基于CFD-DEM耦合的核桃殼仁混合物負(fù)壓風(fēng)選仿真研究

陳旭東,胡國玉,2,*,趙騰飛,李忠新,周建平,2,

基于CFD-DEM耦合的核桃殼仁混合物負(fù)壓風(fēng)選仿真研究

陳旭東1,胡國玉1,2,3*,趙騰飛1,李忠新3,周建平1,2,3

1. 新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830047 2. 新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)牧機(jī)器人及智能裝備工程研究中心, 新疆 烏魯木齊 830047 3. 新疆大學(xué)葉城核桃產(chǎn)業(yè)研究院, 新疆 葉城縣 844900

在核桃精深加工過程中，風(fēng)選法可以實(shí)現(xiàn)核桃殼仁混合物料高效無損地分離。為了研究不同等級(jí)的核桃殼仁顆粒在氣流場(chǎng)中的分選效果，本文設(shè)計(jì)一種負(fù)壓垂直氣流風(fēng)選裝置，采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)與離散單元法(DEM)耦合的方法對(duì)風(fēng)選過程進(jìn)行仿真模擬，引用清選率與損失率量化風(fēng)選效果。結(jié)果表明：當(dāng)進(jìn)料量一定，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速19 m/s時(shí)，二分之一殼仁混合物料清選率達(dá)到96.5%，損失率僅為0.41%，分選效果最佳；進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為17 m/s時(shí)，四分之一殼仁混合物料清選率為94.8%，損失率為0.8%，分選效果較為理想；進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為16 m/s時(shí)，八分之一殼仁混合物物料清選率為92%，損失率為1.22%，風(fēng)選效果較為合理。研究表明在垂直風(fēng)道里，核桃殼的流動(dòng)速度圍繞某一固定值上下波動(dòng)，核桃仁沉降速度隨著顆粒濃度增加而減小并逐漸趨于穩(wěn)定。

核桃; 負(fù)壓風(fēng)選; 仿真分析

核桃精深加工技術(shù)是制約核桃經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素，且破殼后殼仁混合物料的分離是核桃精深加工的重要環(huán)節(jié)[1]。核桃經(jīng)過破殼，物料分級(jí)，得到二分之一殼仁混合物料、四分之一殼仁混合物料、八分之一殼仁混合物料以及碎料等。設(shè)計(jì)殼仁分離裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同等級(jí)核桃殼仁混合物料的分離，成為一個(gè)亟待解決的問題。

關(guān)于核桃殼仁分離，國內(nèi)董遠(yuǎn)德等[2]設(shè)計(jì)了核桃殼仁分離裝置，并進(jìn)行了水平正交試驗(yàn)，結(jié)果表明風(fēng)量大小、風(fēng)腔長度和喂入量對(duì)分選率有顯著影響。曹成茂等[3]通過控制風(fēng)速均勻性與風(fēng)速精度研究了山核桃物料的風(fēng)選過程，得出風(fēng)速、殼與仁含水率、迎風(fēng)面容量比組合參數(shù)下最優(yōu)的清選率和最低的誤選率。國外Nahal AM等[4]將兩個(gè)品種的核桃殼仁物料分為殼、仁、殼仁鑲嵌物三類，通過研究分離時(shí)間、進(jìn)料量和風(fēng)速對(duì)殼仁分離效果的影響，分析了不同核桃殼仁混合物的末端速度，最終得出物料最佳分離速度。Jin FH[5]等利用核桃殼仁不同的光學(xué)圖像，采用機(jī)器視覺的方法實(shí)現(xiàn)殼仁分離，但此種方法不適用大規(guī)模生產(chǎn)，不宜在我國推廣。通過總結(jié)國內(nèi)外學(xué)者對(duì)核桃殼仁分離技術(shù)的研究成果以及前往葉城縣核桃產(chǎn)業(yè)基地實(shí)地調(diào)研，實(shí)現(xiàn)核桃殼仁分離，必須結(jié)合核桃自身物理特性研究，利用核桃殼仁空氣動(dòng)力學(xué)特性的差異，采用風(fēng)選法可以有效實(shí)現(xiàn)分離。

CFD-DEM耦合方法在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用。王立軍等[6]利用CFD-DEM耦合方法模擬了不同的風(fēng)速下玉米脫出物的運(yùn)動(dòng)過程與規(guī)律。丁賀賀等[7]設(shè)計(jì)了垂直風(fēng)選機(jī)，采用DEM-CFD耦合方法研究了谷粒-莖稈的分選規(guī)律，分析了風(fēng)選參數(shù)對(duì)風(fēng)選效果的影響。

本文運(yùn)用CFD-DEM耦合的方法，模擬研究了垂直風(fēng)道內(nèi)負(fù)壓風(fēng)選過程中不同等級(jí)核桃殼仁混合物的分離過程，并分析了不同風(fēng)速下殼仁的分離效果，揭示了核桃殼仁在垂直風(fēng)道里的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為核桃殼仁分離技術(shù)提供分選方法與理論基礎(chǔ)。

1 風(fēng)選原理

風(fēng)選法是利用物料與雜質(zhì)在分選室內(nèi)懸浮速度的差異實(shí)現(xiàn)分離。依據(jù)風(fēng)機(jī)工作時(shí)分離室內(nèi)風(fēng)壓情況，分正壓吹風(fēng)式分離法與負(fù)壓吸風(fēng)式分離法[8]。本文采用負(fù)壓垂直氣流分離法實(shí)現(xiàn)對(duì)核桃殼仁混合物料的分離，基本原理是氣流將質(zhì)量較輕的核桃殼吸入到卸料箱中收集，核桃仁依靠自身的重力從分離室內(nèi)流出收集（圖1）。在垂直風(fēng)道里，核桃殼仁顆粒主要受到風(fēng)力與重力的作用。

圖1 核桃殼仁球體化受力圖

在同一流體介質(zhì)中，對(duì)于不規(guī)則形狀的核桃混合物料與其當(dāng)量球體的體積和密度保持不變，得到修正的殼仁物料的懸浮速度[9]，如式(1)所示。依據(jù)不同核桃殼仁等級(jí)物理參數(shù)，可計(jì)算出不同形態(tài)殼仁的懸浮速度，當(dāng)同等級(jí)的核桃殼仁在分離室內(nèi)受到的風(fēng)速大于殼的懸浮速度時(shí)殼仁完成分離。

式中：υ是料懸浮速度（m/s）；k是球形系數(shù)；d是為當(dāng)量球直徑，m；ρ是物料密度，kg/m3；-是空氣密（kg/m3）；是阻力系數(shù)；是重力加速度（9.8 m/s2）。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 流體動(dòng)力學(xué)方程

基于CFD-DEM耦合方法，采用標(biāo)準(zhǔn)的湍流模型對(duì)核桃殼仁分離過程進(jìn)行數(shù)值模擬。其流體相連續(xù)方程和動(dòng)量守恒方程分別為[10]：

式中：ε是氣體體積分?jǐn)?shù)；ρ是氣體密度（kg/m3）；υ氣體流速（m/s）；是時(shí)間（s）；是氣體微元體上的的壓力（Pa）；重力加速度（m/s2）；R是動(dòng)量源項(xiàng)；是氣體動(dòng)力黏度（Pa·s）。

動(dòng)力源項(xiàng)R表示在網(wǎng)格單元格內(nèi)氣流所受阻力的總和，其方程式為[11]：

式中：F是顆粒對(duì)氣體的阻力作用（N）；V是網(wǎng)格單元的體積（m3）。

由于氣流對(duì)核桃殼仁顆粒的主要作用力為曵力，選擇Freestream阻力模型，其計(jì)算方程式為：

式中：C是單個(gè)顆粒曳力系數(shù)；是顆粒投影面積，m2；是氣體對(duì)顆粒的相對(duì)流動(dòng)速度，m/s。

2.2 顆粒接觸碰撞模型

在EDEM與FLUENT耦合過程中，顆粒間的運(yùn)動(dòng)行為應(yīng)考慮顆粒與顆粒，顆粒與容器壁面之間相互碰撞過程。本文采用Hertz-Mindlin無粘結(jié)接觸模型，顆粒間碰撞采用軟球面接觸，分離室壁面視為半徑無窮大的球體。顆粒間的法向力F、法向阻尼力F切向力F切向阻尼力F[12]分別為：

式中：是等效彈性模量（Pa）；是等效顆粒半（m）；是法向重疊量（m）；是恢復(fù)系數(shù)；S是法向剛度（N/m）；m是等效質(zhì)量（kg）；u是相對(duì)速度的法向速度（m/s）；S是切向剛度（N/m）；是切向重疊量（m）；ul是相對(duì)速度的切向速度（m/s）。

2.3 氣固兩相相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程

DEM-CFD耦合過程中，固體相顆粒采用力學(xué)平衡方程進(jìn)行求解[13]。

式中：m是顆粒的質(zhì)量（kg）；I是顆粒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；V是顆粒的速度（m/s）；ω是顆粒的角速度（rad／s）；是重力加速度（m/s2）；是吹風(fēng)傾角；是受風(fēng)面積（m2）；ρ是氣體密度（kg／m3）；υ是氣體流速（m/s）；F是法向力（Ｎ）；F是切向力（Ｎ）；T是切向力矩（Ｎ·ｍ）；T是摩擦力矩（Ｎ·ｍ）。

3 風(fēng)選室及物料幾何模型

3.1 負(fù)壓風(fēng)選室?guī)缀文Ｐ团c原理

本文模型采用垂直氣流負(fù)壓風(fēng)選裝置，如圖2所示，運(yùn)用Solidworks軟件建立，其特征在于：進(jìn)料口為120 mm×400 mm，保證物料是單層進(jìn)入分離腔，與分離腔的夾角為45°；進(jìn)風(fēng)口的幾何尺寸為400 mm×120 mm，距離進(jìn)料口560 mm處；分離腔的幾何尺寸為1100 mm×400 mm×120 mm，上端設(shè)計(jì)物料加速流動(dòng)區(qū)域，確保殼與仁完全分開后核桃殼加速進(jìn)入卸料箱內(nèi)；卸料箱上端面為820 mm×400 mm的矩形，下端面為400 mm×300 mm的矩形，高度為1200 mm；出風(fēng)口直徑為Φ250 mm的圓形敞口，卸料箱下端面安裝有星型卸料器，確保工作時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓環(huán)境。

1.進(jìn)風(fēng)口 2.進(jìn)料口 3.分離腔 4.加速流動(dòng)區(qū) 5.出風(fēng)口 6.卸料箱 7.星型閉風(fēng)器

核桃殼仁混合物料從進(jìn)料口落入分離腔內(nèi)，由于核桃殼與仁之間懸浮速度的差異，核桃仁所受的浮力小于自身重力，從分離腔內(nèi)落下，核桃殼所受浮力大于自身重力，在風(fēng)力的作用下進(jìn)入加入流動(dòng)區(qū)，流入卸料箱，由于卸料箱空間面積的急劇擴(kuò)大，所受浮力減小，落入卸料箱底部，由星型卸料器收集。上述就是整個(gè)負(fù)壓風(fēng)選裝置具體工作原理。

3.2 核桃殼仁混合物料模型

核桃破殼后產(chǎn)生的物料經(jīng)過分級(jí)得到不同規(guī)格的殼仁混合物，對(duì)核桃殼仁從棱長、長徑、厚度三個(gè)方向進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量尺寸如表1所示。依據(jù)尺寸將核桃殼仁顆粒分為四個(gè)等級(jí)，分別是1/2殼仁混合物、1/4殼仁混合物、1/8殼仁混合物、1/16殼仁混合物等。1/16殼仁懸浮速度差異較小，使用風(fēng)選法效果不佳[14]，本文不對(duì)其進(jìn)行研究分析。

圖1 不同等級(jí)核桃殼仁平均尺寸

依據(jù)核桃殼仁的實(shí)際尺寸，首先利用Solidworks軟件進(jìn)行顆粒輪廓建模，然后將模型導(dǎo)入EDEM軟件，采用微元球形顆粒填充，得到如圖3的幾何模型。

(a) 二分之一殼仁 (b) 四分之一殼仁 (c) 八分之一殼仁

4 物料力學(xué)特性及仿真參數(shù)設(shè)置

4.1 物料力學(xué)特性及接觸系數(shù)

EDEM軟件中需要設(shè)置各個(gè)材料的物理特性參數(shù)以及材料間接觸系數(shù)，根據(jù)曹成茂等人前期的研究成果[3]，各個(gè)材料的物理特性參數(shù)以及材料間接觸系數(shù)如表2和表3所示。

表2 材料物理參數(shù)

圖3 材料接觸系數(shù)

4.2 仿真參數(shù)設(shè)置

EDEM與FLUENT耦合過程是一個(gè)瞬態(tài)雙向數(shù)據(jù)傳遞的過程，DEM方法能夠準(zhǔn)確地分析顆粒的形狀、級(jí)配等因素對(duì)顆粒的運(yùn)動(dòng)的情況，結(jié)合計(jì)算CFD方法，能夠準(zhǔn)確地分析顆粒相與流體相間的相互作用。其中EDEM與FLUENT耦合過程如下：

（1）首先在Solidworks軟件中對(duì)負(fù)壓風(fēng)選裝置進(jìn)行三維建模，然后將該模型導(dǎo)入ANSYS Workbench的Geometry模塊中，利用流體填充功能對(duì)內(nèi)部氣流場(chǎng)進(jìn)行建模，使用mesh功能對(duì)流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，啟動(dòng)自適應(yīng)尺寸調(diào)整，設(shè)置分辨率為5，插入補(bǔ)丁適形法，采用四面體網(wǎng)格，并對(duì)進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口進(jìn)行定義，如圖4所示。

圖4 流體域網(wǎng)格劃分

（2）EDEM中導(dǎo)入上述圖2的簡易模型，然后將上述圖3建立的同等級(jí)的顆粒模型導(dǎo)入Bulk Material中，并將上述表2和表3中的材料物理參數(shù)及材料接觸系數(shù)輸入到EDEM中，設(shè)置顆粒工廠為390 mm×110 mm的虛擬矩形平面，能同時(shí)產(chǎn)生核桃殼與核桃仁兩種物料，由于核桃是不規(guī)則的球體，且大小不一，同等級(jí)的核桃殼仁也有一定的尺寸差距，為了更加接近實(shí)際尺寸，對(duì)輸入的模型在體積設(shè)置上采用用戶自定義的方法，物料的尺寸在物料模型尺寸0.7～1.2倍之間浮動(dòng)。綜合考慮核桃殼與仁的質(zhì)量占比與計(jì)算機(jī)的處理能力，設(shè)置物料進(jìn)料量為540 kg/h，殼仁占比為1:2，核桃殼的生成速率為0.05 kg/s，核桃仁的生成速率為0.1 kg/s。EDEM中設(shè)置瑞麗時(shí)間步長為1e-5 s，每0.01 s保存一次數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)迭代1×103次。

（3）選擇耦合接口為DDPM類型接口，考慮顆粒在流場(chǎng)中的所占體積分?jǐn)?shù)，在FLUENT中讀取耦合文件，采用k-epsilon模型。設(shè)定進(jìn)風(fēng)口邊界條件為速度入口(velocity-inlet)，速度為仿真模擬值。出風(fēng)口與外界大氣壓相連，設(shè)定其邊界條件為壓力出口(pressure-outlet)，其他保持默認(rèn)。顆粒由入料口流入，設(shè)定邊界條件為速度入口，速度值為0 m/s。FLUENT中每100步自動(dòng)保存數(shù)據(jù)，設(shè)置雷利時(shí)間步長為瑞麗時(shí)間步長的50倍，即5 e-4 s，總步長為10000步，總的仿真時(shí)間為5 s。

5 不同等級(jí)殼仁混合物仿真結(jié)果與分析

為了更直觀地研究不同等級(jí)的核桃殼仁混合物的風(fēng)選效果，采用清選率和損失率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)[15]。如圖5所示，在核桃仁出口劃分出清選率1的統(tǒng)計(jì)區(qū)域Ⅰ，統(tǒng)計(jì)該區(qū)域仿真結(jié)束時(shí)物料總質(zhì)量和核桃仁的質(zhì)量m1；在核桃殼出口劃分出損失率2的統(tǒng)計(jì)區(qū)域Ⅱ，統(tǒng)計(jì)=0～5 s內(nèi)流出的核桃仁的質(zhì)量m2，則：

圖 5 核桃殼仁顆粒分離瞬態(tài)圖

圖6 分離室氣流場(chǎng)流速云圖

運(yùn)用FLUENT軟件得到分離室對(duì)稱截面的內(nèi)部氣流場(chǎng)流速云圖，由圖6可知，氣流在分離腔內(nèi)分布比較均勻，在氣流加速流動(dòng)區(qū)，由于空間面積的縮小，氣流流速明顯高于進(jìn)風(fēng)口流速，有利于核桃殼加速流動(dòng)，避免在彎形風(fēng)道里出現(xiàn)堆積；在卸料箱內(nèi)空間面積迅速增大，氣流沿著側(cè)壁流動(dòng)，有利于核桃的迅速沉降，卸料箱中心區(qū)域的氣流流速接近0 m/s，實(shí)現(xiàn)卸料功能；在卸料箱底部風(fēng)速逐漸減小，氣流速度小于核桃殼的懸浮速度，核桃殼從底部沉降完成卸料。

5.1 二分之一殼仁混合物單因素仿真實(shí)驗(yàn)

5.1.1 風(fēng)量風(fēng)速對(duì)分選效果影響為探究不同的風(fēng)速對(duì)殼仁分離效果的影響，對(duì)二分之一殼仁混合物在風(fēng)速18 m/s、19 m/s、20 m/s時(shí)分離過程進(jìn)行模擬。如圖7所示，當(dāng)風(fēng)速由18 m/s增加到20 m/s時(shí)，二分之一仁的清選率由93.28%增加到98.52%，損失率由0.2%增加到0.65%。這是由于隨著風(fēng)速的增大，物料在分離室內(nèi)經(jīng)過風(fēng)力作用，一些懸浮速度相近的殼與仁被吹入卸料箱內(nèi)，導(dǎo)致清選率與損失率上升的原因。由于二分之一殼仁之間懸浮速度差異明顯，在提高風(fēng)速的情況下，能夠較好的完成風(fēng)選效果。綜合考慮，風(fēng)速為19 m/s時(shí)，清選效果最優(yōu)。

圖7 風(fēng)速對(duì)二分之一殼仁清選效果的影響

5.1.2 殼仁顆粒在分離腔內(nèi)運(yùn)動(dòng)速度由于分離室在方向?qū)ΨQ，在方向氣流對(duì)物料的速度影響較小，并且物料主要在方向運(yùn)動(dòng)，因此本文僅對(duì)殼仁顆粒的方向速度進(jìn)行分析。

在進(jìn)風(fēng)口不同風(fēng)速條件下，核桃殼仁顆粒在方向上的速度隨時(shí)間的變化曲線如圖8所示。在=0～5時(shí)間內(nèi)，二分之一殼在不同的風(fēng)速下呈現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)速度，總體在0.9 m/s～2.1 m/s的區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，這是因?yàn)槎种粴な遣灰?guī)則的非球形顆粒，在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)隨著流體的運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化，導(dǎo)致物料的迎風(fēng)面積發(fā)生改變，從而使得物料的懸浮也在變化。

圖8 二分之一殼仁運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間變化規(guī)律

Fig.8 Velocities of half shell and kernel moving with increase of time

當(dāng)風(fēng)速為18 m/s時(shí)，二分之一殼的運(yùn)動(dòng)速度在1.1 m/s上下波動(dòng)，二分之一仁的沉降速度在0.9 m/s上下波動(dòng)。當(dāng)風(fēng)速為19 m/s時(shí)，殼的運(yùn)動(dòng)速度在1.4 m/s上下波動(dòng)，仁的運(yùn)動(dòng)速度在=0～5 s時(shí)間內(nèi)呈緩慢下降趨勢(shì)，從0.8 m/s降到0.5 m/s。當(dāng)風(fēng)速為20 m/s，核桃殼的運(yùn)動(dòng)速度在1.7 m/s上下波動(dòng)，核桃仁的運(yùn)動(dòng)速度在=0～5 s時(shí)間內(nèi)從0.7 m/s下降到0.4 m/s。這是由于隨著時(shí)間變化，分離腔內(nèi)物料占流體區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)增大，顆粒濃度隨之增大，仁與仁之間空隙減小，氣流作用在核桃仁顆粒上的實(shí)際風(fēng)速變大，導(dǎo)致核桃仁沉降速度變小。

5.1.3 殼仁顆粒在分離腔內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡為研究不同等級(jí)殼仁顆粒在分離腔內(nèi)的分離過程，選取部分顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖進(jìn)行規(guī)律探究。

二分之一殼仁顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡如圖9所示，在不同的風(fēng)速下，殼仁分離區(qū)域明顯不同。當(dāng)風(fēng)速為18 m/s時(shí)，殼仁分離區(qū)與核桃仁沉降區(qū)重合度高，在分離腔內(nèi)殼的運(yùn)動(dòng)速度最高達(dá)到3 m/s，仁的最低沉降速度為0.9 m/s；當(dāng)風(fēng)速為19 m/s時(shí)，分離區(qū)與沉降區(qū)重合部分減少，有少量核桃殼的運(yùn)動(dòng)軌跡出現(xiàn)在沉降區(qū)內(nèi)，殼的運(yùn)動(dòng)速度最高達(dá)到3.51 m/s，仁的最低沉降速度為0.59 m/s；當(dāng)風(fēng)速為20 m/s時(shí)，分離區(qū)與沉降區(qū)分布清晰，殼仁運(yùn)動(dòng)軌跡之間無交叉現(xiàn)象，殼的運(yùn)動(dòng)速度最高達(dá)到4 m/s，仁最低沉降速度僅為0.12 m/s。

圖9 二分之一殼仁運(yùn)動(dòng)軌跡

5.2 四分之一殼仁混合物單因素仿真實(shí)驗(yàn)

5.2.1 風(fēng)量風(fēng)速對(duì)分選效果影響對(duì)四分之一殼仁混合物在風(fēng)速16 m/s、17 m/s、18 m/s時(shí)分離過程進(jìn)行模擬。如圖10所示，當(dāng)風(fēng)速由16 m/s增加到18 m/s時(shí)，四分之一仁的清選率由88.45%增加到96.5%，損失率由0.54%增加到1.12%。隨著風(fēng)速的增加，四分之一仁的清選率增加顯著，但伴隨著損失率也明顯增加。綜合考慮，風(fēng)速為17 m/s時(shí)，清選率與損失率相對(duì)合理，清選效果比較理想。

圖10 風(fēng)速對(duì)四分之一殼仁清選效果的影響

5.2.2 殼仁顆粒在分離腔內(nèi)運(yùn)動(dòng)速度由圖11可知，在=0～5 s時(shí)間內(nèi)，四分之一殼在不同的風(fēng)速下總體在0.75 m/s～2.0 m/s的區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，四分之一仁在分離腔內(nèi)隨著顆粒濃度的增大，沉降速度逐漸減小。在風(fēng)速為16 m/s時(shí)，核桃殼的運(yùn)動(dòng)速度在1.0 m/s上下波動(dòng)，核桃仁的運(yùn)動(dòng)速度在=0～5 s時(shí)間內(nèi)從0.9 m/s下降到0.5 m/s。當(dāng)風(fēng)速為17 m/s時(shí)，核桃殼的運(yùn)動(dòng)速度在1.25 m/s上下波動(dòng)，核桃仁的沉降速度在=0～5 s時(shí)間內(nèi)呈緩慢下降趨勢(shì)，從0.7 m/s降到0.4 m/s。當(dāng)風(fēng)速為18 m/s，核桃殼的運(yùn)動(dòng)速度在1.5 m/s上下波動(dòng)，核桃仁的運(yùn)動(dòng)速度在0～5s時(shí)間內(nèi)從0.5 m/s下降到0.2 m/s。隨著殼仁顆粒尺寸變小，殼仁質(zhì)量減小，分離所需風(fēng)速也相應(yīng)減小，但減小速率較為緩慢，這主要與核桃殼的迎風(fēng)面積有關(guān)。綜合考慮，運(yùn)用風(fēng)選法對(duì)核桃殼仁分離的過程中，不僅要考慮核桃仁的清選率與損失率，也要分析殼仁顆粒在分離腔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度，避免核桃仁因風(fēng)速過大在分離室內(nèi)下降速度較慢或者呈懸浮狀態(tài)。

圖11 四分之一殼仁運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間變化曲線

Fig.11 Velocities of quarter shell and kernel moving with increase of time

5.2.3 殼仁顆粒在分離腔內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡四分之一殼仁顆粒在不同風(fēng)速下運(yùn)動(dòng)軌跡如圖12所示，當(dāng)風(fēng)速為16 m/s時(shí)，殼仁分離區(qū)域與沉降區(qū)域重合度大，不利于殼仁顆粒的分離，分離腔內(nèi)殼的最高運(yùn)動(dòng)速度為3.15 m/s，仁的最低沉降速度為0.89 m/s；當(dāng)風(fēng)速為17 m/s時(shí)，分離區(qū)域與沉降區(qū)域重合度明顯減小，存在少部分核桃殼顆粒出現(xiàn)在沉降區(qū)域內(nèi)，殼最高運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到3.96 m/s，仁最低沉降速度為0.52 m/s；當(dāng)風(fēng)速為18 m/s時(shí)，分離區(qū)域與沉降區(qū)域重合度較小，分離腔內(nèi)殼的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到4.57 m/s，仁的沉降速度為0.11 m/s。這主要是因?yàn)槲锪蠌倪M(jìn)料口流入，到達(dá)分離腔時(shí)獲得一定的速度，在不同的風(fēng)速作用下，核桃殼速度減為0時(shí)的位移不同，導(dǎo)致分離區(qū)域位置與面積不同。

圖12 四分之一殼仁運(yùn)動(dòng)軌跡

5.3 八分之一殼仁混合物單因素仿真實(shí)驗(yàn)

5.3.1 風(fēng)量風(fēng)速對(duì)分選效果影響對(duì)八分之一殼仁混合物在風(fēng)速15 m/s、16 m/s、17 m/s時(shí)分離過程進(jìn)行模擬。如圖13所示，當(dāng)風(fēng)速由15 m/s增加到17 m/s時(shí)，八分之一仁的清選率由87.9%增加到96.75%，損失率由0.67%增加到1.12%。隨著風(fēng)速的增大，損失率較清選率增幅較快。這是由于核桃殼仁尺寸越小，殼與仁之間懸浮速度差縮小，分離難度增加。綜合考慮，風(fēng)速為16 m/s時(shí)，八分之一殼仁混合物清選效果比較合理。

圖13 風(fēng)速對(duì)八分之一殼仁清選效果的影響

5.3.2 殼仁顆粒在分離腔內(nèi)運(yùn)動(dòng)速度由圖14可知，在=0～5 s時(shí)間內(nèi)，八分之一殼在不同的風(fēng)速下總體在0.5 m/s～1.75 m/s的區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，八分之一仁在分離腔內(nèi)隨著顆粒濃度的逐漸增大，沉降速度緩慢減小并趨于穩(wěn)定。在=2 s以后，不同風(fēng)速下殼與仁的運(yùn)動(dòng)速度逐漸趨于穩(wěn)定，與二分之一殼仁和四分之一殼仁相比，八分之一殼仁在氣流場(chǎng)內(nèi)速度上下波動(dòng)范圍較小，這是因?yàn)榘朔种粴と试诹鲌?chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)迎風(fēng)面積的變化范圍小，對(duì)殼仁的懸浮速度影響較小。

當(dāng)風(fēng)速為15 m/s時(shí)，核桃殼的運(yùn)動(dòng)速度在0.75 m/s上下波動(dòng)，核桃仁的運(yùn)動(dòng)速度在=0～5 s時(shí)間內(nèi)從0.9 m/s下降到0.5 m/s并逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)風(fēng)速為16 m/s時(shí)，核桃殼的運(yùn)動(dòng)速度在0.9 m/s上下波動(dòng)，核桃仁的運(yùn)動(dòng)速度在=0～5 s時(shí)間內(nèi)從0.8 m/s降到0.4 m/s并趨于穩(wěn)定。當(dāng)風(fēng)速為17 m/s，核桃殼的運(yùn)動(dòng)速度在1.1 m/s上下波動(dòng)，核桃仁的運(yùn)動(dòng)速度在=0～5 s時(shí)間內(nèi)從0.7 m/s下降到0.2 m/s，核桃殼與核桃仁的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度差值較大，核桃仁沉降速度緩慢，接近懸浮狀態(tài)，這種情況會(huì)造成顆粒在分離腔內(nèi)大量堆積而無法完成分離。

圖14 八分之一殼仁運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間變化規(guī)律

5.3.3 殼仁顆粒在分離腔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡八分之一殼仁顆粒在不同風(fēng)速下運(yùn)動(dòng)軌跡如圖15所示，當(dāng)風(fēng)速為15 m/s時(shí)，分離區(qū)與沉降區(qū)重合度高，殼仁運(yùn)動(dòng)軌跡相互交錯(cuò)，分離腔內(nèi)殼的最高運(yùn)動(dòng)速度為3.42 m/s，仁的最低沉降速度為0.53 m/s；當(dāng)風(fēng)速為16 m/s時(shí)，重合區(qū)域減少，殼仁運(yùn)動(dòng)軌跡分布合理，分離腔內(nèi)殼的最高運(yùn)動(dòng)速度為3.61 m/s，仁的最低沉降速度為0.28 m/s；當(dāng)風(fēng)速為17 m/s時(shí)，有少量的核桃殼運(yùn)動(dòng)軌跡出現(xiàn)在沉降區(qū)內(nèi)，分離腔內(nèi)殼的最高速度達(dá)到4.3 m/s，核桃仁最低沉降速度僅為0.16 m/s。

圖15 八分之一殼仁運(yùn)動(dòng)軌跡

6 結(jié)論

（1）利用CFD-DEM耦合方法模擬研究了核桃殼仁顆粒在垂直風(fēng)道里的運(yùn)動(dòng)及分離情況，基于EDEM建立了不同規(guī)格的核桃殼仁顆粒模型，準(zhǔn)確反映了殼仁顆粒的物理特性與空氣動(dòng)力學(xué)特性，證明該方法可以準(zhǔn)確模擬核桃殼仁顆粒風(fēng)選效果，揭示核桃殼仁顆粒在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)本質(zhì)。該模擬方法可對(duì)核桃殼仁分離裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論參考；

（2）本文設(shè)計(jì)的核桃殼仁風(fēng)選室模型，當(dāng)物料進(jìn)料量一定，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為19 m/s時(shí)，二分之一殼仁混合物料清選率達(dá)到96.5%，損失率僅為0.41%，分選效果最佳；進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為17 m/s時(shí)，四分之一殼仁混合物料清選率為94.8%，損失率為0.8%，分選效果較為理想；進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為16 m/s時(shí)，八分之一殼仁混合物料清選率為92%，損失率為1.2%，風(fēng)選效果較為合理；

（3）隨著進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速增加，不同等級(jí)的殼仁顆粒清選率增加，損失率也隨之增加；隨著核桃殼仁顆粒尺寸的減小，殼仁顆粒懸浮速度重合度增加，分離難度變大；

（4）核桃殼在垂直分離腔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)時(shí)刻發(fā)生變化，且在不同的風(fēng)速下運(yùn)動(dòng)速度圍繞不同固定值上下波動(dòng)，隨著核桃殼尺寸減小，波動(dòng)幅度隨之減??；核桃仁在分離腔內(nèi)隨著顆粒濃度的增加，仁與仁之間空隙減小，氣流作用在顆粒上的實(shí)際風(fēng)速變大，沉降速度逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

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Simulation Study on Negative Pressure Winnowing of Walnut Kernel Mixture Based on CFD-DEM Coupling

CHEN Xu-dong1, HU Guo-yu1,2,3*, ZHAO Teng-fei1, LI Zhong-xin3, ZHOU Jian-ping1,2,3

1./,830047,2.,830047,3.,844900,

A method of winnowing was proposed to achieve the efficient and non-destructive separation of the walnut shell and kernel mixed material in the deep processing of walnut. In order to study the cleaning effect of different scales of walnut shell and kernel mixed particles in the airflow field, a negative pressure and vertical airflow ventilation device was designed. The winding process was simulated by the method of coupling computational fluid dynamics (CFD) and discrete element method (DEM), and the air separation effect was quantified by the cleaning rate and loss rate.The results showed that with the constant of feed quantity,when the wind speed of the inlet was 19 m/s, the half walnut shell and kernel mixed material had the best cleaning effect that the cleaning rate was 96.5% and the loss rate was only 0.41%; when the air inlet wind speed was 17 m/s, the 1/4 walnut shell and kernel mixed material had more ideal cleaning effect that the cleaning rate was 94.8% and the loss rate was 0.8%; when the air inlet wind speed was 16 m/s, the 1/8 walnut shell and kernel mixed material had more reasonable cleaning effect that the cleaning rate was 92% and the loss rate was 1.22%. It showed that in the vertical air duct, the flow velocity of walnut shell fluctuated around a fixed value, and the sedimentation velocity of walnut kernel decreased with the increase of particle concentration and gradually tended to be stable.

Walnut; negative pressure air separation; simulation analysis

S233.5

A

1000-2324(2021)06-1017-011

2021-08-06

2021-08-21

葉城縣農(nóng)產(chǎn)品銷售“雙線九進(jìn)”和滬喀品牌推廣項(xiàng)目(KSHSY20190901)

陳旭東(1996-),男,碩士研究生,主要從事智能農(nóng)業(yè)機(jī)械. E-mail:2393800511@qq.com

通訊作者:Author for correspondence. E-mail:xjhuguoyu@126.com