丁賀賀，石加聯(lián)，馬學東，郭柄江，趙磊

(遼寧科技大學機械工程學院，遼寧 鞍山 114051)

氣流風選機是一種根據(jù)谷物與其夾雜物之間的空氣動力學差異實現(xiàn)清除雜物的設(shè)備，根據(jù)氣流的方向可分為水平風選機和垂直風選機[1-2].水平風選機結(jié)構(gòu)簡單，便于操作，但是對于氣流速度要求嚴苛，低風速易造成除雜效果不佳，高風速易導致谷物損失率過大[3].一般情況下，谷物與輕雜在空氣中的沉降末速差異較大，使得垂直風選機具有損失率低和清潔率高的優(yōu)勢[4].因此，垂直風選機現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)和環(huán)保作業(yè)中[5-6].

在機械化收獲農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的過程中，清選作業(yè)造成的谷類作物損失在總作物損失中占比最大.因此近年來，大量學者與工程師針對農(nóng)業(yè)清選設(shè)備展開了設(shè)計與試驗研究.林恒善[7]通過計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法模擬了清選室內(nèi)氣流場，并進行了試驗驗證，發(fā)現(xiàn)模擬與試驗結(jié)果較為一致.湯慶等[8]分析了國內(nèi)外谷物清選的研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)近些年的研究工作多局限在單一的離散單元法(Discrete Element Method，DEM)模擬或CFD模擬，這種方法并不能深入了解清選室內(nèi)氣流場與谷物顆粒的相互影響，認為CFD-DEM耦合技術(shù)是未來谷物清選模擬研究的主要方法.Yuan等[9]利用DEM-CFD耦合方法，分析了谷粒與夾雜莖稈在臥式圓筒篩清選過程中的運動行為及篩分特性，發(fā)現(xiàn)入口氣流速度對物料軸向平均速度、篩分質(zhì)量影響顯著.如今，DEM-CFD耦合技術(shù)已被科研人員廣泛應(yīng)用[10-11]，但所做研究皆是針對風篩式清選裝置[12]，關(guān)于氣流風選機的研究較少.在該研究領(lǐng)域內(nèi)，缺乏對垂直風選機工作現(xiàn)象的模擬以及對最優(yōu)風選參數(shù)范圍的研究.

垂直風選機的氣流清選系統(tǒng)可以分為壓氣式和吸氣式兩種.其中，壓氣式垂直氣道效果好，分離混合物有較好的質(zhì)量.本研究運用計算機建模軟件Solidworks設(shè)計了一種壓氣式垂直風選機，運用DEM-CFD耦合方法模擬了谷粒-莖稈混合顆粒在該設(shè)備內(nèi)的風選過程，分析谷物在垂直風選下的運動特性，并分析風選參數(shù)對谷物分選效果的影響，旨在為垂直風選設(shè)備的研發(fā)提供理論依據(jù).

1 模型描述

1.1 數(shù)學模型

DEM-CFD耦合過程中，考慮到固相顆粒之間的接觸力學行為，且顆粒速度受接觸力影響，本文采用軟顆粒干接觸模型.同時考慮到谷粒與莖稈表面無粘附力，故本文選取Hertz-Mindlin (no slip)無滑移接觸模型.在離散單元法中，第i個顆粒的運動方程[13]為：

(1)

(2)

式中，mi和Ii分別為顆粒的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量(kg，kg/m2)；Vi和ωi分別為顆粒的速度和角速度(m/s，rad/s)；g為重力加速度(m/s2)；θ為吹風傾角；Fw為顆粒與氣流相對運動時所受的作用力；法向力Fn,ij，切向力Ft,ij，切向力矩Tt,ij和摩擦力矩Tr,ij均可由離散元法基本原理求得.

顆粒與氣流相對運動時所受到的作用力Fw計算公式為：

(3)

式中，S為受風面(m)；ρg為氣體密度(kg/m3)；vg為氣體流速(m/s).

為考慮谷物顆粒對流場的影響，采用Eulerian耦合模型對風選過程進行模擬.

Eulerian模型中，體積分數(shù)項[14-16]為：

(4)

式中，εg為氣體體積分數(shù)；ρg為氣體體積密度(kg/m3)；vg為氣體流速(m/s)；▽為哈密頓微分算子；t為時間(s).

流體的運動微分方程為：

(5)

式中，P為氣體微元體上的壓力(Pa)；g為重力加速度(m/s2)；Rgp為動量源項；τ為氣體動力黏度(pa·s).

由于氣流通過谷物顆粒時，顆粒對氣流產(chǎn)生阻力，因此在上述方程中加入動量源項Rgp，通過對其計算可實現(xiàn)固相與流體項之間的耦合.網(wǎng)格單元格內(nèi)氣流所受阻力的總和Rgp為：

(6)

式中，F(xiàn)i為顆粒i對氣體的阻力(N)；Vc為網(wǎng)格單元的體積(m3).

由于氣流對谷物顆粒的主要作用力為曳力，Saffman升力和Basset力可忽略不計，故選擇Free-stream阻力模型，其計算方程為：

F=0.5CDρA|v|·v

(7)

式中，CD為單個顆粒的阻力系數(shù)，與雷諾數(shù)有關(guān)；A為投影面積(m2)；v為氣體對顆粒的相對流動速度(m/s).

1.2 幾何模型

本研究采用谷粒-莖稈二元混合顆粒體系構(gòu)成物料，其中谷粒以未脫皮的稻米為原型，莖稈以稻米的干秸稈為模型，以現(xiàn)實形狀和尺寸為依據(jù)，在EDEM中建立如圖1所示的谷粒和莖稈的球聚合模型[17].谷粒長軸為5.8 mm，短軸為3 mm；莖稈長度為6 mm，直徑為4 mm.

圖1 二元顆粒體系的幾何模型Figure 1 Geometric model of binary particle system

本研究選取垂直氣流風選裝置，如圖2所示，其特征在于：風選道下方為進風口，上方為氣流和雜質(zhì)出口，左側(cè)為入料口，右側(cè)為風選后的谷粒出料口.圖3為風選室的截面尺寸，其中風選道尺寸為40 mm×80 mm×230 mm，入料口方向與水平方向夾角為30°.

1：風力入口；2：氣流和雜質(zhì)出口；3：入料口；4：谷粒出料口.1：Wind inlet；2：Airflow and impurity outlet；3：Feed inlet；4：Grain outlet.圖2 風選室三維模型Figure 2 3D model of air separator

圖3 風選室截面尺寸Figure 3 Section size of air separator

2 數(shù)值模擬分析及參數(shù)討論

2.1 模擬參數(shù)選取

將風選室的內(nèi)部流域在ANSYS Workbench模塊中完成如圖4所示的網(wǎng)格劃分，并完成氣流入口與出口的定義.

該網(wǎng)格導入EDEM中后，定義邊界屬性為鋼制材料，根據(jù)材料屬性選取材料的物理參數(shù)與接觸參數(shù)，結(jié)果見表1～2[18-19].其中，谷粒為作物收割時稻米(含水率25%左右)的總密度，莖稈為稻米秸稈(含水率40%左右)非人為下的堆積密度.設(shè)置仿真時間為10 s，谷粒生成速度為0.04 kg/s.根據(jù)稻米草谷比(1∶1.1～1∶1.4)以及收割機收割水稻后出料口的谷粒含雜率(< 9%)，設(shè)置谷粒與莖稈的質(zhì)量比為10∶1，EDEM仿真時間步長經(jīng)瑞利公式[20]計算為5 e-6 s，F(xiàn)LUENT仿真時間步長為5 e-4 s，根據(jù)文獻[21]可知，谷粒的懸浮速度為10～12 m/s，莖稈為2.5～6 m/s.為獲取良好的計算結(jié)果，氣流速度應(yīng)大于莖稈以及小于谷粒的懸浮速度.因此，設(shè)置風選道入風口風速設(shè)置為8 m/s，然后開始EDEM和FLUENT同步計算.

圖4 風選室內(nèi)部流域網(wǎng)格劃分Figure 4 Meshing of the internal watershed of the wind chamber

表1 材料物理參數(shù)

表2 材料間的接觸參數(shù)

2.2 風選過程分析

圖5為模擬時間6 s時，谷粒-莖稈在風選室內(nèi)部的瞬態(tài)分布.可以明顯看出谷粒-莖稈混合顆粒從入料口滑下，在經(jīng)過風選道時，風選道內(nèi)的氣流速度v大于莖稈的沉降末速v0，因此隨著氣流通過風選道上部出口出料；谷粒自身的沉降末速v0大于氣流速度v，因此在向上的浮力與自身重力的共同作用下做拋物運動，最終通過谷粒出料口出料.

為研究垂直風選機在不同參數(shù)下的風選效果，在EDEM軟件中劃分出兩個網(wǎng)格區(qū)域.圖4中網(wǎng)格Ⅰ為谷粒損失量統(tǒng)計區(qū)域，厚度為10 mm，用于統(tǒng)計輕雜中所含的谷粒數(shù)量，該數(shù)量與谷?？倲?shù)量的比值為風選損失率.網(wǎng)格Ⅱ為谷粒的清潔率統(tǒng)計區(qū)域，厚度為60 mm，清潔率由該區(qū)域內(nèi)谷粒的體積濃度得出.表達式為：

(7)

式中，Cr(s,t)為空間s內(nèi)t時刻谷粒體積濃度；Vr(s,t)為空間s內(nèi)t時刻谷粒總體積；Vt(s,t)為空間s內(nèi)t時刻谷粒和莖稈總體積.

圖5 谷粒-莖稈顆粒體系的瞬態(tài)分布Figure 5 Transient distribution of grain-stalk particle system

在FLUENT軟件中獲取到風選室在對稱截面下的內(nèi)部流域流速云圖，由圖6可知，風選道入風口的風速為8 m/s時，由于氣流自身的擴散性[21-22]以及物料對氣流的阻力，導致風選道中間區(qū)域的流速小于入風口，小部分氣流由谷粒出料口流出，風選道出風口風速略低于入風口風速.

圖6 風選室內(nèi)部的氣流場流速云圖Figure 6 Flow field velocity map inside the wind sorter

2.3 入風口風速對風選效果的影響

為研究風速對垂直氣流風選效果的影響，采取控制變量法，設(shè)置其他初始條件不變，分別模擬了入風口低風速(5、6、7、8 m/s)和高風速(11、12、13、14 m/s)下的風選過程.

由圖7可知，風速為5 m/s時，谷粒出料口處的谷粒體積分數(shù)較低，清潔率較低.經(jīng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出，在10 s的模擬時間內(nèi)，風速v=5 m/s時，谷粒平均清潔率為96.44%；v=6 m/s時，谷粒平均清潔率為99.79%；v=7 m/s時，谷粒平均清潔率為99.95%，當v=8 m/s/時，谷粒清潔率達到了100%.在低風速范圍內(nèi)，谷粒的損失率均為0.風速越大，谷粒體積分數(shù)越高，并且入風口氣流速度7～8 m/s內(nèi)存在本次研究的風選機達到理想清潔率的風速臨界值.

圖7 低風速范圍下谷粒的體積濃度變化Figure 7 Volume change of grain under low wind speed range

表3給出了高風速范圍下谷粒的風選損失率.由表3可知，入風口風速為11和12 m/s時，谷粒損失率為0，v=13 m/s時，部分谷粒受風力作用經(jīng)風選道上部出風口流出，導致谷粒出現(xiàn)損失，損失率為0.054%.當入風口風速增大至14 m/s時，損失率增大至0.32%.風速越大，損失率越大，并且入風口氣流速度12～13 m/s內(nèi)存在本次研究的風選機發(fā)生谷粒損失的風速臨界值.

2.4 下料量對風選效果的影響

為研究下料量對垂直氣流風選效果的影響，采取控制變量法對模擬參數(shù)進行設(shè)置.因此，保證谷粒和莖稈的初始質(zhì)量分數(shù)不變以及入風口風速為6 m/s，對10 s內(nèi)每組模擬參數(shù)的谷粒下料總質(zhì)量m進行分別設(shè)置，隨后開始模擬仿真.

表3 不同風速下谷粒的風選損失率

圖8為不同下料量時，風選室內(nèi)部區(qū)域的流速云圖.對比觀察3個截圖可以得出，下料量增加導致上升氣流受到的阻力變大，氣流與料流交叉接觸的區(qū)域內(nèi)的氣流速度有所減小，氣流在谷粒出料口處的擴散現(xiàn)象[22-23]變得明顯，氣流泄漏量變大，導致風選道的氣流出口處的風速有所減小.其中，m=0.88 kg與m=0.44 kg的氣流分布差異較為明顯.

為定量分析下料量對風選效果的影響，采取了與3.3同樣的方法，得到了不同下料量下的谷粒體積分數(shù)變化曲線.由圖9可知，當下料量為0.44 kg時，谷粒體積分數(shù)較高，風選效果較好.經(jīng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出，m=0.44 kg時，谷粒的平均清潔率為99.43%；m=0.66 kg時，谷粒的平均清潔率為98.94%；m=0.88 kg時，谷粒的平均清潔率降低至94.82%.隨著下料量增加，谷粒體積濃度降低，風選效果變差.

圖8 下料量不同時的氣流場流速云圖Figure 8 Flow field velocity map under different amount material

圖9 不同下料量下的谷粒體積分數(shù)變化Figure 9 Changes in grain volume concentration under different amount of grain feed

3 試驗驗證及結(jié)果分析

3.1 試驗裝置

為了驗證仿真試驗的可行性，2018年6月20日在遼寧科技大學機械設(shè)計實驗室進行了垂直風選機風選谷粒-莖稈混合顆粒的試驗.試驗裝置由風選室(由高精度尼龍光敏樹脂打印)、鋼板支架、風速儀、基座、風管接口、PU聚氨酯風管、調(diào)速開關(guān)、CZR型風機等部分組成，如圖10所示.

3.2 試驗步驟

試驗選用平時市場上可購買到的未脫殼的稻米和秸稈.經(jīng)選取、稱質(zhì)量得到草谷比為0.1的谷粒-莖稈混合顆粒樣品0.44 kg.打開調(diào)速開關(guān)，啟動風機，采用風速儀在風管接口處測量風速，同時調(diào)節(jié)調(diào)速開關(guān)得到試驗所需要的入口風速，然后接上風管接口開始下料試驗，試驗開始后分別對谷粒出料口和雜質(zhì)出口進行樣品收集.

3.3 試驗結(jié)果及分析

不同風速參數(shù)下風選結(jié)束后谷粒出口與雜質(zhì)出口所收集的顆粒樣品如圖10所示.左側(cè)為風選后的谷粒顆粒樣品，右側(cè)為清選出的秸稈顆粒樣品.

1：風選室；2：鋼板支架；3：風速儀；4：基座；5：風管接口；6：PU聚氨酯風管；7：調(diào)速開關(guān)；8：CZR型風機.1：Air separation chamber；2：Steel plate bracket；3：Anemometer；4：Pedestal；5：Duct interface；6：PU polyurethane duct；7：Adjustment switch；8：CZR type fan.圖10 垂直風選機風選試驗裝置Figure 10 Air separation test equipment for vertical air separator

從圖11可以看出，風力入口風速v=8 m/s時，風選后的谷粒顆粒樣品沒有雜質(zhì)，清選出的秸稈顆粒樣品沒有谷粒損失；v=7 m/s時，谷粒樣品含有少數(shù)秸稈雜質(zhì)；v=6 m/s時的谷粒樣品含雜率最高，這與數(shù)值模擬時得到的低風速范圍下增加風速可提高谷粒清潔率，入風口氣流速度7～8 m/s內(nèi)存在能夠達到理想清潔率的風速臨界值的結(jié)論一致.此外，本文還分別對高風速范圍下風速對風選效果的影響以及低風速范圍下下料量對風選效果的影響進行試驗驗證，所得結(jié)論與數(shù)值模擬時得到的高風速范圍下風速變大導致谷粒損失率增大，入風口氣流速度12～13 m/s內(nèi)存在谷粒出現(xiàn)損失的風速臨界值，低風速范圍下，下料量增加導致風選效果變差的結(jié)論一致.說明應(yīng)用DEM-CFD耦合技術(shù)研究垂直風選機風選參數(shù)的方法可行.

圖11 不同風速下所收集的樣品Figure 11 Samples collected under different wind speed parameters

4 結(jié)論

1) 采用DEM-CFD耦合方法模擬了谷粒-莖稈混合顆粒在垂直氣流風選機中的風選過程，模擬結(jié)果與實際垂直氣流風選機效果具有良好的一致性.說明此方法可精確模擬谷物風選的復雜物理現(xiàn)象，揭示谷物風選的物理本質(zhì).該模擬方法可對谷物清選裝置的設(shè)計提供有效的理論參考.

2) 在本研究的幾何模型尺寸及物理環(huán)境下，入風口風速在低速范圍內(nèi)，谷粒損失率為0，風速越大，谷粒的清潔率越高.風力入口風速v=7 m/s時，谷粒平均清潔率為99.95%，當v=8 m/s/時，谷粒平均清潔率達到了100%，7～8 m/s內(nèi)存在垂直氣流風選機達到理想清潔率的風速臨界值；入風口風速在高速范圍內(nèi)，v=13 m/s時，損失現(xiàn)象發(fā)生，損失率為0.054%，v=14 m/s時，損失現(xiàn)象加重，損失率增大至0.32%，12～13 m/s內(nèi)存在垂直氣流風選機出現(xiàn)谷粒損失的風速臨界值.

3) 入料口下料量對風選效果有很大影響，v=6 m/s時，下料量增大會導致谷粒清潔率減小，風選效果變差.