基于CFD-DEM耦合法的莲子壳仁分离装置优化与试验分析

马秋成 雷林韬 卢安舸 李超众 覃 枫

(1. 湘潭大学机械工程学院，湖南 湘潭 411105；2. 湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心，湖南 长沙 410082)

基于CFD-DEM耦合法的莲子壳仁分离装置优化与试验分析

马秋成1雷林韬1卢安舸2李超众1LI覃 枫1

(1. 湘潭大学机械工程学院，湖南 湘潭 411105；2. 湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心，湖南 长沙 410082)

借助FLUENT软件对莲子物料分离通道气流场分布规律进行仿真分析。采用CFD-DEM耦合法对混合物料在分离通道中的分离过程进行数值模拟。以分离气流速度、入料管倾斜角、分离通道倾斜角为因素开展了仿真试验，分析了各因素对清选率的影响，确定了分离通道的优化工艺参数为：入料管倾斜角60°、分离通道倾斜角35°、分离气流速度7.881 m/s，与实体样机试验结果一致。试验结果表明CFD-DEM耦合仿真方法可用于莲子物料分离的研究，所获工艺参数为莲子混合物料分离机的设计提供了参考依据。

分离通道；数值模拟；莲子；CFD-DEM耦合

分选[1-2]是农产品物料加工过程中的重要工序，用于实现果仁与杂质的分离。莲子在破壳后需要安排分选工序将莲仁与莲壳分离，以获取莲仁。目前，在谷物、花生等农产品物料的风力分选方面已经有成熟的设备投入生产应用。对于莲子物料分选技术而言，虽已有一些设备被开发应用，但在设计前未进行相关理论分析，参数选择主要依靠经验，调试周期长。笔者[3]前期已研制了莲子壳仁分离装置并获取了优化工艺参数，装置主要由分离通道、旋风分离器和风机三部分组成(见图1)。风机在分离通道内部产生负压，导致莲仁与莲壳沿不同轨迹运动而实现分离。但由于试验台涉及的分离通道形式较为简单，而实际设备则较为复杂，若仍采用传统的设计方法，则需要在实际应用时对设备参数反复调试。近年来，计算机仿真技术被广泛应用机械设计中。采用计算机仿真技术获取优化工艺参数，可以提高设计效率，节约研制成本。

CFD-DEM耦合法是一种用于颗粒—流体系统仿真的方法，考虑了流体和颗粒的双向耦合作用，在气固两相流模拟分析中已有所应用[4-5]，心男[6]基于EDEM-FLUENT耦合法对气吹式排种器的工作过程进行了模拟；Li Yao-ming等[7]对物料在谷物清选装置气流场中的运动规律进行了研究，验证了CFD-DEM耦合法在谷物研究中的实用性。

本研究拟采用CFD-DEM耦合方法，对莲子风力壳仁分离装置进行流场分析与分离仿真模拟，研究分离气流速度、入料管倾斜角、分离通道倾斜角等因素对分离效果的影响规律，获取最优工艺参数。

α. 分离通道倾斜角，(°)β. 入料管倾斜角，(°) 1. 机架 2. 吸风机 3. 连接管 4. 旋风分离器 5. 分离通道 6. 莲壳收集器

图1 莲子壳仁分离装置结构简图

Figure 1 Structure diagram of pneumatic separating device for lotus seed shell and kernel

1 数学模型建立

1.1 气相方程

基于CFD-DEM耦合法，采用标准的k-ε湍流模型对莲壳、莲仁的分离过程进行数值模拟。

气固耦合气体动力学控制的质量守恒方程和动量守恒运动方程(N-S方程)[8]分别见式(1)、(2)。

(1)

(2)

式中：

εk——流体空隙率，%；

ρk——流体密度，kg/m3；

t——时间，s；

uk——流体速度，m/s；

P——流体静态密度，kg/m3；

μk——流体动力粘度，Pa·s；

g——重力加速度，g=9.806 m/s2；

S——源项，kg/(m3·s)。

1.2 颗粒接触力学模型

采用EDEM软件默认的Hertz-Mindlin无滑移接触模型，可以精确计算颗粒间的作用力[9]，其简图见图2。

1. 颗粒刚度(弹簧) 2. 阻尼器 3. 摩擦器

2 仿真模型构建

2.1 分离通道模型及网格划分

莲壳和莲仁混合物料的分离是在分离通道中完成，其网格模型见图3。单元总数为24 304，节点数量为5 362，管道直径为40 mm，混合物料从流体入口2进入分离通道。

图3 分离通道网格划分模型

2.2 莲仁、莲壳仿真模型

莲仁的外形为近似椭球形，为方便计算，在仿真过程将莲仁用最大横截面直径的球体代替，取其平均直径d=11.841 mm[10]。莲壳是表面呈球形、平均厚度为0.69 mm[11]的壳体，由于EDEM仿真颗粒是通过球体组成，若利用微小球体填充的方式得到莲壳，会造成计算困难。因悬浮速度参数表征物料的空气动力学特性，本文考虑采用与莲壳悬浮速度相等的一个球体颗粒等效莲壳，设置莲壳仿真颗粒的直径为12 mm，可以判断等效莲壳颗粒的阻力系数分区为Newton区，阻力系数Ch=0.44，莲壳悬浮速度变化范围2.511～4.891 m/s，其理论悬浮速度[3]计算表达式见式(3)。

(3)

式中：

vp——颗粒的悬浮速度，m/s；

dp——颗粒粒径，dp=0.012 m；

S——非球形颗粒的形状修正系数；

ρs——颗粒密度，kg/m3；

ρa——空气密度，ρa=1.29 kg/m3。

根据式(3)可以计算等效球体颗粒的密度ρs=24.086～87.806 kg/m3。仿真参数取平均值ρs=56 kg/m3。

莲仁、莲壳和管道的材料属性和碰撞属性的参考值[12-13]见表1、2。

2.3 耦合参数的设置

设置耦合参数时，流场迭代求解采用SIMPLE算法，选择自由流动曳力模型，松弛因子均设为0.7。

表1 材料属性设置

表2 接触属性设置

对FLUENT和EDEM时间步长进行设置，两者之间满足的条件为：① FLUENT时间步要保证计算时稳定收敛；② EDEM 时间步长为瑞利时间步长的5%～40%，保证仿真的连续性；③ 两者的时间步长和数据保存频率须成整数倍匹配。基于上述3个基本原则，仿真过程设定FLUENT中的时间步长为8×10-4s，匹配关系见表3。

表3 EDEM-FLUENT耦合时间步长匹配

Table 3 Matching relationship of the EDEM-FLUENT coupling time step

项目时间步长/s频率/Hz保存时间/sFLUENT8×10-4500.04EDEM4×10-625000.01倍数2004

3 仿真结果分析

3.1 流场分析

为与前期试验对照，FLUENT仿真模型设置分离通道内气流速度范围为6.680～7.881 m/s。图4为不同出口流速下分离通道中轴面流速矢量分布。由图4可知：流体入口附近速度变化缓慢，在流体入口与出口交汇处速度发生突变；分离通道内部气流速度随流体出口速度的增加而增加，但速度分布趋势保持不变。

3.2 耦合仿真分析

图5表示在仿真时间t为0.35～0.87 s时莲仁、莲壳在分离通道中的分离过程(黑色表示莲壳，浅色表示莲仁)，模型中设置α=60°、β=35°，入料管长度为220 mm，进料量为莲仁6颗/次、莲壳12颗/次。由图5可知：当混合物料位于叉形区域后，莲壳顺着气流方向沿管道往上运动，莲仁沿管道向相反方向运动，与实际情况一致。

3.3 仿真试验

由壳仁分离装置的试验研究可知，影响清选率的主要因素为流体出口速度、入料管倾斜角和分离通道倾斜角，采用CFD-DEM耦合仿真进一步研究这3个因素对清选率的影响。定义其清选率为：

(4)

式中：

P——清选率，%；

n——管道出口莲仁的数量；

图4 不同出口流速下速度矢量分布图

m——管道出口莲壳的数量。

3.3.1 单因素试验 仿真过程设置管道出口流速为6.68～7.881 m/s；入料管倾斜角范围45～90°；分离通道倾斜角范围30～55°，软件中，颗粒工厂按莲仁颗粒数设置为200，莲壳颗粒数400，每组仿真重复3次，通过查看EDEM中仿真结果，对出口处莲仁、莲壳数量进行统计，求出耦合仿真的清选率P。

综合试验和仿真结果的清选率指标，作出分布折线图(见图6)。由图6可知，随着管道出口流速的增大，仿真结果对应清选率指标近似以二次曲线规律递增，与试验结果趋势一致，相对误差在2%以内，当出口流速为7.81 m/s时，清选率最高；随着入料管倾斜角的增大，仿真结果的清选率指标近似以二次曲线规律递减，与试验结果趋势一致，相对误差在3%以内，当倾斜角为90°时，清选率最低；当分离通道倾斜角为35°时清选率较高，35°之后清选率呈线性下降，与试验结果趋势一致，相对误差在3%以内。

图5 耦合仿真分离过程

图6 不同因素对清选率的影响

3.3.2 正交试验 为获得出口流速、入料管倾斜角及分离通道倾斜角的最优组合，开展正交仿真试验。根据前面单因素试验的结论，在各因素中选择三个较优水平建立三因素三水平正交表见表4。

根据因子水平表，在Fluent中安排9组仿真试验，每组试验重复3次，得到清选率指标并对结果进行极差分析[14]，见表5。

表4 正交试验因子水平表

表5 正交试验结果

由表5可知，影响清选率的各因素主次顺序为Y、Z、X，仿真试验得到的最优方案为：Y2Z2X3，即入料管倾斜角60°、分离通道倾斜角35°、出口流速7.881 m/s时有利于莲仁、莲壳的分离。

3.4 验证实验

采用壳仁分离装置对仿真得到的最优方案进行实验验证，试验装置见图7。将200粒饱满莲仁和400粒半莲壳充分混合，作为试验样本。试验前，设置入料管倾斜角60°、分离通道倾斜角35°、出口流速7.881 m/s(风机频率50 Hz)，将混合物料均匀地从入料口放入，以清选率为试验指标，实验重复3次，结果见表6，测得清选率分别为97.56%，98.52%，98.04%，均值为98.04%，与仿真结果获得的清选率接近。

4 结论

利用FLUENT软件对分离通道内流场进行了分析，结果表明：流体出口速度只改变分离通道内各点的速度大小，不改变速度分布趋势。采用CFD-DEM耦合仿真得到的清选率变化趋势与试验一致，清选率指标随着倾斜角的增大而降低，随出口流速的增大而增加。仿真试验得到的最优分离参数为：入料管倾斜角60°、分离通道倾斜角35°、出口流速7.881 m/s，与实体样机试验结果相同，验证了采用CFD-DEM耦合法研究壳仁分离装置是可行的，所得工艺参数，为莲子物料分离机的设计提供了参考依据。

1. 风机 2. 入料口 3. 莲仁出口 4. 混合物料

试验次数出口莲仁数n出口莲壳数m清选率P/%均值/%1200597.562200398.5298.043200498.04

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Simulation optimization and test of pneumatic separating device for lotus seed shell and kernel based on CFD-DEM coupling method

MA Qiu-cheng1LEILin-tao1LUAn-ge2Chao-zhong1QINFeng1

(1.SchoolofMechanicalEngineering,XiangtanUniversity,Xiangtan,Hunan411105,China; 2.NationalEngineeringResearchCenterforHighEfficiencyGrinding,HunanUniversity,Changsha,Hunan410082,China)

The simulation of separation channel airflow field distribution was implemented with FLUENT software. The CFD-DEM coupling method was used to simulate the separation progress of the mixtures in the separation channel. For fluid outlet velocity, inclination angel of inlet tube and inclination angle of separating channel factors was carried out by simulation experiment, determine the optimal technological parameter of separating channel as follows: inclination angel of inlet tube was 60°, inclination angle of separating channel was 35°, fluid outlet velocity was 7.881 m/s, and the results were the same with the physical prototype. The feasibility to use CFD-DEM coupling method to study the separation device for lotus seed and its contaminates was verified. The result of this study can be taken reference for the research on separating equipment for lotus seed kernel and shell.

Separation channel; numerical simulation; lotus seed; CFD-DEM coupling

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.12.019

国家自然科学基金项目(编号：51575466)；湖南省自然科学基金资助项目(编号：2015JJ5005)

马秋成(1964—)，男，湘潭大学教授，硕士。 E-mail：mqc@xtu.edu.cn

2016—08—29