滾筒篩式膜雜分離裝置數(shù)值模擬與參數(shù)優(yōu)化

摘要：滾筒篩式膜雜分離裝置存在膜雜混合物經(jīng)篩分后膜中含雜率高等問題，利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）與離散元（DEM）耦合方法，對(duì)滾筒篩式膜雜分離裝置清選室氣流場(chǎng)動(dòng)態(tài)分布以及裝置內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬，確定工作參數(shù)范圍。選取氣流角度、進(jìn)氣口風(fēng)速和滾筒轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，進(jìn)行氣固兩相流耦合仿真試驗(yàn)，分析各試驗(yàn)因素對(duì)清選室氣流場(chǎng)以及對(duì)裝置內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)情況的影響，以產(chǎn)出物含膜率、雜中含膜率及殘膜產(chǎn)出量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，開展三因素三水平正交試驗(yàn)，通過多目標(biāo)優(yōu)化的方法得到最佳工作參數(shù)組合：進(jìn)氣口風(fēng)速為8.5 m/s、氣流角度為8°、滾筒轉(zhuǎn)速為26 r/min，在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明：產(chǎn)出物含膜率為89.31%、雜中含膜率為1.99%、殘膜產(chǎn)出量為0.032 6 kg/s，試驗(yàn)結(jié)果與理論優(yōu)化值相對(duì)誤差小于7%，各指標(biāo)分別優(yōu)于工作參數(shù)優(yōu)化前0.87個(gè)、3.82個(gè)、6.57個(gè)百分點(diǎn)。該研究驗(yàn)證基于DEM-CFD氣固兩相流耦合仿真對(duì)滾筒篩式膜雜分離裝置流場(chǎng)分析的可行性，為滾筒篩式膜雜分離裝置作業(yè)參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：DEM-CFD耦合；膜雜分離；數(shù)值模擬；正交試驗(yàn)；響應(yīng)面分析

中圖分類號(hào)：S223.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 04-0001-11

收稿日期：2022年4月6日" 修回日期：2022年8月11日

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51805305，52175238）；山東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（ZR2020KE045）；山東省薯類產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（SDAIT—16—10）

第一作者：解臣碩，男，1998年生，山東日照人，碩士；研究方向?yàn)檗r(nóng)田殘膜污染技術(shù)及裝備。E-mail： 18805485693@163.com

通訊作者：侯加林，男，1963年生，山東泰安人，博士，教授；研究方向?yàn)橹悄苻r(nóng)業(yè)裝備。E-mail： jlhou@sdau.edu.cn

Numerical simulation and parameter optimization of trommel screen type membrane

and impurity separation device

Xie Chenshuo1， 2， Kang Jianming2， 3， Peng Qiangji2， 3， Lin Xiangyang4， Hou Jialin1， 2

（1. College of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong Agricultural University， Tai’an， 271018， China；

2. Shandong Academy of Agricultural Machinery Sciences， Jinan， 250100， China; 3. Huang Huai Hai Key

Laboratory of Modern Agricultural Equipment， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Jinan， 250100， China；

4. Bureau of Agriculture and Rural Development， Qixia City， Shandong Province， Yantai， 265300， China）

Abstract：

Aiming at the problems of high impurity content in the membrane after sieving the membrane impurity mixture caused by the lack of theoretical support of the trommel screen type membrane and impurity separation device and the unreasonable setting of working parameters. The dynamic distribution of the air flow field in the sorting chamber of the trommel screen type membrane and impurity separation device and the movement of materials in the device are numerically simulated to determine the best combination of working parameters， by using computational fluid dynamics and discrete element coupling method. The airflow angle， air inlet wind speed and trommel screen speed were selected as test factors to conduct gas-solid two-phase flow coupling simulation test， to analyze the influence of various test factors on the air flow field in the sorting chamber and the movement of materials in the device. Taking the film content rate of the output， the film content rate of impurities and the output of residual film as evaluation indicators， a three-factor， three-level orthogonal test was carried out. The test results were subjected to multiple regression analysis， and the best combination of working parameters was obtained through the multi-objective optimization method： the air inlet wind speed was 8.5 m/s， the airflow angle was 8°， and the trommel speed was 26 r/min. The verification tests were carried out under these conditions， the results showed that the film content rate of the output was 89.31%， the film content rate of impurities was 1.99%， and the output of residual film was 0.032 6 kg/s. The relative error between the experimental results and the theoretical optimization value was less than 7%， and the indicators were 0.87， 3.82 and 6.57 percentage points better than that before the optimization of working parameters， respectively. The study verified the feasibility of analyzing the flow field of the trommel screen type membrane and impurity separation device based on DEM-CFD gas-solid two-phase flow coupling simulation， and provided a theoretical basis for the optimization of the operating parameters of the trommel screen type membrane and impurity separation device.

Keywords：

DEM-CFD coupling; membrane impurity separation; numerical simulation; orthogonal experiment；response surface analysis

0 引言

地膜覆蓋栽培技術(shù)在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要的地位，對(duì)利用有限的水資源發(fā)展旱地農(nóng)業(yè)、保障我國糧食安全起到了重要的支撐作用［1］。我國每年使用數(shù)百萬噸塑料地膜，由于地膜未及時(shí)回收且很難自然降解，對(duì)農(nóng)田造成了嚴(yán)重的污染。同時(shí)，地膜屬于聚乙烯材料，是一種寶貴的可再生資源，可用來加工塑料顆粒，形成地膜“使用—回收—加工—再利用”的良性循環(huán)機(jī)制［2］。當(dāng)前，國內(nèi)院校及相關(guān)企業(yè)研制了多種農(nóng)田殘膜回收清選機(jī)械，但回收后的殘膜中混雜有大量碎土、棉稈等雜質(zhì)，難于重復(fù)利用，只能隨意堆放、掩埋、焚燒，不僅浪費(fèi)資源，而且對(duì)環(huán)境造成了二次污染。

機(jī)械回收后的膜雜混合物需清雜后才能二次利用，滾筒篩式膜雜分離裝置已經(jīng)廣泛用于膜雜混合物篩分工作［3， 4］，近年來，學(xué)者們對(duì)膜雜分離裝置進(jìn)行了大量研究，康建明等［5］通過對(duì)膜雜混合物在滾筒篩內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，闡明了滾筒轉(zhuǎn)速與直徑的相互關(guān)系；彭強(qiáng)吉等［6］針對(duì)氣力式圓筒篩篩分性能波動(dòng)大的問題，增設(shè)運(yùn)移裝置、重置圓筒篩篩孔排布與大小，改善了雜質(zhì)通過性能；石鑫等［7］試制了膜雜分離裝置整機(jī)，并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行分析說明。以上研究均未對(duì)膜雜分離裝置篩分機(jī)理進(jìn)行分析，工作參數(shù)以及結(jié)構(gòu)參數(shù)均依靠經(jīng)驗(yàn)選擇，但依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的滾筒篩式膜雜分離裝置缺乏理論支持、工作參數(shù)設(shè)置不合理，因此迫切需要研究殘膜—土壤—棉稈混合物篩分機(jī)理，研制殘膜與雜質(zhì)篩分裝備，優(yōu)化篩分裝備工作參數(shù)。

計(jì)算流體力學(xué)和離散元法已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域［8］。李洪昌等［9］采用流固耦合的方法模擬物料在風(fēng)篩式清選裝置中的運(yùn)動(dòng)情況并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。史嵩等［10］通過DEM-CFD氣固兩相流耦合方法對(duì)排種器進(jìn)行分析，從宏觀尺度、微觀尺度對(duì)充種過程各階段臨界點(diǎn)進(jìn)行劃分，并確定了各階段充種性能評(píng)價(jià)指標(biāo)以及排種盤導(dǎo)種槽最佳參數(shù)組合。韓丹丹等［11］運(yùn)用DEM-CFD耦合的方法，對(duì)內(nèi)充氣吹式玉米排種器進(jìn)行仿真試驗(yàn)，確定最佳安裝結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化工作參數(shù)組合。DEM-CFD耦合常用于顆粒—流體系統(tǒng)的仿真，但滾筒篩式膜雜分離裝置流固耦合數(shù)值模擬目前鮮有報(bào)道。

本文以滾筒篩式膜雜分離裝置為對(duì)象，借助DEM-CFD耦合數(shù)值計(jì)算方法，分析殘膜與棉稈、土壤等雜質(zhì)分離過程以及影響分離性能的主要因素，選取氣流角度、進(jìn)氣口風(fēng)速和滾筒轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，開展三因素三水平正交試驗(yàn)研究，優(yōu)化滾筒篩式膜雜分離裝置工作參數(shù)組合，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證最優(yōu)工作參數(shù)組合下設(shè)備工作性能，以期通過耦合仿真的方法為滾筒篩式膜雜分離裝置最優(yōu)工作參數(shù)選擇提供理論參考。

1 滾筒篩式膜雜分離裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 滾筒篩式膜雜分離裝置結(jié)構(gòu)

滾筒篩式膜雜分離裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由風(fēng)機(jī)、進(jìn)料口、滾筒篩、密封罩、機(jī)架、電機(jī)、集膜箱等組成，滾筒篩由激光打孔鋼板彎折成形，直徑為1 000 mm，長為2 750 mm，帶有篩孔一段長度為2 500 mm，篩孔的直徑為30 mm，滾筒篩內(nèi)部帶有螺旋葉片，集膜箱由絲網(wǎng)圍成，安裝在分離裝置后端。

1.2 工作原理

作業(yè)時(shí)，進(jìn)氣口風(fēng)速、氣流角度以及滾筒轉(zhuǎn)速通過控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)。將利用CMJD-1500型殘膜撿拾打包作業(yè)機(jī)收取、剪碎的膜雜混合物通過進(jìn)料口喂入分離裝置，在滾筒篩轉(zhuǎn)動(dòng)與氣流吹動(dòng)的共同作用下，膜雜混合物在裝置中被打散，實(shí)現(xiàn)物料離散化，螺旋葉片在旋轉(zhuǎn)過程中將膜雜混合物向后運(yùn)移，并進(jìn)一步增大膜雜混合物的分散度，提高物料與氣流的接觸時(shí)間，充分發(fā)揮氣流的清選作用。密封罩可以減少塵土飛揚(yáng)，同時(shí)保證內(nèi)部空間的流場(chǎng)穩(wěn)定性。膜雜混合物中各成分懸浮速度各不相同，密度大、懸浮速度高的土塊、棉稈等雜質(zhì)，在重力場(chǎng)、氣流場(chǎng)的共同作用下，從滾筒篩前段由篩孔排出分離裝置；密度較小、懸浮速度低的地膜，在流場(chǎng)的作用下從滾筒篩另一側(cè)排出分離裝置進(jìn)入集膜箱。

2 膜雜分離裝置數(shù)值模擬及分析

2.1 膜雜混合物運(yùn)動(dòng)分析及分離裝置重要工作參數(shù)

膜雜混合物喂入分離裝置后，在下落過程中受到氣流阻力Ft、重力mg的作用。建立坐標(biāo)，對(duì)裝置內(nèi)的物料進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，如圖2所示。

為滿足分離條件，取Sy為滾筒直徑為1 m，則殘膜水平運(yùn)動(dòng)距離Sx1應(yīng)大于2.75 m，為減少集膜箱內(nèi)的雜質(zhì)含量，雜質(zhì)的水平距離Sx2應(yīng)小于2.75 m。綜上，將各結(jié)果代入式（4）中可得，滾筒篩式膜雜分離裝置的分離效果與氣流速度v2、氣流角度α、氣流相對(duì)物料速度與水平方向夾角γ、物料密度ρs以及物料迎風(fēng)面積A有關(guān)，確定氣流速度、氣流角度為影響分離裝置分離效果的重要工作參數(shù)。

2.2 數(shù)學(xué)模型

湍流和層流狀態(tài)利用雷諾數(shù)Re進(jìn)行判斷。

Re=ρuLμ

（7）

式中：

ρ——流體密度，kg/m3；

u——空氣流速，m/s；

L——特征長度，m；

μ——?jiǎng)恿︷ざ?，Pa·s。

選取空氣密度ρ=1.25 kg/m3，空氣流速u=3～9 m/s，取u最小值為3 m/s，特征長度L=1 m，動(dòng)力黏度μ=1.85×10-5 Pa·s，代入式（1）求得Re=202 702.7，對(duì)于內(nèi)部流動(dòng)，通常認(rèn)為雷諾數(shù)大于2 300為湍流，低于2 300為層流，則該裝置內(nèi)部流場(chǎng)為湍流［12］，對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

2.3 簡化模型及劃分網(wǎng)格

利用SolidWorks軟件對(duì)分離裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化，簡化后的結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示，分別對(duì)裝置中的運(yùn)動(dòng)區(qū)域和靜止區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整體采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，滾筒篩以及滾筒篩與密封罩之間的流體區(qū)域網(wǎng)格邊長為10 mm，對(duì)于篩孔等物理量變化劇烈的位置，進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格邊長為2 mm，篩孔處通過interface進(jìn)行計(jì)算域流通。

將繪制好的動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域和靜網(wǎng)格區(qū)域進(jìn)行合并，檢查合并后的網(wǎng)格數(shù)量與質(zhì)量，合并后的網(wǎng)格如圖3（b）所示，網(wǎng)格總數(shù)為1 939 410個(gè)，網(wǎng)格質(zhì)量Skewness為0.36，網(wǎng)格數(shù)量與質(zhì)量符合要求，導(dǎo)出.msh文件。

2.4 流體相數(shù)值模擬

2.4.1 前處理設(shè)置

利用Fluent軟件對(duì)滾筒篩式膜雜分離裝置內(nèi)部流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬。將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent軟件中，選擇Standard k-epsilon湍流模型，設(shè)置各邊界條件，在相互接觸的篩孔邊界處通過interface對(duì)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行插值傳遞，對(duì)Fluent軟件初始化后進(jìn)行仿真迭代，當(dāng)標(biāo)度殘差曲線圖中的連續(xù)性曲線降到合適的收斂位置時(shí)，仿真完成。

2.4.2 流場(chǎng)分析

當(dāng)分離裝置進(jìn)氣口風(fēng)速為9 m/s、滾筒轉(zhuǎn)速為26 r/min、氣流角度為0°時(shí)滾筒內(nèi)部流場(chǎng)的速度矢量圖、速度矢量局部放大圖和壓力云圖如圖4和圖5所示，通過手持式熱敏風(fēng)速儀，對(duì)滾筒內(nèi)部多個(gè)位置的氣流速度進(jìn)行測(cè)量，與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，仿真的流場(chǎng)環(huán)境與實(shí)際流場(chǎng)環(huán)境相符，證明流場(chǎng)仿真結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。

如圖4（a）所示，建立直角坐標(biāo)系，x軸、y軸正方向如圖所示；從中心處開始，將徑向半徑為200 mm的圓柱劃分為區(qū)域Ⅰ，從區(qū)域Ⅰ邊緣至滾筒壁劃分為區(qū)域Ⅱ，滾筒篩壁到密封罩壁之間劃分為區(qū)域Ⅲ；將進(jìn)氣口一端視為滾筒前端，出氣口一端視為滾筒后端。

從圖4（a）速度矢量圖可知，沿x軸方向，區(qū)域Ⅰ的氣流速度呈現(xiàn)衰減的趨勢(shì)，由8.25～9.71 m/s逐漸降低到4.86～6.31 m/s；區(qū)域Ⅱ處由于氣流擴(kuò)展，使得滾筒后端的氣流速度高于滾筒前端氣流速度，且滾筒前端氣流呈現(xiàn)不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，后端氣流運(yùn)動(dòng)方向朝向x軸正方向；區(qū)域Ⅲ的空氣在壓力差的作用下，滾筒前端的空氣通過篩孔由區(qū)域Ⅲ流入?yún)^(qū)域Ⅱ，滾筒后端的空氣通過篩孔由區(qū)域Ⅱ流入?yún)^(qū)域Ⅲ。沿y軸方向，由于氣流角度為0°，且滾筒可近似看成薄壁對(duì)氣流影響較小，速度矢量沿x軸兩側(cè)呈對(duì)稱分布。

如圖4（a）、圖5所示，滾筒前端區(qū)域Ⅰ處氣流速度要大于區(qū)域Ⅱ以及區(qū)域Ⅲ的氣流速度，由伯努利方程可得，滾筒前端區(qū)域Ⅰ處壓強(qiáng)要小于區(qū)域Ⅲ處壓強(qiáng)，由局部放大圖M可知，滾筒前端篩孔處空氣在壓力差的作用下由滾筒外側(cè)流入滾筒內(nèi)側(cè)，氣流速度為1.46～2.92 m/s；滾筒后端區(qū)域Ⅰ處氣流速度要大于區(qū)域Ⅱ以及區(qū)域Ⅲ的氣流速度，且滾筒后端氣流與滾筒前端氣流有較大的速度差，故滾筒后端區(qū)域Ⅰ的壓強(qiáng)要大于區(qū)域Ⅲ的壓強(qiáng)，由局部放大圖N可知，滾筒后端篩孔處空氣在壓力差的作用下由滾筒內(nèi)側(cè)流入滾筒外側(cè)，氣流速度為0.491～1.46 m/s。

對(duì)滾筒式膜雜分離裝置內(nèi)部流場(chǎng)分析可知，由于裝置內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜，各篩孔處氣流方向、大小均不相同，故進(jìn)氣口風(fēng)速在滿足殘膜清選條件下，應(yīng)盡可能取較大值，避免殘膜運(yùn)動(dòng)到篩孔處受到流場(chǎng)提供的吸附力，造成雜中含膜率高的問題。故根據(jù)懸浮試驗(yàn)測(cè)量以及裝置內(nèi)部流場(chǎng)分析，裝置工作過程進(jìn)氣口風(fēng)速應(yīng)取3～9 m/s。

2.5 DEM-CFD耦合仿真分析

DEM-CFD耦合方法基本思路：通過Fluent軟件求解流場(chǎng)，使用EDEM軟件計(jì)算顆粒系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)受力情況，二者通過耦合接口進(jìn)行質(zhì)量、動(dòng)量和能量等的傳遞，實(shí)現(xiàn)耦合［11］。文中利用Fluent軟件進(jìn)行流體仿真模擬，對(duì)分離裝置清選室氣流場(chǎng)動(dòng)態(tài)分布情況進(jìn)行觀察，導(dǎo)出流場(chǎng)數(shù)據(jù)文件，通過EDEM軟件的API二次開發(fā)功能，將得到的流場(chǎng)數(shù)據(jù)加載到EDEM軟件中，得到分離裝置內(nèi)部流場(chǎng)分布，如圖6所示。觀察顆粒受力及運(yùn)動(dòng)情況，并監(jiān)測(cè)滾筒下端和集膜箱內(nèi)物料質(zhì)量。

測(cè)量殘膜、棉稈等物料的外形參數(shù)，在EDEM軟件中采用球顆粒聚合方法建立物料離散模型，其中殘膜顆粒直徑為1 mm，殘膜模型尺寸（長×寬）為60 mm×30 mm；土壤顆粒直徑為1 mm，土壤模型由兩個(gè)相同的球形顆粒聚合而成；棉稈顆粒直徑為9 mm，棉稈模型長度為60 mm，物料離散模型如圖7所示。

通過排水法測(cè)量殘膜以及棉稈的密度；借助萬能試驗(yàn)機(jī)、質(zhì)構(gòu)儀分別對(duì)棉稈、殘膜進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，通過伸長量與截面收縮量之間的比值，確定物料的泊松比；自制斜面儀，通過測(cè)量兩物料碰撞后彈跳的距離，計(jì)算不同物料之間的接觸參數(shù)，其他物料的物理特性參數(shù)通過查閱文獻(xiàn)獲得［13-15］，各類參數(shù)如表1所示，在軟件中進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。殘膜在裝置內(nèi)部體積分?jǐn)?shù)較小，為減小計(jì)算量提高仿真效率、忽略殘膜的厚度對(duì)分離裝置內(nèi)部流場(chǎng)以及殘膜運(yùn)動(dòng)情況的影響，適當(dāng)增加殘膜顆粒直徑的同時(shí)減小殘膜顆粒密度，以保持殘膜質(zhì)量不變。

將裝置模型導(dǎo)入到EDEM軟件中，設(shè)置滾筒篩、螺旋葉片等工作部件的運(yùn)動(dòng)。增加顆粒工廠、膜雜混合物中各物料質(zhì)量比例為土壤、碎土塊等43%，棉稈等21%，廢舊農(nóng)膜36%，按照測(cè)定的膜雜混合物中各成分質(zhì)量比例設(shè)置物料的投入量。為保證裝置內(nèi)部具有充足的物料且喂料口不堵塞，根據(jù)前期試驗(yàn)，設(shè)置喂入量為175 kg/h，滾筒篩式膜雜分離裝置工作過程模擬如圖8所示。

2.6 單因素試驗(yàn)

理想狀態(tài)下，膜雜混合物投入分離裝置內(nèi)部，殘膜在氣流帶動(dòng)下飄向裝置后端的集膜箱，只有少量殘膜滯留在滾筒內(nèi)部，故裝置內(nèi)部受力主要由棉稈與土壤顆粒提供；對(duì)分離裝置滾筒篩受力變化進(jìn)行分析，通過受力變化的大小衡量裝置內(nèi)部物料運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，若裝置內(nèi)部受力異常增大，則表明大量的殘膜滯留在裝置內(nèi)部流場(chǎng)中，紊亂裝置內(nèi)部流場(chǎng)穩(wěn)定，故該工作參數(shù)組合不利于膜雜混合物的分離。

完成仿真，導(dǎo)出滾筒篩在各時(shí)刻受力的最大值，在其他工作參數(shù)相同的情況下改變氣流角度［16-18］，如圖9（a）、圖9（c）所示，在氣流角度為0°和10°的情況下，滾筒受到的碰撞力較大且波動(dòng)劇烈，當(dāng)氣流角度為0°時(shí)最大受力為10.28 N，氣流角度為10°時(shí)最大受力為7.02 N；如圖9（b）所示，在氣流角度為5°的情況下，滾筒受到的碰撞力較小且波動(dòng)較為規(guī)律，最大受力為4.15 N。綜上，氣流角度的變化對(duì)分離裝置分離過程具有一定的影響，確定氣流角度的最優(yōu)值位于0°～10°之間。

在其他工作參數(shù)相同的情況下改變滾筒轉(zhuǎn)速，如圖10（a）、圖10（c）所示，在滾筒轉(zhuǎn)速為16 r/min和36 r/min的情況下，滾筒受到的碰撞力較大且波動(dòng)劇烈。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為16 r/min時(shí)滾筒最大受力為8.35 N，滾筒轉(zhuǎn)速為36 r/min時(shí)滾筒最大受力為7.32 N；如圖10（b）所示，在滾筒轉(zhuǎn)速為26 r/min的情況下，滾筒受到的碰撞力較小且波動(dòng)較為規(guī)律，最大受力為4.68 N。

當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速較低時(shí)，裝置內(nèi)的物料無法及時(shí)運(yùn)出，滯留在裝置內(nèi)部的物料對(duì)裝置反復(fù)進(jìn)行碰撞，裝置受到的碰撞力較大且波動(dòng)劇烈；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速較高時(shí)，拋灑的物料與高速旋轉(zhuǎn)的滾筒發(fā)生碰撞，彈起的棉稈、土壤等物料混入吹起的殘膜中，膜中含雜率升高。綜上，滾筒轉(zhuǎn)速的變化對(duì)分離裝置分離過程具有一定的影響，確定滾筒轉(zhuǎn)速最優(yōu)值位于16～36 r/min之間。

通過單因素試驗(yàn)，滾筒轉(zhuǎn)速、氣流角度的改變影響分離裝置內(nèi)部流場(chǎng)穩(wěn)定以及分離效率，確定為影響分離裝置工作的重要因素。

3 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)參數(shù)與方法

進(jìn)行實(shí)機(jī)試驗(yàn)，將不同工作參數(shù)組合下測(cè)定的產(chǎn)出物含膜率Y1、雜中含膜率Y2、殘膜產(chǎn)出量Y3作為滾筒篩式膜雜分離裝置工作性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。選取氣流角度、進(jìn)氣口風(fēng)速、滾筒轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，根據(jù)單因素試驗(yàn)以及懸浮試驗(yàn)測(cè)得物料懸浮速度，確定三因素參數(shù)范圍：進(jìn)氣口風(fēng)速為3～9 m/s、氣流角度為0°～10°、滾筒轉(zhuǎn)速為16～36 r/min。進(jìn)氣口風(fēng)速過大，殘膜產(chǎn)出量提高，但較大的風(fēng)力將棉稈等吹到集膜箱內(nèi)導(dǎo)致產(chǎn)出物含膜率較高，進(jìn)氣口風(fēng)速過小殘膜不能被順利吹出分離裝置，導(dǎo)致殘膜產(chǎn)出量下降以及雜中含膜率上升；氣流角度過小殘膜漂浮距離近，雜中含膜率高，氣流角度過大漂浮的殘膜容易與滾筒上側(cè)發(fā)生碰撞，于螺旋葉片纏繞，使得殘膜產(chǎn)出量下降；滾筒轉(zhuǎn)速過大部分未及時(shí)分散的膜雜混合物被直接輸送到后方的集膜箱內(nèi)，導(dǎo)致產(chǎn)出物含膜率上升，滾筒轉(zhuǎn)速過小膜雜混合物打散效果差。為了獲得三個(gè)因素的最佳參數(shù)組合，借助Design-Expert軟件，選擇Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，對(duì)氣流角度X1、進(jìn)氣口風(fēng)速X2、滾筒轉(zhuǎn)速X3進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。試驗(yàn)因素與水平如表2所示。

試驗(yàn)結(jié)束，測(cè)量分離裝置滾筒后方集膜箱處以及滾筒篩下方的土壤、殘膜、棉稈質(zhì)量。滾筒篩式膜雜分離裝置各評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算公式如式（8）、式（9）所示。

Y1=m2m1×100%

（8）

式中：

Y1——產(chǎn)出物含膜率，%；

m1——集膜箱內(nèi)物料的總質(zhì)量，kg；

m2——集膜箱內(nèi)殘膜的質(zhì)量，kg。

Y2=m4m3×100%

（9）

式中：

Y2——雜中含膜率，%；

m3——滾筒篩下方物料的總質(zhì)量，kg；

m4——滾筒篩下方殘膜的質(zhì)量，kg。

在保證雜中含膜率最低的條件下，為保證較高的殘膜產(chǎn)出量，定義Y3為仿真單位時(shí)間內(nèi)集膜箱中收集的殘膜總質(zhì)量，單位為kg/s，用來衡量地膜產(chǎn)出量的高低。

3.2 正交試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及響應(yīng)值如表3所示，其中X1、X2、X3為各因素編碼值。

3.2.2 回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

運(yùn)用Design-Expert軟件對(duì)表3數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合分析［19］，得到各因素與產(chǎn)出物含膜率Y1、雜中含膜率Y2、殘膜產(chǎn)出量Y3的回歸方程，如式（10）～式（12）所示，回歸方程的方差分析結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，響應(yīng)面模型中產(chǎn)出物含膜率Y1、雜中含膜率Y2、殘膜產(chǎn)出量Y3的響應(yīng)面模型的P值均小于0.05，說明回歸模型顯著；其決定系數(shù)R2值分別為0.893 4、0.967 5、0.981 9，表明這3個(gè)模型可以解釋89%以上的評(píng)價(jià)指標(biāo)［20］。因此該模型可以優(yōu)化滾筒篩式膜雜分離裝置的工作參數(shù)。

產(chǎn)出物含膜率Y1模型中X1、X12兩個(gè)回歸項(xiàng)對(duì)模型影響極顯著（P＜0.01），X1X3對(duì)模型影響顯著（P＜0.05）；雜中含膜率Y2模型中X1、X3、兩個(gè)回歸項(xiàng)對(duì)模型影響極顯著（P＜0.01），X12對(duì)模型影響顯著（P＜0.05）；殘膜產(chǎn)出量Y3模型中X1、X2、X3、X1X3、X2X3、X12、X22、X32八個(gè)回歸項(xiàng)對(duì)模型影響極顯著（P＜0.01）。

各因素對(duì)滾筒篩式膜雜分離裝置分離效果的影響可通過分析貢獻(xiàn)率K值得出，各因素對(duì)產(chǎn)出物含膜率影響順序?yàn)椋哼M(jìn)氣口風(fēng)速X1＞氣流角度X2＞滾筒轉(zhuǎn)速X3；各因素對(duì)雜中含膜率影響順序?yàn)椋簼L筒轉(zhuǎn)速X3＞進(jìn)氣口風(fēng)速X1＞氣流角度X2；各因素對(duì)殘膜產(chǎn)出量影響順序?yàn)椋哼M(jìn)氣口風(fēng)速X1＞滾筒轉(zhuǎn)速X3＞氣流角度X2［21］。

3.2.3 交互因素對(duì)性能影響規(guī)律分析

根據(jù)上述回歸方程分析結(jié)果，利用Design-Expert軟件繪制響應(yīng)面圖，根據(jù)響應(yīng)面圖分析進(jìn)氣口風(fēng)速、氣流角度、滾筒轉(zhuǎn)速交互因素對(duì)響應(yīng)值的影響［22］。

1） 交互因素對(duì)產(chǎn)出物含膜率的影響規(guī)律分析。進(jìn)氣口風(fēng)速、氣流角度、滾筒轉(zhuǎn)速交互因素對(duì)產(chǎn)出物含膜率影響的響應(yīng)面圖如圖11所示。圖11（a）為滾筒轉(zhuǎn)速位于中心水平（26 r/min）時(shí)，進(jìn)氣口風(fēng)速與氣流角度對(duì)產(chǎn)出物含膜率交互作用的響應(yīng)面圖。從圖11（a）可以看出，在同一氣流角度下產(chǎn)出物含膜率隨著進(jìn)氣口風(fēng)速的增大先增大后減??；當(dāng)進(jìn)氣口風(fēng)速較小時(shí)，產(chǎn)出物含膜率隨著氣流角度的增加而增大，當(dāng)進(jìn)氣口風(fēng)速較大時(shí)，產(chǎn)出物含膜率隨著氣流角度的增大先減小后增大。

圖11（b）為氣流角位于中心水平（5°）時(shí)，進(jìn)氣口風(fēng)速與滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)產(chǎn)出物含膜率交互作用的響應(yīng)面圖。從圖11（b）可以看出，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速較高時(shí)，產(chǎn)出物含膜率隨著進(jìn)氣口風(fēng)速的增大先增大后減小，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速較低時(shí)，產(chǎn)出物含膜率隨著進(jìn)氣口風(fēng)速的增加而增加；當(dāng)進(jìn)氣口風(fēng)速較低時(shí)，產(chǎn)出物含膜率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增大而增大，當(dāng)進(jìn)氣口風(fēng)速較高時(shí)，產(chǎn)出物含膜率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增大而減小。從圖11（c）可以看出，氣流角度與滾筒轉(zhuǎn)速交叉因素對(duì)指標(biāo)影響不顯著?？傮w影響趨勢(shì)為進(jìn)氣口風(fēng)速、氣流角度越大、滾筒轉(zhuǎn)速適中，則產(chǎn)出物含膜率越高。

2）" 交互因素對(duì)雜中含膜率的影響規(guī)律分析。各因素對(duì)雜中含膜率影響的響應(yīng)面圖如圖12所示。

圖12（a）為滾筒轉(zhuǎn)速位于中心水平（26 r/min）時(shí)，進(jìn)氣口風(fēng)速與氣流角度對(duì)產(chǎn)出物含膜率交互作用的響應(yīng)面圖。從圖12（a）可以看出，在同一氣流角度下雜中含膜率隨著進(jìn)氣口風(fēng)速的增大先增大后減?。划?dāng)進(jìn)氣口風(fēng)速較小時(shí)，產(chǎn)出物含膜率隨著氣流角度的增加而增大，當(dāng)進(jìn)氣口風(fēng)速較大時(shí)，雜中含膜率隨著氣流角度的增大而減小。圖12（b）為氣流角位于中心水平（5°）時(shí)，進(jìn)氣口風(fēng)速與滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)雜中含膜率交互作用的響應(yīng)面圖。從圖12（b）可以看出，在同一滾筒轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣口風(fēng)速對(duì)雜中含膜率的影響不顯著；在同一進(jìn)氣口風(fēng)速下雜中含膜率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加而減小。圖12（c）為進(jìn)氣口風(fēng)速位于中心水平（6 m/s）時(shí)，氣流角度與滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)雜中含膜率交互作用的相應(yīng)面圖。從圖12（c）可以看出，在同一滾筒轉(zhuǎn)速下，氣流角度對(duì)雜中含膜率的影響不顯著；在同一氣流角度下雜中含膜率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增大而減小?？傮w影響趨勢(shì)為進(jìn)氣口風(fēng)速、氣流角度、滾筒轉(zhuǎn)速越大，則雜中含膜越低。

3）" 交互因素對(duì)殘膜產(chǎn)出量的影響規(guī)律分析。各因素對(duì)殘膜產(chǎn)出量影響的響應(yīng)面圖如圖13所示。圖13（a）為滾筒轉(zhuǎn)速位于中心水平（26 r/min）時(shí)，進(jìn)氣口風(fēng)速與氣流角度對(duì)殘膜產(chǎn)出量交互作用的響應(yīng)面圖。從圖13（a）可以看出，在同一氣流角度下殘膜產(chǎn)出量隨著進(jìn)氣口風(fēng)速的增大先增大后減??；在同一進(jìn)氣口風(fēng)速下殘膜產(chǎn)出量隨著氣流角度的增大先增大后減小。圖13（b）為氣流角位于中心水平（5°）時(shí)，進(jìn)氣口風(fēng)速與滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)殘膜產(chǎn)出量交互作用的響應(yīng)面圖。從圖13（b）可以看出，在同一滾筒轉(zhuǎn)速下殘膜產(chǎn)出量隨著進(jìn)氣口風(fēng)速的增大先增大后減小；在同一進(jìn)氣口風(fēng)速下殘膜產(chǎn)出量隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增大先增大后減小。圖13（c）為進(jìn)氣口風(fēng)速位于中心水平（6 m/s）時(shí)，氣流角度與滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)殘膜產(chǎn)出量交互作用的相應(yīng)面圖。從圖13（c）可以看出，在同一滾筒轉(zhuǎn)速下殘膜產(chǎn)出量隨著氣流角度的增大先增大后減小，在同一氣流角度下殘膜產(chǎn)出量隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增大先增大后減小?？傮w影響趨勢(shì)為進(jìn)氣口風(fēng)速、氣流角度、滾筒轉(zhuǎn)速越大，則殘膜產(chǎn)出量越高。

4 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 參數(shù)優(yōu)化

為提升滾筒篩式膜雜分離裝置的作業(yè)性能，需滿足產(chǎn)出物含膜率高、雜中含膜率低、殘膜產(chǎn)出量高，綜合考慮各因素對(duì)響應(yīng)值的影響關(guān)系，通過多目標(biāo)優(yōu)化，獲取最佳的工作參數(shù)組合。

本研究針對(duì)滾筒篩式膜雜分離裝置工作參數(shù)優(yōu)化，為滿足產(chǎn)出物含膜率高、雜中含膜率低、殘膜產(chǎn)出量高的作業(yè)要求，根據(jù)滾筒篩式膜雜分離裝置的實(shí)際工作條件、作業(yè)性能要求，選擇優(yōu)化約束條件為

maxY1（X1，X2，X3）

minY2（X1，X2，X3）

maxY3（X1，X2，X3）

Yi＞0，i=1，2，3

-1≤Xj≤1，j=1，2，3

（13）

利用Design-Expert軟件對(duì)各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解。當(dāng)進(jìn)氣口風(fēng)速為8.54 m/s、氣流角度為8.01°、滾筒轉(zhuǎn)速為26.36 r/min時(shí)，此時(shí)產(chǎn)出物含膜率為87.67%、雜中含膜率為2.1%、殘膜產(chǎn)出量為0.034 8 kg/s。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，采用上述參數(shù)在山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院試制工廠進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)。

對(duì)理論最優(yōu)工作參數(shù)進(jìn)行圓整，將進(jìn)氣口風(fēng)速設(shè)置為8.5 m/s、氣流角度為8°、滾筒轉(zhuǎn)速為26 r/min，在此優(yōu)化方案下進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn)，利用手持熱敏式風(fēng)速儀（測(cè)量范圍：0～30 m/s，誤差：±1%）確定進(jìn)氣口風(fēng)速，三量數(shù)顯傾斜角儀（測(cè)量范圍：0°～90°）確定進(jìn)風(fēng)口管道角度，UT372型高精度非接觸式轉(zhuǎn)速儀（測(cè)量范圍：0～99 999 r/min）確定滾筒轉(zhuǎn)速，分離物利用電子秤確定其中殘膜及雜物的質(zhì)量，計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)值，結(jié)果如表5所示。

從表5可知，試驗(yàn)值與理論優(yōu)化值接近，相對(duì)誤差均小于7%，因此參數(shù)優(yōu)化模型可靠，驗(yàn)證了基于DEM-CFD氣固兩相流耦合仿真對(duì)滾筒篩式膜雜分離裝置流場(chǎng)分析的可行性。滾筒篩式膜雜分離裝置優(yōu)化工作參數(shù)前，產(chǎn)出物含膜量為88.54%、雜中含膜率為2.13%、殘膜產(chǎn)出量為0.031 4 kg/s；采用優(yōu)化工作參數(shù)組合，即進(jìn)氣口風(fēng)速為8.5 m/s、氣流角度為8°、滾筒轉(zhuǎn)速為26 r/min，此時(shí)產(chǎn)出物含膜率為89.31%、雜中含膜率為1.99%、殘膜產(chǎn)出量為0.032 6 kg/s，與工作參數(shù)優(yōu)化前各指標(biāo)相比，產(chǎn)出物含膜量、殘膜產(chǎn)出量分別提高0.87個(gè)、3.82個(gè)百分點(diǎn)，雜中含膜率降低6.57個(gè)百分點(diǎn)，為滾筒篩式膜雜分離裝置工作參數(shù)優(yōu)化提供參考。

5 結(jié)論

1）" 以現(xiàn)有滾筒篩式膜雜分離裝置為基礎(chǔ)，借助Fluent軟件對(duì)裝置內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析，利用DEM-CFD耦合仿真的方法，對(duì)分離裝置工作過程進(jìn)行仿真分析，根據(jù)仿真得到的結(jié)果，通過正交試驗(yàn)優(yōu)化分離裝置工作參數(shù)，驗(yàn)證了DEM-CFD耦合仿真對(duì)滾筒篩式膜雜分離裝置分析的可行性。

2）" 通過響應(yīng)曲面分析，各因素對(duì)產(chǎn)出物含膜率影響順序?yàn)椋哼M(jìn)氣口風(fēng)速＞氣流角度＞滾筒轉(zhuǎn)速；各因素對(duì)雜中含膜率影響順序?yàn)椋簼L筒轉(zhuǎn)速＞進(jìn)氣口風(fēng)速＞氣流角度；各因素對(duì)殘膜產(chǎn)出量影響順序?yàn)椋哼M(jìn)氣口風(fēng)速＞滾筒轉(zhuǎn)速＞氣流角度。

3）" 滾筒篩式膜雜分離裝置最優(yōu)工作參數(shù)組合進(jìn)氣口風(fēng)速為8.5 m/s、氣流角度為8°、滾筒轉(zhuǎn)速為26 r/min，此時(shí)產(chǎn)出物含膜率為89.31%、雜中含膜率為1.99%、殘膜產(chǎn)出量為0.032 6 kg/s，與工作參數(shù)優(yōu)化前各指標(biāo)相比，產(chǎn)出物含膜量、殘膜產(chǎn)出量分別提高0.87個(gè)、3.82個(gè)百分點(diǎn)，雜中含膜率降低6.57個(gè)百分點(diǎn)，為滾筒篩式膜雜分離裝置工作參數(shù)優(yōu)化提供參考。

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