气流和颗粒间存在着复杂的动量交换。因此，本章采用计算流体力学(CFD)和颗粒离散元(DEM哟藕合的方法模拟风筛式清选装置中物料在筛面上的运动，所使用的软件分别为FLUENT和EDEM。
1) 选取耦合模型，由于Eulerian模型则除了考虑流体相和固相之间的动量交换外，还考虑固体颗粒对流体相的影响。本文选用Eulerian模型来进行仿真。2）建立风筛式清选装置及颗粒模型3、模拟参数的设定4、风力因素对筛分的影响：筛面上部物料的运动分析、籽粒分布、筛分效率5、清选筛结构功能参数对筛分的影响（此时风力因素是固定量）。
该种仿真方法可以借助软件完全实现仿真工作，从建模到仿真再到分析完全可用软件实现。

第二种方案
(1)对物料脱粒分离、清选仿真与控制装置的上筛面气流速度进行布点测量，找出筛面气流场的分布规律，分析各种风力因素对气流场分布的影响作用。
(2)在上述试验研究的基础上，使用MATLAB中的统计学工具，建立风力因素与气流场分布、气流场分布与清选效果、风力因素与清选效果三个多元回归模型，寻求适合油菜物料清选的气流场分布规律。
(3)使用MATLAB中的神经网络工具，建立风力因素对清选气流场的BP神经网络模型和清选气流场对清选效果的BP神经网络模型，以多输入多输出的非线性映射系统来解决问题。
(4)使用CDF专业软件FLUENT，对清选气流场进行仿真计算，研究清选室结构与风力因素对清选气流场的影响。
一、实验方案
1、分别对无脱出物的实验，沿着筛长度方向设置n个测量点对筛面上的气流速度进行测定。这n个测量点沿着筛长的方向均匀的布置。用测风速的仪器测量测量点的风速。
试验中风力因素是变量，其它因素是固定量。采用正交试法，进行水平实验。的出测量点的风速后，用matlab对数据进行拟合，得到气流速度与风力因素的关系图。
2、 有脱出物试验时的清选效果测定，有脱出物试验时，测量气流速度非常困难，因此只测定每次试验的清选效果(清洁率和损失率)。每组试验结束后，收集筛框下方集粮箱内的清选结果与筛框后部杂余中的籽粒，分别以小台秤和天平称重，再计算出清洁率和损失率两个指标。
3、 基于BP神经网络的清选气流场研究
1）无脱出物时气流场的神经网络模型，风机转速和出风角与n个测点流速组成一个多输入多输出系统，现在使用BP神经网络，只需建一个模型，就可以同时对n个测点进行计算求解，有望更好的反映客观实际。建立一个含单隐层的BP神经网络，输入层神经元个数为m，对应风力因素，输出层神经元个数为n，对应n个测点的气流速度，隐层神经元个数先设为h，训练后不能达标或效果不好再做修改，隐层采用tnasig作为传递函数，输出层采用puerlni作为传递函数。不断调整神经元的数目并进行训练选取预测误差很小，预测效果很好的一个。
2）有脱出物时的神经网络模型，a风力因素与清选效果之间的BP神经网络模型建立一个含单隐层的BP神经网络，输入层神经元个数为m1，对应风力因素，输出层神经元个数为2，对应清洁率和损失率，隐层神经元个数先设为h1，训练后不能达标或效果不好再做修改隐层采用tnasig作为传递函数，输出层采用purelin作为传递函数。使用实验测得数据来训练此BP神经网络，训练函数使用tarinlm，设置网络的性能目标，最大训练次数。得到训练过程中的网络性能变化曲线及神经网络的预测效果(误差)。b五个测点气流速度与清选效果之间的BP神经网络模型，过程同上。（应用此模型可以，先得出清选效果最好时候的n个点的最佳气流速度，然后参照最佳气流速度的到相适应的最佳气力因素）
4、flunt进行流体计算的主要步骤(1)用GAMBIT确定几何形状，生成计算所需的网格
(2)在FLUENT中导入并检察网格，如有必要可对网格进行修改
(3)根据需要选择打开FLUENT的求解器:ZD或3D，单精度或双精度
(4)选择求解的方程:层流或湍流，化学组分或化学反应，传热模型等
(5)确定流体的材料物性
(6)确定边界类型及其他边界条件
(7)确定计算的控制参数
(8)流场初始化
(9)求解计算
(10)保存结果，进行后处理等
利用FULNET，通过改变出入口条件、几何模型，就可以获得相应的气流场，从而为清选室的设计、清选参数的确定提供参考。.仿真计算之后得到的数值模拟结果(气流场)与试验测得的结果大致相符，表明使用数值模拟来研究清选气流场的方法是有效的、可行的。本章将流体仿真计算技术引入收获机械的清选装置设计领域，为高效、快捷地开发农业机械提供了一种新的思路和方法。（油菜的风筛式清选气流场的试验研究和数值模拟）