基于DEM-CFD耦合的辣椒風(fēng)選模擬研究

張小明

(貴州省山地農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所,貴州 貴陽 550007)

0 引言

辣椒產(chǎn)業(yè)是貴州特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè),已成為帶動農(nóng)民脫貧創(chuàng)業(yè)增收的一個(gè)重要途徑[1]。到2021年,全省種植辣椒面積已經(jīng)達(dá)到了38.03萬公頃(571萬畝),辣椒產(chǎn)量占全國的六分之一,辣椒銷售額超過709億。當(dāng)前,貴州正從“辣椒大省”向“辣椒強(qiáng)省”邁進(jìn)[2]。

針對山地自走式履帶辣椒收獲機(jī)收獲的辣椒含雜率高,辣椒果實(shí)風(fēng)選急待解決的問題,通過離散單元法(DEM)與計(jì)算流體力學(xué)(CFD)相耦合的仿真計(jì)算模擬方法,對朝天椒混合物的風(fēng)選分離進(jìn)行模擬仿真,研究氣體速度大小和氣體傾角對辣椒含雜率和損失率的直接影響規(guī)律。

1 風(fēng)選裝置結(jié)構(gòu)及顆粒模型

1.1 幾何模型構(gòu)建

使用三維建模軟件SolidWorks對辣椒風(fēng)選裝置進(jìn)行建模,如圖1所示。該辣椒風(fēng)選裝置采用單進(jìn)風(fēng)口結(jié)構(gòu),由進(jìn)風(fēng)口、進(jìn)料口、清選室、出口1、出口2、出口3組成。整體壁厚為15 mm,整體長度為1 880 mm,寬度為1 300 mm,厚度為500 mm;進(jìn)料口寬口長度為500 mm,寬度為500 mm,高度為400 mm;進(jìn)料口窄口長度為109 mm,寬度為109 mm;進(jìn)風(fēng)口長度為300 mm,寬度250 mm。在SolidWorks里建模完成后將風(fēng)選裝置模型輸出為XT格式并導(dǎo)入ICEM CFD網(wǎng)格劃分軟件中,添加進(jìn)風(fēng)口、物料入口、辣椒出口1、辣椒莖稈出口2及辣椒葉出口3,設(shè)置各進(jìn)出口完成后劃分網(wǎng)格如圖2所示。

圖1 風(fēng)選裝置示意

圖2 風(fēng)選裝置網(wǎng)格

1.2 顆粒模型

考慮到EDEM軟件本身自動模型的一些缺陷,因此選取在辣椒清選除雜中成分濃度較大的辣椒、辣椒葉片、辣椒莖稈等作為重點(diǎn)的研究對象進(jìn)行顆粒建模。由于目前EDEM軟件研究粒子模型均全部使用球形結(jié)構(gòu)來描述,所以采用“多球叢聚法”的方式,對3個(gè)大小不同的研究粒子加以簡化、重疊合并及重新填充來替代實(shí)際風(fēng)選的研究粒子模型[3]。顆粒模型如圖3所示,朝天椒由22個(gè)不同粒徑(最大直徑10 mm)的小球形結(jié)構(gòu)合并填充而成,總長度為104 mm;辣椒葉由1 000個(gè)直徑為1 mm的球體合并填充而成,總體長度為150 mm,總體寬度為46 mm;而辣椒稈則由40個(gè)直徑為3 mm的球體合并填充而成,總體長度為107 mm。

圖3 三維模型示意

2 物料力學(xué)特性及仿真參數(shù)設(shè)置

2.1 物料力學(xué)特性及接觸參數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[4-5]中所述方法,通過WDW3100微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對朝天椒、辣椒葉及辣椒稈進(jìn)行壓破試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)求取泊松比與剪切模量,通過天平與量筒法測量密度。根據(jù)文獻(xiàn)[6-7]中的測量方法,通過斜板試驗(yàn)(滑動法與滾動法)分別測量辣椒、辣椒稈、辣椒葉與鋼板之間的摩擦接觸參數(shù),通過碰撞試驗(yàn)分別測量辣椒、辣椒稈、辣椒葉及鋼板間的恢復(fù)系數(shù)。EDEM軟件中,物料粒子的力學(xué)特征參數(shù)和接觸系數(shù)分別如表1和表2所示,風(fēng)力分選裝置材料則采用鋼材。

表1 材料的物理參數(shù)

表2 相關(guān)顆粒的材料接觸系數(shù)

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

利用軟件EDEM-Fluent耦合技術(shù)對辣椒進(jìn)行風(fēng)選模擬,在EDEM軟件中選擇Hertz-Mindlin(no-slip)的顆粒接觸模型用于仿真模擬,將辣椒、辣椒葉和辣椒莖稈的時(shí)間生成比率設(shè)置為6∶1∶0.25,辣椒的時(shí)間生成步長速率設(shè)置為1 200個(gè)/s,辣椒葉的時(shí)間生成步長速率設(shè)置為200個(gè)/s,辣椒稈的時(shí)間生成步長速率設(shè)置為50個(gè)/s,在EDEM中仿真的固定時(shí)間步長設(shè)置為29.678 4%,模擬時(shí)間總時(shí)長設(shè)置為6 s。Fluent中,模擬的仿真結(jié)果計(jì)算模型使用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型,并設(shè)置仿真邊界的狀態(tài),將入口處設(shè)置為速度入口,將出口設(shè)置為壓力出口,將時(shí)間步長設(shè)置為EDEM的100倍,即時(shí)間步長設(shè)置為7×10-4s,總的步數(shù)為8 571步。

3 仿真模擬及分析

3.1 氣流速度分析

辣椒風(fēng)選裝置的進(jìn)料口設(shè)置有顆粒生成工廠,辣椒、辣椒葉和辣椒桿從進(jìn)料口顆粒生成工廠處自由下落,以氣流速度20 m/s為例,圖4為1 s時(shí)辣椒風(fēng)選裝置物料分布位置瞬態(tài)示意圖,在出口1、2處設(shè)置Ⅰ區(qū)為辣椒含雜率統(tǒng)計(jì)區(qū)及Ⅱ區(qū)為辣椒損失率統(tǒng)計(jì)區(qū)。由圖4可看出,當(dāng)物料在水平氣流的影響下落入氣流區(qū)域時(shí),3種仿真物料顆粒的運(yùn)動軌跡不同:辣椒落入出口1,而出口2和出口3收集到的分別是辣椒桿和辣椒葉。

圖4 物料顆粒位置瞬態(tài)圖(t=1 s)

這是因?yàn)槔苯?、辣椒葉子和辣椒莖稈的空氣動力學(xué)特性不同,因此垂直下落的物料在水平氣流作用后會有不同的軌跡。物料受自身重力G、空氣浮力P′和水平氣流P的作用,三力合力為F。如圖5所示,物料在力F的方向上,其運(yùn)動軌跡是一條拋物線,角度α方向就是物料運(yùn)動的角度。

圖5 物料顆粒受力示意

如果空氣浮力P′忽略不計(jì),則有[8]

(1)

P為粒子和氣體相對運(yùn)動時(shí),其所引起的相互作用力。其大小為[9]

P=kρAv2=kρA(vq-vw)2

(2)

k為空氣阻力系數(shù);ρ為空氣密度;A為物料的受風(fēng)面積,即物料在空氣流動方向的直接投影面積;v為物料與氣流的相對速度;vq為氣流速度;vw為物料速度。

辣椒含雜率與損失率為評價(jià)辣椒清選裝置工作性能的關(guān)鍵指標(biāo),因此以辣椒含雜率Ed和辣椒損失率El作為該風(fēng)選裝置的主要性能衡量指標(biāo),則有[10-11]:

(3)

(4)

W1為Ⅰ區(qū)辣椒含雜率統(tǒng)計(jì)區(qū)域統(tǒng)計(jì)的辣椒質(zhì)量;M為Ⅰ區(qū)辣椒含雜率統(tǒng)計(jì)區(qū)域統(tǒng)計(jì)的物料總質(zhì)量;W2為Ⅱ區(qū)辣椒損失率統(tǒng)計(jì)區(qū)域統(tǒng)計(jì)的辣椒質(zhì)量。

為探討風(fēng)速大小對辣椒風(fēng)選結(jié)果的影響效果,采用控制變量的方法,保證其他各項(xiàng)條件參數(shù)相同,從而進(jìn)行模擬風(fēng)速分別為15 m/s、20 m/s和25 m/s三種不同風(fēng)速時(shí)的辣椒風(fēng)選過程。通過Ⅰ區(qū)辣椒含雜率統(tǒng)計(jì)區(qū)域和Ⅱ區(qū)辣椒損失率統(tǒng)計(jì)區(qū)域統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù),得到不同風(fēng)速下的辣椒含雜率與損失率,如圖6所示。

圖6 風(fēng)速對辣椒風(fēng)選效果的影響

由圖6可以看到,當(dāng)氣流速度分別設(shè)定為15 m/s、20 m/s和25 m/s時(shí),辣椒的含雜率分別為11.774%、4.624%和1.676%。比較上述三種氣流速度條件下的仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果,在氣流速度為20 m/s時(shí),辣椒的含雜率相比氣流速度為15 m/s時(shí)的含雜率減少了7.15%,而在氣流速度為25 m/s時(shí),辣椒的含雜率相較氣流速度為20 m/s時(shí)的含雜率減少了2.948%。辣椒的損失率分別為0.959%、1.798%和6.476%;經(jīng)過比較三組數(shù)據(jù)后,可知:當(dāng)氣流速度為15 m/s時(shí),辣椒的損失率相對較小,將氣流速度增大至20 m/s時(shí),辣椒的損失率就上升了0.839%,而繼續(xù)將氣流速度提高至25 m/s時(shí),辣椒的損失率則比原氣流速度為20 m/s時(shí)上升了4.678%。

由以上仿真數(shù)據(jù)的對比分析可以看出,提高風(fēng)速可以增加辣椒的風(fēng)選效果,但會導(dǎo)致風(fēng)速增大時(shí)辣椒從辣椒葉出口處吹出缺陷。這是因?yàn)樗綒饬魉俣鹊脑龃?從而使水平氣流作用力P增加,故物料夾角α和物料水平方向上的運(yùn)動速度都增大了,辣椒葉片和辣椒莖稈中摻雜的辣椒數(shù)量也增多,所以在提高水平氣流速度時(shí),可以減少辣椒中的含雜率,但同時(shí),辣椒的損失率也會增大?？傮w而言,選擇具有較高分離率和較低損失率的吹風(fēng)速度,即在風(fēng)速為20 m/s時(shí)可獲得最佳分離效果,此時(shí),辣椒含雜率為4.624%,損失率為1.798%。

3.2 氣流傾角對風(fēng)選結(jié)果的影響

為研究氣體傾角對物料運(yùn)動行為及清選質(zhì)量的影響,將風(fēng)選裝置進(jìn)風(fēng)口由0°(水平)改為傾角5°,即氣體傾角β改為5°,圖7、圖8是在氣流速度均為20 m/s時(shí),進(jìn)風(fēng)口傾角分別為0°、5°條件下的氣流速度云圖。由圖7和圖8可知,兩種條件下的氣流在風(fēng)力分選裝置內(nèi)都存在著層流現(xiàn)象,近壁側(cè)區(qū)域氣流速度相對較小,但在進(jìn)風(fēng)口處的氣流速度均高于出口3處的氣流速度。氣流傾角傾斜5°時(shí),辣椒風(fēng)選裝置的頂部氣流速度較大,裝置內(nèi)氣流走向整體高度有所抬升。經(jīng)過比較圖7、圖8可知,改變氣流傾角對氣流速度的總體分配規(guī)律影響并不大。

圖7 氣流傾角為0°的氣流速度云圖

圖8 氣流傾角為5°的氣流速度云圖

圖9給出了當(dāng)氣流速度為20 m/s時(shí),氣流水平與氣流傾角5°情況下辣椒的含雜率變化和損失率情況。由圖9可以看到,在氣流傾角5°時(shí),辣椒的含雜率為2.382%,損失率為3.563%,比較同樣氣流速度下,根據(jù)氣流傾角為0°時(shí)的計(jì)算結(jié)果可知,當(dāng)氣流傾角為5°時(shí)辣椒的含雜率減少了2.242%,而損失率則上升了1.765%。

圖9 風(fēng)速20 m/s時(shí),氣流傾角對辣椒風(fēng)選效果的影響

根據(jù)空氣動力學(xué)原理,在相同風(fēng)速下,當(dāng)氣流傾角為5°時(shí),1出口辣椒中雜質(zhì)含量減少,而2、3出口辣椒損失率增加。

綜上所述,當(dāng)風(fēng)力速度為20 m/s時(shí),選擇吹風(fēng)傾角為5°能達(dá)到較好的辣椒風(fēng)力分選效果,而此時(shí)辣椒的含雜率為2.382%,損失率為3.563%,為最佳的辣椒風(fēng)力分選參數(shù)。

4 田間試驗(yàn)

2020年9月,使用改進(jìn)的辣椒收獲樣機(jī)對辣椒進(jìn)行田間采收試驗(yàn),設(shè)置風(fēng)選裝置的進(jìn)風(fēng)口的氣流傾角為5°,試驗(yàn)時(shí)風(fēng)選氣流速率大小調(diào)節(jié)為20 m/s,試驗(yàn)地點(diǎn)為貴州省遵義市綏陽縣風(fēng)華鎮(zhèn)金承村的辣椒培育試驗(yàn)區(qū),辣椒平均含水率為55.2%。

由田間采收試驗(yàn)可知:收獲機(jī)采摘的辣椒經(jīng)過風(fēng)選,辣椒的含雜率為4.6%,辣椒的損失率為4.2%,對比改進(jìn)前辣椒風(fēng)選,改進(jìn)后辣椒的風(fēng)選效果較好,收獲機(jī)采摘的辣椒經(jīng)過風(fēng)選達(dá)到辣椒的存儲及運(yùn)輸條件,進(jìn)一步驗(yàn)證了該機(jī)風(fēng)選系統(tǒng)滿足辣椒的風(fēng)選工作要求。

5 結(jié)語

通過對辣椒在不同風(fēng)速和不同氣流傾角下的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)分析及田間采收試驗(yàn),得出如下結(jié)論:

(1)風(fēng)速對最終的辣椒風(fēng)選的結(jié)果影響較大。當(dāng)風(fēng)速為15～25 m/s,如果不考慮辣椒的損失率,辣椒風(fēng)選的風(fēng)速越高,辣椒的含雜率也就越低,在平均風(fēng)速為25 m/s情況下,最終風(fēng)選得到的辣椒含雜率最低可以達(dá)到1.676%。如果考慮損失率,在20 m/s的平均風(fēng)速下可以獲得最佳的風(fēng)選結(jié)果,所得辣椒最終含雜率為4.624%,辣椒損失率為1.798%。

(2)氣流的角度對辣椒的風(fēng)選效果也有一定的影響。當(dāng)風(fēng)速設(shè)定為20 m/s,進(jìn)風(fēng)口氣流傾角為5°時(shí),辣椒的雜質(zhì)含量為2.382%,損失率為3.563%。對于水平氣體則不同,因?yàn)閮A斜氣體的物料顆粒飛行系數(shù)比水平氣體的高,而物料顆粒的水平運(yùn)動距離也大,所以在相同條件下,如果氣體傾角為5°時(shí),物料顆粒的含雜率降低,但損失率也增加了。

(3)通過田間采收試驗(yàn),可知收獲機(jī)采摘的辣椒經(jīng)過風(fēng)選,辣椒的含雜率為4.6%,辣椒的損失率為4.2%,收獲機(jī)采摘的辣椒經(jīng)過風(fēng)選達(dá)到辣椒的存儲及運(yùn)輸條件,進(jìn)一步驗(yàn)證了該機(jī)風(fēng)選系統(tǒng)滿足辣椒的風(fēng)選工作要求。