垂直流場中的蔗葉松弛時間

袁成宇+區穎剛+劉慶庭+黃崢+周紹鵬+梁宇達

摘要：通過自制的測試裝置，借助高速攝像對垂直管流中的蔗葉松弛時間進行研究。結果表明，蔗葉松弛時間隨蔗葉長度增加逐漸降低，隨氣流速度的增大，蔗葉松弛時間逐漸減小。

關鍵詞：松弛時間；垂直流場；蔗葉；懸浮速度；高速攝像

中圖分類號： S225.5+3文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）07-0197-02

當一個質量為m的球形顆粒以初速度為0的狀態進入速度為u的流場中時，由于流體與顆粒之間會進行動量交換，顆粒將在一定時間內達到穩定輸送狀態，由速度為0到流場中穩定狀態的這一時間即為顆粒松弛時間，它是評價顆粒進入氣流后能否快速跟隨氣流一起運動的重要參數，是判斷顆粒在氣流輸送中穩定性與輸送難易的主要依據[1-3]。蔗葉在氣流輸送中的松弛時間是判斷其能否快速跟隨氣流運動并達到穩定狀態的重要依據，對切段式甘蔗聯合收割機除雜系統的設計與優化有較好的指導作用。

現有研究主要對蘿卜、荔枝、馬鈴薯、蘋果、牧草、醬牛肉和番茄等固體物料的應力松弛特性進行初步研究。如張洪霞通過蘿卜的應力松弛試驗，得出蘿卜在不同加載速率、不同方向取樣時的流變學參數，從而得出應力松弛曲線[4]。郭文斌等通過對馬鈴薯的應力松弛試驗，獲得不同壓深、不同面積下應力松弛參數和曲線，確定馬鈴薯整體壓縮時應力松弛為五元件廣義麥克斯韋模型[5]。蔣志林等對荔枝進行了不同試驗條件的壓縮應力松弛和損傷統計試驗，確定荔枝應力松弛模型并分析試驗因素對模型參數和荔枝損傷的影響等。馬龍等以多個品牌醬牛肉為試樣，從應力松弛試驗中獲得力學-流變學性質參數，認為五元件麥克斯韋模型適合醬牛肉的應力松弛現象[6]。現有應力松弛特性研究主要集中于黏彈性固體物料的壓縮試驗，鮮見有關顆粒在流體中的松弛特性的研究[4，7]。因此，本試驗借助高速攝影系統對蔗葉在氣流輸送過程中的松弛時間進行初步研究，以期為切段式甘蔗收獲機除雜系統的設計與優化提供理論參考[8]。

1材料與方法

1.1材料

蔗葉樣品為收獲期的自然態蔗葉，品種為新臺糖22號，取自華南農業大學寧西試驗基地。取蔗葉中部約100 cm長范圍進行樣品定制，將蔗葉修剪成寬度為4 cm，長度分別為5、10、15、20、25 cm的長方形樣品并壓平，樣品的平均含水率為71.22%，平均厚度為0.036 cm，密度為0.93 g/cm3。

1.2試驗裝置

蔗葉松弛時間測試系統如圖1所示，主要包含高速攝影系統和蔗葉加速與懸浮裝置，該裝置主要由直徑為0.4 m、高2.5 m的有機玻璃管7、風機2、整流裝置3以及單相變頻器等組成，其中風機2最大速度為11 m/s，D為變頻器，變頻器調節范圍為0～50 Hz。高速攝影系統由德國Optronis公司生產的CR600×2型高速攝像機和自帶的數據處理系統組成，其記錄的頻率最高為6 500幀/s（FPS），記錄容量為 4 GB。本次測試采用的記錄頻率為500 FPS，即1 s拍攝500張圖片，相鄰圖片的時間間隔為0.002 s，像素為1 280×1 024，采用傳統的黃光碘鎢燈照明。風速的測量采用德國Testo公司生產的手持式testo405-V1測速儀，其測量范圍為0～20 m/s，精度為001 m/s，蔗葉幾何尺寸采用游標卡尺測量，蔗葉質量采用電子稱質量計測量，其范圍為0～10 kg，精度0.000 1 kg。

1.3測量方法

由于蔗葉長、寬、厚3個方向尺寸相差較大，其空間姿態也時刻變化，所以其在流場內受到的流體作用力也不穩定，蔗葉在整個上升過程中較難處于穩定狀態，此次試驗得出的松弛時間為每一樣品5次試驗中的最小值。根據松弛時間的物理意義可知，蔗葉從零速首次達到穩定速度所需的時間即為松弛時間，據此先調節好高速攝影鏡頭與測試樣品所處豎直平面間的距離，啟動高速攝影數據記錄系統的同時使蔗葉開始加速上升，拍攝從靜止進入穩定輸送狀態的過程圖片序列，再將序列圖片導入軟件Image-pro-plus中進行對象標定，利用軟件自動計算相鄰2圖片間蔗葉運行的速度，直到連續出現3次計算的相鄰速度值基本保持不變，則認為蔗葉達到松弛狀態，再將首次出現此速度前所有時間累加視為蔗葉的松弛時間，用公式表達即

式中：τ為松弛時間；n是蔗葉速度首次達到穩定狀態時對應的圖片序列數。

2結果與分析

2.1測試裝置精度分析

由于為自制的加速與懸浮裝置，先驗證測試裝置內部流場的均勻性是否滿足測試要求。采用同心圓環等面積原理在玻璃圓管測量段上截取等距的5個截面，其中截面1距物料網10 cm，截面間隔為20 cm，每個截面沿直徑取7個測點，各個截面上風速的測量結果如表1。

從表1的風速均值可看出，隨著截面位置的上升，由于沿程摩擦的影響，風速逐漸變小且趨勢平緩，根據標準差可以看出各個截面上各測點的速度波動不大。由以上數據分析可知，試驗裝置基本滿足蔗葉流場加速與懸浮的測量要求。

2.2不同長度蔗葉的松弛時間變化規律

以頻率代替氣流速度的大小，當變頻器示數分別為25、31、37、43、49 Hz時，蔗葉長度與松弛時間的關系如圖2所示，從圖2可以看出，在同一氣流場中，隨著蔗葉長度的增大，松弛時間逐漸減小，說明在一定范圍內，蔗葉越長，松弛時間越短，蔗葉能在越短的時間內達到穩定輸送狀態。但蔗葉在 15～25 cm范圍內，松弛時間的變化比較平緩，說明蔗葉切段達到一定長度范圍后，長度的變化對進入穩定輸送狀態的時間影響弱化。

2.3不同速度下蔗葉松弛時間的變化規律

同樣以變頻器的頻率代替氣流速度，測試樣品的原始長度為25 cm，當測完其松弛時間后再剪去5 cm，即修剪為長度為20 cm的樣品，測試后再剪去5 cm，以此類推直至完成 5 cm 長的樣品試驗，測試結果如圖3所示。

從圖3可以看出，對同一長度的蔗葉樣品，當氣流速度增大時，蔗葉松弛時間變小，但變化趨勢相對比較平緩。風速處于37～49 Hz范圍時，風速的變化對蔗葉松弛時間影響不明顯，說明在此范圍內的蔗葉松弛時間受風速影響不大。因此在切段式甘蔗聯合收獲時，除雜風機的轉速越快，蔗葉進入穩定狀態越快，蔗葉可在極短的時間內進入穩定輸送狀態，也就越有利于蔗葉的清除，但在氣流速度較高時，氣流速度的變化對松弛時間影響已經不大。

3結論

利用自制的測試裝置，借助高速攝影裝備獲取蔗葉在垂直流場中運行的序列圖像，通過對圖像處理獲得流場中的蔗葉松弛時間的變化規律。在同一氣流速度中，隨著蔗葉長度的增加，松弛時間逐漸減小；對同一幾何尺寸的測試樣品，當氣流速度增加時，蔗葉松弛時間變短。在切段甘蔗混合物除雜時，高速氣流條件下，蔗葉能更快進行穩定狀態，輸送更容易；在一定長度范圍內，蔗葉越長，松弛時間越短，則蔗葉越容易達到穩定輸送狀態，但隨著蔗葉長度的增加，葉長的變化對其松弛時間的影響減弱。

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，2013：22-25.

[2]楊倫，謝一華. 氣力輸送工程[M]. 北京：機械工業出版社，2006：73-75.

[3]馬云海，張金波，吳亞麗. 農業物料學[M]. 北京：化學工業出版社，2015：77-79.

[4]張洪霞. 固體物料應力松弛特性的研究[J]. 桂林電子工業學院學報，2003，23（3）：85-88.

[5]郭文斌，王春光，劉百順. 馬鈴薯應力松弛特性[J]. 農業機械學報，2008，39（2）：205-207.

[6]馬龍，武杰，趙大慶，等. 醬牛肉應力松弛特性實驗[J]. 食品與發酵工業，2013，39（1）：221-224.

[7]陸秋君，王俊，何喜玲，等. 常溫貯存中番茄應力松弛特性試驗[J]. 農業機械學報，2005，36（7）：78-82.

[8]王靜，廖慶喜，田波平，等. 高速攝像技術在我國農業機械領域的應用[J]. 農機化研究，2007（1）：184-186.