2024年3月29日发(作者：戴畴)
第
51
卷
第
10
期
年月
20231
0
西北农林科技大学学报
(
自然科学版
)
()
JournalofNorthwestA&.
y
Vol.51No.10
Oct.2023
:/
网络出版时间
:
2023-04-10 14
:
37 .2023.10.014
jj
://///
网络出版地址
:
p
基于
EDEM-Fluent
的荞麦旋风分离清选装置研究
22222
,,,,
黄颖石
1
,
张卫国
1
,
冯松科
1
,
刘志杰
1
,
杨福增
1
,
)
陕西杨凌
72
农业农村部北方农业装备科学观测实验站
,
12100
(
陕西杨凌
71
西北农林科技大学机械与电子工程学院
,
12100
;
”
法
】
以
“
西农
9
品种荞麦为试验对象
,
测定荞麦和籽粒的主要物料特性
,
采用
E
对旋
979DEM-Fluent
耦合的仿真方法
,
[
摘
要
]
目的
】
设计适合荞麦清选的旋风分离清选装置
,
为提高我国荞麦的机械化收获水平提供支持
。【
方
【
风分离筒不同截面的气流速度云图和荞麦籽粒在旋风分离筒内的运动进行分析
,
并对清选的清洁率和损失率进行仿
真
。【
结果
】
旋风分离筒轴向气流对称性较好
,
基本不受入口位置的影响
,
中心轴处气流速度约
Fluent
仿真分析表明
,
/,/。
喂入口位于分离筒上部时
,
为
1
筒壁周围的气流速度约为
5m
在径向截面处的喂入口气流速度和分离筒内
0mss
筒壁周围的气流速度相同
,
可能造成荞麦籽粒的大量损失
。
E
旋风分离筒喂入口位于上部
、
中部
DEM
仿真分析表明
,
选择喂入口位于旋风分离筒中部
,
台架验证试验结果表明
,
所设计荞麦旋风分离筒的平均清洁率为
9
平均损
4.78%
,
失率为
1.
可以较好地实现荞麦的分离和清选
。【
结论
】
所设计荞麦旋风分离清选装置可以满足荞麦旋风分离
67%
,
和下部时
,
清洁率分别为
9
损失率分别为
8.9.50%
,
98.80%
和
98.28%
,
456%
,
0.433%
和
0.260%
。
根据仿真结果
,
清选的需要
。
[
;
关键词
]
分离清选
;
旋风分离筒
荞麦
;
EDEM-Fluent
[
中图分类号
]
S225.99
[
文献标志码
]
A
[
()
文章编号
]
1671-9387202310-0128-13
Buckwheatcclonesearationandcleaninevice
ypg
d
basedonEDEM-Fluent
1
,
21
,
21
,
21
,
2
HUANGYinshi
,
ZHANGWeiuo
,
FENGSonke
,
LIUZhiie
,
YANGFuzen
gggjg
1
,
2
2
ScientiicObservinndExerimentalStationoriculturalEuientortheNorthernChina
,
MinistrricultureandRural
fg
a
pf
A
gqp
m
fy
o
f
A
g
(
1
ColleeoechanicalandElectronicEnineerinNorthwestA&FUniversitYanlinShaanxi
712100
,
China
;
gf
M
gg
,
y
,
gg
,
Aairs
,
YanlinShaanxi
712100
,
China
)
ffgg
,
:【】,
Abstract
ObectiveToimrovethelevelofmechanizedharvestinfbuckwheatinChinaacclone
jpg
o
y
【】
ainmaterialroertiesof
pg
d
g
w
gpp
,
buckwheatand
g
M-Fluentcoulinimulationtheairflow
g
9
g
E
pg
s
velocitontourofdifferentsectionsinthecclonesearatorandthemovementofbuckwheatrainsinthe
y
c
ypg
【】
heFluent
ypyg
r
,
simulationanalsisshowedthattheaxialairflowsmmetrnthecclonesearatorwas
g
oodanditwas
yyy
i
yp
/
basicallotaffectedbinlet
p
flowvelocittthecentralaxiswasabout10msandthe
y
n
yy
a
/,
efeedininletwaslocatedintheuerartthe
y
a
ygppp
airvelocitfthefeedininletatthehorizontalsectionwasthesameastheairvelocitroundtheinner
y
o
gy
a
收稿日期
]
[
2022-06-24
);“;
基金项目
]
十三五
”
国家重点研发计划项目
(
西北农林科技大学试
[
陕西省重点研发计划项目
(
2019NY-1762016YFD0701804
)
)
验示范站科技创新与成果转化项目
(
2020-37
[]
(
),,,,:
作者简介
黄颖石
1996-
男陕西武功人硕士主要从事农业机械制造与应用研究
。
E-mailhs893413577@
y
[]
(
),,,,,,。
通信作者
张卫国
男陕西礼泉人副教授博士硕士生导师主要从事现代农业装备研发研究
1979-
:
E-mailzw2010@
g
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第
10
期
,
inletwaslocatedinthemiddleofthecclonesearatorandthebenchtestshowedthattheaveraecleanin
ypgg
【】
ratewas94.78%andtheaveraelossratewas1.67%.ConclusionThedesinedbuckwheatcclonese-
ggyp
,
clinderwallwhichmaauselarelossesofbuckwheat
g
efeedininletwaslocatedinthe
yy
c
gg
,,
uermiddleandlower
p
artsthecleaninateswere99.50%
,
98.80%and98.28%andthelossrates
ppg
r
,
were8.456%
,
0.433%and0.260%
,
inosimulationresultsthedeterminedfeedin
pyg
t
g
黄颖石
,
等
:
基于
EDEM-Fluent
的荞麦旋风分离清选装置研究
129
arationandcleaninevicemettheneedsofbuckwheatcclonesearationandcleanin.
g
d
ypg
:;;;
Keords
buckwheatsearationandcleaninEDEM-Fluentcclonesearator
pgyp
y
w
药用保健功能突出
,
是国际上公
荞麦营养丰富
,
]
1-3
,
认的药食兼用杂粮经济作物
[
我国荞麦的总种植
4
]
。
但受生长特性和经
面积及总产量均居世界第二
[
适合荞麦收获的旋风分离清选装置研发提供借鉴
。
济因素等影响
,
我国荞麦主要种植在土壤贫瘠
、
气候
条件恶劣
、
自然条件差
、
地块狭小且不平整的丘陵缓
5
]
。
现有的
坡地区
,
不适合大
、
中型联合收获机作业
[
1
荞麦旋风分离清选试验台
1.1
结构组成
由于荞麦籽粒易破碎
,
荞麦旋风分离清选试验
]
12
)
台
(
图
1
采用气力喂入方式
[
进行物料喂入
,
该试
人工收获方式劳动强度大
、
收获时间长
、
工作效率
低
,
难以适应现代荞麦产业发展的需要
。
为解决收获机在丘陵缓坡地区清选作业效果不
佳的问题
,
有学者提出将旋风分离清选装置应用在
]
6
小型联合收获机上
。
赵学观等
[
利用
Fluent
数值
验台主要由离心风机
、
变频器
、
吸杂口高度调节装
置
、
分离筒
、
粮箱
、
防倒吸喷嘴等部分构成
。
仿真对大豆脱粒机气力清选装置进行了仿真
,
得到
了吊桶长度
、
直径等最优结构参数
,
并对其分离清选
]
7
作业效果进行了评价
。
刘正怀等
[
设计了一种用于
小型稻麦联合收割机的旋风分离清选装置
,
流体仿
真分析表明该分离清选装置的结构设计及其气流场
分布等符合要求
,
清选分离效果较好
,
提高了联合收
[
8
]
割机的整机作业质量
。
Safikhani
等为提高旋风
分离器的分选性能
,
对旋风分离器的分选性能进行
了数值模拟
,
采用欧拉拉格朗日计算预测了颗粒物
-
的运动轨迹
,
并用
DRW
离散仿真方法得到速度模
9
]
型
,
对模型进行了图形抽象分析
。
路修强
[
运用
CFD-DEM
耦合方法对小麦清选过程中的运动进行
仿真分析
,
表明采用气固数值模拟可以真实表征小
喂料口
;
吸杂风机
;
吸杂管道
;
可伸缩拐角
;
4.5.6.7.
防倒吸喷嘴
;
吸杂风机开关
;
吸杂风机变频器
11.12.13.
喂入风机变频器
;
喂入风机开关
;
喂入风机
;
1.2.3.
吸杂口高度调节装置
;
分离筒
;
粮箱
;
8.9.10.
麦的物料属性
、
模拟麦粒和气流的运动
、
反映气流与
小麦籽粒的相互影响
,
为清选系统的优化和改进提
供了理论依据
。
10-11
]
,
麦
、
水稻收获机的基础上改进而来
[
用于荞麦籽
;;;
ank
gjyp
;;;;
n
p
lecorner
gp
;;
nfanswitch
yg
n
;;;
an
g
f
qy
c
g
s
g
f
目前国内外现有的荞麦收获机大多都是在小
粒收获时存在清选清洁率低
、
籽粒含杂率高
、
清选效
果不佳的不足
。
为此
,
本研究利用
SolidWorks
对荞
麦旋风分离清选试验台的分离清选筒进行实体建
,
通过
EFluentDEM-Fluent
耦合仿真对该旋风分离
筒内的气流场和荞麦物料运动状态进行分析
,
改进
荞麦旋风分离筒结构并对其进行试验验证
,
以期为
模
,
仿真采用颗粒仿真软件
EDEM
和流体仿真软件
Fi.1 Structuraldiaramofbuckwheatcclonesearation
ggyp
图
1
荞麦旋风分离清选试验台结构示意图
cleaninestbench
g
t
nfreuenconverter
qy
c
1.2
工作原理
荞麦经过脱粒滚筒后的清选物料主要包括短茎
秆
、
籽粒
、
颖糠
、
灰尘等
,
其质量
、
密度
、
形状和尺寸存
在明显差异
,
在分离筒内的悬浮速度也各不相同
。
清选物料经喂料口被喂入风机产生的高速气流沿分
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130
西北农林科技大学学报
(
自然科学版
)
离筒壁切向喂入旋风分离筒内
,
在惯性力和筒内气
流的共同作用下
,
不同成分的清选物料在分离筒内
的运动状况也不相同
。
清选物料中小密度的灰尘
、
颖糠
、
短茎秆等轻杂余的离心力较小
,
在旋风分离筒
内悬浮时易向分离筒中心处运动
,
此处由于吸杂风
机所产生的上升气流速度大于其临界悬浮速度
,
使
得轻杂余被分离筒中心与吸杂风机相连的吸杂管道
吸出
;
清选物料中大密度荞麦籽粒的离心力较大
,
在
旋风分离筒内易向分离筒壁处移动
,
此处的上升气
流速度小于其临界悬浮速度
,
使得荞麦籽粒在分离
筒内沿着筒壁下滑
,
最后由排粮口落入粮箱
,
实现荞
麦脱出物料的分离清选
。
1.3
旋风分离筒
理想状况下的气流速度与气流流量间的关系可
表示为
:
第
51
卷
32
);;
式中
:
Q
为气流流量
(
m
/
s
S
为喂料口面积
(
m
)
/)。
ε
为理想状况下的气流速度
(
ms
荞麦清选物料喂入分离筒时
,
其与空气混合后
密度发生改变
,
假设清选物料是均匀喂入
,
清选物料
)
质量与空气质量比为
u
,
由
(
式可得
:
1
q
0
()
Q
=
。
2
u
ρ
/);
式中
:
ks
u
为清选物料
g
q
0
为清选物料的喂入量
(
质量与空气质量比
,
一般取
u
=0.8
;
ρ
为空气密度
,
3
(/。
取
1.225km
)
g
]
13
。
由式
(
量对分离筒尺寸进行设计计算
[
可知气
2
)
3
,
力喂入气流流量为
0.
根据现有旋风分离
41m
/
s
/
荞麦旋风分离清选试验台以
0.4ks
的喂入
g
14
]
,
筒的设计经验
[
确定荞麦旋风分离筒的具体参数
Q
=
Sε
。
分离筒直径
(
D
)
(
Cclonesearatordiameter
D
)
yp
进口高度
(
h
)
(
Inletheiht
h
)
g
分离筒结构参数
Structure
p
arametersof
cclonesearator
yp
Table1 Parametersofbuckwheatcclonesearator
yp
表
1
荞麦旋风分离筒的参数
取值
/
mm
Value
350
120
70
150
()
1
如表
1
所示
,
其结构示意图见图
2
。
尺寸关系
Sizerelation
D
()
0.3~0.5
D
()
0.2~0.4
D
0.42
D
进口宽度
(
b
)
(
Inletwidth
b
)
吸杂管直径
(
D
1
)
(
Suction
p
iediameter
D
1
)
p
2.1
滑动摩擦角的测定
滑动摩擦角可以反映清选物料与其接触材料间
()
图
3
测定清选物料的滑动摩擦角
,
其斜面采用与
)
板
,
自流角采用数显倾角仪
(
精度为
0.
进行测
05°
定
。
每次从脱出物中随机取
2
单层铺
0
粒荞麦籽粒
,
放在亚克力板斜面上
,
逐渐增大斜面角度
,
记录第一
颗荞麦籽粒开始滑动和最后一颗荞麦籽粒滑动时斜
面倾角的变化范围
,
即为荞麦籽粒滑动摩擦角的变
的摩擦特性
。
本研究采用自制的摩擦角测定装置
试验平台搭建的旋风分离筒材质相同的透明亚克力
分离筒结构参数
Structure
p
arametersof
cclonesearator
yp
)
排粮口直径
(
D
2
(
Outletdiameter
D
2
)
筒体长度
(
L
1
)
(
Clinderheiht
L
1
)
yg
)
下锥体长度
(
L
2
(
Conelenth
L
2
)
g
总高度
Grosslenth
g
尺寸关系
Sizerelation
取值
/
mm
Value
200
320
255
575
0.57
D
0.91
D
0.73
D
1.64
D
2
荞麦物料特性
Fi.2 Structuraldiaramofbuckwheatcclonesearator
ggyp
图
2
荞麦旋风分离筒结构示意图
化范围
。
每次从脱出物中随机收集
1
单层
0
根茎秆
,
铺放在亚克力板斜面上
,
采用同样方法测量茎秆滑
动摩擦角的变化范围
,
然后根据下面公式计算有关
参数
:
)
sin
α
,
F
N
=
G
cos
α
,
tan
α
。(
3
f
=
G
μ
=
;;
式中
:
N
)
G
为物料重力
(
N
)
α
f
为最大静摩擦力
(
脱粒装置脱出物成分的物料特性对清选装置的
清选性能有显著影响
,
其中籽粒和茎秆的物料特性
对旋风分离清选影响显著
,
是仿真建模的关键对
象
[
15-18
]
”。
特性进行测定
,
测定的荞麦品种为
“
西农
9979
。
因此
,
需要对荞麦籽粒和茎秆的相关物料
);;
为斜面倾角
(
°
F
N
为物料所受的支撑力
(
N
)
μ
为
摩擦系数
。
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第
10
期
黄颖石
,
等
:
基于
EDEM-Fluent
的荞麦旋风分离清选装置研究
131
约为
0.001
。
从荞麦脱出物中每次随机取出
10
粒荞麦籽粒
,
用游标卡尺分别测量荞麦籽粒的长度和棱边宽度
,
棱边宽度均值为
,
31mm
。
籽粒密度采用容
积法测量
,
称取
5
g
饱满荞麦籽粒倒入装有水的量
重复测量
7
组
,
可得荞麦籽粒的长度均值为
6.80
筒内
,
量筒内水面增长的体积即为荞麦体积
,
经
5
次
3
/
测量后计算得荞麦籽粒密度为
1200km
。
g
数显倾角仪
;
亚克力板斜面
;
角度调整滑块
1.2.3.
;;
p
late
gy
3 EDEM-Fluent
耦合的分离筒仿真
分析
EDEM-Fluent
耦合是根据气固耦合理论进行
计算求解
。
在耦合过程中
,
Fluent
将流场迭代计算
力状况进行分析计算
,
两者相互交替计算质量
、
动量
时交换
。
3.1 Fluent
流体仿真设置
3.1.1
分离筒结构模型的构建及网格划分
采用
体下部
、
中部和上部的实体模型
。
将这
3
种实体模
型分别导入
C
对实体模型进行
FD
网格划分软件内
,
网格划分
。
为保证网格的精度
,
采用六面体网格
,
网
格划分数量设置为
3
网格划分结果如
0
万
~40
万
,
图
5
所示
。
Fi.3 Measurineviceforslidinriction
gg
d
g
f
图
3
清选物料滑动摩擦角测量装置
anleofcleaninaterials
gg
m
ustmentslider
gj
的数据结果传递给
EDEM
,
EDEM
对颗粒的运动受
及能量并互递数据
,
从而实现试验数据的共享和实
,,,
最大值为
3
平均值为
2
摩擦系数
21.95°6.25°9.1°
,
为
0.
荞麦茎秆滑动摩擦角的最小值为
256
;
2.65°
0.56
。
2.2
茎秆和籽粒基本参数的测定
,,
最大值为
3
平均值为
2
摩擦系数为
6.25°9.45°
从荞麦脱出物中随机挑出
1
用游标
00
根茎秆
,
次
,
结果表明
:
荞麦籽粒滑动摩擦角的最小值为
荞麦籽粒和茎秆摩擦系数的测量均重复测定
5
SolidWorks
建立物料喂入口位置不同的旋风分离
筒
。
图
4
为物料喂入口分别位于旋风分离筒圆柱筒
卡尺和电子秤分别测量茎秆的长度
、
直径和质量
,
结
果表明
,
茎秆长度集中分布在
6
茎秆直
0mm
左右
,
径集中分布在
3mm
左右
,
茎秆质量与长度的比值
;;;
n
p
utlet
gppy
物料喂入口
;
吸杂管道
;
分离筒圆柱筒体
;
排粮口
1.2.3.4.
3.1.2
参数及边界条件设定
基于旋风分离筒内
的实际气流条件
,
分离筒内的气流采用
RNG
k
-
ε
Fi.4 Cclonesearatormodel
gyp
图
4
旋风分离筒的三维模型
喂
SIMPLEC
求解算法
。
设
Y
轴方向为重力方向
,
3
/,/
入风速取
1
空气密度为
1.
黏度为
4ms225km
,
g
19
]
,
湍流模型
[
选择
SwirlDominatedFlow
选项的
·。
1.789×10Pas
-5
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132
西北农林科技大学学报
(
自然科学版
)
第
51
卷
3.2 EDEM
离散元仿真
3.2.1
物料颗粒模型的建立及参数设置
EDEM
中模型参数的设置主要包括物料的材料特性参数和
Fi.5 Cclonesearator
g
riddivision
gyp
图
5
旋风分离筒的网格划分
20-21
]
,
各物料间的力学参数
[
具体参数如表
2
和表
3
所示
。
荞麦籽粒
Buckwheat
g
rain
物料
Material
Table2 Materialcharacteristic
p
arametersofmaterials
表
2
物料的材料特征参数
泊松比
’
Poissonsratio
茎秆
Stalk
0.3
0.4
0.3
(
·
m
-3
)
密度
/
k
g
Densit
y
1200
剪切模量
/
MPa
Shearmodulus
亚克力板
Acrlic
p
late
y
Table3 Mechanic
p
arametersbetweenmaterials
表
3
物料间的力学参数
恢复系数
Restitutioncoefficient
1.2×10
93
2.6
1.0
700
4
荞麦籽粒荞麦籽粒
B-uckwheat
g
rain-Buckwheat
g
rain
物料
Material
荞麦籽粒亚克力板
B-uckwheat
g
rain-acrlic
p
late
y
0.2
0.5
0.2
0.2
0.2
静摩擦系数
Staticfrictioncoefficient
1
动摩擦系数
Rollinrictioncoefficient
g
f
荞麦籽粒茎秆
B-uckwheat
g
rain-stalk
0.56
0.8
0.7
0.56
0.01
0.01
0.01
0.01
0.01
茎秆亚克力板
S-talk-acrlic
p
late
y
西农
9
荞麦籽粒的
采用
SolidWorks
构建
“
979
”
轮廓
,
导入
EDEM
后用球形颗粒进行堆积和填充以
逼近荞麦籽粒的实际轮廓
,
最终得到荞麦籽粒模型
茎秆茎秆
S-talk-stalk
如图
6-a
所示
。
荞麦茎秆模型采用实心短棒代替
,
按照
2.
确定茎秆长度为
62
节的测定结果
,
0mm
,
直径为
3mm
,
荞麦茎秆模型如图
6-b
所示
。
3.2.2 EDEM
参数设置
将图
5
所示的网格划分
文件导入
E
设置旋风分离筒的入口位置为
DEM
中
,
Fi.6 Materialmodelofbuckwheat
g
rainandstalk
g
图
6
荞麦籽粒和茎秆模型
荞麦茎秆和籽粒的生成面
。
为保证仿真的顺利进
行
,
结合荞麦脱粒时脱出物的脱出速率
,
综合考虑确
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第
10
期
/,
定物料的喂入量为
0.
计算可得单位时间内
2ks
g
黄颖石
,
等
:
基于
EDEM-Fluent
的荞麦旋风分离清选装置研究
[
23
]
133
产生荞麦籽粒的数量为
47
产生荞麦茎秆的
22
个
,
接触模型在
Enus
升力模型选项
,
DEM
模型选项
选择农作物及其他物料颗粒输送仿真分析中常用的
数量为
1
荞麦籽粒和茎秆的喂入初速度均设
80
个
,
/,,
为
1
颗粒产生的时间设置为
1.
模拟总时
5ms5s
,
间设置为
3s
以雷利时间步长的
25%
作为模拟的
时间步长
。
4
仿真结果与分析
Hertz-MindlinwithJKR
接触模型
[]
24
。
3.3 Fluent
与
EDEM
的耦合
考虑到气流和清选物料间的相互作用力
,
耦合
模型采用欧拉模型
。
在
Fluent
和
EDEM
耦合模块
4.1 Fluent
仿真
物料喂入口位于旋风分离筒圆柱筒体上
、
中
、
下
部不同位置时
,
不同位置气流速度的变化范围也不
同
,
3
种喂入口位置不同的旋风分离筒内纵向和径
向的气流速度云图如图
7
、
每张速度云
8
和
9
所示
,
图颜色所代表的速度大小范围也略有不同
。
中
,
曳力模型选择精确的
ErunandWen&Yu
模
g
]
22
型
[
选项
。
由于旋风分离筒内的气流主要是旋转
运动
,
因此升力模型选择与流场相互垂直的
Ma-
g
Fi.7 Airflowvelocitistributionatdifferentsectionsinthecclonesearatorwithfeedininletontheuer
p
art
gy
d
ypgpp
图
7
物料喂入口位于圆柱筒体上部时旋风分离筒内不同截面的气流速度云图
分析喂入口位置不同的
3
种分离筒内纵向截面
、)
的速度云图
(
图
7
可知
,
-a8-a
和
9-a3
种喂入口位
气流速度沿分离筒中心轴的对称性较好
,
中心轴处
/;
气流速度较大
,
约为
1
筒壁周围的速度较小
0ms
Fi.8 Airflowvelocitistributionatdifferentsectionsinthecclonesearatorwithfeedininletonthemiddle
p
art
gy
d
ypg
图
8
物料喂入口位于圆柱筒体中部时旋风分离筒内不同截面的气流速度云图
同的
3
种分离筒排粮口处径向截面的气流速度均以
中心轴处速度较低
,
筒壁周围速度较高
;
由分离筒喂
、
入口处径向截面的气流速度云图
(
图
7-b8-b
和
9-
置对分离筒内纵向气流速度分布的影响并不显著
,
/。
由分离筒排粮口处径向截面
且均匀
,
约为
5ms
)
和分离筒圆柱筒体处径向截面的气流速度云图
b
(、)
图
7
可知
,
沿旋风分离筒中心轴方向
,
-c8-c
和
9-c
旋风分离筒圆柱筒体不同位置的径向截面气流速度
均以中心轴处速度较高
,
筒壁周围速度较低
,
喂入口
、)
的速度云图
(
图
7
可知
,
喂入口位置不
-d8-d
和
9-d
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134
西北农林科技大学学报
(
自然科学版
)
处径向截面的气流速度均以入口处及中心轴处速度
第
51
卷
较高
。
分离筒上部喂入口径向截面
由图
7-b
还可知
,
处的喂入口气流速度和分离筒内筒壁周围的气流速
度相同
,
说明喂入口处喂入气流对荞麦籽粒的影响
较小
,
而喂入气流有将荞麦籽粒沿旋风分离筒壁切
向喂入分离筒的作用
。
因此物料喂入口位于旋风分
离筒圆柱筒体上部时
,
无法保证荞麦籽粒在刚被喂
入旋风分离筒时继续沿旋风分离筒壁切向运动
,
容
易导致此截面处物料直接进入分离筒中心并从分离
筒上端被吸出
。
图
10
为旋风分离筒不同横截面气流速度的矢
Fi.9 Airflowvelocitistributionatdifferentsectionsinthecclonesearatorwithfeedininletonthelower
p
art
gy
d
ypg
图
9
物料喂入口位于圆柱筒体下部时旋风分离筒内不同截面的气流速度云图
量分布图
,
图中气流速度矢量的长短可以反映气流
速度的大小
,
气流速度矢量箭头的方向可以反映气
流的方向
。
在旋风分离清选过程中
,
荞麦籽粒进入
分离筒后大都在气流作用下沿着分离筒内壁旋转下
滑
,
而少量荞麦籽粒进入分离筒中心区域后在吸杂
风机产生的上升气流作用下从吸杂管道吸出
。
由于
分离清选主要发生在分离筒的圆柱段
,
为进一步了
解荞麦籽粒在旋风分离筒内的运动
,
对分离筒圆柱
段的横截面气流速度矢量进行了分析
,
其中横截面
上气流速度矢量的放大图见图
11
。
Fi.10 Airflowvelocitectordistributionatdifferentcrosssectionsinthecclonesearator
gy
v
yp
图
10
旋风分离筒不同横截面气流速度的矢量分布
Fi.11 Airflowvelocitectordistributionatcrosssectioninthemiddleofthecclonesearator
gy
v
yp
图
11
旋风分离筒中部横截面气流速度矢量的分布
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第
10
期
分离清选时分离筒内壁上的气流
由图
11
可知
,
速度相等且分布均匀
,
从分离筒内壁到分离筒中心
的气流速度逐渐增加
,
方向由沿分离筒内壁切向向
下逐渐转变为沿平行于分离筒轴线方向向上
。
喂入
分离筒的荞麦籽粒若沿分离筒内壁旋转下滑
,
由于
其距离吸杂口较远
,
由吸杂风机产生的上升气流较
小
,
则难以通过吸杂管道吸出
,
而分离筒中心区域的
上升气流较大
,
荞麦籽粒易在上升气流作用下由吸
杂管道吸出
。
因此
,
旋风分离清选的效果主要取决
于未与分离筒内壁接触部分荞麦籽粒的运动状态
。
由于荞麦籽粒为不规则的三棱形
,
在气流作用下难
黄颖石
,
等
:
基于
EDEM-Fluent
的荞麦旋风分离清选装置研究
135
以绕着通过其质心的轴旋转
,
故马格纳斯力对荞麦
籽粒的影响可忽略
,
此时水平方向的受力可分解为
25
]
。
设荞麦籽粒受到的自身重力
径向力和切向力
[
为
m
气流作用力为
F
q
,
荞麦籽粒速度为
ν
,
气流
g
,
,
速度为
νF
q
d
,
q
荞麦籽粒与气流之间相对速度为
ν
与
ν
因此
ν
d
方向相同
,
d
与
x
轴在竖直面内的夹角
为
τ
,
气流速度
ν
q
与籽粒速度
ν
在竖直面内的夹角
为
θ
,
则竖直面内靠近分离筒内壁的荞麦籽粒的运
轴正向
,
旋风分离筒竖直向上方向为
z
轴正向
。
动分析如图
1
图中籽粒旋转运动方向为
x
2
所示
,
图
12
旋风分离筒圆柱筒体竖直面内
荞麦籽粒的运动分析
图
13
旋风分离筒圆柱筒体水平面内
荞麦籽粒的运动分析
Fi.12 Motionanalsisofbuckwheat
g
rainin
gy
当荞麦籽粒沿分离筒壁切向被喂入
与此同时
,
分离筒后
,
荞麦籽粒会在水平面的径向分力作用下
向分离筒中心区域或分离筒筒壁方向运动
,
对荞麦
籽粒在水平面内的运动分析如图
1
图中
F
B
3
所示
,
为气流所产生的向心力
,
F
C
为荞麦籽粒在分离筒内
的离心力
,
β
为气流速度与籽粒速度在水平面内的
夹角
,
γ
为
νx
轴正向
d
与
x
轴在水平面内的夹角
,
为荞麦籽粒喂入时的方向
,
与图
12
的
x
轴方向相
同
,
y
轴正向指向分离筒轴心
。
1
2
()
F
q
=
ξ
Aν
4
d
。
ρ
2
式中
:
A
为荞麦籽粒在其运动方
ξ
为空气阻力系数
;
向上的投影面积
;
ρ
为空气密度
。
面内的受力为
:
thevertical
p
laneofthesearatorclinder
py
Fi.13 Motionanalsisofbuckwheat
g
rainin
gy
x
轴方向上的分量
;
a
z
为荞麦籽粒加速度在
z
轴方
向上的分量
;
g
为重力加速度
。
()
ν
ν
+
ν
6
d
。
q
=
结合图
1
荞麦籽粒与气流之间
2
和图
13
可知
,
相对速度
ν
d
和气流作用力
F
q
在竖直平面内的分量
关系为
:
2
d
thehorizontal
p
laneofthesearatorclinder
py
气流速度与荞麦籽粒速度的矢量关系为
:
ν
cos
γ
=
ν
cos
β
+
ν
-2
ν
ν
cos
cos
θ
,
2024年3月29日发(作者：戴畴)
第
51
卷
第
10
期
年月
20231
0
西北农林科技大学学报
(
自然科学版
)
()
JournalofNorthwestA&.
y
Vol.51No.10
Oct.2023
:/
网络出版时间
:
2023-04-10 14
:
37 .2023.10.014
jj
://///
网络出版地址
:
p
基于
EDEM-Fluent
的荞麦旋风分离清选装置研究
22222
,,,,
黄颖石
1
,
张卫国
1
,
冯松科
1
,
刘志杰
1
,
杨福增
1
,
)
陕西杨凌
72
农业农村部北方农业装备科学观测实验站
,
12100
(
陕西杨凌
71
西北农林科技大学机械与电子工程学院
,
12100
;
”
法
】
以
“
西农
9
品种荞麦为试验对象
,
测定荞麦和籽粒的主要物料特性
,
采用
E
对旋
979DEM-Fluent
耦合的仿真方法
,
[
摘
要
]
目的
】
设计适合荞麦清选的旋风分离清选装置
,
为提高我国荞麦的机械化收获水平提供支持
。【
方
【
风分离筒不同截面的气流速度云图和荞麦籽粒在旋风分离筒内的运动进行分析
,
并对清选的清洁率和损失率进行仿
真
。【
结果
】
旋风分离筒轴向气流对称性较好
,
基本不受入口位置的影响
,
中心轴处气流速度约
Fluent
仿真分析表明
,
/,/。
喂入口位于分离筒上部时
,
为
1
筒壁周围的气流速度约为
5m
在径向截面处的喂入口气流速度和分离筒内
0mss
筒壁周围的气流速度相同
,
可能造成荞麦籽粒的大量损失
。
E
旋风分离筒喂入口位于上部
、
中部
DEM
仿真分析表明
,
选择喂入口位于旋风分离筒中部
,
台架验证试验结果表明
,
所设计荞麦旋风分离筒的平均清洁率为
9
平均损
4.78%
,
失率为
1.
可以较好地实现荞麦的分离和清选
。【
结论
】
所设计荞麦旋风分离清选装置可以满足荞麦旋风分离
67%
,
和下部时
,
清洁率分别为
9
损失率分别为
8.9.50%
,
98.80%
和
98.28%
,
456%
,
0.433%
和
0.260%
。
根据仿真结果
,
清选的需要
。
[
;
关键词
]
分离清选
;
旋风分离筒
荞麦
;
EDEM-Fluent
[
中图分类号
]
S225.99
[
文献标志码
]
A
[
()
文章编号
]
1671-9387202310-0128-13
Buckwheatcclonesearationandcleaninevice
ypg
d
basedonEDEM-Fluent
1
,
21
,
21
,
21
,
2
HUANGYinshi
,
ZHANGWeiuo
,
FENGSonke
,
LIUZhiie
,
YANGFuzen
gggjg
1
,
2
2
ScientiicObservinndExerimentalStationoriculturalEuientortheNorthernChina
,
MinistrricultureandRural
fg
a
pf
A
gqp
m
fy
o
f
A
g
(
1
ColleeoechanicalandElectronicEnineerinNorthwestA&FUniversitYanlinShaanxi
712100
,
China
;
gf
M
gg
,
y
,
gg
,
Aairs
,
YanlinShaanxi
712100
,
China
)
ffgg
,
:【】,
Abstract
ObectiveToimrovethelevelofmechanizedharvestinfbuckwheatinChinaacclone
jpg
o
y
【】
ainmaterialroertiesof
pg
d
g
w
gpp
,
buckwheatand
g
M-Fluentcoulinimulationtheairflow
g
9
g
E
pg
s
velocitontourofdifferentsectionsinthecclonesearatorandthemovementofbuckwheatrainsinthe
y
c
ypg
【】
heFluent
ypyg
r
,
simulationanalsisshowedthattheaxialairflowsmmetrnthecclonesearatorwas
g
oodanditwas
yyy
i
yp
/
basicallotaffectedbinlet
p
flowvelocittthecentralaxiswasabout10msandthe
y
n
yy
a
/,
efeedininletwaslocatedintheuerartthe
y
a
ygppp
airvelocitfthefeedininletatthehorizontalsectionwasthesameastheairvelocitroundtheinner
y
o
gy
a
收稿日期
]
[
2022-06-24
);“;
基金项目
]
十三五
”
国家重点研发计划项目
(
西北农林科技大学试
[
陕西省重点研发计划项目
(
2019NY-1762016YFD0701804
)
)
验示范站科技创新与成果转化项目
(
2020-37
[]
(
),,,,:
作者简介
黄颖石
1996-
男陕西武功人硕士主要从事农业机械制造与应用研究
。
E-mailhs893413577@
y
[]
(
),,,,,,。
通信作者
张卫国
男陕西礼泉人副教授博士硕士生导师主要从事现代农业装备研发研究
1979-
:
E-mailzw2010@
g
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第
10
期
,
inletwaslocatedinthemiddleofthecclonesearatorandthebenchtestshowedthattheaveraecleanin
ypgg
【】
ratewas94.78%andtheaveraelossratewas1.67%.ConclusionThedesinedbuckwheatcclonese-
ggyp
,
clinderwallwhichmaauselarelossesofbuckwheat
g
efeedininletwaslocatedinthe
yy
c
gg
,,
uermiddleandlower
p
artsthecleaninateswere99.50%
,
98.80%and98.28%andthelossrates
ppg
r
,
were8.456%
,
0.433%and0.260%
,
inosimulationresultsthedeterminedfeedin
pyg
t
g
黄颖石
,
等
:
基于
EDEM-Fluent
的荞麦旋风分离清选装置研究
129
arationandcleaninevicemettheneedsofbuckwheatcclonesearationandcleanin.
g
d
ypg
:;;;
Keords
buckwheatsearationandcleaninEDEM-Fluentcclonesearator
pgyp
y
w
药用保健功能突出
,
是国际上公
荞麦营养丰富
,
]
1-3
,
认的药食兼用杂粮经济作物
[
我国荞麦的总种植
4
]
。
但受生长特性和经
面积及总产量均居世界第二
[
适合荞麦收获的旋风分离清选装置研发提供借鉴
。
济因素等影响
,
我国荞麦主要种植在土壤贫瘠
、
气候
条件恶劣
、
自然条件差
、
地块狭小且不平整的丘陵缓
5
]
。
现有的
坡地区
,
不适合大
、
中型联合收获机作业
[
1
荞麦旋风分离清选试验台
1.1
结构组成
由于荞麦籽粒易破碎
,
荞麦旋风分离清选试验
]
12
)
台
(
图
1
采用气力喂入方式
[
进行物料喂入
,
该试
人工收获方式劳动强度大
、
收获时间长
、
工作效率
低
,
难以适应现代荞麦产业发展的需要
。
为解决收获机在丘陵缓坡地区清选作业效果不
佳的问题
,
有学者提出将旋风分离清选装置应用在
]
6
小型联合收获机上
。
赵学观等
[
利用
Fluent
数值
验台主要由离心风机
、
变频器
、
吸杂口高度调节装
置
、
分离筒
、
粮箱
、
防倒吸喷嘴等部分构成
。
仿真对大豆脱粒机气力清选装置进行了仿真
,
得到
了吊桶长度
、
直径等最优结构参数
,
并对其分离清选
]
7
作业效果进行了评价
。
刘正怀等
[
设计了一种用于
小型稻麦联合收割机的旋风分离清选装置
,
流体仿
真分析表明该分离清选装置的结构设计及其气流场
分布等符合要求
,
清选分离效果较好
,
提高了联合收
[
8
]
割机的整机作业质量
。
Safikhani
等为提高旋风
分离器的分选性能
,
对旋风分离器的分选性能进行
了数值模拟
,
采用欧拉拉格朗日计算预测了颗粒物
-
的运动轨迹
,
并用
DRW
离散仿真方法得到速度模
9
]
型
,
对模型进行了图形抽象分析
。
路修强
[
运用
CFD-DEM
耦合方法对小麦清选过程中的运动进行
仿真分析
,
表明采用气固数值模拟可以真实表征小
喂料口
;
吸杂风机
;
吸杂管道
;
可伸缩拐角
;
4.5.6.7.
防倒吸喷嘴
;
吸杂风机开关
;
吸杂风机变频器
11.12.13.
喂入风机变频器
;
喂入风机开关
;
喂入风机
;
1.2.3.
吸杂口高度调节装置
;
分离筒
;
粮箱
;
8.9.10.
麦的物料属性
、
模拟麦粒和气流的运动
、
反映气流与
小麦籽粒的相互影响
,
为清选系统的优化和改进提
供了理论依据
。
10-11
]
,
麦
、
水稻收获机的基础上改进而来
[
用于荞麦籽
;;;
ank
gjyp
;;;;
n
p
lecorner
gp
;;
nfanswitch
yg
n
;;;
an
g
f
qy
c
g
s
g
f
目前国内外现有的荞麦收获机大多都是在小
粒收获时存在清选清洁率低
、
籽粒含杂率高
、
清选效
果不佳的不足
。
为此
,
本研究利用
SolidWorks
对荞
麦旋风分离清选试验台的分离清选筒进行实体建
,
通过
EFluentDEM-Fluent
耦合仿真对该旋风分离
筒内的气流场和荞麦物料运动状态进行分析
,
改进
荞麦旋风分离筒结构并对其进行试验验证
,
以期为
模
,
仿真采用颗粒仿真软件
EDEM
和流体仿真软件
Fi.1 Structuraldiaramofbuckwheatcclonesearation
ggyp
图
1
荞麦旋风分离清选试验台结构示意图
cleaninestbench
g
t
nfreuenconverter
qy
c
1.2
工作原理
荞麦经过脱粒滚筒后的清选物料主要包括短茎
秆
、
籽粒
、
颖糠
、
灰尘等
,
其质量
、
密度
、
形状和尺寸存
在明显差异
,
在分离筒内的悬浮速度也各不相同
。
清选物料经喂料口被喂入风机产生的高速气流沿分
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130
西北农林科技大学学报
(
自然科学版
)
离筒壁切向喂入旋风分离筒内
,
在惯性力和筒内气
流的共同作用下
,
不同成分的清选物料在分离筒内
的运动状况也不相同
。
清选物料中小密度的灰尘
、
颖糠
、
短茎秆等轻杂余的离心力较小
,
在旋风分离筒
内悬浮时易向分离筒中心处运动
,
此处由于吸杂风
机所产生的上升气流速度大于其临界悬浮速度
,
使
得轻杂余被分离筒中心与吸杂风机相连的吸杂管道
吸出
;
清选物料中大密度荞麦籽粒的离心力较大
,
在
旋风分离筒内易向分离筒壁处移动
,
此处的上升气
流速度小于其临界悬浮速度
,
使得荞麦籽粒在分离
筒内沿着筒壁下滑
,
最后由排粮口落入粮箱
,
实现荞
麦脱出物料的分离清选
。
1.3
旋风分离筒
理想状况下的气流速度与气流流量间的关系可
表示为
:
第
51
卷
32
);;
式中
:
Q
为气流流量
(
m
/
s
S
为喂料口面积
(
m
)
/)。
ε
为理想状况下的气流速度
(
ms
荞麦清选物料喂入分离筒时
,
其与空气混合后
密度发生改变
,
假设清选物料是均匀喂入
,
清选物料
)
质量与空气质量比为
u
,
由
(
式可得
:
1
q
0
()
Q
=
。
2
u
ρ
/);
式中
:
ks
u
为清选物料
g
q
0
为清选物料的喂入量
(
质量与空气质量比
,
一般取
u
=0.8
;
ρ
为空气密度
,
3
(/。
取
1.225km
)
g
]
13
。
由式
(
量对分离筒尺寸进行设计计算
[
可知气
2
)
3
,
力喂入气流流量为
0.
根据现有旋风分离
41m
/
s
/
荞麦旋风分离清选试验台以
0.4ks
的喂入
g
14
]
,
筒的设计经验
[
确定荞麦旋风分离筒的具体参数
Q
=
Sε
。
分离筒直径
(
D
)
(
Cclonesearatordiameter
D
)
yp
进口高度
(
h
)
(
Inletheiht
h
)
g
分离筒结构参数
Structure
p
arametersof
cclonesearator
yp
Table1 Parametersofbuckwheatcclonesearator
yp
表
1
荞麦旋风分离筒的参数
取值
/
mm
Value
350
120
70
150
()
1
如表
1
所示
,
其结构示意图见图
2
。
尺寸关系
Sizerelation
D
()
0.3~0.5
D
()
0.2~0.4
D
0.42
D
进口宽度
(
b
)
(
Inletwidth
b
)
吸杂管直径
(
D
1
)
(
Suction
p
iediameter
D
1
)
p
2.1
滑动摩擦角的测定
滑动摩擦角可以反映清选物料与其接触材料间
()
图
3
测定清选物料的滑动摩擦角
,
其斜面采用与
)
板
,
自流角采用数显倾角仪
(
精度为
0.
进行测
05°
定
。
每次从脱出物中随机取
2
单层铺
0
粒荞麦籽粒
,
放在亚克力板斜面上
,
逐渐增大斜面角度
,
记录第一
颗荞麦籽粒开始滑动和最后一颗荞麦籽粒滑动时斜
面倾角的变化范围
,
即为荞麦籽粒滑动摩擦角的变
的摩擦特性
。
本研究采用自制的摩擦角测定装置
试验平台搭建的旋风分离筒材质相同的透明亚克力
分离筒结构参数
Structure
p
arametersof
cclonesearator
yp
)
排粮口直径
(
D
2
(
Outletdiameter
D
2
)
筒体长度
(
L
1
)
(
Clinderheiht
L
1
)
yg
)
下锥体长度
(
L
2
(
Conelenth
L
2
)
g
总高度
Grosslenth
g
尺寸关系
Sizerelation
取值
/
mm
Value
200
320
255
575
0.57
D
0.91
D
0.73
D
1.64
D
2
荞麦物料特性
Fi.2 Structuraldiaramofbuckwheatcclonesearator
ggyp
图
2
荞麦旋风分离筒结构示意图
化范围
。
每次从脱出物中随机收集
1
单层
0
根茎秆
,
铺放在亚克力板斜面上
,
采用同样方法测量茎秆滑
动摩擦角的变化范围
,
然后根据下面公式计算有关
参数
:
)
sin
α
,
F
N
=
G
cos
α
,
tan
α
。(
3
f
=
G
μ
=
;;
式中
:
N
)
G
为物料重力
(
N
)
α
f
为最大静摩擦力
(
脱粒装置脱出物成分的物料特性对清选装置的
清选性能有显著影响
,
其中籽粒和茎秆的物料特性
对旋风分离清选影响显著
,
是仿真建模的关键对
象
[
15-18
]
”。
特性进行测定
,
测定的荞麦品种为
“
西农
9979
。
因此
,
需要对荞麦籽粒和茎秆的相关物料
);;
为斜面倾角
(
°
F
N
为物料所受的支撑力
(
N
)
μ
为
摩擦系数
。
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期
黄颖石
,
等
:
基于
EDEM-Fluent
的荞麦旋风分离清选装置研究
131
约为
0.001
。
从荞麦脱出物中每次随机取出
10
粒荞麦籽粒
,
用游标卡尺分别测量荞麦籽粒的长度和棱边宽度
,
棱边宽度均值为
,
31mm
。
籽粒密度采用容
积法测量
,
称取
5
g
饱满荞麦籽粒倒入装有水的量
重复测量
7
组
,
可得荞麦籽粒的长度均值为
6.80
筒内
,
量筒内水面增长的体积即为荞麦体积
,
经
5
次
3
/
测量后计算得荞麦籽粒密度为
1200km
。
g
数显倾角仪
;
亚克力板斜面
;
角度调整滑块
1.2.3.
;;
p
late
gy
3 EDEM-Fluent
耦合的分离筒仿真
分析
EDEM-Fluent
耦合是根据气固耦合理论进行
计算求解
。
在耦合过程中
,
Fluent
将流场迭代计算
力状况进行分析计算
,
两者相互交替计算质量
、
动量
时交换
。
3.1 Fluent
流体仿真设置
3.1.1
分离筒结构模型的构建及网格划分
采用
体下部
、
中部和上部的实体模型
。
将这
3
种实体模
型分别导入
C
对实体模型进行
FD
网格划分软件内
,
网格划分
。
为保证网格的精度
,
采用六面体网格
,
网
格划分数量设置为
3
网格划分结果如
0
万
~40
万
,
图
5
所示
。
Fi.3 Measurineviceforslidinriction
gg
d
g
f
图
3
清选物料滑动摩擦角测量装置
anleofcleaninaterials
gg
m
ustmentslider
gj
的数据结果传递给
EDEM
,
EDEM
对颗粒的运动受
及能量并互递数据
,
从而实现试验数据的共享和实
,,,
最大值为
3
平均值为
2
摩擦系数
21.95°6.25°9.1°
,
为
0.
荞麦茎秆滑动摩擦角的最小值为
256
;
2.65°
0.56
。
2.2
茎秆和籽粒基本参数的测定
,,
最大值为
3
平均值为
2
摩擦系数为
6.25°9.45°
从荞麦脱出物中随机挑出
1
用游标
00
根茎秆
,
次
,
结果表明
:
荞麦籽粒滑动摩擦角的最小值为
荞麦籽粒和茎秆摩擦系数的测量均重复测定
5
SolidWorks
建立物料喂入口位置不同的旋风分离
筒
。
图
4
为物料喂入口分别位于旋风分离筒圆柱筒
卡尺和电子秤分别测量茎秆的长度
、
直径和质量
,
结
果表明
,
茎秆长度集中分布在
6
茎秆直
0mm
左右
,
径集中分布在
3mm
左右
,
茎秆质量与长度的比值
;;;
n
p
utlet
gppy
物料喂入口
;
吸杂管道
;
分离筒圆柱筒体
;
排粮口
1.2.3.4.
3.1.2
参数及边界条件设定
基于旋风分离筒内
的实际气流条件
,
分离筒内的气流采用
RNG
k
-
ε
Fi.4 Cclonesearatormodel
gyp
图
4
旋风分离筒的三维模型
喂
SIMPLEC
求解算法
。
设
Y
轴方向为重力方向
,
3
/,/
入风速取
1
空气密度为
1.
黏度为
4ms225km
,
g
19
]
,
湍流模型
[
选择
SwirlDominatedFlow
选项的
·。
1.789×10Pas
-5
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西北农林科技大学学报
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自然科学版
)
第
51
卷
3.2 EDEM
离散元仿真
3.2.1
物料颗粒模型的建立及参数设置
EDEM
中模型参数的设置主要包括物料的材料特性参数和
Fi.5 Cclonesearator
g
riddivision
gyp
图
5
旋风分离筒的网格划分
20-21
]
,
各物料间的力学参数
[
具体参数如表
2
和表
3
所示
。
荞麦籽粒
Buckwheat
g
rain
物料
Material
Table2 Materialcharacteristic
p
arametersofmaterials
表
2
物料的材料特征参数
泊松比
’
Poissonsratio
茎秆
Stalk
0.3
0.4
0.3
(
·
m
-3
)
密度
/
k
g
Densit
y
1200
剪切模量
/
MPa
Shearmodulus
亚克力板
Acrlic
p
late
y
Table3 Mechanic
p
arametersbetweenmaterials
表
3
物料间的力学参数
恢复系数
Restitutioncoefficient
1.2×10
93
2.6
1.0
700
4
荞麦籽粒荞麦籽粒
B-uckwheat
g
rain-Buckwheat
g
rain
物料
Material
荞麦籽粒亚克力板
B-uckwheat
g
rain-acrlic
p
late
y
0.2
0.5
0.2
0.2
0.2
静摩擦系数
Staticfrictioncoefficient
1
动摩擦系数
Rollinrictioncoefficient
g
f
荞麦籽粒茎秆
B-uckwheat
g
rain-stalk
0.56
0.8
0.7
0.56
0.01
0.01
0.01
0.01
0.01
茎秆亚克力板
S-talk-acrlic
p
late
y
西农
9
荞麦籽粒的
采用
SolidWorks
构建
“
979
”
轮廓
,
导入
EDEM
后用球形颗粒进行堆积和填充以
逼近荞麦籽粒的实际轮廓
,
最终得到荞麦籽粒模型
茎秆茎秆
S-talk-stalk
如图
6-a
所示
。
荞麦茎秆模型采用实心短棒代替
,
按照
2.
确定茎秆长度为
62
节的测定结果
,
0mm
,
直径为
3mm
,
荞麦茎秆模型如图
6-b
所示
。
3.2.2 EDEM
参数设置
将图
5
所示的网格划分
文件导入
E
设置旋风分离筒的入口位置为
DEM
中
,
Fi.6 Materialmodelofbuckwheat
g
rainandstalk
g
图
6
荞麦籽粒和茎秆模型
荞麦茎秆和籽粒的生成面
。
为保证仿真的顺利进
行
,
结合荞麦脱粒时脱出物的脱出速率
,
综合考虑确
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期
/,
定物料的喂入量为
0.
计算可得单位时间内
2ks
g
黄颖石
,
等
:
基于
EDEM-Fluent
的荞麦旋风分离清选装置研究
[
23
]
133
产生荞麦籽粒的数量为
47
产生荞麦茎秆的
22
个
,
接触模型在
Enus
升力模型选项
,
DEM
模型选项
选择农作物及其他物料颗粒输送仿真分析中常用的
数量为
1
荞麦籽粒和茎秆的喂入初速度均设
80
个
,
/,,
为
1
颗粒产生的时间设置为
1.
模拟总时
5ms5s
,
间设置为
3s
以雷利时间步长的
25%
作为模拟的
时间步长
。
4
仿真结果与分析
Hertz-MindlinwithJKR
接触模型
[]
24
。
3.3 Fluent
与
EDEM
的耦合
考虑到气流和清选物料间的相互作用力
,
耦合
模型采用欧拉模型
。
在
Fluent
和
EDEM
耦合模块
4.1 Fluent
仿真
物料喂入口位于旋风分离筒圆柱筒体上
、
中
、
下
部不同位置时
,
不同位置气流速度的变化范围也不
同
,
3
种喂入口位置不同的旋风分离筒内纵向和径
向的气流速度云图如图
7
、
每张速度云
8
和
9
所示
,
图颜色所代表的速度大小范围也略有不同
。
中
,
曳力模型选择精确的
ErunandWen&Yu
模
g
]
22
型
[
选项
。
由于旋风分离筒内的气流主要是旋转
运动
,
因此升力模型选择与流场相互垂直的
Ma-
g
Fi.7 Airflowvelocitistributionatdifferentsectionsinthecclonesearatorwithfeedininletontheuer
p
art
gy
d
ypgpp
图
7
物料喂入口位于圆柱筒体上部时旋风分离筒内不同截面的气流速度云图
分析喂入口位置不同的
3
种分离筒内纵向截面
、)
的速度云图
(
图
7
可知
,
-a8-a
和
9-a3
种喂入口位
气流速度沿分离筒中心轴的对称性较好
,
中心轴处
/;
气流速度较大
,
约为
1
筒壁周围的速度较小
0ms
Fi.8 Airflowvelocitistributionatdifferentsectionsinthecclonesearatorwithfeedininletonthemiddle
p
art
gy
d
ypg
图
8
物料喂入口位于圆柱筒体中部时旋风分离筒内不同截面的气流速度云图
同的
3
种分离筒排粮口处径向截面的气流速度均以
中心轴处速度较低
,
筒壁周围速度较高
;
由分离筒喂
、
入口处径向截面的气流速度云图
(
图
7-b8-b
和
9-
置对分离筒内纵向气流速度分布的影响并不显著
,
/。
由分离筒排粮口处径向截面
且均匀
,
约为
5ms
)
和分离筒圆柱筒体处径向截面的气流速度云图
b
(、)
图
7
可知
,
沿旋风分离筒中心轴方向
,
-c8-c
和
9-c
旋风分离筒圆柱筒体不同位置的径向截面气流速度
均以中心轴处速度较高
,
筒壁周围速度较低
,
喂入口
、)
的速度云图
(
图
7
可知
,
喂入口位置不
-d8-d
和
9-d
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处径向截面的气流速度均以入口处及中心轴处速度
第
51
卷
较高
。
分离筒上部喂入口径向截面
由图
7-b
还可知
,
处的喂入口气流速度和分离筒内筒壁周围的气流速
度相同
,
说明喂入口处喂入气流对荞麦籽粒的影响
较小
,
而喂入气流有将荞麦籽粒沿旋风分离筒壁切
向喂入分离筒的作用
。
因此物料喂入口位于旋风分
离筒圆柱筒体上部时
,
无法保证荞麦籽粒在刚被喂
入旋风分离筒时继续沿旋风分离筒壁切向运动
,
容
易导致此截面处物料直接进入分离筒中心并从分离
筒上端被吸出
。
图
10
为旋风分离筒不同横截面气流速度的矢
Fi.9 Airflowvelocitistributionatdifferentsectionsinthecclonesearatorwithfeedininletonthelower
p
art
gy
d
ypg
图
9
物料喂入口位于圆柱筒体下部时旋风分离筒内不同截面的气流速度云图
量分布图
,
图中气流速度矢量的长短可以反映气流
速度的大小
,
气流速度矢量箭头的方向可以反映气
流的方向
。
在旋风分离清选过程中
,
荞麦籽粒进入
分离筒后大都在气流作用下沿着分离筒内壁旋转下
滑
,
而少量荞麦籽粒进入分离筒中心区域后在吸杂
风机产生的上升气流作用下从吸杂管道吸出
。
由于
分离清选主要发生在分离筒的圆柱段
,
为进一步了
解荞麦籽粒在旋风分离筒内的运动
,
对分离筒圆柱
段的横截面气流速度矢量进行了分析
,
其中横截面
上气流速度矢量的放大图见图
11
。
Fi.10 Airflowvelocitectordistributionatdifferentcrosssectionsinthecclonesearator
gy
v
yp
图
10
旋风分离筒不同横截面气流速度的矢量分布
Fi.11 Airflowvelocitectordistributionatcrosssectioninthemiddleofthecclonesearator
gy
v
yp
图
11
旋风分离筒中部横截面气流速度矢量的分布
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分离清选时分离筒内壁上的气流
由图
11
可知
,
速度相等且分布均匀
,
从分离筒内壁到分离筒中心
的气流速度逐渐增加
,
方向由沿分离筒内壁切向向
下逐渐转变为沿平行于分离筒轴线方向向上
。
喂入
分离筒的荞麦籽粒若沿分离筒内壁旋转下滑
,
由于
其距离吸杂口较远
,
由吸杂风机产生的上升气流较
小
,
则难以通过吸杂管道吸出
,
而分离筒中心区域的
上升气流较大
,
荞麦籽粒易在上升气流作用下由吸
杂管道吸出
。
因此
,
旋风分离清选的效果主要取决
于未与分离筒内壁接触部分荞麦籽粒的运动状态
。
由于荞麦籽粒为不规则的三棱形
,
在气流作用下难
黄颖石
,
等
:
基于
EDEM-Fluent
的荞麦旋风分离清选装置研究
135
以绕着通过其质心的轴旋转
,
故马格纳斯力对荞麦
籽粒的影响可忽略
,
此时水平方向的受力可分解为
25
]
。
设荞麦籽粒受到的自身重力
径向力和切向力
[
为
m
气流作用力为
F
q
,
荞麦籽粒速度为
ν
,
气流
g
,
,
速度为
νF
q
d
,
q
荞麦籽粒与气流之间相对速度为
ν
与
ν
因此
ν
d
方向相同
,
d
与
x
轴在竖直面内的夹角
为
τ
,
气流速度
ν
q
与籽粒速度
ν
在竖直面内的夹角
为
θ
,
则竖直面内靠近分离筒内壁的荞麦籽粒的运
轴正向
,
旋风分离筒竖直向上方向为
z
轴正向
。
动分析如图
1
图中籽粒旋转运动方向为
x
2
所示
,
图
12
旋风分离筒圆柱筒体竖直面内
荞麦籽粒的运动分析
图
13
旋风分离筒圆柱筒体水平面内
荞麦籽粒的运动分析
Fi.12 Motionanalsisofbuckwheat
g
rainin
gy
当荞麦籽粒沿分离筒壁切向被喂入
与此同时
,
分离筒后
,
荞麦籽粒会在水平面的径向分力作用下
向分离筒中心区域或分离筒筒壁方向运动
,
对荞麦
籽粒在水平面内的运动分析如图
1
图中
F
B
3
所示
,
为气流所产生的向心力
,
F
C
为荞麦籽粒在分离筒内
的离心力
,
β
为气流速度与籽粒速度在水平面内的
夹角
,
γ
为
νx
轴正向
d
与
x
轴在水平面内的夹角
,
为荞麦籽粒喂入时的方向
,
与图
12
的
x
轴方向相
同
,
y
轴正向指向分离筒轴心
。
1
2
()
F
q
=
ξ
Aν
4
d
。
ρ
2
式中
:
A
为荞麦籽粒在其运动方
ξ
为空气阻力系数
;
向上的投影面积
;
ρ
为空气密度
。
面内的受力为
:
thevertical
p
laneofthesearatorclinder
py
Fi.13 Motionanalsisofbuckwheat
g
rainin
gy
x
轴方向上的分量
;
a
z
为荞麦籽粒加速度在
z
轴方
向上的分量
;
g
为重力加速度
。
()
ν
ν
+
ν
6
d
。
q
=
结合图
1
荞麦籽粒与气流之间
2
和图
13
可知
,
相对速度
ν
d
和气流作用力
F
q
在竖直平面内的分量
关系为
:
2
d
thehorizontal
p
laneofthesearatorclinder
py
气流速度与荞麦籽粒速度的矢量关系为
:
ν
cos
γ
=
ν
cos
β
+
ν
-2
ν
ν
cos
cos
θ
,