基于EDEM-Fluent耦合胡麻清選裝置過(guò)程模擬分析

李姣姣，賀俊林，徐福龍，王月華

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山西 晉中030801)

0 引言

胡麻，即油纖兼用型或油用型亞麻的俗稱(chēng)，是中國(guó)西北和華北地區(qū)主要的油料作物，具有價(jià)值高、用途廣等特點(diǎn)，被多個(gè)國(guó)家種植生產(chǎn)[1]。目前我國(guó)的胡麻生產(chǎn)機(jī)械化水平不高，清選裝置作為胡麻聯(lián)合收獲機(jī)及胡麻分段收獲裝備核心部件之一，其工作性能直接影響胡麻的收獲質(zhì)量[2]。因此，提高胡麻清選裝置的效率，尤為重要。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)與離散元法已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。熊平原等[3]利用離散元軟件，構(gòu)建了適應(yīng)南方土質(zhì)環(huán)境的旋耕刀-土壤相互作用仿真模型，并對(duì)旋耕刀所受工作阻力進(jìn)行研究。李洪昌等[4-5]運(yùn)用CFD-DEM耦合方法對(duì)風(fēng)篩式清選裝置中物料在篩面運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，在一定的范圍風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速增加會(huì)使物料后移速度增加，并通過(guò)試驗(yàn)證明，此方法是可行的。MEKONNEN G G等[6]利用CFD流體軟件研究了不同渦旋壁位置對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)橫流風(fēng)機(jī)流場(chǎng)的影響。紀(jì)海春[7]利用DEM-CFD耦合方法對(duì)氣吸式排種器排種過(guò)程進(jìn)行仿真，得到不同參數(shù)組合下排種器的排種性能指標(biāo)，并且與試驗(yàn)得到的規(guī)律誤差較小。以上研究為計(jì)算流體力學(xué)與離散元法仿真試驗(yàn)的可行性提供重要的理論依據(jù)。清選過(guò)程中脫粒物料受力復(fù)雜，通過(guò)試驗(yàn)法研究胡麻在清選過(guò)程的受力仍存在欠缺，故借助離散單元法對(duì)清選過(guò)程中胡麻受力及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行研究與分析。

基于胡麻脫出物物理特性的不同，以EDEM-Fluent耦合為手段，模擬胡麻脫粒物料在清選裝置中作業(yè)過(guò)程，分析胡麻清選裝置作業(yè)參數(shù)對(duì)清選性能的影響規(guī)律，獲得胡麻清選裝置作業(yè)參數(shù)的最佳參數(shù)，為胡麻清選裝置參數(shù)選擇和優(yōu)化提供參考。

1 清選裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1清選裝置結(jié)構(gòu)

胡麻風(fēng)篩式清選裝置主要由喂料系統(tǒng)、清選系統(tǒng)、機(jī)架和電機(jī)等部件組成，樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.喂料口 2.風(fēng)機(jī) 3.吊板 4.吊桿 5.機(jī)架 6.清選篩 7.支撐桿 8.連桿 9.曲柄圓盤(pán) 10.電機(jī)圖1 胡麻風(fēng)篩式清選裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of wind screen cleaning device for flax

1.2工作原理

胡麻清選裝置工作時(shí)，物料從喂料口進(jìn)入到清選室，通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)清選篩做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在風(fēng)機(jī)一定氣流的作用下為清選作業(yè)提供合適的氣流場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)胡麻脫粒物料的分層與分離。由于重力，胡麻籽粒和較大的雜余掉落到振動(dòng)篩面上，在振動(dòng)篩的作用下，再次進(jìn)行清選。經(jīng)過(guò)分離和清選的籽粒落入集糧箱，蒴果殼、短莖稈與其他雜余隨氣流和清選篩的作用排出機(jī)外。在氣流和清選篩的過(guò)度作用下，小部分胡麻籽粒被排出機(jī)外，導(dǎo)致胡麻清選損失。

2 清選裝置模型及顆粒模型

2.1清選裝置模型

采用Solidworks軟件進(jìn)行建模，由于受到計(jì)算機(jī)軟件處理能力限制，清選裝置仿真模型尺寸不宜過(guò)大，在保留主要的工作部件基礎(chǔ)上進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。胡麻清選裝置簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

1.進(jìn)風(fēng)口 2.喂料口 3.清選篩 4.清選室 5.出料口圖2 胡麻清選裝置簡(jiǎn)化模型Fig.1 Simplified model of flax cleaning device

清選室尺寸為380 mm×100 mm×210 mm，進(jìn)風(fēng)口尺寸為70 mm×100 mm，出風(fēng)口尺寸為90 mm×100 mm，篩板尺寸為320 mm×96 mm，清選篩選用方形篩孔，篩孔尺寸為10.0 mm×2.4 mm。

2.2顆粒模型

胡麻脫出物主要包含胡麻籽粒、蒴果、蒴果殼和短莖稈。由于蒴果極少，本研究只選取胡麻籽粒、蒴果殼和短莖稈為模擬對(duì)象。為保證清選作業(yè)過(guò)程的真實(shí)模擬，利用Solidworks軟件對(duì)胡麻脫粒物料進(jìn)行實(shí)體建模(圖3)，并將其導(dǎo)入EDEM軟件，用不等半徑的球體對(duì)其進(jìn)行填充，直至接近于實(shí)物，其中胡麻籽粒模型由18個(gè)球形顆粒聚合而成，長(zhǎng)、寬、厚分別為4.8 mm×2.5 mm×1.0 mm；蒴果殼模型由9個(gè)球形顆粒聚合而成，其長(zhǎng)、寬、高分別為5.8 mm×5.6 mm×3.2 mm；短莖稈模型由19個(gè)球形顆粒聚合而成，其長(zhǎng)、寬、高分別為16.1 mm×1.0 mm×1.0 mm。

圖3 胡麻脫粒物料離散元模型Fig.3 Discrete element model of flax threshing material

3 物料力學(xué)特性及仿真參數(shù)設(shè)置

3.1物料物理特性參數(shù)

胡麻脫出物各物理特性參數(shù)及物料之間的接觸系數(shù)如表1～2所示[8-9]。

表1 物料物理特性參數(shù)

表2 材料之間接觸參數(shù)

3.2仿真參數(shù)設(shè)置

采用EDEM2.7與FLUENT16.0版本進(jìn)行耦合。在EDEM中選擇Hertz-Mindlin(no-slip)為顆粒接觸模型。設(shè)定胡麻籽粒生成速率600個(gè)/s；蒴果殼生成速率1 050個(gè)/s；短莖稈生成速率1 050個(gè)/s[10]。設(shè)置清選篩振動(dòng)頻率6 Hz，振幅9 mm，振動(dòng)方向角0°，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)2×10-6s，數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔0.01 s，仿真總時(shí)間3 s。

在FLUENT中選擇空氣作為流體，重力設(shè)置在Y軸負(fù)方向，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。設(shè)定一個(gè)氣流入口，風(fēng)速設(shè)置為4.5 m/s，氣流傾角為4°，出口設(shè)置為壓力出口。FLUENT求解器的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為EDEM時(shí)間步長(zhǎng)的50倍，即為1e-04s，步數(shù)為30 000步[11]。耦合計(jì)算中，選擇歐拉-拉格朗日耦合模型。

4 仿真試驗(yàn)與分析

4.1單因素試驗(yàn)

選擇清選過(guò)程中風(fēng)機(jī)風(fēng)速、氣流傾角、振動(dòng)頻率和清選篩振動(dòng)幅度為4個(gè)因素，以籽粒含雜率、清選損失率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平如表3所示，分析不同工作參數(shù)組合下對(duì)清選裝置性能的影響，以獲得最優(yōu)參數(shù)組合[12-13]。

表3 試驗(yàn)因素與水平

根據(jù)現(xiàn)有的研究數(shù)據(jù)及相關(guān)的參考文獻(xiàn)，選定單因素試驗(yàn)如下：風(fēng)機(jī)風(fēng)速為3.5～5.5 m/s，氣流傾角為0°～8°，清選篩振動(dòng)頻率為2～10 Hz，清選篩振動(dòng)幅度為7～15 mm。進(jìn)行仿真試驗(yàn)時(shí)，選用以下作業(yè)參數(shù)組合：風(fēng)機(jī)風(fēng)速為4.5 m/s，氣流傾角為4°，清選篩振動(dòng)頻率為6 Hz，清選篩振幅為9 mm。每組仿真試驗(yàn)固定其中3個(gè)因素，探究上述4個(gè)單因素對(duì)清選裝置性能的影響規(guī)律。單因素試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4a分析可知，隨著風(fēng)速的提高，胡麻籽粒含雜率整體呈下降趨勢(shì)，清選損失率整體呈上升趨勢(shì)。當(dāng)風(fēng)速為3.5～4.5 m/s，籽粒含雜率隨風(fēng)機(jī)風(fēng)速增大，下降幅度較大，當(dāng)風(fēng)速為4.5～5.5 m/s，籽粒含雜率隨風(fēng)機(jī)風(fēng)速增大，下降幅度較平緩；當(dāng)風(fēng)速為3.5～5.5 m/s，隨風(fēng)機(jī)風(fēng)速提升胡麻清選損失率平緩上升。由圖4b分析可知，隨著氣流傾角的提高，胡麻籽粒含雜率呈現(xiàn)先下降再上升趨勢(shì)，胡麻清選損失率呈現(xiàn)平緩下降趨勢(shì)。由圖4c分析可知，隨著清選篩振動(dòng)頻率的提高，胡麻籽粒含雜率呈現(xiàn)先平緩下降后平緩上升趨勢(shì)，影響不明顯，胡麻清選損失率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。由圖4d分析可知，當(dāng)清選篩振幅在7～15 mm，隨清選篩振幅參數(shù)提高，胡麻籽粒含雜率整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，對(duì)于胡麻清選損失率，整體呈現(xiàn)勻速上升趨勢(shì)。

圖4 單因素試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Single factor test results

綜上所述，風(fēng)機(jī)風(fēng)速4.0～5.0 m/s，氣流傾角2°～4°，清選篩頻率4～8 Hz，清選篩振幅7～11 mm是胡麻清選裝置較優(yōu)的作業(yè)參數(shù)，此參數(shù)不僅保證較低的胡麻籽粒含雜率，還得到較低的胡麻清選損失率。

4.2正交試驗(yàn)

4.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步尋求胡麻清選裝置清選作業(yè)參數(shù)最優(yōu)組合，以風(fēng)機(jī)風(fēng)速、氣流傾角、清選篩振動(dòng)頻率及振幅為試驗(yàn)因素，用x1、x2、x3和x4表示，以籽粒含雜率、清選損失率為清選性能指標(biāo)，用y1、y2表示，開(kāi)展胡麻清選裝置作業(yè)參數(shù)4因素3水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平編碼如表4所示，正交試驗(yàn)與結(jié)果如表5所示[14]。

表4 試驗(yàn)因素編碼

表5 正交試驗(yàn)與結(jié)果

4.2.2回歸模型與分析

應(yīng)用Design-Expert軟件對(duì)籽粒含雜率y1與清選損失率y2進(jìn)行回歸模型方差分析，如表6～7所示，分別獲得y1與y2的二次回歸模型：

y1=3.16-0.20x1-0.14x2-0.91x3-0.16x4

-0.15x1x2-0.11x1x3-0.007 5x1x4-0.048x2x3

-0.15x2x4-0.1x3x4+0.73x12+0.13x22+0.17x32

+0.50x42

(1)

y2=2.82+0.63x1+0.20x2+0.28x3-0.043x4+0.33x1x2-0.090x1x3+0.28x1x4+0.28x2x3

+0.050x2x4-0.065 1x3x4+0.23x12-0.19x22-0.051x32+0.058x42

(2)

由表6可知，胡麻籽粒含雜率y1回歸模型P<0.000 1，表明回歸模型顯著性極高；失擬項(xiàng)P>0.05，失擬項(xiàng)不顯著，說(shuō)明二次回歸模型擬合效果好。其中在籽粒含雜率回歸模型中一次項(xiàng)x1、x2、x3和x4對(duì)籽粒含雜率影響均極顯著；二次項(xiàng)x12、x42對(duì)籽粒含雜率影響均極顯著；交互項(xiàng)x1x2、x2x4對(duì)籽粒含雜率影響達(dá)顯著。根據(jù)回歸模型各因素影響程度的大小，得到各因素影響程度主次順序?yàn)閤3、x1、x4和x2。

表6 胡麻籽粒含雜率方差分析

表7 清選損失率方差分析

4.2.3最佳參數(shù)選擇

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果和回歸模型可知，胡麻籽粒含雜率最優(yōu)參數(shù)組合為風(fēng)機(jī)風(fēng)速4.48 m/s、氣流傾角4.3°、清選篩振動(dòng)頻率7.6 Hz、清選篩振幅10.1 mm；胡麻清選損失率最優(yōu)參數(shù)組合為風(fēng)機(jī)風(fēng)速4.04 m/s、氣流傾角4.9°、清選篩振動(dòng)頻率5.1 Hz、清選篩振幅10.5 mm。利用Design-Expert軟件進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化分析，在綜合考慮清選作業(yè)參數(shù)對(duì)清選性能影響的基礎(chǔ)上，得到最佳清選工作參數(shù)：風(fēng)機(jī)風(fēng)速4.5 m/s、氣流傾角4°、清選篩振動(dòng)頻率6 Hz、清選篩振幅9 mm。在最佳清選參數(shù)組合下，胡麻籽粒含雜率為2.97%，清選損失率為2.39%。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)目前胡麻清選過(guò)程籽粒含雜率和清選損失率較高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了胡麻風(fēng)篩式清選裝置，完成了該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析，為胡麻清選裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。

(2)基于EDEM-Fluent耦合，進(jìn)行了單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，得到胡麻籽粒含雜率與清選損失率的數(shù)學(xué)回歸模型及最優(yōu)參數(shù)組合，胡麻籽粒含雜率最優(yōu)參數(shù)組合：風(fēng)機(jī)風(fēng)速4.48 m/s、氣流傾角4.3°、振動(dòng)頻率7.6 Hz、振幅10.1 mm；胡麻清選損失率最優(yōu)參數(shù)組合為：風(fēng)機(jī)風(fēng)速4.04 m/s、氣流傾角4.9°、振動(dòng)頻率5.1 Hz、振幅10.5 mm。

(3)利用Design-Expert軟件，對(duì)清選裝置作業(yè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳清選工作參數(shù)：風(fēng)機(jī)風(fēng)速4.5 m/s、氣流傾角4°、清選篩振動(dòng)頻率6 Hz、清選篩振幅9 mm。在最佳清選參數(shù)組合下，胡麻籽粒含雜率為2.97%，清選損失率為2.39%。