基于DEM-CFD耦合的辣椒风选模拟研究

张小明

(贵州省山地农业机械研究所,贵州 贵阳 550007)

0 引言

辣椒产业是贵州特色优势产业,已成为带动农民脱贫创业增收的一个重要途径[1]。到2021年,全省种植辣椒面积已经达到了38.03万公顷(571万亩),辣椒产量占全国的六分之一,辣椒销售额超过709亿。当前,贵州正从“辣椒大省”向“辣椒强省”迈进[2]。

针对山地自走式履带辣椒收获机收获的辣椒含杂率高,辣椒果实风选急待解决的问题,通过离散单元法(DEM)与计算流体力学(CFD)相耦合的仿真计算模拟方法,对朝天椒混合物的风选分离进行模拟仿真,研究气体速度大小和气体倾角对辣椒含杂率和损失率的直接影响规律。

1 风选装置结构及颗粒模型

1.1 几何模型构建

使用三维建模软件SolidWorks对辣椒风选装置进行建模,如图1所示。该辣椒风选装置采用单进风口结构,由进风口、进料口、清选室、出口1、出口2、出口3组成。整体壁厚为15 mm,整体长度为1 880 mm,宽度为1 300 mm,厚度为500 mm;进料口宽口长度为500 mm,宽度为500 mm,高度为400 mm;进料口窄口长度为109 mm,宽度为109 mm;进风口长度为300 mm,宽度250 mm。在SolidWorks里建模完成后将风选装置模型输出为XT格式并导入ICEM CFD网格划分软件中,添加进风口、物料入口、辣椒出口1、辣椒茎秆出口2及辣椒叶出口3,设置各进出口完成后划分网格如图2所示。

图1 风选装置示意

图2 风选装置网格

1.2 颗粒模型

考虑到EDEM软件本身自动模型的一些缺陷,因此选取在辣椒清选除杂中成分浓度较大的辣椒、辣椒叶片、辣椒茎秆等作为重点的研究对象进行颗粒建模。由于目前EDEM软件研究粒子模型均全部使用球形结构来描述,所以采用“多球丛聚法”的方式,对3个大小不同的研究粒子加以简化、重叠合并及重新填充来替代实际风选的研究粒子模型[3]。颗粒模型如图3所示,朝天椒由22个不同粒径(最大直径10 mm)的小球形结构合并填充而成,总长度为104 mm;辣椒叶由1 000个直径为1 mm的球体合并填充而成,总体长度为150 mm,总体宽度为46 mm;而辣椒秆则由40个直径为3 mm的球体合并填充而成,总体长度为107 mm。

图3 三维模型示意

2 物料力学特性及仿真参数设置

2.1 物料力学特性及接触参数

根据文献[4-5]中所述方法,通过WDW3100微机控制电子万能试验机对朝天椒、辣椒叶及辣椒秆进行压破试验和拉伸试验求取泊松比与剪切模量,通过天平与量筒法测量密度。根据文献[6-7]中的测量方法,通过斜板试验(滑动法与滚动法)分别测量辣椒、辣椒秆、辣椒叶与钢板之间的摩擦接触参数,通过碰撞试验分别测量辣椒、辣椒秆、辣椒叶及钢板间的恢复系数。EDEM软件中,物料粒子的力学特征参数和接触系数分别如表1和表2所示,风力分选装置材料则采用钢材。

表1 材料的物理参数

表2 相关颗粒的材料接触系数

2.2 仿真参数设置

利用软件EDEM-Fluent耦合技术对辣椒进行风选模拟,在EDEM软件中选择Hertz-Mindlin(no-slip)的颗粒接触模型用于仿真模拟,将辣椒、辣椒叶和辣椒茎秆的时间生成比率设置为6∶1∶0.25,辣椒的时间生成步长速率设置为1 200个/s,辣椒叶的时间生成步长速率设置为200个/s,辣椒秆的时间生成步长速率设置为50个/s,在EDEM中仿真的固定时间步长设置为29.678 4%,模拟时间总时长设置为6 s。Fluent中,模拟的仿真结果计算模型使用标准的k-ε湍流模型,并设置仿真边界的状态,将入口处设置为速度入口,将出口设置为压力出口,将时间步长设置为EDEM的100倍,即时间步长设置为7×10-4s,总的步数为8 571步。

3 仿真模拟及分析

3.1 气流速度分析

辣椒风选装置的进料口设置有颗粒生成工厂,辣椒、辣椒叶和辣椒杆从进料口颗粒生成工厂处自由下落,以气流速度20 m/s为例,图4为1 s时辣椒风选装置物料分布位置瞬态示意图,在出口1、2处设置Ⅰ区为辣椒含杂率统计区及Ⅱ区为辣椒损失率统计区。由图4可看出,当物料在水平气流的影响下落入气流区域时,3种仿真物料颗粒的运动轨迹不同:辣椒落入出口1,而出口2和出口3收集到的分别是辣椒杆和辣椒叶。

图4 物料颗粒位置瞬态图(t=1 s)

这是因为辣椒、辣椒叶子和辣椒茎秆的空气动力学特性不同,因此垂直下落的物料在水平气流作用后会有不同的轨迹。物料受自身重力G、空气浮力P′和水平气流P的作用,三力合力为F。如图5所示,物料在力F的方向上,其运动轨迹是一条抛物线,角度α方向就是物料运动的角度。

图5 物料颗粒受力示意

如果空气浮力P′忽略不计,则有[8]

(1)

P为粒子和气体相对运动时,其所引起的相互作用力。其大小为[9]

P=kρAv2=kρA(vq-vw)2

(2)

k为空气阻力系数;ρ为空气密度;A为物料的受风面积,即物料在空气流动方向的直接投影面积;v为物料与气流的相对速度;vq为气流速度;vw为物料速度。

辣椒含杂率与损失率为评价辣椒清选装置工作性能的关键指标,因此以辣椒含杂率Ed和辣椒损失率El作为该风选装置的主要性能衡量指标,则有[10-11]:

(3)

(4)

W1为Ⅰ区辣椒含杂率统计区域统计的辣椒质量;M为Ⅰ区辣椒含杂率统计区域统计的物料总质量;W2为Ⅱ区辣椒损失率统计区域统计的辣椒质量。

为探讨风速大小对辣椒风选结果的影响效果,采用控制变量的方法,保证其他各项条件参数相同,从而进行模拟风速分别为15 m/s、20 m/s和25 m/s三种不同风速时的辣椒风选过程。通过Ⅰ区辣椒含杂率统计区域和Ⅱ区辣椒损失率统计区域统计的数据,得到不同风速下的辣椒含杂率与损失率,如图6所示。

图6 风速对辣椒风选效果的影响

由图6可以看到,当气流速度分别设定为15 m/s、20 m/s和25 m/s时,辣椒的含杂率分别为11.774%、4.624%和1.676%。比较上述三种气流速度条件下的仿真统计结果,在气流速度为20 m/s时,辣椒的含杂率相比气流速度为15 m/s时的含杂率减少了7.15%,而在气流速度为25 m/s时,辣椒的含杂率相较气流速度为20 m/s时的含杂率减少了2.948%。辣椒的损失率分别为0.959%、1.798%和6.476%;经过比较三组数据后,可知:当气流速度为15 m/s时,辣椒的损失率相对较小,将气流速度增大至20 m/s时,辣椒的损失率就上升了0.839%,而继续将气流速度提高至25 m/s时,辣椒的损失率则比原气流速度为20 m/s时上升了4.678%。

由以上仿真数据的对比分析可以看出,提高风速可以增加辣椒的风选效果,但会导致风速增大时辣椒从辣椒叶出口处吹出缺陷。这是因为水平气流速度的增大,从而使水平气流作用力P增加,故物料夹角α和物料水平方向上的运动速度都增大了,辣椒叶片和辣椒茎秆中掺杂的辣椒数量也增多,所以在提高水平气流速度时,可以减少辣椒中的含杂率,但同时,辣椒的损失率也会增大。总体而言,选择具有较高分离率和较低损失率的吹风速度,即在风速为20 m/s时可获得最佳分离效果,此时,辣椒含杂率为4.624%,损失率为1.798%。

3.2 气流倾角对风选结果的影响

为研究气体倾角对物料运动行为及清选质量的影响,将风选装置进风口由0°(水平)改为倾角5°,即气体倾角β改为5°,图7、图8是在气流速度均为20 m/s时,进风口倾角分别为0°、5°条件下的气流速度云图。由图7和图8可知,两种条件下的气流在风力分选装置内都存在着层流现象,近壁侧区域气流速度相对较小,但在进风口处的气流速度均高于出口3处的气流速度。气流倾角倾斜5°时,辣椒风选装置的顶部气流速度较大,装置内气流走向整体高度有所抬升。经过比较图7、图8可知,改变气流倾角对气流速度的总体分配规律影响并不大。

图7 气流倾角为0°的气流速度云图

图8 气流倾角为5°的气流速度云图

图9给出了当气流速度为20 m/s时,气流水平与气流倾角5°情况下辣椒的含杂率变化和损失率情况。由图9可以看到,在气流倾角5°时,辣椒的含杂率为2.382%,损失率为3.563%,比较同样气流速度下,根据气流倾角为0°时的计算结果可知,当气流倾角为5°时辣椒的含杂率减少了2.242%,而损失率则上升了1.765%。

图9 风速20 m/s时,气流倾角对辣椒风选效果的影响

根据空气动力学原理,在相同风速下,当气流倾角为5°时,1出口辣椒中杂质含量减少,而2、3出口辣椒损失率增加。

综上所述,当风力速度为20 m/s时,选择吹风倾角为5°能达到较好的辣椒风力分选效果,而此时辣椒的含杂率为2.382%,损失率为3.563%,为最佳的辣椒风力分选参数。

4 田间试验

2020年9月,使用改进的辣椒收获样机对辣椒进行田间采收试验,设置风选装置的进风口的气流倾角为5°,试验时风选气流速率大小调节为20 m/s,试验地点为贵州省遵义市绥阳县风华镇金承村的辣椒培育试验区,辣椒平均含水率为55.2%。

由田间采收试验可知:收获机采摘的辣椒经过风选,辣椒的含杂率为4.6%,辣椒的损失率为4.2%,对比改进前辣椒风选,改进后辣椒的风选效果较好,收获机采摘的辣椒经过风选达到辣椒的存储及运输条件,进一步验证了该机风选系统满足辣椒的风选工作要求。

5 结语

通过对辣椒在不同风速和不同气流倾角下的仿真结果数据分析及田间采收试验,得出如下结论:

(1)风速对最终的辣椒风选的结果影响较大。当风速为15～25 m/s,如果不考虑辣椒的损失率,辣椒风选的风速越高,辣椒的含杂率也就越低,在平均风速为25 m/s情况下,最终风选得到的辣椒含杂率最低可以达到1.676%。如果考虑损失率,在20 m/s的平均风速下可以获得最佳的风选结果,所得辣椒最终含杂率为4.624%,辣椒损失率为1.798%。

(2)气流的角度对辣椒的风选效果也有一定的影响。当风速设定为20 m/s,进风口气流倾角为5°时,辣椒的杂质含量为2.382%,损失率为3.563%。对于水平气体则不同,因为倾斜气体的物料颗粒飞行系数比水平气体的高,而物料颗粒的水平运动距离也大,所以在相同条件下,如果气体倾角为5°时,物料颗粒的含杂率降低,但损失率也增加了。

(3)通过田间采收试验,可知收获机采摘的辣椒经过风选,辣椒的含杂率为4.6%,辣椒的损失率为4.2%,收获机采摘的辣椒经过风选达到辣椒的存储及运输条件,进一步验证了该机风选系统满足辣椒的风选工作要求。