基于CFD-EDM耦合的氣吸式紅棗撿拾機(jī)氣力輸送裝置仿真分析

張鳳奎, 張宏, 蘭海鵬, 于福鋒, 李忠杰, 李平

(塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院, 新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代 農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 新疆 阿拉爾 843300)

紅棗種類繁多，產(chǎn)量逐年攀升。紅棗收獲作業(yè)分為打棗、拾棗和雜質(zhì)分選三部分，整個(gè)作業(yè)過程勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗時(shí)長(zhǎng)且與其他作物收獲期重疊，從而造成生產(chǎn)成本增加、作業(yè)效率低下和雇工難、雇工貴等問題，實(shí)現(xiàn)紅棗機(jī)械化收獲可解決上述難題。目前紅棗機(jī)械化收獲裝備以氣吸式紅棗撿拾機(jī)械的研究為主[1-6]。氣吸式紅棗撿拾機(jī)具有適應(yīng)性強(qiáng)、通過性好和體積小等特點(diǎn)，其氣力輸送裝置是影響其工作效率和損耗的關(guān)鍵裝置。

隨著離散單元法(discrete element method)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics)的發(fā)展，模擬技術(shù)已成為研究多相流和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要工具[7-14]?；贑FD-EDM氣固耦合的試驗(yàn)方法廣泛用于研究顆粒與顆粒間及顆粒與殼體間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及氣流場(chǎng)的特征[15-16]。該方法也在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域被用于研究顆粒在氣流場(chǎng)的分布及優(yōu)化工作參數(shù)等方面[17-19]，如小漿果采收、谷物分選和玉米播種器優(yōu)化等[20-22]。工作參數(shù)優(yōu)化主要針對(duì)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)，通過優(yōu)化進(jìn)而提高機(jī)械裝備作業(yè)效率。氣吸式紅棗撿拾機(jī)的氣力輸送裝置包括輸送管路和清選箱兩部分，因紅棗在氣力輸送過程中形成的氣固兩相流較復(fù)雜，同時(shí)清選箱箱體的結(jié)構(gòu)對(duì)該機(jī)作業(yè)效果產(chǎn)生較大影響，故本文利用CFD-EDM氣固耦合試驗(yàn)法對(duì)該機(jī)的氣力輸送裝置進(jìn)行仿真分析，以期獲得紅棗在輸送過程中的運(yùn)動(dòng)特性、流場(chǎng)分布特性與清選箱箱體結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。

通過分析紅棗在輸送過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和氣流場(chǎng)分布規(guī)律，提出優(yōu)化清選箱箱體結(jié)構(gòu)的方案，并通過樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果，為氣力式紅棗撿拾機(jī)械的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)提供參考。

1 原理與方法

1.1 氣吸式紅棗撿拾機(jī)與箱體結(jié)構(gòu)

1.1.1氣吸式紅棗撿拾機(jī)結(jié)構(gòu) 該機(jī)主要包括氣力輸送裝置、卸料裝置、離心風(fēng)機(jī)、動(dòng)力輸出裝置、下料裝置和行走裝置等(圖1)。其中,氣力輸送裝置由手持吸管、輸料軟管和清選箱組成。

該機(jī)工作時(shí)，通過動(dòng)力輸出裝置驅(qū)動(dòng)離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使氣力輸送裝置內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，手持吸管將落地紅棗及雜質(zhì)拾起并由輸料軟管輸送到清選箱中，然后通過清選箱對(duì)紅棗和雜質(zhì)實(shí)現(xiàn)分離作業(yè)，分離后的紅棗經(jīng)卸料裝置和下料裝置落入到收集框中。

1.1.2清選箱箱體結(jié)構(gòu) 如圖2所示，清選箱箱體形狀為“┓”形，有利于沉降細(xì)小雜質(zhì)、減少空氣污染并防止雜質(zhì)損傷風(fēng)機(jī)葉片，主要分為分離室、沉降室、攔棗柵和擋棗板四部分。

清選箱主要作用是實(shí)現(xiàn)紅棗與雜質(zhì)的分離，故欄柵柵距D需小于紅棗三軸尺寸最小值。通過懸浮速度測(cè)量試驗(yàn)測(cè)得紅棗的懸浮速度為17.2～21.4 m·s-1，棗葉和棗枝的懸浮速度分別為0.5～2.2和1.2～3.2 m·s-1，為保證雜質(zhì)能被氣流帶出箱體，箱體中的平均氣流速度需大于雜質(zhì)懸浮速度,最大值為3.2 m·s-1。清選箱箱體結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算如式(1)[23]所示。

(1)

式中，U為箱體中平均氣流速度，3.5 m·s-1；Q為氣體流量，133 7.9 m3·h-1；B為箱體寬度，m；H1為箱體高度，m。

通過計(jì)算得出箱體寬度B與箱體高度H1的乘積約為0.11 m2，確定箱體寬度B為315 mm，箱體高度H1為350 mm，箱體入口高度H2為170 mm。

1.2 紅棗物料模型構(gòu)建

1.2.1基本物料參數(shù)測(cè)量 供試品種為灰棗，于2019年12月5日阿拉爾市十團(tuán)某棗園內(nèi)撿拾表面無(wú)損傷、果肉無(wú)缺失、形狀較為規(guī)則的紅棗200粒，測(cè)量其三軸尺寸、質(zhì)量和體積等物料參數(shù)，物料參數(shù)數(shù)值如表1。

表1 物料參數(shù)Table 1 Material parameter

1.2.2構(gòu)建紅棗顆粒模型 為減少個(gè)體差異對(duì)試驗(yàn)的影響，依據(jù)測(cè)得的紅棗三軸尺寸平均值使用Solidworks軟件繪制三維模型，將排出的顆粒變化范圍值設(shè)置為物料模型體積的0.8～1.2倍，符合紅棗體積變化范圍；然后將三維模型作為幾何體導(dǎo)入EDEM 軟件中，使用其particle工具對(duì)模型進(jìn)行手動(dòng)填充，獲得由46個(gè)直徑為5 mm的球形顆粒聚合成物料離散元模型。

1.3 CFD-EDM仿真試驗(yàn)

氣吸式紅棗撿拾機(jī)的性能主要由該機(jī)氣力輸送裝置中的氣流流動(dòng)性能決定，為闡明該機(jī)氣力輸送裝置內(nèi)氣固兩相流流動(dòng)特性，本文利用CFD-EDM耦合法對(duì)該機(jī)氣力輸送裝置進(jìn)行了仿真研究。

1.3.1EDEM模型構(gòu)建 為便于軟件仿真模擬和分析，需對(duì)氣力輸送裝置簡(jiǎn)化處理，故將手持吸管和輸送軟管設(shè)計(jì)成一體式管路以便于網(wǎng)格劃分，加快仿真速度。應(yīng)用SolidWorks軟件構(gòu)建仿真模型(圖3)，將實(shí)體模型保存為x_t格式后導(dǎo)入EDEM中。

1.3.2FLUENT模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分 FLUENT劃分的網(wǎng)格模型與EDEM中導(dǎo)入的模型略有不同，主要因?qū)嵨飿訖C(jī)有卸料裝置，該裝置可以防止漏氣減少壓力損失，所以在構(gòu)建劃分實(shí)體模型時(shí)，將圖3中物料出口改為密封結(jié)構(gòu)。本文構(gòu)建的模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為簡(jiǎn)化實(shí)際工作條件，選擇非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型劃分方法，以縮短仿真模擬的計(jì)算時(shí)間。為提高網(wǎng)格質(zhì)量，保證網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.3，防止因網(wǎng)格質(zhì)量差而影響仿真結(jié)果，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查和梳順，優(yōu)化后的網(wǎng)格數(shù)量為248 434個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為492 875。

1.3.3參數(shù)設(shè)置 在DEM-CFD進(jìn)行耦合計(jì)算時(shí)，紅棗顆粒體積分?jǐn)?shù)較大，對(duì)流場(chǎng)的影響不可忽略，因而本文采用Eulerian模型對(duì)紅棗在氣輸送裝置中的氣固耦合進(jìn)行模擬。輸送管路和箱體輸送過程中空氣流速的雷諾數(shù)(Re)計(jì)算均為公式(2)[24]。

(2)

式中，Re為雷諾數(shù)；ρ為空氣密度，kg·m-3；v為氣流平均速度，m·s-1；D1為輸送管路內(nèi)徑，m；μ為空氣動(dòng)力粘性系數(shù)。

該機(jī)輸送管路直徑為130 mm，氣流平均流速28 m·s-1；箱體的等流量當(dāng)量直徑約為400 mm，假設(shè)箱體中的氣流平均流速為雜質(zhì)懸浮速度最大值3.2 m·s-1，計(jì)算得出其Re值遠(yuǎn)大于紊流流動(dòng)的臨界值，因此整個(gè)過程氣體的運(yùn)動(dòng)形態(tài)為紊流。在EDEM軟件中選用多種接觸模型，由于紅棗在運(yùn)動(dòng)過程中主要受滾動(dòng)摩擦力和氣流作用力，又考慮到紅棗表面無(wú)粘接力，故選用Hertz-Mindlin無(wú)滑移接觸模型。

通過上述分析，氣力輸送裝置氣相選用Eulerian-Langrangian不可壓縮流體模型，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型求解；固相選用Hertz-Mindlin無(wú)滑動(dòng)接觸模型，CFD-DEM耦合仿真模塊中選用Saffman剪切升力和Magnus旋轉(zhuǎn)升力模型。設(shè)定入口風(fēng)速為實(shí)測(cè)值28 m·s-1，設(shè)置顆粒工廠顆?？倲?shù)為200粒，排出速度為0.01 m·s-1，顆粒工廠排除顆粒變化范圍值為紅棗顆粒模型體積的0.8～1.2倍，在紅棗體積變化區(qū)間范圍內(nèi)。仿真參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 仿真參數(shù)設(shè)置Table 2 Simulation parameter design

1.4 箱體結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)兩相流仿真結(jié)果，對(duì)原有箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在相同仿真參數(shù)下設(shè)計(jì)六組對(duì)照試驗(yàn)，主要探究箱體拐角內(nèi)徑大小對(duì)箱體流場(chǎng)的影響，第一組仿真試驗(yàn)為原箱體的兩相流仿真試驗(yàn)，其他五組對(duì)照試驗(yàn)為不同拐角內(nèi)徑下優(yōu)化箱體的兩相流仿真試驗(yàn)，拐角內(nèi)徑分別為50、100、150、200和250 mm。

1.5 樣機(jī)試驗(yàn)

為驗(yàn)證氣力輸送裝置氣固兩相流的數(shù)值模擬仿真試驗(yàn)的可行性，本文通過樣機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1.5.1試驗(yàn)條件 為更好的觀察和測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將清選箱箱體加工為透明箱體，材質(zhì)為有機(jī)玻璃。該箱體可通過插入弧形插板和更換箱體組裝部件實(shí)現(xiàn)箱體結(jié)構(gòu)變化，樣機(jī)其他組成部件皆為原部件。試驗(yàn)紅棗品種為灰棗。

1.5.2試驗(yàn)驗(yàn)證 試驗(yàn)場(chǎng)地為新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。撿拾物料5 kg，離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和卸料器轉(zhuǎn)速分別為3 000和25 r·min-1；對(duì)原有箱體和優(yōu)化后箱體各試驗(yàn)5次求平均值，保證物料撿拾量、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和卸料裝置轉(zhuǎn)速一致。

2 結(jié)果與分析

2.1 物料模型分析

通過EDEM軟件構(gòu)建的紅棗顆粒模型如圖5所示。該模型由手動(dòng)填充顆粒構(gòu)成，填充時(shí)球顆粒水平排列放置，由大端到小端球顆粒數(shù)目逐漸減少，可使物料模型較平滑。

2.2 氣力輸送裝置仿真結(jié)果分析

2.2.1兩相流流動(dòng)特性分析 圖6顯示了在氣流作用下，輸送過程中紅棗速度變化及其分布情況?？梢钥闯?，紅棗運(yùn)動(dòng)過程可分為上升段、彎管段、加速段和分離段4部分。紅棗在上升段分布均勻，呈加速趨勢(shì)上升；在進(jìn)入彎管段后，在其彎管外側(cè)壁面中線附近聚集，形成類似于繩狀的結(jié)構(gòu)，通常稱之為顆粒繩[25-27]。顆粒繩是彎管內(nèi)氣固兩相流的典型特征，離心力和碰撞是其形成的主要原因，彎管外側(cè)附近紅棗密度明顯高于其他區(qū)域，但運(yùn)動(dòng)速度明顯低于其他區(qū)域；當(dāng)紅棗離開彎管段后，在湍流和其自身重力的作用下，聚集的顆粒繩逐漸分散，進(jìn)入加速段。加速段因紅棗質(zhì)量較大，水平氣流速度無(wú)法使其懸浮，故紅棗主要分布于管路底部且靠近底部的紅棗速度略小于靠近底部上層的紅棗速度；紅棗進(jìn)入分離段，此時(shí)達(dá)到其最大運(yùn)動(dòng)速度，約為4.85 m·s-1，然后撞擊攔棗柵和擋棗板后，速度驟降，呈下落趨勢(shì)。

從紅棗運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析(圖7)可知，在氣力輸送過程中有少量紅棗遺留于箱體中，大部分紅棗主要撞擊位置分布于攔棗柵下端和擋棗板中上端且少部分被攔棗柵卡住或通過攔棗柵，主要原因是受到箱體入口高度的影響。

2.2.2兩相流流場(chǎng)分析 運(yùn)用Tecplot軟件對(duì)耦合后的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理和分析，結(jié)果如圖8所示。由流場(chǎng)中心截面的壓力和速度分布可知，通過攔棗柵的平均流速約為17.85 m·s-1，分離室和沉降室易產(chǎn)生渦流現(xiàn)象增大箱體能量損失，且氣流軌跡混亂，并沒有沿箱體輸送路徑流動(dòng)。通過比照在輸送過程中紅棗分布情況與壓力云場(chǎng)分布可知，在上升段流場(chǎng)壓力和速度變化不明顯，因在上升段紅棗分布較為均勻；在彎管段和加速段，流場(chǎng)壓力和速度分布受紅棗分布影響較大，紅棗分布處相比沒有紅棗處的出壓力減小，速度減??；管路中壓降變化明顯，均小于入口處總壓強(qiáng)，說明壓降能量大部分用于轉(zhuǎn)化為紅棗運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能及紅棗群提升的重力勢(shì)能。

2.3 箱體結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖9可知，在相同參數(shù)下,原有箱體通過攔棗柵的氣流速度變化不明顯，平均流速為17.85 m·s-1，氣流運(yùn)動(dòng)軌跡呈直線狀并沒有沿箱體路徑運(yùn)動(dòng)；優(yōu)化后的箱體隨著拐角內(nèi)徑增大，通過攔棗柵的平均流速降低且減少渦流現(xiàn)象發(fā)生，氣流運(yùn)動(dòng)軌跡清晰均勻并隨箱體路徑運(yùn)動(dòng)；當(dāng)拐角內(nèi)徑為200 mm時(shí)最佳，降低通過攔棗柵的平均流速至6 m·s-1，氣流軌跡清晰均勻并隨箱體路徑運(yùn)動(dòng)。降低通過攔棗柵的氣流速度可防止紅棗因自身動(dòng)能過大而造成損傷；箱體入口處易產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，主要原因?yàn)橄潴w入口位置過高造成。

通過上述結(jié)論對(duì)原有箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將箱體入口高度降低以減少紅棗因動(dòng)能多大通過攔棗柵的概率并防止渦流現(xiàn)象發(fā)生，此時(shí)箱體入口高度為65 mm；將攔柵形狀設(shè)計(jì)為環(huán)形攔柵，以增大碎雜清堵裝置清堵面積；將擋棗板設(shè)計(jì)為傾斜擋板以防止少量紅棗殘留于箱體中，優(yōu)化后箱體模型如圖10所示。

為驗(yàn)證優(yōu)化箱體可行性，對(duì)優(yōu)化后箱體進(jìn)行耦合仿真分析。由圖11可知，紅棗在輸送管路中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化不明顯，但因箱體入口高度的調(diào)節(jié)，絕大部分紅棗撞擊傾斜擋板后從箱體出口排除且紅棗的最大運(yùn)動(dòng)速度減小為4.74 m·s-1，在運(yùn)動(dòng)過程中無(wú)紅棗殘留于箱體。當(dāng)降低箱體入口高度后，箱體入口處無(wú)渦流現(xiàn)象發(fā)生，攔棗柵處的氣流速度大于雜質(zhì)的懸浮速度，可保證雜質(zhì)順利通過。

2.4 樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果分析

樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。分析樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果得出，吸口處氣流速度為28 m·s-1時(shí)，原箱體攔棗柵處氣流平均速度為18.5 m·s-1，優(yōu)化后箱體攔棗柵處氣流速度為7.5 m·s-1，與仿真試驗(yàn)結(jié)果較接近。由物料輸送情況分析得出，通過降低箱體入口使絕大多數(shù)紅棗撞擊于擋棗板上，然后落入卸料裝置中。這不僅縮短紅棗輸送時(shí)間，還可防止紅棗因撞擊攔柵出現(xiàn)紅棗卡在攔柵上和穿過攔柵現(xiàn)象的發(fā)生，降低物料損傷率。

表3 優(yōu)化驗(yàn)證結(jié)果Table 3 Optimization results

3 討論

目前，氣力式紅棗收獲機(jī)械的研究主要為小型氣力式落地紅棗撿拾機(jī)械,多利用負(fù)壓吸送原理實(shí)現(xiàn)落地紅棗的撿拾，但因箱體與篩分裝置易被堵塞，作業(yè)效果不佳[1-2]。潘俊兵等[4]研制的氣吹式紅棗撿拾裝置利用正壓吹送原理實(shí)現(xiàn)落地紅棗的撿拾，該機(jī)對(duì)紅棗損傷較小，但需對(duì)落地紅棗進(jìn)行清掃聚攏，樹下紅棗不易收獲。張學(xué)軍等[5-6]研制的氣力式矮密栽培紅棗撿拾機(jī)，適用于矮化密植栽培模式下的紅棗收獲，收獲后的紅棗含雜率較低。前人的研究主要為氣力式紅棗收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，對(duì)氣力輸送裝置中物料輸送過程的運(yùn)動(dòng)特性、流場(chǎng)分布特性與箱體結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系研究較少。

CFD-EDM耦合法是將顆粒相用EDEM進(jìn)行計(jì)算求解，將氣相用FLUENT進(jìn)行計(jì)算求解，然后通過氣固耦合兩相的動(dòng)量交換實(shí)現(xiàn)耦合計(jì)算[25，28-31]。為更深入研究氣力式紅棗收獲機(jī)械，本研究利用CFD-DEM耦合法對(duì)氣吸式紅棗撿拾機(jī)的氣力輸送裝置進(jìn)行模擬仿真。將仿真模型和紅棗顆粒模型與ICEM-CFD非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型分別導(dǎo)入EDEM和FLUENT中，然后建立兩種軟件的耦合仿真聯(lián)系。通過兩相流流動(dòng)特性分析結(jié)果得出，在氣力輸送過程中有少量紅棗殘留于箱體，且主要撞擊點(diǎn)分布于攔棗柵下端和擋棗板中上端，三軸尺寸較小的紅棗易通過攔棗柵或被卡住。通過降低箱體入口高度可解決這一問題；兩相流流場(chǎng)分析結(jié)果得出分離室和沉降室出現(xiàn)渦流現(xiàn)象且氣流沒有沿輸送路徑流動(dòng)，通過攔棗柵的平均流速為17.85 m·s-1；仿真優(yōu)化后箱體僅有箱體入口處有渦流現(xiàn)象發(fā)生，通過攔棗柵的平均流速為6 m·s-1，可防止紅棗因動(dòng)能過大造成撞擊攔棗柵后的損傷；分析優(yōu)化箱體的耦合試驗(yàn)結(jié)果得出，箱體入口處并無(wú)渦流現(xiàn)象發(fā)生，運(yùn)動(dòng)過程中無(wú)紅棗殘留于箱體，且絕大部分紅棗撞擊傾斜擋板后從箱體出口排除。

為驗(yàn)證耦合仿真試驗(yàn)的可行性，本研究通過樣機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，實(shí)際的紅棗運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與仿真模擬的結(jié)果比較接近；當(dāng)箱體入口氣流速度為28 m·s-1時(shí)，原箱體和優(yōu)化后箱體攔棗柵處的平均氣流速度分別為16.54和7.5 m·s-1，與仿真結(jié)果較接近。因此說明采用CFD-EDM兩相流耦合技術(shù)進(jìn)行氣吸式紅棗撿拾機(jī)氣力輸送裝置的氣力輸送運(yùn)動(dòng)特性模擬仿真和箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化是可行的。本研究通過優(yōu)化箱體結(jié)構(gòu)可提高樣機(jī)氣力輸送裝置的輸送效率，降低物料損傷率，可為氣吸式紅棗撿拾機(jī)械箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。但影響氣吸式紅棗撿拾機(jī)械作業(yè)性能的因素還有很多，如箱體入口距地高度、箱體外形形狀和分離除雜裝置的設(shè)計(jì)等，對(duì)箱體結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)和其他關(guān)鍵裝置的設(shè)計(jì)還需進(jìn)一步研究。在今后的研究中，不僅要對(duì)氣吸式紅棗撿拾機(jī)械繼續(xù)優(yōu)化，還需對(duì)其增加打棗裝置和清掃聚攏裝置，在撿拾前對(duì)樹上紅棗進(jìn)行敲打并清掃聚攏，提高整機(jī)工作效率，實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化，以取代人工打棗和清掃聚攏作業(yè)。