江 濤,吳崇友,湯 慶,王 剛,吳 俊
(農(nóng)業(yè)部 南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所,南京 210014)
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基于CFD-DEM的聯(lián)合收割機(jī)風(fēng)篩選仿真分析
江濤,吳崇友,湯慶,王剛,吳俊
(農(nóng)業(yè)部 南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所,南京210014)
摘要:為了更深入地研究聯(lián)合收割機(jī)清選室結(jié)構(gòu)及氣流場(chǎng)對(duì)于清選效果的影響,采用CFD-DEM耦合的方法對(duì)單進(jìn)風(fēng)口無導(dǎo)風(fēng)板、單進(jìn)風(fēng)口加裝導(dǎo)風(fēng)板和雙進(jìn)風(fēng)口加裝導(dǎo)風(fēng)板3種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真模擬分析。結(jié)果表明:在同樣的喂入量及風(fēng)速下,雙進(jìn)風(fēng)口加裝導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)的損失率為0.2%、含雜率為1.65%,在3種結(jié)構(gòu)中清選效果最佳。這種CFD-DEM耦合仿真分析方法可為后續(xù)聯(lián)合收割機(jī)風(fēng)篩選結(jié)構(gòu)的研究改進(jìn)提供了依據(jù)和思路。
關(guān)鍵詞:計(jì)算流體力學(xué);離散單元法;聯(lián)合收割機(jī);風(fēng)篩式清選
0引言
計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics)無論是所采用的數(shù)值解法、計(jì)算精度、速度與穩(wěn)定性,還是適用范圍方面在近10年都有了顯著的提高[1],能夠?yàn)檫^去只能采取理論計(jì)算與大量物理模型試驗(yàn)進(jìn)行處理的復(fù)雜工程問題提供了一種新穎且可靠的解決途徑。相關(guān)學(xué)術(shù)研究表明:通過CFD模擬分析聯(lián)合收割機(jī)風(fēng)篩選氣流場(chǎng)這一方法是切實(shí)可行的[2-5]。
離散單元法(The Discrete Element Method)求解分析力學(xué)問題可以概括為在Lagrange體系下求解牛頓第二定律,對(duì)離散體系內(nèi)的每個(gè)顆粒單元進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬分析;其能夠處理連續(xù)介質(zhì)理論無法解釋的問題及分析和預(yù)測(cè)物質(zhì)力學(xué)行為,近年來也越來越多的被用于機(jī)械領(lǐng)域[6-9]。
聯(lián)合收割機(jī)風(fēng)篩選過程中存在大量的動(dòng)量交換,由于流體自身的變化,顆粒之間的碰撞及流體與顆粒的相互影響所形成的耦合作用使得整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度大大提高。傳統(tǒng)CFD軟件中的氣固兩相流模型已不能完全適用,一種全新的仿真方法,即CFD-DEM耦合分析方法已逐漸被采用,其可靠性也被廣泛認(rèn)可。CFD-DEM耦合計(jì)算方法的本質(zhì)在于將流體相與顆粒相分開求解,流體相仍以連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行建模,采用CFD方法求解計(jì)算,將顆粒相按離散體系處理,采用離散單元法求解顆粒運(yùn)動(dòng);然后,再將二者的計(jì)算結(jié)果通過質(zhì)量、動(dòng)量及能量交換,實(shí)現(xiàn)耦合作用。這種計(jì)算方法可以追蹤固相顆粒的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)過程,捕獲顆粒受力與動(dòng)量、位置變化信息,準(zhǔn)確反映顆粒與顆粒及顆粒與流體之間的相互作用[10-13]。
1數(shù)學(xué)模型
用于農(nóng)業(yè)物料清選的氣流流動(dòng)一般都是湍流流動(dòng)[14],清選室內(nèi)氣流壓縮率較小,其壓縮性可忽略不計(jì),因此將其近似為具有液體性質(zhì)的流體介質(zhì),以不可壓縮流體模型進(jìn)行模擬計(jì)算[15-16]。一般認(rèn)為,經(jīng)過Reynolds時(shí)均化處理后的流體控制連續(xù)方程和動(dòng)量方程為
其中,ρ為流體的密度;ui為流體速度沿i方向的分量;p為靜壓力;μ為流體粘度系數(shù);τij為不同Reynolds應(yīng)力項(xiàng);Si為動(dòng)量匯(源項(xiàng))。
離散單元法所模擬的運(yùn)動(dòng)集合是在整個(gè)顆粒體系中傳播的過程,顆粒之間、顆粒與壁面之間的接觸碰撞是顆粒運(yùn)動(dòng)的必然結(jié)果。Hertz-Mindlin無滑移模型是本文中所使用顆粒離散元軟件EDEM(Engineering Discrete Element Method)中的默認(rèn)接觸模型,在接觸應(yīng)力方面計(jì)算高效且精確,本文采用Hertz-Mindlin無滑移接觸模型進(jìn)行仿真分析。接觸模型如圖1所示。
顆粒間切向阻尼力為
1.顆粒剛度(彈簧) 2.阻尼器 3.摩擦器
2清選室及物料幾何模型
本文中的清選室三維模型以江蘇泰州常發(fā)鋒凌農(nóng)裝公司的4LZ-2聯(lián)合收割機(jī)清選室為原型,該清選室采用單進(jìn)風(fēng)口結(jié)構(gòu)。由于受到計(jì)算機(jī)硬件及仿真軟件的處理能力限制,模型不能過于復(fù)雜和龐大,因此在合理簡(jiǎn)化、保留主要工作部件的基礎(chǔ)上,利用Pro/E進(jìn)行三維建模,如圖2所示。清選室長度855mm(X方向),寬度160mm、高度490mm,抖動(dòng)板左端部距離清選室左側(cè)壁100mm(X方向)、振動(dòng)篩采用編織篩,篩長500mm、寬度160mm、孔徑為10mm×10mm,開孔率78.5%,振動(dòng)篩左端部距離清選室左側(cè)壁320mm(X方向),清選室進(jìn)風(fēng)口傾角20°。
在EDEM中模擬的物料對(duì)象也需要進(jìn)行模型化,由脫粒滾筒進(jìn)入清選室的物料群內(nèi)含有多種成分,包括水稻籽粒、短莖稈、長草及其他雜質(zhì)。受限于計(jì)算機(jī)的處理能力以及EDEM軟件本身建模的缺陷,本文中的仿真模擬僅以成分含量最高的籽粒和短莖稈為研究對(duì)象。由于EDEM中的顆粒均采用球形,所以建立水稻籽粒及短莖稈模型需要使用多個(gè)球形顆粒進(jìn)行重疊組合填充以達(dá)到符合真實(shí)外形的要求,如圖3所示。其中,籽粒為橢球形,長軸6.5mm,短軸3mm;短莖稈為長圓柱型,外徑4.5mm,內(nèi)徑4mm,長度為25mm[18]。
圖2 單進(jìn)風(fēng)口清選室模型
圖3 籽粒和短莖稈模型
3物料力學(xué)特性及仿真參數(shù)設(shè)置
EDEM中需要輸入物料顆粒的力學(xué)特性參數(shù)以及和其他物體的接觸系數(shù),根據(jù)其他學(xué)者所做的試驗(yàn)結(jié)果[19],物料力學(xué)特性及接觸系數(shù)如表1和表2所示。
表1 物料力學(xué)特性
表2 接觸系數(shù)
EDEM中根據(jù)聯(lián)合收割機(jī)實(shí)際工作情況設(shè)定振動(dòng)篩振動(dòng)方向角25°,振幅30mm,振動(dòng)頻率6Hz;顆粒工廠(EDEM軟件中用于產(chǎn)生顆粒的多邊形虛擬區(qū)域)位于抖動(dòng)版上方200mm處,距離清選室左側(cè)壁150mm,顆粒工廠同時(shí)產(chǎn)生水稻籽粒與短莖稈兩種物料,產(chǎn)生方式均為動(dòng)態(tài),物料尺寸在物料模型尺寸的0.85~1.15倍之間浮動(dòng)。綜合考慮脫出物中籽粒與短莖稈成分比重[20]及計(jì)算機(jī)的處理能力,設(shè)定籽粒生成速率為2 000個(gè)/s,短莖稈生成速率為400個(gè)/s,顆粒動(dòng)態(tài)產(chǎn)生時(shí)間為1s,即生成的水稻籽粒總數(shù)為2 000個(gè),短莖稈數(shù)量400個(gè)。時(shí)間步長的設(shè)定既不能過小也不可過大,太小的時(shí)間步長會(huì)增加仿真總時(shí)間,降低模擬效率;而太大的時(shí)間步長會(huì)使得顆粒之間的接觸碰撞過程變的不穩(wěn)定。綜合考慮二者,將時(shí)間步長設(shè)為雷利時(shí)間步的20%,即1e-5s。
由于清選過程中的空氣并未被壓縮,流體流動(dòng)的物理量不隨時(shí)間改變,因此在Fluent中,選擇基于壓力算法的求解器。渦粘模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k~ε模型,采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法來配合標(biāo)準(zhǔn)k~ε模型,以解決在近壁面區(qū)域內(nèi)湍流發(fā)展不充分,不適合使用標(biāo)準(zhǔn)k~ε模型進(jìn)行計(jì)算的缺陷。將工作環(huán)境設(shè)置為1個(gè)大氣壓,進(jìn)風(fēng)口采用velocity inlet,速度為9m/s;湍流定義方法采用湍動(dòng)粘度與水力直徑,根據(jù)水力直徑的計(jì)算公式,其值等于4倍截面通流面積與濕周的比值;在氣體流動(dòng)中,濕周即為通流截面的周長,由此計(jì)算得出水力直徑HD=140mm,進(jìn)一步計(jì)算得到湍動(dòng)粘度TI=3.81%。流場(chǎng)求解方法采用廣泛使用的SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法,即壓力耦合方程組半隱式算法,離散格式在綜合考慮求解的穩(wěn)定性和精度后采用二階迎風(fēng)格式,時(shí)間步長按經(jīng)驗(yàn)取為EDEM時(shí)間步長的50倍,即5e-4s。
4仿真結(jié)果及分析
氣流場(chǎng)速度分布云圖及速度矢量圖如圖4所示。
圖4 氣流場(chǎng)速度云圖及速度矢量
在EDEM中分別設(shè)置統(tǒng)計(jì)區(qū)域用以統(tǒng)計(jì)損失的籽粒個(gè)數(shù)和落在籽粒收集區(qū)域的短莖稈質(zhì)量,位置分別位于篩尾及清選室底部,如圖5所示。
圖5 損失及含雜統(tǒng)計(jì)區(qū)域
從清選開始到結(jié)束,透過振動(dòng)篩且未被氣流吹出機(jī)外的短莖稈會(huì)與籽?;祀s在清選室底部的籽粒收集區(qū)域,該區(qū)域可以分別統(tǒng)計(jì)短莖稈以及籽粒的質(zhì)量,短莖稈質(zhì)量和該區(qū)域內(nèi)所有物料總質(zhì)量的比值為清選含雜率。在清選過程中,如果有籽粒通過損失統(tǒng)計(jì)區(qū)域則將其計(jì)數(shù),在清選過程結(jié)束后以該區(qū)域統(tǒng)計(jì)的籽粒個(gè)數(shù)為損失總數(shù),該值與顆粒工廠生成籽??倲?shù)之比即為清選損失率。
如圖6所示,單進(jìn)風(fēng)口結(jié)構(gòu)清選室在t=2.6s時(shí)基本完成清選過程。根據(jù)統(tǒng)計(jì)區(qū)域結(jié)果顯示, 通過籽粒損失統(tǒng)計(jì)區(qū)域的顆粒個(gè)數(shù)為89個(gè),與籽粒生成總數(shù)2 000的比值為4.45,即損失率4.45%;落在含雜統(tǒng)計(jì)區(qū)域的顆??傎|(zhì)量為71.8g,其中短莖稈質(zhì)量為2.86g,即含雜率3.98%。
理想氣流場(chǎng)的分布情況應(yīng)當(dāng)是氣流場(chǎng)在整個(gè)篩面分布呈現(xiàn)篩前氣流速度較大,中部有所降低,篩尾氣流速度有所增加[20]。成芳等人也指出,篩面風(fēng)速沿篩長風(fēng)速逐漸降低,篩面后部出口處風(fēng)速應(yīng)略有提高,這樣的氣流場(chǎng)將有利于清選質(zhì)量的提高[21]。從圖4所示結(jié)果可以看出:氣流從風(fēng)機(jī)出口直到篩面處,形成較為流暢的氣流,經(jīng)過振動(dòng)篩后由于其反射作用氣流速度略微有所減小,氣流整體方向朝清選室出口處變化,利于將雜物吹出清選室。但是,整個(gè)氣流的高速區(qū)域集中在振動(dòng)篩的中后部,振動(dòng)篩前端的氣流速度非常小,并且在抖動(dòng)板到振動(dòng)篩前端這一區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了回流和渦流,將會(huì)影響清選效果。由于振動(dòng)篩前端位置是物料由脫粒滾筒落入清選室的集中處,氣流速度過小將不利于物料的篩分且增加了振動(dòng)篩的清選負(fù)荷。由于物料過多堆積于振動(dòng)篩前端,易造成篩孔的堵塞,減少籽粒的透篩機(jī)會(huì),增加清選損失率,所以這種結(jié)構(gòu)的清選室氣流場(chǎng)并不滿足理想要求。
(a) t=0.5s (b) t=1s
(c) t=1.5s (d) t=2.6s
5清選室改進(jìn)及仿真結(jié)果分析
在原清選室結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,于進(jìn)風(fēng)口和振動(dòng)篩之間加裝兩塊導(dǎo)風(fēng)板,上導(dǎo)風(fēng)板左端距離清選室左側(cè)壁245mm,距離清選室底部190mm,與水平面夾角45°;下導(dǎo)風(fēng)板距離清選室左側(cè)壁215mm,距離清選室底部150mm,與水平面夾角20°,模型如圖7所示。在Fluent和EDME中以相同的參數(shù)進(jìn)行仿真模擬。
氣流場(chǎng)速度分布云圖及速度矢量圖如圖8所示。
如圖9所示,單進(jìn)風(fēng)口加裝導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)在t=2.38s時(shí)基本完成清選過程,根據(jù)統(tǒng)計(jì)區(qū)域顯示,通過損失統(tǒng)計(jì)區(qū)域的顆粒個(gè)數(shù)為43個(gè),即損失率2.15%。落在含雜統(tǒng)計(jì)區(qū)域的籽粒總質(zhì)量72.8g,短莖稈質(zhì)量1.76g,即含雜率2.41%。
圖7 單進(jìn)風(fēng)口加裝導(dǎo)風(fēng)板清選室模型
從圖8可以看出:導(dǎo)風(fēng)板將進(jìn)入清選室的氣流分成了3個(gè)方向。其中,大部分氣流在經(jīng)過上導(dǎo)風(fēng)板后改變方向吹向振動(dòng)篩前端,使得原本的低速氣流區(qū)域變?yōu)楦咚贇饬鲄^(qū)域,更加有利于在篩前吹散物料,更適合于高喂入量作業(yè);另一部分氣流在經(jīng)過導(dǎo)風(fēng)板后吹向清選室底部的籽粒攪龍,使從振動(dòng)篩落向籽粒攪龍的物料接受二次清選,增加了清選效率。但是,在抖動(dòng)板與振動(dòng)篩前端之間的氣流速度仍然較低,這一區(qū)域仍然存在回流和渦流,從而使由脫粒滾筒落下的物料混合物在這段區(qū)域中未得到有效清選.雖然有抖動(dòng)板的作用,但還是易發(fā)生局部厚局部薄地堆積在上篩面上,增加了振動(dòng)篩的負(fù)荷,因此考慮對(duì)清選室的氣流入口做進(jìn)一步改進(jìn)。
圖8 氣流場(chǎng)速度云圖及速度矢量
(a) t=0.5s (b) t=1s
(c) t=1.5s (d) t=2.38s
為了彌補(bǔ)上述不足,對(duì)橫軸流風(fēng)機(jī)作出改動(dòng),通過引導(dǎo)風(fēng)道將氣流引至振動(dòng)篩前端部,并與篩面平行的吹向篩尾,如圖10所示。氣流場(chǎng)速度分布云圖及速度矢量圖如圖11所示。
如圖12所示,雙進(jìn)風(fēng)口加裝導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)在t=2.21s時(shí)基本完成清選過程。根據(jù)統(tǒng)計(jì)區(qū)域顯示,通過損失統(tǒng)計(jì)區(qū)域的籽粒數(shù)量為4個(gè),損失率為0.2%;落在含雜統(tǒng)計(jì)區(qū)域的總質(zhì)量為75.04g,短莖稈質(zhì)量為1.24g,即含雜率為1.65%。
由圖11可以看出:增加上進(jìn)風(fēng)口后振動(dòng)篩下方氣流與前述單進(jìn)風(fēng)口加導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)并無太大區(qū)別,由上進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入清選室的氣流在物料從脫粒滾筒落下還未到達(dá)篩面前即對(duì)其產(chǎn)生作用,即預(yù)清選,有利于使得物料更均勻地落在振動(dòng)篩篩面,降低振動(dòng)篩前端物料此厚彼薄情況發(fā)生的幾率,有效減小振動(dòng)篩所受負(fù)荷。整個(gè)篩面氣流速度仍然呈現(xiàn)前端高,中部有所下降,篩尾有所升高的趨勢(shì),符合理想氣流場(chǎng)速度分布的要求;同時(shí),上進(jìn)風(fēng)口的氣流與下進(jìn)風(fēng)口氣流共同作用,使得振動(dòng)篩篩面氣流更加均勻平穩(wěn),速度方向更利于雜物吹出清選室。雙進(jìn)風(fēng)口加導(dǎo)風(fēng)板清選室結(jié)構(gòu)能夠?qū)ξ锪线M(jìn)行多層次的吹風(fēng)清選,降低損失率和含雜率,提高清選效率。
圖10 雙進(jìn)風(fēng)口加裝導(dǎo)風(fēng)板清選室模型
圖11 氣流場(chǎng)速度云圖及速度矢量
(a) t=0.5s (b) t=1s
(c) t=1.5s (d) t=2.21s
單從清選完成速度來看,在完成同樣總量籽粒的清選過程時(shí),單進(jìn)風(fēng)口結(jié)構(gòu)清選室需用時(shí)2.6s,單進(jìn)風(fēng)口加裝導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)清選室需用時(shí)2.38s,而雙進(jìn)風(fēng)口加裝導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)清選室用時(shí)最少,為2.21s。由此表明:該種結(jié)構(gòu)的清選處理量最大。從清選指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)來看,由于振動(dòng)篩前端是物料經(jīng)脫粒滾筒脫粒后進(jìn)入清選室的集中區(qū)域,當(dāng)此處清選氣流速度過小時(shí)將不利于吹散物料,易造成篩孔的堵塞,同時(shí)篩中部氣流過大也會(huì)減少籽粒的透篩幾率,從而增加損失率。篩前端氣流速度的增大,使得該區(qū)域集中的物料更容易被吹散,篩中部氣流速度略有降低,有效增大籽粒透篩幾率,從而降低損失率。同時(shí),由于三風(fēng)道導(dǎo)風(fēng)板的作用,使得整個(gè)篩下空間有效氣流分均勻地落在振動(dòng)篩篩面,增大籽粒透篩幾率,同時(shí)有效的減小振動(dòng)篩前端所受負(fù)荷。上下出風(fēng)口氣流共同作用,使得振動(dòng)篩篩面氣流更加均勻平穩(wěn),速度方向更利于將雜物吹出清選室。
6結(jié)論
1)運(yùn)用CFD-DEM耦合方法,對(duì)3種結(jié)構(gòu)的清選室清選效果進(jìn)行了仿真模擬,得到了3種結(jié)構(gòu)下清選室氣流場(chǎng)速度分布云圖以及清選統(tǒng)計(jì)結(jié)果。通過數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出:?jiǎn)物L(fēng)口加裝導(dǎo)風(fēng)板及雙風(fēng)口加裝導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)的氣流場(chǎng)基本滿足理想氣流場(chǎng)要求,并且清選效果明顯優(yōu)于單進(jìn)風(fēng)口結(jié)構(gòu)清選室。
2)通過結(jié)果對(duì)比可以看出:雙風(fēng)口加裝導(dǎo)風(fēng)板的清選室結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的平行于篩面的橫向氣流能夠在物料觸篩前即對(duì)其進(jìn)行預(yù)分離,有利于在篩前吹散物料,減少篩孔堵塞,該結(jié)構(gòu)更適用于大喂入量作業(yè)。
3)由于受到計(jì)算機(jī)硬件條件限制,仿真時(shí)進(jìn)行了不同的簡(jiǎn)化處理,與實(shí)際工作情況還有一定差距;但這種耦合仿真方法能夠表達(dá)一種由于結(jié)構(gòu)改進(jìn)所帶來的清選效果優(yōu)化的趨勢(shì),并且這種優(yōu)化的效果隨著顆粒數(shù)的增加將會(huì)更加明顯,也能為聯(lián)合收割機(jī)清選室結(jié)構(gòu)以及工作參數(shù)優(yōu)化提供一種高效快捷的處理方法。本文旨在為后續(xù)試驗(yàn)研究提供一定的理論依據(jù)。
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Abstract ID:1003-188X(2016)11-0034-EA
Simulation and Analysis of Air-and-Screen Cleaning of Combine Harvester Based on CFD-DEM
Jiang Tao, Wu Chongyou, Tang Qing, Wang Gang, Wu Jun
(Nanjing Research Institute of Agriculture Mechanization, Nanjing 210014,China)
Abstract:In order to study the effect of cleaning-shoe structure and air-flow field on cleaning in a further step, simulation and analysis of three working conditions which are single tuyere without reflector, single tuyere with reflector, double tuyere with reflector is obtained by using CFD-DEM coupled method. By comparing the numerical findings of the three kinds of cleaning-shoe structure, it is shown that the air flow field distribution of the latter two kinds of structure is much more better than the first one, it is also can be concluded that under the same condition of wind speed and feeding speed, the loss ratio and impurities ratio belong to the double tuyere with reflector structure is respectively 0.2% and 1.65%, which is the best among the three working conditions.The method can provide reliable theory basis to the further design and improvement of air and screen cleaning device.
Key words:CFD; DEM; combine harvester; air-and-screen cleaning
中圖分類號(hào):S225.3
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1003-188X(2016)11-0034-07
作者簡(jiǎn)介:江濤(1988-),男,安徽六安人,助理研究員,(E-mail)563525030@qq.com。通訊作者:吳崇友(1959-),男,遼寧鞍山人,研究員,博士生導(dǎo)師,(E-mail)542681935@qq.com。
基金項(xiàng)目:“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAD08B00)
收稿日期:2015-10-06