馬秋成 雷林韜 盧安舸 李超眾 覃 楓

(1. 湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2. 湖南大學(xué)國(guó)家高效磨削工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

基于CFD-DEM耦合法的蓮子殼仁分離裝置優(yōu)化與試驗(yàn)分析

馬秋成1雷林韜1盧安舸2李超眾1LI覃 楓1

(1. 湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2. 湖南大學(xué)國(guó)家高效磨削工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

借助FLUENT軟件對(duì)蓮子物料分離通道氣流場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行仿真分析。采用CFD-DEM耦合法對(duì)混合物料在分離通道中的分離過程進(jìn)行數(shù)值模擬。以分離氣流速度、入料管傾斜角、分離通道傾斜角為因素開展了仿真試驗(yàn)，分析了各因素對(duì)清選率的影響，確定了分離通道的優(yōu)化工藝參數(shù)為：入料管傾斜角60°、分離通道傾斜角35°、分離氣流速度7.881 m/s，與實(shí)體樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果一致。試驗(yàn)結(jié)果表明CFD-DEM耦合仿真方法可用于蓮子物料分離的研究，所獲工藝參數(shù)為蓮子混合物料分離機(jī)的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

分離通道；數(shù)值模擬；蓮子；CFD-DEM耦合

分選[1-2]是農(nóng)產(chǎn)品物料加工過程中的重要工序，用于實(shí)現(xiàn)果仁與雜質(zhì)的分離。蓮子在破殼后需要安排分選工序?qū)⑸徣逝c蓮殼分離，以獲取蓮仁。目前，在谷物、花生等農(nóng)產(chǎn)品物料的風(fēng)力分選方面已經(jīng)有成熟的設(shè)備投入生產(chǎn)應(yīng)用。對(duì)于蓮子物料分選技術(shù)而言，雖已有一些設(shè)備被開發(fā)應(yīng)用，但在設(shè)計(jì)前未進(jìn)行相關(guān)理論分析，參數(shù)選擇主要依靠經(jīng)驗(yàn)，調(diào)試周期長(zhǎng)。筆者[3]前期已研制了蓮子殼仁分離裝置并獲取了優(yōu)化工藝參數(shù)，裝置主要由分離通道、旋風(fēng)分離器和風(fēng)機(jī)三部分組成(見圖1)。風(fēng)機(jī)在分離通道內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，導(dǎo)致蓮仁與蓮殼沿不同軌跡運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)分離。但由于試驗(yàn)臺(tái)涉及的分離通道形式較為簡(jiǎn)單，而實(shí)際設(shè)備則較為復(fù)雜，若仍采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，則需要在實(shí)際應(yīng)用時(shí)對(duì)設(shè)備參數(shù)反復(fù)調(diào)試。近年來，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)中。采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)獲取優(yōu)化工藝參數(shù)，可以提高設(shè)計(jì)效率，節(jié)約研制成本。

CFD-DEM耦合法是一種用于顆?！黧w系統(tǒng)仿真的方法，考慮了流體和顆粒的雙向耦合作用，在氣固兩相流模擬分析中已有所應(yīng)用[4-5]，心男[6]基于EDEM-FLUENT耦合法對(duì)氣吹式排種器的工作過程進(jìn)行了模擬；Li Yao-ming等[7]對(duì)物料在谷物清選裝置氣流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了CFD-DEM耦合法在谷物研究中的實(shí)用性。

本研究擬采用CFD-DEM耦合方法，對(duì)蓮子風(fēng)力殼仁分離裝置進(jìn)行流場(chǎng)分析與分離仿真模擬，研究分離氣流速度、入料管傾斜角、分離通道傾斜角等因素對(duì)分離效果的影響規(guī)律，獲取最優(yōu)工藝參數(shù)。

α. 分離通道傾斜角，(°)β. 入料管傾斜角，(°) 1. 機(jī)架 2. 吸風(fēng)機(jī) 3. 連接管 4. 旋風(fēng)分離器 5. 分離通道 6. 蓮殼收集器

圖1 蓮子殼仁分離裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

Figure 1 Structure diagram of pneumatic separating device for lotus seed shell and kernel

1 數(shù)學(xué)模型建立

1.1 氣相方程

基于CFD-DEM耦合法，采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型對(duì)蓮殼、蓮仁的分離過程進(jìn)行數(shù)值模擬。

氣固耦合氣體動(dòng)力學(xué)控制的質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒運(yùn)動(dòng)方程(N-S方程)[8]分別見式(1)、(2)。

(1)

(2)

式中：

εk——流體空隙率，%；

ρk——流體密度，kg/m3；

t——時(shí)間，s；

uk——流體速度，m/s；

P——流體靜態(tài)密度，kg/m3；

μk——流體動(dòng)力粘度，Pa·s；

g——重力加速度，g=9.806 m/s2；

S——源項(xiàng)，kg/(m3·s)。

1.2 顆粒接觸力學(xué)模型

采用EDEM軟件默認(rèn)的Hertz-Mindlin無滑移接觸模型，可以精確計(jì)算顆粒間的作用力[9]，其簡(jiǎn)圖見圖2。

1. 顆粒剛度(彈簧) 2. 阻尼器 3. 摩擦器

2 仿真模型構(gòu)建

2.1 分離通道模型及網(wǎng)格劃分

蓮殼和蓮仁混合物料的分離是在分離通道中完成，其網(wǎng)格模型見圖3。單元總數(shù)為24 304，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為5 362，管道直徑為40 mm，混合物料從流體入口2進(jìn)入分離通道。

圖3 分離通道網(wǎng)格劃分模型

2.2 蓮仁、蓮殼仿真模型

蓮仁的外形為近似橢球形，為方便計(jì)算，在仿真過程將蓮仁用最大橫截面直徑的球體代替，取其平均直徑d=11.841 mm[10]。蓮殼是表面呈球形、平均厚度為0.69 mm[11]的殼體，由于EDEM仿真顆粒是通過球體組成，若利用微小球體填充的方式得到蓮殼，會(huì)造成計(jì)算困難。因懸浮速度參數(shù)表征物料的空氣動(dòng)力學(xué)特性，本文考慮采用與蓮殼懸浮速度相等的一個(gè)球體顆粒等效蓮殼，設(shè)置蓮殼仿真顆粒的直徑為12 mm，可以判斷等效蓮殼顆粒的阻力系數(shù)分區(qū)為Newton區(qū)，阻力系數(shù)Ch=0.44，蓮殼懸浮速度變化范圍2.511～4.891 m/s，其理論懸浮速度[3]計(jì)算表達(dá)式見式(3)。

(3)

式中：

vp——顆粒的懸浮速度，m/s；

dp——顆粒粒徑，dp=0.012 m；

S——非球形顆粒的形狀修正系數(shù)；

ρs——顆粒密度，kg/m3；

ρa(bǔ)——空氣密度，ρa(bǔ)=1.29 kg/m3。

根據(jù)式(3)可以計(jì)算等效球體顆粒的密度ρs=24.086～87.806 kg/m3。仿真參數(shù)取平均值ρs=56 kg/m3。

蓮仁、蓮殼和管道的材料屬性和碰撞屬性的參考值[12-13]見表1、2。

2.3 耦合參數(shù)的設(shè)置

設(shè)置耦合參數(shù)時(shí)，流場(chǎng)迭代求解采用SIMPLE算法，選擇自由流動(dòng)曳力模型，松弛因子均設(shè)為0.7。

表1 材料屬性設(shè)置

表2 接觸屬性設(shè)置

對(duì)FLUENT和EDEM時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行設(shè)置，兩者之間滿足的條件為：① FLUENT時(shí)間步要保證計(jì)算時(shí)穩(wěn)定收斂；② EDEM 時(shí)間步長(zhǎng)為瑞利時(shí)間步長(zhǎng)的5%～40%，保證仿真的連續(xù)性；③ 兩者的時(shí)間步長(zhǎng)和數(shù)據(jù)保存頻率須成整數(shù)倍匹配?；谏鲜?個(gè)基本原則，仿真過程設(shè)定FLUENT中的時(shí)間步長(zhǎng)為8×10-4s，匹配關(guān)系見表3。

表3 EDEM-FLUENT耦合時(shí)間步長(zhǎng)匹配

Table 3 Matching relationship of the EDEM-FLUENT coupling time step

項(xiàng)目時(shí)間步長(zhǎng)/s頻率/Hz保存時(shí)間/sFLUENT8×10-4500.04EDEM4×10-625000.01倍數(shù)2004

3 仿真結(jié)果分析

3.1 流場(chǎng)分析

為與前期試驗(yàn)對(duì)照，F(xiàn)LUENT仿真模型設(shè)置分離通道內(nèi)氣流速度范圍為6.680～7.881 m/s。圖4為不同出口流速下分離通道中軸面流速矢量分布。由圖4可知：流體入口附近速度變化緩慢，在流體入口與出口交匯處速度發(fā)生突變；分離通道內(nèi)部氣流速度隨流體出口速度的增加而增加，但速度分布趨勢(shì)保持不變。

3.2 耦合仿真分析

圖5表示在仿真時(shí)間t為0.35～0.87 s時(shí)蓮仁、蓮殼在分離通道中的分離過程(黑色表示蓮殼，淺色表示蓮仁)，模型中設(shè)置α=60°、β=35°，入料管長(zhǎng)度為220 mm，進(jìn)料量為蓮仁6顆/次、蓮殼12顆/次。由圖5可知：當(dāng)混合物料位于叉形區(qū)域后，蓮殼順著氣流方向沿管道往上運(yùn)動(dòng)，蓮仁沿管道向相反方向運(yùn)動(dòng)，與實(shí)際情況一致。

3.3 仿真試驗(yàn)

由殼仁分離裝置的試驗(yàn)研究可知，影響清選率的主要因素為流體出口速度、入料管傾斜角和分離通道傾斜角，采用CFD-DEM耦合仿真進(jìn)一步研究這3個(gè)因素對(duì)清選率的影響。定義其清選率為：

(4)

式中：

P——清選率，%；

n——管道出口蓮仁的數(shù)量；

圖4 不同出口流速下速度矢量分布圖

m——管道出口蓮殼的數(shù)量。

3.3.1 單因素試驗(yàn) 仿真過程設(shè)置管道出口流速為6.68～7.881 m/s；入料管傾斜角范圍45～90°；分離通道傾斜角范圍30～55°，軟件中，顆粒工廠按蓮仁顆粒數(shù)設(shè)置為200，蓮殼顆粒數(shù)400，每組仿真重復(fù)3次，通過查看EDEM中仿真結(jié)果，對(duì)出口處蓮仁、蓮殼數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，求出耦合仿真的清選率P。

綜合試驗(yàn)和仿真結(jié)果的清選率指標(biāo)，作出分布折線圖(見圖6)。由圖6可知，隨著管道出口流速的增大，仿真結(jié)果對(duì)應(yīng)清選率指標(biāo)近似以二次曲線規(guī)律遞增，與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致，相對(duì)誤差在2%以內(nèi)，當(dāng)出口流速為7.81 m/s時(shí)，清選率最高；隨著入料管傾斜角的增大，仿真結(jié)果的清選率指標(biāo)近似以二次曲線規(guī)律遞減，與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致，相對(duì)誤差在3%以內(nèi)，當(dāng)傾斜角為90°時(shí)，清選率最低；當(dāng)分離通道傾斜角為35°時(shí)清選率較高，35°之后清選率呈線性下降，與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致，相對(duì)誤差在3%以內(nèi)。

圖5 耦合仿真分離過程

圖6 不同因素對(duì)清選率的影響

3.3.2 正交試驗(yàn) 為獲得出口流速、入料管傾斜角及分離通道傾斜角的最優(yōu)組合，開展正交仿真試驗(yàn)。根據(jù)前面單因素試驗(yàn)的結(jié)論，在各因素中選擇三個(gè)較優(yōu)水平建立三因素三水平正交表見表4。

根據(jù)因子水平表，在Fluent中安排9組仿真試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，得到清選率指標(biāo)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行極差分析[14]，見表5。

表4 正交試驗(yàn)因子水平表

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，影響清選率的各因素主次順序?yàn)閅、Z、X，仿真試驗(yàn)得到的最優(yōu)方案為：Y2Z2X3，即入料管傾斜角60°、分離通道傾斜角35°、出口流速7.881 m/s時(shí)有利于蓮仁、蓮殼的分離。

3.4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

采用殼仁分離裝置對(duì)仿真得到的最優(yōu)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)裝置見圖7。將200粒飽滿蓮仁和400粒半蓮殼充分混合，作為試驗(yàn)樣本。試驗(yàn)前，設(shè)置入料管傾斜角60°、分離通道傾斜角35°、出口流速7.881 m/s(風(fēng)機(jī)頻率50 Hz)，將混合物料均勻地從入料口放入，以清選率為試驗(yàn)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果見表6，測(cè)得清選率分別為97.56%，98.52%，98.04%，均值為98.04%，與仿真結(jié)果獲得的清選率接近。

4 結(jié)論

利用FLUENT軟件對(duì)分離通道內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：流體出口速度只改變分離通道內(nèi)各點(diǎn)的速度大小，不改變速度分布趨勢(shì)。采用CFD-DEM耦合仿真得到的清選率變化趨勢(shì)與試驗(yàn)一致，清選率指標(biāo)隨著傾斜角的增大而降低，隨出口流速的增大而增加。仿真試驗(yàn)得到的最優(yōu)分離參數(shù)為：入料管傾斜角60°、分離通道傾斜角35°、出口流速7.881 m/s，與實(shí)體樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果相同，驗(yàn)證了采用CFD-DEM耦合法研究殼仁分離裝置是可行的，所得工藝參數(shù)，為蓮子物料分離機(jī)的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

1. 風(fēng)機(jī) 2. 入料口 3. 蓮仁出口 4. 混合物料

試驗(yàn)次數(shù)出口蓮仁數(shù)n出口蓮殼數(shù)m清選率P/%均值/%1200597.562200398.5298.043200498.04

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Simulation optimization and test of pneumatic separating device for lotus seed shell and kernel based on CFD-DEM coupling method

MA Qiu-cheng1LEILin-tao1LUAn-ge2Chao-zhong1QINFeng1

(1.SchoolofMechanicalEngineering,XiangtanUniversity,Xiangtan,Hunan411105,China; 2.NationalEngineeringResearchCenterforHighEfficiencyGrinding,HunanUniversity,Changsha,Hunan410082,China)

The simulation of separation channel airflow field distribution was implemented with FLUENT software. The CFD-DEM coupling method was used to simulate the separation progress of the mixtures in the separation channel. For fluid outlet velocity, inclination angel of inlet tube and inclination angle of separating channel factors was carried out by simulation experiment, determine the optimal technological parameter of separating channel as follows: inclination angel of inlet tube was 60°, inclination angle of separating channel was 35°, fluid outlet velocity was 7.881 m/s, and the results were the same with the physical prototype. The feasibility to use CFD-DEM coupling method to study the separation device for lotus seed and its contaminates was verified. The result of this study can be taken reference for the research on separating equipment for lotus seed kernel and shell.

Separation channel; numerical simulation; lotus seed; CFD-DEM coupling

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.12.019

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51575466)；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2015JJ5005)

馬秋成(1964—)，男，湘潭大學(xué)教授，碩士。 E-mail：mqc@xtu.edu.cn

2016—08—29