翁曉星 陳長(zhǎng)卿 王 剛 韋真博 江 麗 胡新榮

(1.浙江省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，金華 321017；2.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，杭州 310058)

0 引言

茶產(chǎn)業(yè)是穩(wěn)定就業(yè)、改善生態(tài)環(huán)境、增加人民收益的特色農(nóng)業(yè)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，屬于綠色經(jīng)濟(jì)之一。茶葉是具有較強(qiáng)季節(jié)性和時(shí)效性的產(chǎn)品[1]。但傳統(tǒng)的種植、采摘及加工等環(huán)節(jié)需要耗費(fèi)大量勞動(dòng)力，其中采茶用工問(wèn)題尤為突出。隨著全國(guó)各地茶園面積的逐年擴(kuò)大，對(duì)收獲機(jī)械化的需求變得愈發(fā)迫切[2]。針對(duì)現(xiàn)有小型采茶機(jī)使用勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題，乘用式跨行行駛采茶設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，極大地簡(jiǎn)化了作業(yè)工序，作業(yè)效率提高40%，且可保持穩(wěn)定良好的工作狀態(tài)。日本在20世紀(jì)20年代開(kāi)始研究采茶機(jī)，有乘坐式采茶機(jī)、履帶自驅(qū)動(dòng)乘坐式采茶機(jī)，其動(dòng)力機(jī)構(gòu)采用液壓驅(qū)動(dòng)，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)靈活，自動(dòng)化程度高[3]。與此同時(shí)，英國(guó)、法國(guó)、印度等國(guó)對(duì)各種采茶機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、工作原理、不足之處等進(jìn)行了探索。而我國(guó)則從20世紀(jì)50年代起對(duì)茶采摘進(jìn)行機(jī)采試驗(yàn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要對(duì)設(shè)備的智能采摘、液壓控制和導(dǎo)航技術(shù)等方面進(jìn)行了研究。宋揚(yáng)揚(yáng)等[4]對(duì)采茶機(jī)進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)分析。韓余等[5]利用Sim Hydraulic對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了功能數(shù)值仿真，湯一平等[6]提出了基于機(jī)器視覺(jué)的機(jī)采茶隴識(shí)別及采茶機(jī)導(dǎo)航的方法，杜哲等[7]優(yōu)化雙動(dòng)割刀往復(fù)式切割器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在管道結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面，姚正鋼等[8]研究海洋工程平臺(tái)機(jī)房與變壓器之間的結(jié)構(gòu)管道的優(yōu)化，沈雪敏[9]對(duì)超大型風(fēng)機(jī)管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。但在采茶機(jī)械領(lǐng)域，集葉機(jī)構(gòu)相關(guān)研究不多。

機(jī)采鮮葉屬于柔性片狀物料，其具有受力復(fù)雜性和變形非線性等特點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)特性的數(shù)值計(jì)算研究一直是計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的難點(diǎn)。柔性異形物料氣固兩相流是農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備研制中的技術(shù)瓶頸，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)柔性異形物料在多相流中的運(yùn)行軌跡和變形特性對(duì)集葉物理模型研究具有重要意義[10]。隨著計(jì)算能力和數(shù)值計(jì)算水平不斷提高，學(xué)者開(kāi)始嘗試對(duì)樹冠、柔性纖維和柔性片狀物料的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模和數(shù)值計(jì)算。農(nóng)業(yè)物料氣固兩相流模型研究主要集中在近球形農(nóng)業(yè)物料，如稻谷、小麥、玉米等，為降低研究復(fù)雜性，通常采用等效直徑、物料形狀系數(shù)和比表面積等參數(shù)將非球形顆粒簡(jiǎn)化為球形物料，然后采用計(jì)算流體力學(xué)(Computational fluid dynamics, CFD)軟件和離散單元法(Discrete element method, DEM)對(duì)氣固兩相流模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，在相關(guān)裝備研制方法取得了顯著效果[11-13]。劉鵬等[14]利用CFD-DEM耦合的方法模擬碎稈在粉碎室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)受力過(guò)程。黃震宇等[15]利用Fluent軟件的RNGk-ε湍流模型和DPM離散相模型，分析了蔬菜種子在風(fēng)力篩選機(jī)分離室的氣固兩相流。雷小龍等[16]運(yùn)用CFD-EDEM耦合仿真方法揭示了油麥種子在氣送式集排器輸種管道中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。張憲等[17]將毛茶物料簡(jiǎn)化為球形顆粒，采用流體力學(xué)方法研究了茶葉風(fēng)選機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)和物料運(yùn)行軌跡，指出風(fēng)選室的渦旋現(xiàn)象與分選質(zhì)量存在顯著相關(guān)性。

本文研究基于CFD-DEM耦合仿真方法，對(duì)乘坐式采茶機(jī)的集葉過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，以了解機(jī)采鮮葉在氣流作用下的模態(tài)種類，氣流分布對(duì)機(jī)采鮮葉運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律等，形成面向柔性片狀鮮葉的氣固兩相耦合基礎(chǔ)理論，為茶葉采摘機(jī)械化設(shè)備開(kāi)發(fā)及優(yōu)化提供技術(shù)依據(jù)。

1 采茶機(jī)集葉管道結(jié)構(gòu)

乘坐式采茶機(jī)由采摘機(jī)構(gòu)、集葉機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)等主要機(jī)構(gòu)組成。利用上下鋸齒刀實(shí)現(xiàn)采茶功能，將茶樹上的鮮葉剪切下來(lái)，再利用風(fēng)力把機(jī)采的鮮葉吹送到車載集葉箱。通過(guò)出風(fēng)部件借助風(fēng)力吹送鮮葉，可使剪切的鮮葉避免受到損害，保證機(jī)采茶葉質(zhì)量。釆用SolidWorks軟件構(gòu)建集葉管道的三維物理模型，如圖1所示。圖中d為管道寬度，R為彎管半徑，L1和L2為內(nèi)側(cè)和外側(cè)長(zhǎng)度。

圖1 乘坐式采茶機(jī)集葉管道結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)學(xué)模型

采用離散單元法建立機(jī)采鮮葉離散單元模型，對(duì)集葉管道進(jìn)行數(shù)值計(jì)算研究。通過(guò)對(duì)離散單元模型和氣固兩相流動(dòng)機(jī)理研究，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性能提升。氣固兩相流描述方法有兩種：①Euler法，不僅將氣相流體作為連續(xù)介質(zhì)，固相也作為連續(xù)介質(zhì)，可描述顆粒運(yùn)動(dòng)對(duì)氣相的影響[18]。②Lagrange法，與Euler法不同之處為將固相作為離散模型，其優(yōu)點(diǎn)是可較好地描述顆粒擴(kuò)散。由于鮮葉為稀疏相，通常選擇Lagrange法為湍流分析方法。

在建立柔性片狀物料力學(xué)模型時(shí)遵循以下假設(shè)：①處于平衡態(tài)的鮮葉應(yīng)力為零。②當(dāng)鮮葉形狀偏離平衡態(tài)時(shí)會(huì)引起能量和力的變化。③鮮葉模型中能量項(xiàng)之間相互獨(dú)立且遵守疊加原則。④鮮葉是均勻且各向同性。

2.1 氣相控制方程

氣相連續(xù)方程采用流體軟件中的Navier-Stokes方程[19-20]求解,氣相質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程分別為

(1)

-Δp+Δ(μgΔvg)+ρgg-S

(2)

(3)

式中ρg——?dú)怏w密度，kg/m3

vg——?dú)怏w速度，m/s

g——重力加速度，m/s2

μg——?dú)怏w粘性，Pa·s

S——?dú)夤虄上嚅g由曳力造成的動(dòng)量交換，Pa

ΔV——單位體積，m3

fdrug,i——流體動(dòng)力阻力，N

t——時(shí)間，sp——壓力，Pa

2.2 固相控制方程

采用DEM求解固相，柔性片狀物料變形一般認(rèn)為是由應(yīng)變能、彎曲能和表面能等引起，物料受到由拉伸、彎曲、表面約束和體積約束引起的力。文獻(xiàn)[21-22]采用IB-LBM對(duì)彈性材料在流體中的力學(xué)特性進(jìn)行研究。因此，顆粒i在任意時(shí)刻t的控制方程為

(4)

(5)

式中mi——顆粒i質(zhì)量，kg

Ii——顆粒i轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2

vi——顆粒i滑移速度，m/s

ωi——顆粒i轉(zhuǎn)動(dòng)速度，r/s

ki——顆粒i接觸數(shù)

Tij——顆粒i、j扭矩，N·m

fp-g,i——?dú)夤虄上嘞嗷プ饔昧?，N

fcontact,ij——顆粒i與顆粒j間的相互作用，N

fdanp,ij——粘性阻力，N

3 數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析

采用有限體積法離散控制方程建立集葉彎管SolidWorks幾何模型，對(duì)管道鮮葉顆粒流動(dòng)進(jìn)行分離式隱式求解。采用k-ε多相流湍流模型，使用壓力速度耦合SIMPLEC算法；采用Manninenn代數(shù)滑移公式計(jì)算鮮葉顆粒與空氣之間相對(duì)速度；采用Schiller-Naumann模型函數(shù)計(jì)算曳力函數(shù)，分析鮮葉顆粒在集葉管道中的運(yùn)動(dòng)情況和特性分布[23]。

3.1 物理模型

機(jī)采鮮葉形狀主要有不規(guī)則枝狀、莖稈狀和片狀等，本文采用芽頭、一芽一葉和一芽二葉多元混合顆粒體構(gòu)成機(jī)采鮮葉物料群，其中芽頭、一芽一葉和一芽二葉物料幾何尺寸在分別在0.02～0.04 m、0.04～0.06 m和0.06～0.08 m之間隨機(jī)分布，采用多球面聚合法建立機(jī)采鮮葉數(shù)值計(jì)算物料模型，如圖2所示[10]。仿真過(guò)程中不限顆粒數(shù)量，顆粒尺寸在0.02～0.08 m范圍內(nèi)生成，機(jī)采鮮葉物理特性如表1所示。

圖2 機(jī)采鮮葉離散單元模型

表1 機(jī)采鮮葉參數(shù)

根據(jù)茶園采茶機(jī)出風(fēng)部件所處的工作壞境要求。流體工作介質(zhì)為空氣，屬于牛頓流體型流體，假定空氣在壓力為102 325 Pa、溫度為26.85°的條件下密度和粘度不變，其中空氣密度取1.16 kg/m3。假定流體在流動(dòng)時(shí)工作介質(zhì)為連續(xù)不可壓縮粘性流體，且出風(fēng)收集鮮葉時(shí)，風(fēng)機(jī)供風(fēng)穩(wěn)定，風(fēng)速是以等速均勻從風(fēng)口進(jìn)入，忽略工作介質(zhì)空氣在出風(fēng)部件內(nèi)部流動(dòng)時(shí)的熱量交換。

3.2 網(wǎng)格劃分

考慮計(jì)算量，將集葉管道的幾何模型分區(qū)域劃分網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格采用映射法對(duì)通風(fēng)管道進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，而非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格指定的網(wǎng)格區(qū)域主要采用四面體網(wǎng)格。集葉管道網(wǎng)格模型如圖3a所示，網(wǎng)格總數(shù)為150 477，最小單元質(zhì)量為0.143 9，質(zhì)量直方圖整體靠右(圖3b)，網(wǎng)格質(zhì)量滿足要求。

圖3 集葉管道網(wǎng)格模型和單元質(zhì)量直方圖

3.3 邊界條件

在集葉管道數(shù)值模擬中，忽略由于熱量交換帶來(lái)的影響，即不考慮能量方程。流場(chǎng)屬于湍流流動(dòng)，工作介質(zhì)為空氣，不存在相變，且在計(jì)算過(guò)程中不存在化學(xué)反應(yīng)等。模擬數(shù)值中選用基于壓力的分離隱式求解器進(jìn)行求解。為了提高計(jì)算精度，減少數(shù)值擴(kuò)散，動(dòng)量、湍動(dòng)能和湍流耗散率等采用二階迎風(fēng)離散格式；選用壓力速度耦合SIMPLEC算法；工作環(huán)境設(shè)為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。表2為用于模擬的邊界條件設(shè)置。彎管進(jìn)口和出口均假設(shè)為逃逸條件，壁面假設(shè)為反彈條件[24]。

表2 模擬試驗(yàn)流體參數(shù)與邊界條件

3.4 仿真結(jié)果與分析

考慮生產(chǎn)實(shí)際及作業(yè)條件，進(jìn)一步研究進(jìn)口速度、顆粒粒徑和彎管結(jié)構(gòu)等主要因素對(duì)集葉效果的影響規(guī)律。仿真過(guò)程中，將顆粒尺寸選擇0.02、0.05、0.08 m，通過(guò)設(shè)置進(jìn)口分別釋放1 000個(gè)顆粒，模擬芽頭、一芽一葉、一芽二葉在集葉管道的變化情況。

3.4.1風(fēng)速影響

當(dāng)初始速度為15 m/s，顆粒尺寸0.02 m，t=0～0.05 s過(guò)程中集葉管道流場(chǎng)變化情況，如圖4所示。當(dāng)風(fēng)機(jī)氣流從出風(fēng)部件上端引導(dǎo)氣流進(jìn)入出風(fēng)腔后，將剪切的鮮葉吹到集葉管道進(jìn)口，通過(guò)管道到達(dá)車載集葉箱。

圖4 鮮葉在空氣提升管道中的運(yùn)動(dòng)分布

由圖5可知，集葉管道進(jìn)口速度從10 m/s增加到30 m/s，出口速度也隨之增加。當(dāng)進(jìn)口速度大于25 m/s，出口速度增加率變小，此時(shí)不斷增大進(jìn)口進(jìn)度，出口速度變化不大。選擇風(fēng)速25 m/s左右即可達(dá)到集葉效果。

圖5 不同進(jìn)口速度下出口速度分布情況

如圖6所示，速度切面中間速度比四周高，越靠近管道壁面，速度越小。由于氣流受到粘度和邊界影響，管道壁面附近流動(dòng)變得滯緩，速度脈動(dòng)劇烈。當(dāng)鮮葉顆粒流經(jīng)過(guò)豎直管時(shí)速度分布上下壁面均勻?qū)ΨQ，而經(jīng)過(guò)彎管后速度分布開(kāi)始變化，到水平橫直管，可明顯看出下壁比上壁速度大，分布不均勻?qū)ΨQ。此現(xiàn)象是因?yàn)轷r葉顆粒受到自身的重力作用，彎管和橫直管內(nèi)氣流向下沉淀。通過(guò)增大進(jìn)口速度可使鮮葉顆粒在豎直管道時(shí)濃度提高，而在水平橫直管道底部顆粒的濃度也會(huì)減小?？蛇x擇進(jìn)口速度25 m/s，能達(dá)到出口速度峰值，滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

圖6 v=25 m/s時(shí)YZ平面速度分布云圖

3.4.2鮮葉顆粒影響

模擬不同半徑鮮葉顆粒進(jìn)入集葉管道的流場(chǎng)情況。圖7為t=0.06 s時(shí)相同進(jìn)口速度下分別釋放 3種不同尺寸的鮮葉顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。由圖7可知，顆粒越大，管道內(nèi)的剩余顆粒越多，更容易產(chǎn)生沉積[25]。圖8為管道水平和豎直方向上(彎角處為臨界點(diǎn))不同半徑顆粒在不同位置的速度變化趨勢(shì)。

圖7 在t=0.06 s時(shí)不同半徑顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

圖8 不同半徑顆粒的運(yùn)動(dòng)速度變化

由于鮮葉運(yùn)動(dòng)軌跡具有隨機(jī)性，在集葉管道的分布不完全相同，但模擬得到的3種單一顆粒尺寸運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)一致。鮮葉顆粒處于豎直管道時(shí)速度總體保持穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)彎道速度開(kāi)始發(fā)生變化，從彎管到橫管道速度由下降到逐漸上升的過(guò)程。且顆粒越大，質(zhì)量越大，慣性力也越大，致使受重力和離心力作用增大，顆粒與壁面相互作用的強(qiáng)度增大，速度下降得越多。因此當(dāng)鮮葉一芽二葉居多時(shí)，需增加進(jìn)口速度，避免彎管處大量沉積，無(wú)法順利集葉。在不同采摘要求下，可根據(jù)鮮葉特點(diǎn)，調(diào)節(jié)吹風(fēng)進(jìn)口速度，節(jié)能環(huán)保。

3.4.3管道結(jié)構(gòu)影響

根據(jù)乘坐式采茶機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮車載集葉箱體和割刀吹葉機(jī)構(gòu)尺寸，合理設(shè)計(jì)集葉管道高度與寬度。利用SolidWorks軟件三維構(gòu)建彎管結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)成一定高度與寬度的方角和圓角兩個(gè)模型。圖9b為半徑0.02 m的鮮葉顆粒在不同進(jìn)口速度的狀態(tài)下，通過(guò)兩個(gè)不同彎管模型的速度。從圖7、9a可知，方管比圓管在轉(zhuǎn)彎區(qū)段沉積的顆粒數(shù)明顯增多。因?yàn)轭w粒流在穿過(guò)豎直管道到彎道時(shí)形成一束彎管流曲線(圖4)，由于同等豎直管道長(zhǎng)度的方管壁面阻礙了顆粒流的轉(zhuǎn)彎流動(dòng)，使得大量顆粒不能順利到達(dá)橫管道。若將方管橫管道寬度變大，豎直管內(nèi)側(cè)高度變小，從而滿足彎管流完整曲線，可避免沉積現(xiàn)象。但結(jié)構(gòu)改變，會(huì)影響集葉裝置的收集容量。選擇圓角彎管，更適合集葉要求。但根據(jù)前期研究發(fā)現(xiàn)，隨著彎角個(gè)數(shù)的增加，反而會(huì)增加沉積率。因而選擇一個(gè)圓角彎管作為集葉彎管結(jié)構(gòu)，同時(shí)減少橫向管道長(zhǎng)度，避免鮮葉顆粒的重力作用導(dǎo)致的沉積。

圖9 運(yùn)動(dòng)分布與不同初始風(fēng)速下的顆粒體積分?jǐn)?shù)

初始速度為25 m/s時(shí)，不同L1長(zhǎng)度的速度場(chǎng)如圖10所示。將管道流場(chǎng)平行與y軸切面，觀察流場(chǎng)特性，發(fā)現(xiàn)速度分布規(guī)律大體一致。由于管道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，當(dāng)y為0.4 m開(kāi)始進(jìn)入彎管階段，速度開(kāi)始發(fā)生變化，每切面的峰值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；在0.6 m附近(彎管頂端)達(dá)到最低值，之后逐漸上升。L1取0.025 m時(shí)較另外兩種情況速度場(chǎng)分布更加均勻。分別初始釋放相同數(shù)量、速度和顆粒大小(半徑0.02 m)的鮮葉，并利用截面顆粒數(shù)統(tǒng)計(jì)功能，計(jì)算出管道存留的顆粒數(shù)量。

圖10 流場(chǎng)情況與顆粒體積分?jǐn)?shù)

當(dāng)L1取0.025、0.035 m時(shí)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間管內(nèi)的顆粒體積分?jǐn)?shù)相近，總體小于L1取0.030 m時(shí)的顆粒體積分?jǐn)?shù)。且速度越大，顆粒體積分?jǐn)?shù)越小?？紤]到流場(chǎng)速度和顆粒體積分?jǐn)?shù)，L1取0.030 m為宜。管道的彎角處半徑R分別取0.035、0.040、0.045 m，初始速度為25 m/s，進(jìn)行集葉收集模擬，管道中各部分的平均速度隨彎管半徑R變化的關(guān)系曲線如圖11所示。由圖11可知，其變化趨勢(shì)與 圖10 相似，R為0.04 m時(shí)流場(chǎng)速度均值最大。

圖11 不同彎管半徑的流場(chǎng)速度變化曲線

3.4.4壓降

在集葉機(jī)構(gòu)分析中，需要考慮壓降[26]。圖12為集葉管道的壓降情況。由于鮮葉顆粒流受到離心作用，彎管外側(cè)壁面空氣壓力大，內(nèi)側(cè)壁面壓力小，且出現(xiàn)負(fù)壓。彎管處空氣速度出現(xiàn)分層現(xiàn)象，分布規(guī)律與壓力相反，即彎管外側(cè)速度低、壓力大，而內(nèi)側(cè)速度高、壓力小。當(dāng)鮮葉顆粒濃度達(dá)到一定值時(shí)，集葉管道壓力損失會(huì)隨著進(jìn)口速度的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)。結(jié)合流場(chǎng)速度云圖特點(diǎn)，存在一個(gè)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)流速(圖12b)，此時(shí)管道系統(tǒng)達(dá)到最低能耗[27]，即進(jìn)口速度為25 m/s。

圖12 集葉管道壓力分布與擬合關(guān)系曲線

3.4.5仿真試驗(yàn)

為了達(dá)到最佳的集葉效果，需要結(jié)合顆粒半徑、彎管結(jié)構(gòu)、進(jìn)口風(fēng)速等參數(shù)進(jìn)行綜合考慮[28-31]。針對(duì)上述的單因素仿真試驗(yàn)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。正交試驗(yàn)因素設(shè)計(jì)如表3所示。

表3 試驗(yàn)因素

鮮葉顆粒流在直管段達(dá)到穩(wěn)定后經(jīng)過(guò)Δt，根據(jù)穿透率Pbend(顆粒體積分?jǐn)?shù)與穿透率對(duì)應(yīng)，是指一定體積內(nèi)顆粒含量。當(dāng)某時(shí)刻顆粒體積分?jǐn)?shù)高，即為顆粒存留量多，未穿出彎管，則穿透率低；當(dāng)顆粒體積分?jǐn)?shù)低，則穿透率高)，計(jì)算進(jìn)口截面和出口截面的顆粒數(shù)比，穿透率計(jì)算式為

(6)

式中Nb0——Δt內(nèi)彎管進(jìn)口的顆粒數(shù)

Nb1——Δt內(nèi)彎管出口的顆粒數(shù)

由表3可知，其是3個(gè)3水平和1個(gè)5水平4因素的試驗(yàn)，因此選用混合型正交表L18(6×36)，不考慮因素間的交互作用。但由于此試驗(yàn)只有3個(gè)3水平和1個(gè)5水平，在原正交表的基礎(chǔ)上，對(duì)因素水平值按“隨機(jī)”修改處理(表4)。

表4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果方差分析如表5所示。由于F0.95(2, 7)=4.74，所以在顯著性水平0.05上因素A與B是顯著的。為使穿透率高，最佳因素組合是A5B1，即風(fēng)速為30 m/s，顆粒半徑為0.02 m。而因素C與D為非顯著，可選擇C2D2，即L1取0.030 m，R取0.04 m，作為試驗(yàn)集葉管道結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表5 方差分析

4 試驗(yàn)

將不同機(jī)采鮮葉物料群進(jìn)行分組，以一定風(fēng)速分別通過(guò)集葉管道。以鮮葉為試驗(yàn)材料，機(jī)采鮮葉滿足形態(tài)特征或尺寸參數(shù)的任一指標(biāo)即可判斷為相應(yīng)分組，如芽頭組分長(zhǎng)度在0.020～0.029 m之間，一芽一葉組分長(zhǎng)度在0.030～0.059 m之間，一芽二葉組分長(zhǎng)度在0.060～0.089 m之間[10]。風(fēng)機(jī)可提供風(fēng)速為10～30 m/s。

試驗(yàn)裝置如圖13a所示，將機(jī)采鮮葉物料分選(圖13b)，一定數(shù)量的同類鮮葉在風(fēng)機(jī)作用下，通過(guò)集葉管道后，觀察管道末端的集葉情況。試驗(yàn)結(jié)果表明(表6)，模型流場(chǎng)模擬數(shù)值與試驗(yàn)結(jié)果相近。減少橫直管長(zhǎng)度，采用特定圓角彎管的集葉管道，穿透率不小于86.8%，滿足集葉要求。由于機(jī)采鮮葉不同組分之間的長(zhǎng)度具有一定差異，集葉穿透率不等。在相同進(jìn)口速度下，鮮葉顆粒小比顆粒大集葉效果好。由表6可知，模擬值均低于試驗(yàn)值，其原因是模擬時(shí)將不規(guī)則的顆粒簡(jiǎn)化為粒徑相同的球形，減小了顆粒形狀的不規(guī)則性等因素對(duì)氣固兩相流動(dòng)性能的影響，減少了能量損耗。

圖13 集葉管道與機(jī)采鮮葉

表6 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

(1)采用Lagrange法進(jìn)行的氣固兩相流動(dòng)數(shù)值計(jì)算能有效地模擬鮮葉顆粒在管道內(nèi)的氣固兩相流動(dòng)，且集葉效果與鮮葉風(fēng)速、顆粒半徑、管道結(jié)構(gòu)有關(guān)。

(2)由于氣流受到粘度和邊界影響，管道壁面附近流動(dòng)變得滯緩，速度脈動(dòng)劇烈。速度切面中間速度比四周高，越靠近管道壁面，速度越小。鮮葉顆粒在經(jīng)過(guò)彎管段后，速度出現(xiàn)明顯下降，能量損失增大。進(jìn)口速度與出口速度呈正相關(guān)，但當(dāng)進(jìn)口速度大于25 m/s，出口速度增加率變小。

(3)進(jìn)料量對(duì)鮮葉顆粒的平均速度影響不大，但因質(zhì)量不一致，受到重力的作用，半徑大的鮮葉顆粒易出現(xiàn)在橫直管道的下層，即顆粒半徑增大，管道內(nèi)沉積量增大。為提高集葉效果，通過(guò)減小水平橫直管道長(zhǎng)度，可有效避免此現(xiàn)象。

(4)在同等豎直管道長(zhǎng)度下，方管壁面阻礙了顆粒流的轉(zhuǎn)彎流動(dòng)，使得大量顆粒不能順利到達(dá)橫管道。與圓角彎管相比，大大增大了沉積量。選擇圓角彎管，更適合集葉要求。由數(shù)值模擬可知，鮮葉顆粒進(jìn)入進(jìn)口，受風(fēng)力影響速度提高，隨后進(jìn)入彎管，致使速度降低，并在0.6 m附近(彎管頂端)達(dá)到最低值。顆粒通過(guò)彎管后，在風(fēng)力的影響下再一次加速上升。L1為0.030 m和R為0.04 m時(shí)顆粒體積分?jǐn)?shù)較小，且流場(chǎng)速度均值最大。

(5)選用彎管半徑為0.04 m圓角彎管的集葉管道，鮮葉穿透率不小于86.8%，滿足集葉要求。同時(shí)在彎管設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)一步證實(shí)鮮葉風(fēng)速和顆粒半徑更顯著影響集葉的效果。當(dāng)鮮葉顆粒半徑增加，可適當(dāng)提高進(jìn)口速度。結(jié)合流場(chǎng)速度云圖和壓降等特性分析，最優(yōu)經(jīng)濟(jì)進(jìn)口速度為25 m/s。