基于CFD-DEM耦合法的蓮子殼仁分離裝置優化與試驗分析

馬秋成 雷林韜 盧安舸 李超眾 覃 楓

(1. 湘潭大學機械工程學院，湖南 湘潭 411105；2. 湖南大學國家高效磨削工程技術研究中心，湖南 長沙 410082)

基于CFD-DEM耦合法的蓮子殼仁分離裝置優化與試驗分析

馬秋成1雷林韜1盧安舸2李超眾1LI覃 楓1

(1. 湘潭大學機械工程學院，湖南 湘潭 411105；2. 湖南大學國家高效磨削工程技術研究中心，湖南 長沙 410082)

借助FLUENT軟件對蓮子物料分離通道氣流場分布規律進行仿真分析。采用CFD-DEM耦合法對混合物料在分離通道中的分離過程進行數值模擬。以分離氣流速度、入料管傾斜角、分離通道傾斜角為因素開展了仿真試驗，分析了各因素對清選率的影響，確定了分離通道的優化工藝參數為：入料管傾斜角60°、分離通道傾斜角35°、分離氣流速度7.881 m/s，與實體樣機試驗結果一致。試驗結果表明CFD-DEM耦合仿真方法可用于蓮子物料分離的研究，所獲工藝參數為蓮子混合物料分離機的設計提供了參考依據。

分離通道；數值模擬；蓮子；CFD-DEM耦合

分選[1-2]是農產品物料加工過程中的重要工序，用于實現果仁與雜質的分離。蓮子在破殼后需要安排分選工序將蓮仁與蓮殼分離，以獲取蓮仁。目前，在谷物、花生等農產品物料的風力分選方面已經有成熟的設備投入生產應用。對于蓮子物料分選技術而言，雖已有一些設備被開發應用，但在設計前未進行相關理論分析，參數選擇主要依靠經驗，調試周期長。筆者[3]前期已研制了蓮子殼仁分離裝置并獲取了優化工藝參數，裝置主要由分離通道、旋風分離器和風機三部分組成(見圖1)。風機在分離通道內部產生負壓，導致蓮仁與蓮殼沿不同軌跡運動而實現分離。但由于試驗臺涉及的分離通道形式較為簡單，而實際設備則較為復雜，若仍采用傳統的設計方法，則需要在實際應用時對設備參數反復調試。近年來，計算機仿真技術被廣泛應用機械設計中。采用計算機仿真技術獲取優化工藝參數，可以提高設計效率，節約研制成本。

CFD-DEM耦合法是一種用于顆粒—流體系統仿真的方法，考慮了流體和顆粒的雙向耦合作用，在氣固兩相流模擬分析中已有所應用[4-5]，心男[6]基于EDEM-FLUENT耦合法對氣吹式排種器的工作過程進行了模擬；Li Yao-ming等[7]對物料在谷物清選裝置氣流場中的運動規律進行了研究，驗證了CFD-DEM耦合法在谷物研究中的實用性。

本研究擬采用CFD-DEM耦合方法，對蓮子風力殼仁分離裝置進行流場分析與分離仿真模擬，研究分離氣流速度、入料管傾斜角、分離通道傾斜角等因素對分離效果的影響規律，獲取最優工藝參數。

α. 分離通道傾斜角，(°)β. 入料管傾斜角，(°) 1. 機架 2. 吸風機 3. 連接管 4. 旋風分離器 5. 分離通道 6. 蓮殼收集器

圖1 蓮子殼仁分離裝置結構簡圖

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

1 數學模型建立

1.1 氣相方程

基于CFD-DEM耦合法，采用標準的k-ε湍流模型對蓮殼、蓮仁的分離過程進行數值模擬。

氣固耦合氣體動力學控制的質量守恒方程和動量守恒運動方程(N-S方程)[8]分別見式(1)、(2)。

(1)

(2)

式中：

εk——流體空隙率，%；

ρk——流體密度，kg/m3；

t——時間，s；

uk——流體速度，m/s；

P——流體靜態密度，kg/m3；

μk——流體動力粘度，Pa·s；

g——重力加速度，g=9.806 m/s2；

S——源項，kg/(m3·s)。

1.2 顆粒接觸力學模型

采用EDEM軟件默認的Hertz-Mindlin無滑移接觸模型，可以精確計算顆粒間的作用力[9]，其簡圖見圖2。

1. 顆粒剛度(彈簧) 2. 阻尼器 3. 摩擦器

2 仿真模型構建

2.1 分離通道模型及網格劃分

蓮殼和蓮仁混合物料的分離是在分離通道中完成，其網格模型見圖3。單元總數為24 304，節點數量為5 362，管道直徑為40 mm，混合物料從流體入口2進入分離通道。

圖3 分離通道網格劃分模型

2.2 蓮仁、蓮殼仿真模型

蓮仁的外形為近似橢球形，為方便計算，在仿真過程將蓮仁用最大橫截面直徑的球體代替，取其平均直徑d=11.841 mm[10]。蓮殼是表面呈球形、平均厚度為0.69 mm[11]的殼體，由于EDEM仿真顆粒是通過球體組成，若利用微小球體填充的方式得到蓮殼，會造成計算困難。因懸浮速度參數表征物料的空氣動力學特性，本文考慮采用與蓮殼懸浮速度相等的一個球體顆粒等效蓮殼，設置蓮殼仿真顆粒的直徑為12 mm，可以判斷等效蓮殼顆粒的阻力系數分區為Newton區，阻力系數Ch=0.44，蓮殼懸浮速度變化范圍2.511～4.891 m/s，其理論懸浮速度[3]計算表達式見式(3)。

(3)

式中：

vp——顆粒的懸浮速度，m/s；

dp——顆粒粒徑，dp=0.012 m；

S——非球形顆粒的形狀修正系數；

ρs——顆粒密度，kg/m3；

ρa——空氣密度，ρa=1.29 kg/m3。

根據式(3)可以計算等效球體顆粒的密度ρs=24.086～87.806 kg/m3。仿真參數取平均值ρs=56 kg/m3。

蓮仁、蓮殼和管道的材料屬性和碰撞屬性的參考值[12-13]見表1、2。

2.3 耦合參數的設置

設置耦合參數時，流場迭代求解采用SIMPLE算法，選擇自由流動曳力模型，松弛因子均設為0.7。

表1 材料屬性設置

表2 接觸屬性設置

對FLUENT和EDEM時間步長進行設置，兩者之間滿足的條件為：① FLUENT時間步要保證計算時穩定收斂；② EDEM 時間步長為瑞利時間步長的5%～40%，保證仿真的連續性；③ 兩者的時間步長和數據保存頻率須成整數倍匹配。基于上述3個基本原則，仿真過程設定FLUENT中的時間步長為8×10-4s，匹配關系見表3。

表3 EDEM-FLUENT耦合時間步長匹配

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

項目時間步長/s頻率/Hz保存時間/sFLUENT8×10-4500.04EDEM4×10-625000.01倍數2004

3 仿真結果分析

3.1 流場分析

為與前期試驗對照，FLUENT仿真模型設置分離通道內氣流速度范圍為6.680～7.881 m/s。圖4為不同出口流速下分離通道中軸面流速矢量分布。由圖4可知：流體入口附近速度變化緩慢，在流體入口與出口交匯處速度發生突變；分離通道內部氣流速度隨流體出口速度的增加而增加，但速度分布趨勢保持不變。

3.2 耦合仿真分析

圖5表示在仿真時間t為0.35～0.87 s時蓮仁、蓮殼在分離通道中的分離過程(黑色表示蓮殼，淺色表示蓮仁)，模型中設置α=60°、β=35°，入料管長度為220 mm，進料量為蓮仁6顆/次、蓮殼12顆/次。由圖5可知：當混合物料位于叉形區域后，蓮殼順著氣流方向沿管道往上運動，蓮仁沿管道向相反方向運動，與實際情況一致。

3.3 仿真試驗

由殼仁分離裝置的試驗研究可知，影響清選率的主要因素為流體出口速度、入料管傾斜角和分離通道傾斜角，采用CFD-DEM耦合仿真進一步研究這3個因素對清選率的影響。定義其清選率為：

(4)

式中：

P——清選率，%；

n——管道出口蓮仁的數量；

圖4 不同出口流速下速度矢量分布圖

m——管道出口蓮殼的數量。

3.3.1 單因素試驗 仿真過程設置管道出口流速為6.68～7.881 m/s；入料管傾斜角范圍45～90°；分離通道傾斜角范圍30～55°，軟件中，顆粒工廠按蓮仁顆粒數設置為200，蓮殼顆粒數400，每組仿真重復3次，通過查看EDEM中仿真結果，對出口處蓮仁、蓮殼數量進行統計，求出耦合仿真的清選率P。

綜合試驗和仿真結果的清選率指標，作出分布折線圖(見圖6)。由圖6可知，隨著管道出口流速的增大，仿真結果對應清選率指標近似以二次曲線規律遞增，與試驗結果趨勢一致，相對誤差在2%以內，當出口流速為7.81 m/s時，清選率最高；隨著入料管傾斜角的增大，仿真結果的清選率指標近似以二次曲線規律遞減，與試驗結果趨勢一致，相對誤差在3%以內，當傾斜角為90°時，清選率最低；當分離通道傾斜角為35°時清選率較高，35°之后清選率呈線性下降，與試驗結果趨勢一致，相對誤差在3%以內。

圖5 耦合仿真分離過程

圖6 不同因素對清選率的影響

3.3.2 正交試驗 為獲得出口流速、入料管傾斜角及分離通道傾斜角的最優組合，開展正交仿真試驗。根據前面單因素試驗的結論，在各因素中選擇三個較優水平建立三因素三水平正交表見表4。

根據因子水平表，在Fluent中安排9組仿真試驗，每組試驗重復3次，得到清選率指標并對結果進行極差分析[14]，見表5。

表4 正交試驗因子水平表

表5 正交試驗結果

由表5可知，影響清選率的各因素主次順序為Y、Z、X，仿真試驗得到的最優方案為：Y2Z2X3，即入料管傾斜角60°、分離通道傾斜角35°、出口流速7.881 m/s時有利于蓮仁、蓮殼的分離。

3.4 驗證實驗

采用殼仁分離裝置對仿真得到的最優方案進行實驗驗證，試驗裝置見圖7。將200粒飽滿蓮仁和400粒半蓮殼充分混合，作為試驗樣本。試驗前，設置入料管傾斜角60°、分離通道傾斜角35°、出口流速7.881 m/s(風機頻率50 Hz)，將混合物料均勻地從入料口放入，以清選率為試驗指標，實驗重復3次，結果見表6，測得清選率分別為97.56%，98.52%，98.04%，均值為98.04%，與仿真結果獲得的清選率接近。

4 結論

利用FLUENT軟件對分離通道內流場進行了分析，結果表明：流體出口速度只改變分離通道內各點的速度大小，不改變速度分布趨勢。采用CFD-DEM耦合仿真得到的清選率變化趨勢與試驗一致，清選率指標隨著傾斜角的增大而降低，隨出口流速的增大而增加。仿真試驗得到的最優分離參數為：入料管傾斜角60°、分離通道傾斜角35°、出口流速7.881 m/s，與實體樣機試驗結果相同，驗證了采用CFD-DEM耦合法研究殼仁分離裝置是可行的，所得工藝參數，為蓮子物料分離機的設計提供了參考依據。

1. 風機 2. 入料口 3. 蓮仁出口 4. 混合物料

試驗次數出口蓮仁數n出口蓮殼數m清選率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

國家自然科學基金項目(編號：51575466)；湖南省自然科學基金資助項目(編號：2015JJ5005)

馬秋成(1964—)，男，湘潭大學教授，碩士。 E-mail：mqc@xtu.edu.cn

2016—08—29