氣力輸送中蔗葉滑移率的研究

袁成宇 ，區穎剛，劉慶庭，黃　崢，周紹鵬

(1.華南農業大學 工程學院 ,廣州　510642 ；2.海南大學 機電工程學院，海口　570228)

?

氣力輸送中蔗葉滑移率的研究

袁成宇1,2，區穎剛1，劉慶庭1，黃崢1，周紹鵬1

(1.華南農業大學 工程學院 ,廣州510642 ；2.海南大學 機電工程學院，?？?70228)

摘要：顆粒在運動流場內的滑移率是判斷顆粒氣力輸送穩定性的重要依據，對輸送氣流速度的選取有很好的借鑒作用。分析蔗葉在流場內的滑移率，對切段式甘蔗聯合收割機除雜系統工作參數的設計與優化有很好的指導作用。為此，通過高速攝像對垂直管流中運行的蔗葉滑移率進行了測量，結果表明：蔗葉在流場內的最終穩定速度與理論計算不符，實際滑移率與蔗葉在流場中的迎風面積密切相關，氣流速度的變化對實際滑移率并不產生明顯影響。

關鍵詞：蔗葉；氣流場；滑移率；高速攝像

0引言

顆粒滑移率是指顆粒在上升氣流中運行達到穩定狀態時，氣流速度與顆粒速度的差值與氣流速度的比值，是判斷顆粒在氣流輸送中穩定性與難易的主要依據，也是確定氣流輸送速度大小的重要參考。切段式甘蔗聯合收獲機除雜系統主要依靠軸流風機產生的負壓將甘蔗混合物中的雜物吸走，關鍵部件軸流風機的設計主要依靠經驗數據，往往會造成風機功率不足或過大而影響除雜。經理論分析發現：蔗葉懸浮速度、蔗葉松弛時間及蔗葉在流場內的滑移率是影響和風選除雜的主要因素。為此，本文借助高速攝像設備對蔗葉在流場內的滑移率進行初步研究，以期能為切段式甘蔗收獲機除雜系統的設計與優化提供一定的理論參考。

1試驗材料

試驗用的蔗葉樣品為收獲期的青蔗葉，取自湛江農墾廣前公司試驗基地，品種為新臺糖22號。采用隨機抽取甘蔗葉樣本的方法采樣，取蔗葉中部約1m長范圍進行樣品定制，將蔗葉按試驗設計方案修剪成寬度為0.04m，長度分別為0.03、0.06、0.09、0.12、0.15m的長方形樣品，壓平使其保持平面狀態。經測試，樣品的平均含水率為73.13%，平均厚度為3.4×10-4m，密度為0.841×10-3kg/m3。

2試驗設備與儀器

2.1試驗設備

試驗的測試裝置如圖1所示。

1.支架　2.葉輪　3.整流細管　4.玻璃管勻流段

該裝置主要由高速攝像機系統E，直徑為0.4m、高為2.5m的有機玻璃管，高壓風機，整流細管，以及單相變頻器等組成。其中，高壓風機出口最大速度為11m/s，整流細管由長度為0.3m、內徑為0.01m的PVC管組成。圖1中，A、B、C為玻璃管測試段的測試位置，D為變頻器，變頻器調節范圍為0～50Hz。高速攝影設備采用德國OPTRONIS公司生產的CR600×2型高速攝像機，其記錄的頻率最高為6 500幀/s(FPS)，記錄容量為4GB。本次測試采用的記錄頻率為500(FPS)，即每秒鐘拍攝500張圖片，相鄰圖片的時間間隔為0.002s，像素為1～280×1024，采用傳統的碘鎢燈照明。

2.2測量儀器

風速的測量采用德國testo公司的testo405-V1測速儀，測量范圍為0～20m/s，精度為0.01 m/s。蔗葉質量采用電子稱重計測量，其范圍為0～10kg，精度0.000 1kg。

3測量原理與方法

3.1測量原理

根據顆粒在流場中滑移率的定義，滑移率可以表示為

(1)

其中，φm為滑移率；v和ux分別為氣流速度和顆粒在流體內的最終穩定速度(m/s)。

根據式(1)可知：只需要測量出氣流速度和顆粒在流場運動的穩定速度，即可求出顆粒的滑移率。同時，根據氣力輸送理論可知：垂直上升流場內的顆粒理論滑移率φr為顆粒懸浮速度與氣流速度之比值，即

φr=uf/v

(2)

其中，φr為理論滑移率；uf為顆粒懸浮速度(m/s)。

3.2測量方法

氣流速度的測量利用testo405-V1測速儀進行。由于管道中同一截面上的各點風速可能有細微不同，故通過等面積圓環法取6個點再加上截面中心點測量，以7個點平均值代替氣流速度。蔗葉懸浮速度則通過圖1所示的右邊裝置進行測量，具體方法為：調節電機變頻器，使蔗葉樣品懸浮于測試裝置的玻璃管測量段內某處，然后，根據相應位置測量風速，每個樣品測量3次取平均值。蔗葉在流場內最終穩定速度通過高速攝影測量獲取，將高速攝影的序列圖片導入軟件Image-Pro-Plus中，計算出相鄰圖片間蔗葉運行的距離，再根據高速攝影設定的時間間隔求出蔗葉的速度。本次試驗導入6幅連續圖片，計算出5個相鄰速度，再以此平均值代替蔗葉最終穩定速度。

4滑移率的測量結果與分析

4.1氣流速度測量結果

將電機變頻器頻率分別調至27、38、43Hz時，可測得玻璃管試驗段的氣流平均速度分別為6.85、7.85、8.85m/s。

4.2懸浮速度測量結果

對樣品寬度為0.04m，平均厚度0.003 4m，平均含水率73.13%，長度分別為0.03、0.06、0.09、0.12、0.15m的長方形樣品進行懸浮速度測量，結果如表1所示。

表1　樣品的懸浮速度

根據表1的試驗數據可以發現：蔗葉懸浮速度隨著葉長增加而增大。

4.3蔗葉最終穩定速度測量結果

先將選定的高速攝影序列圖片導入Image-Pro-Plus中進行目標對象標定，然后測量相鄰圖片目標對象間的運行距離，再根據高速攝影設定的時間間隔t=0.002s計算出相鄰圖片的蔗葉運動速度。當氣流速度為8.85、7.85、6.85m/s時，測量結果如表2所示。

表2　高速攝影測量的蔗葉最終穩定速度

續表2

4.4滑移率的計算與分析

根據表2試驗樣品的最終穩定速度及公式(1)和公式(2)，可以計算出試驗樣品的理論滑移率和實際滑移率，結果如圖2、圖3和圖4所示。圖2、圖3和圖4分別為氣流速度為8.85、7.85、6.85 m/s時樣品的理論滑移率和實際滑移率與蔗葉長度的關系。

圖2　理論滑移率和實際滑移率(8.85m/s)

圖3　理論滑移率和實際滑移率(7.85m/s)

圖4　理論滑移率和實際滑移率(6.85m/s)

由表1可知：而蔗葉懸浮速度隨長度增加而增大。故由公式(2)可知：在氣流速度不變的情況下，樣品的理論滑移率隨蔗葉長度增大而增加，這在圖2、圖3和圖4中的理論滑移率曲線變化規律可以得到驗證。根據氣力輸送有關理論可知：顆粒在垂直上升流場內的最終輸送速度理論上等于氣流速度與顆粒懸浮速度的差，即蔗葉在流場內最終的穩定速度應為氣流速度與蔗葉懸浮速度的差值。但從表2中蔗葉最終穩定速度可以看出：在氣流速度不變的情況下，隨著蔗葉長度的增加，最終穩定速度并沒有單調遞減，而是在某一范圍內波動。其主要原因為：試驗測試的懸浮速度為蔗葉在流場中處于水平狀態時的速度，是最小懸浮速度；而當蔗葉在流場中運行時處于非水平態時，其實際懸浮速度大于最小懸浮速度，故其最終穩定速度要比理論值小；蔗葉在流場內受風面積越小，懸浮速度就越大，最終穩定速度就越小，當減小至一定值時就不能進行有效輸送了。所以，對蔗葉來看，當其在流場中輸送時，受風面積越小，懸浮速度越大，實際滑移率越大，最終穩定速度就越小，輸送也就越困難。由于蔗葉在流場內運行時的受風面積可能時刻發生變化，故圖2、圖3和圖4中的蔗葉實際滑移率并沒有明顯的變化規律。

5結論

1)通過試驗測量分析可知：在氣流速度不變的情況下，蔗葉在流場內的理論滑移率隨著葉長增加而增加；而實際滑移率則與其在流場內運動的懸浮速度有關。當懸浮速度變小時，滑移率變小，蔗葉跟隨流場的能力增強，輸送比較容易；當懸浮速度增大時，實際滑移率增大，蔗葉跟隨流場能力降低，則輸送較困難。當受風面積最大時，也就是蔗葉處于水平態時，此時蔗葉懸浮速度最小，蔗葉的實際滑移率最小，此時跟隨流場一起運行的能力最強，輸送最省力。

2)對同一測試樣品，在氣流速度增加時，理論滑移率降低。然而，由于蔗葉在流場內的懸浮速度跟其受風面積有關，故無法確定實際滑移率的變化規律。

參考文獻：

[1]袁竹林，朱立平.氣固兩相流動與數值模擬[M].南京：東南大學出版社，2013.

[2]楊倫，謝一華.氣力輸送工程[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3]張繼成，陳海濤.大豆脫出物懸浮速度試驗研究[J].農機化研究，2013,35(4):127-131.

[4]陳立，廖慶喜，宗望遠,等.油菜聯合收獲機脫出物空氣動力學特性測定[J].農業機械學報，2012, 43(S1):127-130.

[5]王吉奎，郭康權，呂新民,等.穴播輪中種子運動高速攝像分析[J].江蘇大學學報:自然科學版，2012(1):12-15.

[6]劉艷艷，李耀明.水稻懸浮速度試驗研究[J].農機化研究，2010，32(2):149-151.

[7]周福君,張巍.高速攝像技術在兩相流場籽粒運動測量中的應用[J].東北農業大學學報，2008(4):22-24.

[8]李愛平,汪春. 苜蓿段長度對干燥速度與懸浮速度影響的試驗[J]. 農業機械學報，2006,37(8)：169-170.

[9]干方建，潘曉陽，胡開文.煙草物料風力輸送速度的分析和研究[J]. 合肥工業大學學報，1999(4):131-133.

[10]陳冠益,方夢祥,駱仲泱,等.稻殼的氣力輸送特性研究及各種輸送方法的比較[J]. 農業機械學報，1998(3):74-78.

Study on Slip Rate of Sugarcane Leaf in Pneumatic Conveying

Yuan Chengyu1,2, Ou Yinggang1, Liu Qingting1, Huang Zheng1， Zhou Shaopeng1

( 1.College of Engineer, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 2.College of Mechanical and Electrical Engineer ,Hainan University ,Haikou 570228, China)

Abstract：The particle slip rate is an important basis for judging the stability of particles in pneumatic conveying. It is a good reference for selecting the conveying air velocity. The sugarcane leaf slip rate is an important role to design and optimize the working parameters on the cleaning system of the chopper sugarcane harvester. So the authors measured the sugarcane leaf slip rate in vertical pipe flow by high speed camera by high speed camera. The test result showed that the final stable speed was not fit to the theoretical results of sugarcane leaves in flow field. the windward area of sugarcane leaf in flow field had a great influence on the actual slip rate of sugarcane leaves.The change of gas velocity didn’t have a significant impact on the actual slip ratio of sugarcane leaf.

Key words：sugarcane leaf; air flow field; slip rate; high speed camera

文章編號：1003-188X(2016)02-0133-04

中圖分類號：S12

文獻標識碼：A

作者簡介：袁成宇(1976-)，男，湖南邵陽人，博士研究生，(E-mail)ycy@hainu.edu.cn。通訊作者：區穎剛(1947-)，男，廣東新會人，教授，博士生導師，(E-mail)ouying@scau.edu.cn。

基金項目：國家甘蔗產業體系專項基金項目(CARS-20-4-1)；海南省自然科學基金項目(413124)

收稿日期：2015-01-22