郭 輝,邢少康,郭偉宏,于欣東

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,烏魯木齊 830052)

0 引言

紅花(Carthamus Tinctorius L.)別名紅花草、紅花茶、刺紅花、草紅花,屬于菊科植物[1],是一種雙子葉植物,如圖1所示。

圖1 紅花

在同一植株中,紅花生長于莖中部的葉片最大,上部葉片較小,成苞片狀,圍繞頭狀花絮;葉形有卵圓形、橢圓形等[2],葉片邊緣有刺;其中子房是管狀花,長1～2cm,表面為紅黃色或者紅色,柱頭為長圓柱形,頂端微分叉,花期一般在5-7月[3]。隨著紅花產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,紅花花絲已經(jīng)成為高檔化妝品和紡織品的原材料,但是紅花花絲的采摘和收集仍然是紅花花絲采收機(jī)械化的難題。為此,在深入分析紅花花絲懸浮特性的基礎(chǔ)上,開展紅花花絲的收集試驗,以期設(shè)計一種適合于各種含水率的紅花花絲收集裝置。

紅花花絲的懸浮速度是紅花本身的固有屬性,是進(jìn)行花絲收集的重要參考[4-5]。因此,進(jìn)行紅花花絲懸浮特性研究,對紅花花絲的懸浮試驗具有重要意義。

1 懸浮速度的測定原理

物料的懸浮速度是物料主要的空氣動力學(xué)特性之一,是設(shè)計氣力輸送裝置的一個重要基礎(chǔ)參數(shù)[6]。

當(dāng)物料置于靜止的流體中時,在浮重F(即重力與浮力之差)作用下物料懸浮狀態(tài)的受力圖[7]如圖2所示。

圖2 物料懸浮受力分析圖

物料自由下落[8],下落速度逐漸增大,同時物料受到流體的阻力R也增大。當(dāng)下降速度增加到最大值Vmax時[9],保持阻力R與浮重F相等,物料就以這一最大速度做恒定的等速沉降,此最大的恒定速度Vmax即為物料的沉降速度(也稱作沉降終速或者沉降末速)[8,10]。

當(dāng)質(zhì)量為m的物料處于風(fēng)速為v的氣流場中時[11],物料在空氣中的浮重為F,物料所受到的空氣阻力為R。假設(shè)物料為球體[12-13],F和R計算公式為

(1)

(2)

式中ρs—物料密度(kg/m3);

d—物料直徑(m);

g—重力加速度(m/s2);

ρ—空氣的密度(kg/m3);

Cd—阻尼系數(shù);

vt—懸浮速度(m/s)。

根據(jù)R和F的不同,物料在氣流中運動的情況不同:當(dāng)F>R時,物料下落;當(dāng)F

(3)

此時,氣流的速度稱為物料的懸浮速度,則

(4)

測量該物料懸浮處的氣流速度,可以得到該物料的懸浮速度vt。如果物料為球形,可得到準(zhǔn)確的懸浮速度。

紅花絲為不規(guī)則體,投影面積不斷變化,在氣流中運動時同時發(fā)生轉(zhuǎn)動,則紅花花絲向上或向下運動,不能得到準(zhǔn)確的懸浮位置[15-18]。因此,紅花花絲懸浮速度只能保持在一個范圍內(nèi)。

2 紅花花絲的懸浮速度測定

2.1 試驗材料

試驗以“裕民”紅花5號作為研究對象,對整朵紅花花簇進(jìn)行試驗,測量紅花花絲含水率的大小。由參考文獻(xiàn)可知,1簇成熟紅花花絲(紅花花有黃變紅)的含水率在76%左右。

2.2 試驗設(shè)備

懸浮速度試驗裝置主要由錐形管、穩(wěn)壓管、收斂筒及風(fēng)機(jī)等組成[19],如圖3所示。

1.錐形管 2.收斂管 3.風(fēng)門 4.風(fēng)機(jī) 5.穩(wěn)壓管 6.風(fēng)速測量位置 7.物料投放口

錐形管是由機(jī)玻璃制成的,便于觀察物料被吹時的穩(wěn)壓高度;穩(wěn)壓筒和收斂筒的作用是產(chǎn)生均勻、穩(wěn)定的氣流[19-20]。紅花花絲含水率使用YHT01型水分儀測量,如圖4所示。試驗過程中,使用YFT型壓力式風(fēng)速計(見圖5)對風(fēng)速測量位置的全壓P和靜壓PF進(jìn)行測量。

圖4 水分儀

圖5 YFT型壓力式風(fēng)速計

2.3 試驗臺參數(shù)

配套動力/kW:3.192

轉(zhuǎn)速/r·min-1:1 440

錐角/(°):4

2.4 氣流速度理論計算方法

試驗時,當(dāng)紅花花絲在一定范圍內(nèi)上下擺動時,讀取在風(fēng)速測量位置YFT型壓力式風(fēng)速計的全壓和靜壓的數(shù)值大小,通過公式(5)獲得錐形管小端氣流速度,并測量在錐管中的最值Lmin和Lmax;然后,通過公式(7)獲得任意斷面的氣流速度,得到其懸浮速度范圍。錐形觀察管風(fēng)速測量位置的速度取3個測點的平均值,3個測點按照圓形風(fēng)管斷面等面積法求解[21,9]。測定點懸浮速度V1的計算公式為

(5)

由此得出測定點風(fēng)速V1為

(6)

式中P—全壓(MPa);

PF—靜壓(MPa);

PE—動壓(MPa);

ρ—空氣密度(kg/m3)。

本文采用混合物模型作為描述氣液兩相沖壓發(fā)動機(jī)內(nèi)部流場的基本模型, 混合物模型是一種簡化的多相流模型, 將每一相流體視為是連續(xù)的, 可以模擬具有不同速度的多相流動, 但是假定了在短尺度空間上的局部平衡, 通過求解混合物的質(zhì)量守恒方程、 動量守恒方程和能量守恒方程及離散相的體積分?jǐn)?shù)方程及代數(shù)形式的相對速度方程， 對多相流動進(jìn)行建模. 穩(wěn)態(tài)條件下其主要控制方程如下:

當(dāng)物料被吹到與觀測點距離L處時,氣流速度Vi計算公式[22]為

Vi=[D1/(D1+2Lsinφ)]2V1

(7)

式中Vi—錐形管任意斷面的氣流速度(m/s);

D1—錐形管小端直徑(m);

L—物料在錐管中上下浮動的位置(m);

V1—錐形管小端氣流速度(m/s);

φ—錐形管的錐角(°)。

2.5 試驗方法

將紅花花絲從錐形管放入物料放置處,接通電源啟動變頻器,通過改變變頻器頻率控制懸浮試驗的氣流速度。根據(jù)紅花花絲的運動情況和氣流大小vt,當(dāng)紅花花絲懸浮于某一固定范圍時,變頻器停止;再次啟動變頻器,等到風(fēng)速穩(wěn)定后,讀取管道風(fēng)速儀的讀數(shù)[9]。通過式(5)～式(7)得到不同含水率紅花花絲的懸浮速度。

2.6 試驗結(jié)果與分析

錐形管中橫截面上各點風(fēng)速不一致,加之物料的投影面積不斷變化,物料在垂直管道中上下翻滾,難以精確測量[22-23]。本試驗采取全程攝像的方式(見圖6),得到較為準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)(見表1和圖7所示),為紅花花絲的收集提供借鑒。試驗過程中,隨著變頻器頻率的改變,懸浮試驗機(jī)的風(fēng)速逐漸增大。

圖6 試驗照片

表1 含水率與懸浮速度的關(guān)系

圖7 含水率與懸浮速度的關(guān)系圖

由表1和圖7可知:紅花花絲的懸浮速度隨著紅花花絲含水率的增加而增加,紅花花絲的懸浮速度范圍為2～3.23m/s。試驗時發(fā)現(xiàn):當(dāng)氣流速度增加到4m/s時,錐形管內(nèi)已經(jīng)沒有紅花花絲。

3 紅花花絲收集裝置

3.1 紅花收集裝置的設(shè)計

為了研究紅花花絲的收集參數(shù),根據(jù)懸浮速度參數(shù)研究結(jié)果,設(shè)計了一種紅花花絲收集裝置。該裝置由吸吹風(fēng)機(jī)(型號RLD.7028C,生產(chǎn)廠家為永康市西城惠爾瑞電器),篩網(wǎng),儲藏室,橡膠吸風(fēng)管,卸花板等組成,如圖8所示。橡膠吸風(fēng)管直徑為50mm,吸吹風(fēng)機(jī)功率為1 000W。

3.2 收集裝置的工作原理

紅花花絲收集裝置的工作原理如下:當(dāng)紅花花絲收集裝置對準(zhǔn)被剪切下來的紅花花絲時,開關(guān)打開,在吸吹風(fēng)機(jī)的作用下形成一定氣流速度大小的負(fù)壓流場,紅花花絲從橡膠吸風(fēng)管口進(jìn)入到儲藏室;一小部分紅花花絲運動到紗網(wǎng)處,由于篩網(wǎng)直徑小于1根紅花花絲的直徑,紅花花絲會被擋在紗網(wǎng)處;吸風(fēng)機(jī)停止工作,紅花花絲在重力作用下自然沉降[9,24]。

1.橡膠吸風(fēng)管 2.卸花板 3.儲藏室 4.紗網(wǎng) 5.吸風(fēng)機(jī)

4 紅花花絲收集試驗

4.1 試驗儀器

試驗儀器包括往復(fù)剪切式紅花花絲采摘裝置(自制)和JM-B1003型電子天平(精度0.001g)。

4.2 試驗材料與方法

以新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)試驗田中采摘新鮮的成熟“裕民”紅花5號花絲作為研究對象,使用JM-B1003型電子天平測出每朵紅花花絲的質(zhì)量Pa。試驗方法:將成熟新鮮紅花花絲放在1張白紙上,啟動紅花花絲收集裝置的吸吹風(fēng)機(jī),手持橡膠吸風(fēng)管垂直對準(zhǔn)紅花花絲(見圖9),利用吸吹風(fēng)機(jī)的吸力把紅花花絲收集到儲藏室中,整理測量未收集的紅花花絲質(zhì)量Pb。未收凈率R計算公式為

(8)

圖9 收集裝置進(jìn)行紅花收集

完成所有收集試驗之后,在下方放置1個收集袋,打開卸花板,使得紅花花絲在重力的作用下從儲花室中掉落到收集袋中。

4.3 試驗結(jié)果與分析

紅花花絲收集裝置的未收凈率如表2所示。由表2可知,紅花花絲收集裝置未收凈率為0。出現(xiàn)這樣的結(jié)果主要的原因是本次設(shè)計的收集裝置吸風(fēng)口處的風(fēng)速達(dá)到了7m/s,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于紅花花絲2～3.23m/s的懸浮速度。因此,只要有紅花花絲在出風(fēng)口下方,就可直接被吸入儲藏室。

表2 紅花花絲收集裝置的未收凈率

5 結(jié)論

1)通過對物料模型的分析可知:紅花花絲在錐形管中的懸浮速度只能保持在一個范圍內(nèi)。

2)通過試驗發(fā)現(xiàn)紅花花絲在懸浮試驗機(jī)的錐形管中上下浮動,通過計算可以確定紅花花絲的懸浮速度為2～3.23m/s。

3)設(shè)計了紅花花絲采摘裝置,進(jìn)行紅花花絲收集試驗,結(jié)果為收凈率100%。出現(xiàn)這種結(jié)果主要是由于收集裝置出風(fēng)口的風(fēng)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于紅花花絲的懸浮速度所致的。