基于CFD-DEM的聯(lián)合收割機風篩選仿真分析

江　濤，吳崇友，湯　慶，王　剛，吳　俊

(農業(yè)部 南京農業(yè)機械化研究所，南京　210014)

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基于CFD-DEM的聯(lián)合收割機風篩選仿真分析

江濤，吳崇友，湯慶，王剛，吳俊

(農業(yè)部 南京農業(yè)機械化研究所，南京210014)

摘要：為了更深入地研究聯(lián)合收割機清選室結構及氣流場對于清選效果的影響，采用CFD-DEM耦合的方法對單進風口無導風板、單進風口加裝導風板和雙進風口加裝導風板3種結構進行了仿真模擬分析。結果表明：在同樣的喂入量及風速下，雙進風口加裝導風板結構的損失率為0.2%、含雜率為1.65%，在3種結構中清選效果最佳。這種CFD-DEM耦合仿真分析方法可為后續(xù)聯(lián)合收割機風篩選結構的研究改進提供了依據(jù)和思路。

關鍵詞：計算流體力學；離散單元法；聯(lián)合收割機；風篩式清選

0引言

計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics)無論是所采用的數(shù)值解法、計算精度、速度與穩(wěn)定性，還是適用范圍方面在近10年都有了顯著的提高[1]，能夠為過去只能采取理論計算與大量物理模型試驗進行處理的復雜工程問題提供了一種新穎且可靠的解決途徑。相關學術研究表明：通過CFD模擬分析聯(lián)合收割機風篩選氣流場這一方法是切實可行的[2-5]。

離散單元法(The Discrete Element Method)求解分析力學問題可以概括為在Lagrange體系下求解牛頓第二定律，對離散體系內的每個顆粒單元進行動力學模擬分析；其能夠處理連續(xù)介質理論無法解釋的問題及分析和預測物質力學行為，近年來也越來越多的被用于機械領域[6-9]。

聯(lián)合收割機風篩選過程中存在大量的動量交換，由于流體自身的變化，顆粒之間的碰撞及流體與顆粒的相互影響所形成的耦合作用使得整個系統(tǒng)的復雜程度大大提高。傳統(tǒng)CFD軟件中的氣固兩相流模型已不能完全適用，一種全新的仿真方法,即CFD-DEM耦合分析方法已逐漸被采用，其可靠性也被廣泛認可。CFD-DEM耦合計算方法的本質在于將流體相與顆粒相分開求解，流體相仍以連續(xù)介質進行建模，采用CFD方法求解計算，將顆粒相按離散體系處理，采用離散單元法求解顆粒運動；然后，再將二者的計算結果通過質量、動量及能量交換，實現(xiàn)耦合作用。這種計算方法可以追蹤固相顆粒的復雜運動過程，捕獲顆粒受力與動量、位置變化信息，準確反映顆粒與顆粒及顆粒與流體之間的相互作用[10-13]。

1數(shù)學模型

1.1　流體動力學控制方程

用于農業(yè)物料清選的氣流流動一般都是湍流流動[14]，清選室內氣流壓縮率較小，其壓縮性可忽略不計，因此將其近似為具有液體性質的流體介質，以不可壓縮流體模型進行模擬計算[15-16]。一般認為，經(jīng)過Reynolds時均化處理后的流體控制連續(xù)方程和動量方程為

其中，ρ為流體的密度；ui為流體速度沿i方向的分量；p為靜壓力；μ為流體粘度系數(shù)；τij為不同Reynolds應力項；Si為動量匯(源項)。

1.2　顆粒接觸碰撞模型

離散單元法所模擬的運動集合是在整個顆粒體系中傳播的過程，顆粒之間、顆粒與壁面之間的接觸碰撞是顆粒運動的必然結果。Hertz-Mindlin無滑移模型是本文中所使用顆粒離散元軟件EDEM(Engineering Discrete Element Method)中的默認接觸模型，在接觸應力方面計算高效且精確，本文采用Hertz-Mindlin無滑移接觸模型進行仿真分析。接觸模型如圖1所示。

顆粒間切向阻尼力為

1.顆粒剛度(彈簧)　2.阻尼器　3.摩擦器

2清選室及物料幾何模型

2.1　單進風口清選室?guī)缀文Ｐ?/h2>

本文中的清選室三維模型以江蘇泰州常發(fā)鋒凌農裝公司的4LZ-2聯(lián)合收割機清選室為原型，該清選室采用單進風口結構。由于受到計算機硬件及仿真軟件的處理能力限制，模型不能過于復雜和龐大，因此在合理簡化、保留主要工作部件的基礎上，利用Pro/E進行三維建模，如圖2所示。清選室長度855mm(X方向)，寬度160mm、高度490mm，抖動板左端部距離清選室左側壁100mm(X方向)、振動篩采用編織篩，篩長500mm、寬度160mm、孔徑為10mm×10mm，開孔率78.5%，振動篩左端部距離清選室左側壁320mm(X方向)，清選室進風口傾角20°。

2.2　清選物料幾何模型

在EDEM中模擬的物料對象也需要進行模型化，由脫粒滾筒進入清選室的物料群內含有多種成分，包括水稻籽粒、短莖稈、長草及其他雜質。受限于計算機的處理能力以及EDEM軟件本身建模的缺陷，本文中的仿真模擬僅以成分含量最高的籽粒和短莖稈為研究對象。由于EDEM中的顆粒均采用球形，所以建立水稻籽粒及短莖稈模型需要使用多個球形顆粒進行重疊組合填充以達到符合真實外形的要求，如圖3所示。其中，籽粒為橢球形，長軸6.5mm，短軸3mm；短莖稈為長圓柱型，外徑4.5mm，內徑4mm，長度為25mm[18]。

圖2　單進風口清選室模型

圖3　籽粒和短莖稈模型

3物料力學特性及仿真參數(shù)設置

3.1　物料力學特性及接觸系數(shù)

EDEM中需要輸入物料顆粒的力學特性參數(shù)以及和其他物體的接觸系數(shù)，根據(jù)其他學者所做的試驗結果[19]，物料力學特性及接觸系數(shù)如表1和表2所示。

表1　物料力學特性

表2　接觸系數(shù)

3.2　仿真參數(shù)設置

EDEM中根據(jù)聯(lián)合收割機實際工作情況設定振動篩振動方向角25°，振幅30mm，振動頻率6Hz；顆粒工廠(EDEM軟件中用于產(chǎn)生顆粒的多邊形虛擬區(qū)域)位于抖動版上方200mm處，距離清選室左側壁150mm，顆粒工廠同時產(chǎn)生水稻籽粒與短莖稈兩種物料，產(chǎn)生方式均為動態(tài)，物料尺寸在物料模型尺寸的0.85~1.15倍之間浮動。綜合考慮脫出物中籽粒與短莖稈成分比重[20]及計算機的處理能力，設定籽粒生成速率為2 000個/s，短莖稈生成速率為400個/s，顆粒動態(tài)產(chǎn)生時間為1s，即生成的水稻籽?？倲?shù)為2 000個，短莖稈數(shù)量400個。時間步長的設定既不能過小也不可過大，太小的時間步長會增加仿真總時間，降低模擬效率；而太大的時間步長會使得顆粒之間的接觸碰撞過程變的不穩(wěn)定。綜合考慮二者，將時間步長設為雷利時間步的20%，即1e-5s。

由于清選過程中的空氣并未被壓縮，流體流動的物理量不隨時間改變，因此在Fluent中，選擇基于壓力算法的求解器。渦粘模型選擇標準k～ε模型，采用標準壁面函數(shù)法來配合標準k～ε模型，以解決在近壁面區(qū)域內湍流發(fā)展不充分，不適合使用標準k～ε模型進行計算的缺陷。將工作環(huán)境設置為1個大氣壓，進風口采用velocity inlet，速度為9m/s；湍流定義方法采用湍動粘度與水力直徑，根據(jù)水力直徑的計算公式，其值等于4倍截面通流面積與濕周的比值；在氣體流動中，濕周即為通流截面的周長，由此計算得出水力直徑HD=140mm，進一步計算得到湍動粘度TI=3.81%。流場求解方法采用廣泛使用的SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法，即壓力耦合方程組半隱式算法，離散格式在綜合考慮求解的穩(wěn)定性和精度后采用二階迎風格式，時間步長按經(jīng)驗取為EDEM時間步長的50倍，即5e-4s。

4仿真結果及分析

氣流場速度分布云圖及速度矢量圖如圖4所示。

圖4　氣流場速度云圖及速度矢量

在EDEM中分別設置統(tǒng)計區(qū)域用以統(tǒng)計損失的籽粒個數(shù)和落在籽粒收集區(qū)域的短莖稈質量，位置分別位于篩尾及清選室底部，如圖5所示。

圖5　損失及含雜統(tǒng)計區(qū)域

從清選開始到結束，透過振動篩且未被氣流吹出機外的短莖稈會與籽?；祀s在清選室底部的籽粒收集區(qū)域，該區(qū)域可以分別統(tǒng)計短莖稈以及籽粒的質量，短莖稈質量和該區(qū)域內所有物料總質量的比值為清選含雜率。在清選過程中，如果有籽粒通過損失統(tǒng)計區(qū)域則將其計數(shù)，在清選過程結束后以該區(qū)域統(tǒng)計的籽粒個數(shù)為損失總數(shù)，該值與顆粒工廠生成籽粒總數(shù)之比即為清選損失率。

如圖6所示，單進風口結構清選室在t=2.6s時基本完成清選過程。根據(jù)統(tǒng)計區(qū)域結果顯示， 通過籽粒損失統(tǒng)計區(qū)域的顆粒個數(shù)為89個，與籽粒生成總數(shù)2 000的比值為4.45，即損失率4.45%；落在含雜統(tǒng)計區(qū)域的顆?？傎|量為71.8g，其中短莖稈質量為2.86g，即含雜率3.98%。

理想氣流場的分布情況應當是氣流場在整個篩面分布呈現(xiàn)篩前氣流速度較大，中部有所降低，篩尾氣流速度有所增加[20]。成芳等人也指出，篩面風速沿篩長風速逐漸降低，篩面后部出口處風速應略有提高，這樣的氣流場將有利于清選質量的提高[21]。從圖4所示結果可以看出：氣流從風機出口直到篩面處，形成較為流暢的氣流，經(jīng)過振動篩后由于其反射作用氣流速度略微有所減小，氣流整體方向朝清選室出口處變化，利于將雜物吹出清選室。但是，整個氣流的高速區(qū)域集中在振動篩的中后部，振動篩前端的氣流速度非常小，并且在抖動板到振動篩前端這一區(qū)域內出現(xiàn)了回流和渦流，將會影響清選效果。由于振動篩前端位置是物料由脫粒滾筒落入清選室的集中處，氣流速度過小將不利于物料的篩分且增加了振動篩的清選負荷。由于物料過多堆積于振動篩前端，易造成篩孔的堵塞，減少籽粒的透篩機會，增加清選損失率，所以這種結構的清選室氣流場并不滿足理想要求。

(a)　t=0.5s　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　 (b)　t=1s

(c)　t=1.5s　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(d)　t=2.6s

5清選室改進及仿真結果分析

5.1　單進風口加裝導風板結構

在原清選室結構基礎上，于進風口和振動篩之間加裝兩塊導風板，上導風板左端距離清選室左側壁245mm，距離清選室底部190mm，與水平面夾角45°；下導風板距離清選室左側壁215mm，距離清選室底部150mm，與水平面夾角20°，模型如圖7所示。在Fluent和EDME中以相同的參數(shù)進行仿真模擬。

氣流場速度分布云圖及速度矢量圖如圖8所示。

如圖9所示，單進風口加裝導風板結構在t=2.38s時基本完成清選過程，根據(jù)統(tǒng)計區(qū)域顯示，通過損失統(tǒng)計區(qū)域的顆粒個數(shù)為43個，即損失率2.15%。落在含雜統(tǒng)計區(qū)域的籽粒總質量72.8g，短莖稈質量1.76g，即含雜率2.41%。

圖7　單進風口加裝導風板清選室模型

從圖8可以看出:導風板將進入清選室的氣流分成了3個方向。其中,大部分氣流在經(jīng)過上導風板后改變方向吹向振動篩前端，使得原本的低速氣流區(qū)域變?yōu)楦咚贇饬鲄^(qū)域，更加有利于在篩前吹散物料，更適合于高喂入量作業(yè);另一部分氣流在經(jīng)過導風板后吹向清選室底部的籽粒攪龍，使從振動篩落向籽粒攪龍的物料接受二次清選，增加了清選效率。但是,在抖動板與振動篩前端之間的氣流速度仍然較低，這一區(qū)域仍然存在回流和渦流，從而使由脫粒滾筒落下的物料混合物在這段區(qū)域中未得到有效清選.雖然有抖動板的作用，但還是易發(fā)生局部厚局部薄地堆積在上篩面上，增加了振動篩的負荷，因此考慮對清選室的氣流入口做進一步改進。

圖8　氣流場速度云圖及速度矢量

(a)　t=0.5s　　　　　 　 　　　　　　　　　　　　　　(b)　t=1s

(c)　t=1.5s 　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　(d)　t=2.38s

5.2　雙進風口加裝導流板清選室結構

為了彌補上述不足，對橫軸流風機作出改動，通過引導風道將氣流引至振動篩前端部，并與篩面平行的吹向篩尾，如圖10所示。氣流場速度分布云圖及速度矢量圖如圖11所示。

如圖12所示，雙進風口加裝導風板結構在t=2.21s時基本完成清選過程。根據(jù)統(tǒng)計區(qū)域顯示，通過損失統(tǒng)計區(qū)域的籽粒數(shù)量為4個，損失率為0.2%；落在含雜統(tǒng)計區(qū)域的總質量為75.04g，短莖稈質量為1.24g，即含雜率為1.65%。

由圖11可以看出:增加上進風口后振動篩下方氣流與前述單進風口加導風板結構并無太大區(qū)別，由上進風口進入清選室的氣流在物料從脫粒滾筒落下還未到達篩面前即對其產(chǎn)生作用，即預清選，有利于使得物料更均勻地落在振動篩篩面，降低振動篩前端物料此厚彼薄情況發(fā)生的幾率，有效減小振動篩所受負荷。整個篩面氣流速度仍然呈現(xiàn)前端高，中部有所下降，篩尾有所升高的趨勢，符合理想氣流場速度分布的要求；同時，上進風口的氣流與下進風口氣流共同作用，使得振動篩篩面氣流更加均勻平穩(wěn)，速度方向更利于雜物吹出清選室。雙進風口加導風板清選室結構能夠對物料進行多層次的吹風清選，降低損失率和含雜率，提高清選效率。

圖10　雙進風口加裝導風板清選室模型

圖11　氣流場速度云圖及速度矢量

(a)　t=0.5s　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)　t=1s

(c)　t=1.5s　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　(d)　t=2.21s

單從清選完成速度來看，在完成同樣總量籽粒的清選過程時，單進風口結構清選室需用時2.6s，單進風口加裝導風板結構清選室需用時2.38s，而雙進風口加裝導風板結構清選室用時最少，為2.21s。由此表明：該種結構的清選處理量最大。從清選指標的統(tǒng)計來看，由于振動篩前端是物料經(jīng)脫粒滾筒脫粒后進入清選室的集中區(qū)域，當此處清選氣流速度過小時將不利于吹散物料，易造成篩孔的堵塞，同時篩中部氣流過大也會減少籽粒的透篩幾率，從而增加損失率。篩前端氣流速度的增大，使得該區(qū)域集中的物料更容易被吹散，篩中部氣流速度略有降低，有效增大籽粒透篩幾率，從而降低損失率。同時，由于三風道導風板的作用，使得整個篩下空間有效氣流分均勻地落在振動篩篩面，增大籽粒透篩幾率，同時有效的減小振動篩前端所受負荷。上下出風口氣流共同作用，使得振動篩篩面氣流更加均勻平穩(wěn)，速度方向更利于將雜物吹出清選室。

6結論

1)運用CFD-DEM耦合方法，對3種結構的清選室清選效果進行了仿真模擬，得到了3種結構下清選室氣流場速度分布云圖以及清選統(tǒng)計結果。通過數(shù)據(jù)對比可以看出：單風口加裝導風板及雙風口加裝導風板結構的氣流場基本滿足理想氣流場要求，并且清選效果明顯優(yōu)于單進風口結構清選室。

2)通過結果對比可以看出：雙風口加裝導風板的清選室結構所產(chǎn)生的平行于篩面的橫向氣流能夠在物料觸篩前即對其進行預分離，有利于在篩前吹散物料，減少篩孔堵塞，該結構更適用于大喂入量作業(yè)。

3)由于受到計算機硬件條件限制，仿真時進行了不同的簡化處理，與實際工作情況還有一定差距；但這種耦合仿真方法能夠表達一種由于結構改進所帶來的清選效果優(yōu)化的趨勢，并且這種優(yōu)化的效果隨著顆粒數(shù)的增加將會更加明顯，也能為聯(lián)合收割機清選室結構以及工作參數(shù)優(yōu)化提供一種高效快捷的處理方法。本文旨在為后續(xù)試驗研究提供一定的理論依據(jù)。

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Abstract ID:1003-188X(2016)11-0034-EA

Simulation and Analysis of Air-and-Screen Cleaning of Combine Harvester Based on CFD-DEM

Jiang Tao, Wu Chongyou, Tang Qing, Wang Gang, Wu Jun

(Nanjing Research Institute of Agriculture Mechanization, Nanjing 210014,China)

Abstract：In order to study the effect of cleaning-shoe structure and air-flow field on cleaning in a further step, simulation and analysis of three working conditions which are single tuyere without reflector, single tuyere with reflector, double tuyere with reflector is obtained by using CFD-DEM coupled method. By comparing the numerical findings of the three kinds of cleaning-shoe structure, it is shown that the air flow field distribution of the latter two kinds of structure is much more better than the first one, it is also can be concluded that under the same condition of wind speed and feeding speed, the loss ratio and impurities ratio belong to the double tuyere with reflector structure is respectively 0.2% and 1.65%, which is the best among the three working conditions.The method can provide reliable theory basis to the further design and improvement of air and screen cleaning device.

Key words：CFD; DEM; combine harvester; air-and-screen cleaning

中圖分類號：S225.3

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0034-07

作者簡介：江濤(1988-)，男，安徽六安人，助理研究員，(E-mail)563525030@qq.com。通訊作者：吳崇友(1959-)，男，遼寧鞍山人，研究員，博士生導師，(E-mail)542681935@qq.com。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2013BAD08B00)

收稿日期：2015-10-06