基于EDEM-Fluent耦合胡麻清選裝置過程模擬分析

李姣姣，賀俊林，徐福龍，王月華

(山西農業大學農業工程學院，山西 晉中030801)

0 引言

胡麻，即油纖兼用型或油用型亞麻的俗稱，是中國西北和華北地區主要的油料作物，具有價值高、用途廣等特點，被多個國家種植生產[1]。目前我國的胡麻生產機械化水平不高，清選裝置作為胡麻聯合收獲機及胡麻分段收獲裝備核心部件之一，其工作性能直接影響胡麻的收獲質量[2]。因此，提高胡麻清選裝置的效率，尤為重要。

近年來，隨著計算機技術的飛速發展，計算流體力學與離散元法已廣泛應用于農業領域。熊平原等[3]利用離散元軟件，構建了適應南方土質環境的旋耕刀-土壤相互作用仿真模型，并對旋耕刀所受工作阻力進行研究。李洪昌等[4-5]運用CFD-DEM耦合方法對風篩式清選裝置中物料在篩面運動進行模擬，結果表明，在一定的范圍風機出風口風速增加會使物料后移速度增加，并通過試驗證明，此方法是可行的。MEKONNEN G G等[6]利用CFD流體軟件研究了不同渦旋壁位置對聯合收獲機橫流風機流場的影響。紀海春[7]利用DEM-CFD耦合方法對氣吸式排種器排種過程進行仿真，得到不同參數組合下排種器的排種性能指標，并且與試驗得到的規律誤差較小。以上研究為計算流體力學與離散元法仿真試驗的可行性提供重要的理論依據。清選過程中脫粒物料受力復雜，通過試驗法研究胡麻在清選過程的受力仍存在欠缺，故借助離散單元法對清選過程中胡麻受力及運動狀態進行研究與分析。

基于胡麻脫出物物理特性的不同，以EDEM-Fluent耦合為手段，模擬胡麻脫粒物料在清選裝置中作業過程，分析胡麻清選裝置作業參數對清選性能的影響規律，獲得胡麻清選裝置作業參數的最佳參數，為胡麻清選裝置參數選擇和優化提供參考。

1 清選裝置結構與工作原理

1.1清選裝置結構

胡麻風篩式清選裝置主要由喂料系統、清選系統、機架和電機等部件組成，樣機結構如圖1所示。

1.喂料口 2.風機 3.吊板 4.吊桿 5.機架 6.清選篩 7.支撐桿 8.連桿 9.曲柄圓盤 10.電機圖1 胡麻風篩式清選裝置結構Fig.1 Structure of wind screen cleaning device for flax

1.2工作原理

胡麻清選裝置工作時，物料從喂料口進入到清選室，通過曲柄連桿機構帶動清選篩做往復運動，在風機一定氣流的作用下為清選作業提供合適的氣流場，實現胡麻脫粒物料的分層與分離。由于重力，胡麻籽粒和較大的雜余掉落到振動篩面上，在振動篩的作用下，再次進行清選。經過分離和清選的籽粒落入集糧箱，蒴果殼、短莖稈與其他雜余隨氣流和清選篩的作用排出機外。在氣流和清選篩的過度作用下，小部分胡麻籽粒被排出機外，導致胡麻清選損失。

2 清選裝置模型及顆粒模型

2.1清選裝置模型

采用Solidworks軟件進行建模，由于受到計算機軟件處理能力限制，清選裝置仿真模型尺寸不宜過大，在保留主要的工作部件基礎上進行合理簡化。胡麻清選裝置簡化模型如圖2所示。

1.進風口 2.喂料口 3.清選篩 4.清選室 5.出料口圖2 胡麻清選裝置簡化模型Fig.1 Simplified model of flax cleaning device

清選室尺寸為380 mm×100 mm×210 mm，進風口尺寸為70 mm×100 mm，出風口尺寸為90 mm×100 mm，篩板尺寸為320 mm×96 mm，清選篩選用方形篩孔，篩孔尺寸為10.0 mm×2.4 mm。

2.2顆粒模型

胡麻脫出物主要包含胡麻籽粒、蒴果、蒴果殼和短莖稈。由于蒴果極少，本研究只選取胡麻籽粒、蒴果殼和短莖稈為模擬對象。為保證清選作業過程的真實模擬，利用Solidworks軟件對胡麻脫粒物料進行實體建模(圖3)，并將其導入EDEM軟件，用不等半徑的球體對其進行填充，直至接近于實物，其中胡麻籽粒模型由18個球形顆粒聚合而成，長、寬、厚分別為4.8 mm×2.5 mm×1.0 mm；蒴果殼模型由9個球形顆粒聚合而成，其長、寬、高分別為5.8 mm×5.6 mm×3.2 mm；短莖稈模型由19個球形顆粒聚合而成，其長、寬、高分別為16.1 mm×1.0 mm×1.0 mm。

圖3 胡麻脫粒物料離散元模型Fig.3 Discrete element model of flax threshing material

3 物料力學特性及仿真參數設置

3.1物料物理特性參數

胡麻脫出物各物理特性參數及物料之間的接觸系數如表1～2所示[8-9]。

表1 物料物理特性參數

表2 材料之間接觸參數

3.2仿真參數設置

采用EDEM2.7與FLUENT16.0版本進行耦合。在EDEM中選擇Hertz-Mindlin(no-slip)為顆粒接觸模型。設定胡麻籽粒生成速率600個/s；蒴果殼生成速率1 050個/s；短莖稈生成速率1 050個/s[10]。設置清選篩振動頻率6 Hz，振幅9 mm，振動方向角0°，時間步長設2×10-6s，數據記錄時間間隔0.01 s，仿真總時間3 s。

在FLUENT中選擇空氣作為流體，重力設置在Y軸負方向，選擇標準k-ε湍流模型進行瞬態計算。設定一個氣流入口，風速設置為4.5 m/s，氣流傾角為4°，出口設置為壓力出口。FLUENT求解器的時間步長設置為EDEM時間步長的50倍，即為1e-04s，步數為30 000步[11]。耦合計算中，選擇歐拉-拉格朗日耦合模型。

4 仿真試驗與分析

4.1單因素試驗

選擇清選過程中風機風速、氣流傾角、振動頻率和清選篩振動幅度為4個因素，以籽粒含雜率、清選損失率為試驗指標進行單因素試驗，試驗因素水平如表3所示，分析不同工作參數組合下對清選裝置性能的影響，以獲得最優參數組合[12-13]。

表3 試驗因素與水平

根據現有的研究數據及相關的參考文獻，選定單因素試驗如下：風機風速為3.5～5.5 m/s，氣流傾角為0°～8°，清選篩振動頻率為2～10 Hz，清選篩振動幅度為7～15 mm。進行仿真試驗時，選用以下作業參數組合：風機風速為4.5 m/s，氣流傾角為4°，清選篩振動頻率為6 Hz，清選篩振幅為9 mm。每組仿真試驗固定其中3個因素，探究上述4個單因素對清選裝置性能的影響規律。單因素試驗結果如圖4所示。

由圖4a分析可知，隨著風速的提高，胡麻籽粒含雜率整體呈下降趨勢，清選損失率整體呈上升趨勢。當風速為3.5～4.5 m/s，籽粒含雜率隨風機風速增大，下降幅度較大，當風速為4.5～5.5 m/s，籽粒含雜率隨風機風速增大，下降幅度較平緩；當風速為3.5～5.5 m/s，隨風機風速提升胡麻清選損失率平緩上升。由圖4b分析可知，隨著氣流傾角的提高，胡麻籽粒含雜率呈現先下降再上升趨勢，胡麻清選損失率呈現平緩下降趨勢。由圖4c分析可知，隨著清選篩振動頻率的提高，胡麻籽粒含雜率呈現先平緩下降后平緩上升趨勢，影響不明顯，胡麻清選損失率呈現上升趨勢。由圖4d分析可知，當清選篩振幅在7～15 mm，隨清選篩振幅參數提高，胡麻籽粒含雜率整體呈現下降趨勢，對于胡麻清選損失率，整體呈現勻速上升趨勢。

圖4 單因素試驗結果Fig.4 Single factor test results

綜上所述，風機風速4.0～5.0 m/s，氣流傾角2°～4°，清選篩頻率4～8 Hz，清選篩振幅7～11 mm是胡麻清選裝置較優的作業參數，此參數不僅保證較低的胡麻籽粒含雜率，還得到較低的胡麻清選損失率。

4.2正交試驗

4.2.1試驗設計

為進一步尋求胡麻清選裝置清選作業參數最優組合，以風機風速、氣流傾角、清選篩振動頻率及振幅為試驗因素，用x1、x2、x3和x4表示，以籽粒含雜率、清選損失率為清選性能指標，用y1、y2表示，開展胡麻清選裝置作業參數4因素3水平正交試驗，試驗因素水平編碼如表4所示，正交試驗與結果如表5所示[14]。

表4 試驗因素編碼

表5 正交試驗與結果

4.2.2回歸模型與分析

應用Design-Expert軟件對籽粒含雜率y1與清選損失率y2進行回歸模型方差分析，如表6～7所示，分別獲得y1與y2的二次回歸模型：

y1=3.16-0.20x1-0.14x2-0.91x3-0.16x4

-0.15x1x2-0.11x1x3-0.007 5x1x4-0.048x2x3

-0.15x2x4-0.1x3x4+0.73x12+0.13x22+0.17x32

+0.50x42

(1)

y2=2.82+0.63x1+0.20x2+0.28x3-0.043x4+0.33x1x2-0.090x1x3+0.28x1x4+0.28x2x3

+0.050x2x4-0.065 1x3x4+0.23x12-0.19x22-0.051x32+0.058x42

(2)

由表6可知，胡麻籽粒含雜率y1回歸模型P<0.000 1，表明回歸模型顯著性極高；失擬項P>0.05，失擬項不顯著，說明二次回歸模型擬合效果好。其中在籽粒含雜率回歸模型中一次項x1、x2、x3和x4對籽粒含雜率影響均極顯著；二次項x12、x42對籽粒含雜率影響均極顯著；交互項x1x2、x2x4對籽粒含雜率影響達顯著。根據回歸模型各因素影響程度的大小，得到各因素影響程度主次順序為x3、x1、x4和x2。

表6 胡麻籽粒含雜率方差分析

表7 清選損失率方差分析

4.2.3最佳參數選擇

根據正交試驗結果和回歸模型可知，胡麻籽粒含雜率最優參數組合為風機風速4.48 m/s、氣流傾角4.3°、清選篩振動頻率7.6 Hz、清選篩振幅10.1 mm；胡麻清選損失率最優參數組合為風機風速4.04 m/s、氣流傾角4.9°、清選篩振動頻率5.1 Hz、清選篩振幅10.5 mm。利用Design-Expert軟件進行響應面優化分析，在綜合考慮清選作業參數對清選性能影響的基礎上，得到最佳清選工作參數：風機風速4.5 m/s、氣流傾角4°、清選篩振動頻率6 Hz、清選篩振幅9 mm。在最佳清選參數組合下，胡麻籽粒含雜率為2.97%，清選損失率為2.39%。

5 結論

(1)針對目前胡麻清選過程籽粒含雜率和清選損失率較高的問題，設計了胡麻風篩式清選裝置，完成了該系統的運動分析，為胡麻清選裝置的設計與優化提供參考。

(2)基于EDEM-Fluent耦合，進行了單因素試驗和正交試驗，得到胡麻籽粒含雜率與清選損失率的數學回歸模型及最優參數組合，胡麻籽粒含雜率最優參數組合：風機風速4.48 m/s、氣流傾角4.3°、振動頻率7.6 Hz、振幅10.1 mm；胡麻清選損失率最優參數組合為：風機風速4.04 m/s、氣流傾角4.9°、振動頻率5.1 Hz、振幅10.5 mm。

(3)利用Design-Expert軟件，對清選裝置作業參數進行優化，得到最佳清選工作參數：風機風速4.5 m/s、氣流傾角4°、清選篩振動頻率6 Hz、清選篩振幅9 mm。在最佳清選參數組合下，胡麻籽粒含雜率為2.97%，清選損失率為2.39%。