基于EDEM-Fluent耦合的鈣果風(fēng)篩式清選裝置仿真與試驗(yàn)

吳 楠，賀俊林，劉少華，何永強(qiáng)

(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

鈣果，學(xué)名歐李，富含鈣元素，營(yíng)養(yǎng)含量高[1-2]。鈣果機(jī)械采收后，鈣果脫出物中會(huì)夾雜較多枝葉、莖稈等雜質(zhì)，影響鈣果制品的生產(chǎn)效率，鈣果清選成為鈣果機(jī)械采收后亟待解決的問(wèn)題。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，近年來(lái)離散元法和計(jì)算流體力學(xué)已廣泛應(yīng)用于清選裝置的分析。劉義倫等[3]運(yùn)用EDEM軟件模擬各粒級(jí)顆粒在不同條件下的篩分過(guò)程，得出顆粒運(yùn)動(dòng)速度隨著振幅和篩面傾角的增大而加快，振幅越小，越有利于小顆粒篩分。李永祥等[4]運(yùn)用EDEM軟件對(duì)振動(dòng)篩的篩分過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，得出振動(dòng)篩最佳振動(dòng)參數(shù)。李洪昌等[5]運(yùn)用CFD-DEM對(duì)裝置中物料在篩面上的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速在一定范圍增加會(huì)使物料后移速度增加。王桂鋒等[6]應(yīng)用離散元法模擬和分析篩分過(guò)程，得到最佳篩分效率下各個(gè)篩分參數(shù)，建立了振動(dòng)篩參數(shù)與篩分效率關(guān)系曲線。LI Hua等[7]運(yùn)用離散單元法模擬了谷物在振動(dòng)篩上的運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)選擇較大的振動(dòng)頻率和篩面傾角更有利于谷物分離。江海深等[8]通過(guò)DEM仿真研究了在不同篩面長(zhǎng)度下，圓孔篩與方孔篩對(duì)煤炭直線振動(dòng)篩篩分效率的影響。王立軍等[9]采用CFD-DEM耦合仿真方法模擬風(fēng)篩式清選裝置中玉米脫出物在振動(dòng)篩篩面上的運(yùn)動(dòng)狀況。

上述離散元法模擬篩分過(guò)程的分析僅是對(duì)玉米、水稻等小顆粒狀物料的篩選，對(duì)于鈣果等大顆粒物料篩選過(guò)程的仿真分析鮮有研究。

本文結(jié)合鈣果物理特性，設(shè)計(jì)并建立了鈣果清選裝置模型，利用EDEM-Fluent耦合的方法，對(duì)鈣果清選裝置清選過(guò)程進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化清選裝置參數(shù)并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，以期得到鈣果清選裝置最優(yōu)工作參數(shù)組合。

1 清選裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

鈣果風(fēng)篩式清選裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，該裝置由抖動(dòng)板、吊桿、振動(dòng)篩、連桿、曲柄圓盤、支撐桿、風(fēng)機(jī)、電機(jī)及機(jī)架等組成。

1.電機(jī) 2.曲柄圓盤 3.連桿 4.機(jī)架 5.支撐桿 6.振動(dòng)篩 7.吊桿 8.吊板 9.抖動(dòng)板 10.風(fēng)機(jī)圖1 鈣果風(fēng)篩式清選裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of air screen cleaning device for Cerasus humilis

鈣果等物料在抖動(dòng)板上方落下，經(jīng)抖動(dòng)板喂入清選室內(nèi)，在振動(dòng)篩的往復(fù)振動(dòng)下落入集果箱中。在清選過(guò)程中，雜余的一部分從抖動(dòng)板落到振動(dòng)篩的空中被風(fēng)機(jī)吹出清選室外，另一部分落到振動(dòng)篩上，在清選篩的往復(fù)運(yùn)動(dòng)與風(fēng)機(jī)的共同作用下排出清選室。

2 清選裝置簡(jiǎn)化模型及顆粒模型

2.1 清選裝置簡(jiǎn)化模型

清選裝置簡(jiǎn)化仿真模型如圖2所示，模型由喂料口、振動(dòng)篩、進(jìn)風(fēng)口和出料口等組成。清選裝置尺寸1 600 mm×600 mm×600 mm，進(jìn)風(fēng)口直徑260 mm，出風(fēng)口尺寸600 mm×300 mm，振動(dòng)篩選用圓形篩孔，篩板尺寸520 mm×1 500 mm，孔直徑28 mm，孔間距40 mm，篩面開(kāi)孔率65%。

1.進(jìn)風(fēng)口 2.清選室 3.喂料口 4.振動(dòng)篩 5.出料口圖2 鈣果清選裝置簡(jiǎn)化模型Fig.2 Simplified model of Cerasus humilis cleaning device

2.2 顆粒模型

鈣果脫出物中有莖稈、葉子及灰塵等，統(tǒng)計(jì)鈣果脫果裝置作業(yè)后收集到的物料中鈣果、葉子與莖稈所占的個(gè)數(shù)比為8∶12∶5。在EDEM軟件中，采用“多球重聚法”對(duì)鈣果等進(jìn)行簡(jiǎn)化和填充[10]。鈣果形狀近似于球形，平均直徑22 mm，莖稈由12個(gè)直徑5 mm的球體填充而成，長(zhǎng)度17 mm。葉子則由57個(gè)直徑1 mm的球體填充而成。具體模型如圖3所示。

圖3 顆粒三維模型Fig.3 Three-dimensional model of particles

3 物料力學(xué)特性及仿真參數(shù)設(shè)置

3.1 物料力學(xué)特性及接觸系數(shù)

在仿真過(guò)程中，鈣果脫出物各物理特性參數(shù)如表1所示，試驗(yàn)測(cè)得各材料之間的接觸系數(shù)如表2所示[11]。

表1 物料物理特性Tab.1 Physical characteristics of materials

表2 材料之間接觸特性Tab.2 Contact characteristics between materials

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

運(yùn)用CFD-DEM耦合計(jì)算模擬清選裝置的作業(yè)過(guò)程。其中氣相由Fluent 19.0計(jì)算，顆粒相由EDEM 2018計(jì)算。

在Fluent中選擇求解器，渦粘模型選擇SIMPLE模型；設(shè)置工作環(huán)境為1個(gè)大氣壓；設(shè)定邊界條件，入口風(fēng)速分別為8、10和12 m/s，出口設(shè)置為壓力出口[12-13]。

在EDEM中各材料接觸模型選用Hertz-Mindlin(no-slip)接觸模型[14-15]。設(shè)定清選裝置中振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)頻率分別為6、9和12 Hz，振幅分別為8、10和12 mm。EDEM中時(shí)間步長(zhǎng)為雷利時(shí)間步長(zhǎng)的30%，F(xiàn)luent時(shí)間步長(zhǎng)是EDEM的50倍。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 單因素仿真試驗(yàn)

以鈣果的清潔率B，損失率C為鈣果清選裝置的性能指標(biāo)。分別以風(fēng)速、振動(dòng)篩頻率和振幅為影響因素進(jìn)行單一變量仿真試驗(yàn)。鈣果清潔率B計(jì)算方法如式(1)所示，損失率C計(jì)算方法如式(2)所示。

(1)

(2)

式中W1——仿真完成后集果箱內(nèi)鈣果等混合物的總個(gè)數(shù)

W2——仿真完成后集果箱內(nèi)鈣果的個(gè)數(shù)

M1——仿真前喂入鈣果的總個(gè)數(shù)

4.1.1風(fēng)速對(duì)清選效果的影響

在振動(dòng)篩振幅10 mm，振動(dòng)頻率9 Hz的情況下，對(duì)風(fēng)速分別為8、10和12 m/s的清選過(guò)程進(jìn)行模擬。得到不同風(fēng)速下的鈣果損失率B、清潔率C，如圖4所示。

圖4 風(fēng)速對(duì)清選效果的影響Fig.4 Effect of wind speed on cleaning effect

4.1.2振幅對(duì)清選效果的影響

在風(fēng)速10 m/s，頻率9 Hz的情況下，對(duì)振幅分別為8、10和12 mm的清選過(guò)程進(jìn)行模擬。得到不同振幅下的鈣果損失率B、清潔率C，如圖5所示。

圖5 振幅對(duì)清選效果的影響Fig.5 Effect of amplitude on cleaning effect

4.1.3頻率對(duì)清選效果的影響

在風(fēng)速10 m/s，振幅10 mm的情況下，對(duì)頻率分別為6、9和12 Hz的清選過(guò)程進(jìn)行模擬。得到不同振幅下的鈣果損失率B、清潔率C，如圖6所示。

圖6 頻率對(duì)清選效果的影響Fig.6 Effect of frequency on cleaning effect

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖4可以看出，當(dāng)風(fēng)速?gòu)? m/s增加到12 m/s時(shí)，鈣果的損失率由3%增加到20%，鈣果的清潔率由94.1%先增加到98.5%然后再減少到95.6%。這是由于風(fēng)速越大，愈多物料經(jīng)風(fēng)力作用被吹出清選室外，鈣果的損失率增加，清潔率降低。綜合考慮，風(fēng)速10 m/s時(shí)，能保證較高的清選效果。

由圖5可以看出，鈣果的損失率與振幅成正相關(guān)，而清潔率則隨著振幅的增加先增大后減小。這是由于振幅越大，物料被拋起的高度越高，鈣果到達(dá)篩面的時(shí)間就越長(zhǎng)，透篩效率降低，鈣果損失率增加，篩下鈣果的比例減少，清潔率降低。綜合考慮，振幅10 mm時(shí)，能保證較高的清選效果。

由圖6可以看出，當(dāng)振動(dòng)篩頻率逐步增加，鈣果的損失率也逐漸增大，鈣果的清潔率先增大后減小。這是由于振動(dòng)篩的頻率較大時(shí)，鈣果跳動(dòng)頻率增加，與雜余的接觸次數(shù)增加，影響透篩，鈣果的損失率增加，篩下鈣果比例減少，清潔率降低。綜合考慮，頻率9 Hz時(shí)，清選裝置的作業(yè)效果較好。

5 臺(tái)架試驗(yàn)

基于仿真優(yōu)化參數(shù)結(jié)果，設(shè)計(jì)加工鈣果風(fēng)篩式清選裝置，試驗(yàn)裝置如圖7所示。試驗(yàn)臺(tái)風(fēng)力由CTZ電動(dòng)吹風(fēng)機(jī)提供，試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)篩頻率由電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)篩振幅由機(jī)架吊桿長(zhǎng)度控制。

圖7 鈣果風(fēng)篩式清選裝置Fig.7 Air screen cleaning device for Cerasus humilis

5.1 試驗(yàn)方法

以清潔率和損失率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別以振動(dòng)篩頻率、振幅和風(fēng)機(jī)風(fēng)速為影響因素作單一變量試驗(yàn)，探究振動(dòng)篩頻率、振幅和風(fēng)速等因素對(duì)裝置清選效果的影響。

設(shè)定鈣果混合物喂入量100個(gè)/s，成分及比例與仿真時(shí)一樣，均勻混合后，預(yù)試驗(yàn)將300個(gè)鈣果脫出物喂入清選裝置，經(jīng)多次試驗(yàn)保證鈣果等混合物在5 s內(nèi)從抖動(dòng)板完全下落。每次試驗(yàn)將鈣果脫出物重新按比例混合進(jìn)行試驗(yàn)。

5.1.1風(fēng)機(jī)風(fēng)速試驗(yàn)

設(shè)定振動(dòng)篩振幅10 mm、頻率9 Hz，研究不同風(fēng)機(jī)風(fēng)速對(duì)清選效果的影響。

5.1.2振動(dòng)篩頻率試驗(yàn)

設(shè)定振動(dòng)篩振幅10 mm、風(fēng)速10 m/s，研究不同振動(dòng)篩頻率對(duì)清選效果的影響。

5.1.3振動(dòng)篩振幅試驗(yàn)

設(shè)定振動(dòng)篩頻率9 Hz、風(fēng)速10 m/s，分別在8、10和12 mm振動(dòng)篩振幅下進(jìn)行試驗(yàn)，分析不同振幅對(duì)清選效果的影響。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可以看出，隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)速、振動(dòng)篩頻率與振幅的增加，清選裝置的清潔率先增大后減小，損失率逐步增大。其結(jié)果與仿真結(jié)

表3 單因素試驗(yàn)與結(jié)果Tab.3 Single factor tests and results

果基本一致。

5.3 正交試驗(yàn)分析

為了探究風(fēng)機(jī)風(fēng)速、振動(dòng)篩頻率與振動(dòng)篩振幅對(duì)鈣果風(fēng)篩式清選裝置清選效率影響的最優(yōu)組合，開(kāi)展3因素3水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素指標(biāo)如表4所示。

表4 試驗(yàn)因子指標(biāo)Tab.4 Test factor indexes

利用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果如表5所示。由方差分析結(jié)果可知，風(fēng)機(jī)風(fēng)速與振動(dòng)篩振幅對(duì)清選裝置清選效果的影響極顯著，振動(dòng)篩頻率對(duì)清選裝置清選效果顯著。各因素對(duì)清選效率影響的優(yōu)先級(jí)為風(fēng)機(jī)風(fēng)速>振動(dòng)篩振幅>振動(dòng)篩振動(dòng)頻率。

表5 方差分析Tab.5 Analysis of variance

5.4 最佳清選參數(shù)選擇

根據(jù)單因素試驗(yàn)與正交試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮鈣果等物料物理特性，選擇最優(yōu)清選參數(shù)為風(fēng)機(jī)風(fēng)速10 m/s，振動(dòng)篩振幅10 mm，振動(dòng)篩振動(dòng)頻率9 Hz。在最優(yōu)清選參數(shù)下，裝置的清潔率96.3%，損失率3.4%

6 結(jié)論

(1)針對(duì)目前鈣果采收高含雜率的問(wèn)題，結(jié)合鈣果等物料物理特性，設(shè)計(jì)了鈣果風(fēng)篩式清選裝置，主要由風(fēng)機(jī)、振動(dòng)篩、機(jī)架、吊桿和支撐桿等組成。

(2)在CFD-DEM耦合過(guò)程中，隨著風(fēng)速、振動(dòng)篩的振動(dòng)頻率和振幅的增大，鈣果的損失率一直增加，鈣果的清潔率先增加后減少。

(3)根據(jù)清選裝置單因素試驗(yàn)結(jié)果，隨著風(fēng)速、振動(dòng)篩振動(dòng)頻率和振幅的增大，鈣果的損失率一直增加，鈣果的清潔率先增加后減少。此結(jié)果與CFD-DEM耦合仿真結(jié)果趨勢(shì)基本一致。

(4)根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)結(jié)果，風(fēng)速10 m/s、振幅10 mm和頻率9 Hz為最佳工作參數(shù)，此時(shí)鈣果清潔率96.3%，損失率3.4%。