間作模式下小麥聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置CFD-DEM氣固耦合仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

張克平，樊宏鵬，孫步功，柴 強(qiáng)

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

小麥、玉米間作種植模式因其能夠充分利用地力、光能、熱力等農(nóng)業(yè)資源[1]，在我國(guó)西北干旱、半干旱地區(qū)被廣泛采用，但由于其帶狀型狹窄的作業(yè)空間，導(dǎo)致早熟作物小麥的收獲無法利用大型聯(lián)合收獲機(jī)完成。當(dāng)利用小型半喂入式聯(lián)合收獲機(jī)收割小麥時(shí)，需要保障不過度破壞間作玉米的莖葉，因而對(duì)收獲機(jī)各部件的空間布局要求極高。清選裝置是決定聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)清潔率和損失率的核心部件，旋風(fēng)分離筒是其最重要的構(gòu)成部分[2]。優(yōu)化旋風(fēng)分離筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)與操作參數(shù)，是改善間作模式下小麥的聯(lián)合收獲質(zhì)量及效率的主要途徑之一。

離散元法和計(jì)算流體力學(xué)已廣泛運(yùn)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域。Sakaguchi等[3]通過對(duì)糙米和稻谷建立離散元模型，對(duì)其振動(dòng)和分離過程進(jìn)行離散元仿真模擬；敬志臣等[4]通過Fluent軟件對(duì)旋風(fēng)分離筒的分離過程進(jìn)行了仿真分析；李興凱等[5]利用EDEM軟件對(duì)小區(qū)小麥聯(lián)合收獲機(jī)脫粒裝置進(jìn)行了仿真分析；廖慶喜等[6]利用CFD-EDEM氣固耦合方法仿真分析了油麥兼用型氣送式集排器增壓管；湯慶等[7]利用CFD-EDEM耦合模擬技術(shù)將氣流場(chǎng)和振動(dòng)篩分作為一個(gè)系統(tǒng)研究了清選室中氣流場(chǎng)、振動(dòng)篩和物料的相互作用。但利用離散元法和計(jì)算流體力學(xué)耦合方法，對(duì)間作模式這一特殊工況下小麥?zhǔn)斋@過程中的清選裝置進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。

本文以課題組研發(fā)的適用于間作模式下小型半喂入式小麥聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置為研究對(duì)象，基于 CFD(計(jì)算流體力學(xué))-EDEM(離散單元法)耦合理論，模擬旋風(fēng)分離筒內(nèi)的流場(chǎng)和顆粒運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，完成主要結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)的優(yōu)化，并對(duì)仿真優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了田間試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 旋風(fēng)分離筒結(jié)構(gòu)及氣固兩相流數(shù)學(xué)模型

1.1 清選裝置結(jié)構(gòu)

間作模式下小麥聯(lián)合收獲機(jī)的清選裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由吸雜風(fēng)機(jī)、集糧盤、旋風(fēng)分離筒、吸雜管道和揚(yáng)谷器等組成。工作過程中，籽粒、短莖稈的混合物被揚(yáng)谷器以一定的速度通過氣流帶入分離筒在分離筒內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，吸雜口給以負(fù)壓強(qiáng)使得雜質(zhì)的速度接近懸浮速度被氣流帶走，籽粒在經(jīng)過復(fù)雜的螺旋運(yùn)動(dòng)后落入集糧盤，達(dá)到分離的效果。

1.2 旋風(fēng)分離筒結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)

旋風(fēng)分離筒是小麥聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置的關(guān)鍵部件，如表1、圖2所示，影響清選效果的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有吸雜口直徑、上椎體的角度、直筒直徑、直筒高度、下椎角度、出風(fēng)口直徑和進(jìn)風(fēng)口大小等[8]，操作參數(shù)主要有喂入速度、吸雜口的負(fù)壓強(qiáng)等。

依據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[9]及間作種植模式收獲作業(yè)需求，設(shè)計(jì)計(jì)算相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

1.3 氣固兩相流的數(shù)學(xué)模型

利用計(jì)算流體力學(xué)和離散元法進(jìn)行氣固兩相流的分析，使研究顆粒在流場(chǎng)中的相互作用的同時(shí)，能夠兼顧氣流的力學(xué)特性。旋風(fēng)分離筒內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的流場(chǎng)可以看作不可壓縮的湍流，遵守質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒定律。在流體力學(xué)中對(duì)應(yīng)的方程為連續(xù)性方程和Navier-Stokes方程[10]。

1.吸雜風(fēng)機(jī);2.集糧斗;3.旋風(fēng)分離筒;4.吸雜管道;5.揚(yáng)谷器1.suction fan;2.grain collection box;3.cyclone separator; 4.chaff suction pipe;5.winnow圖1 清選裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic design of cleaning device

參數(shù) Parameter尺寸 Size筒體直徑D/mmDiameter of cylinder380入口尺寸a×b/mmSize of the inlet65×100吸雜口直徑D1/mmDiameter of the outlet130落糧口直徑D2/mmDiameter of the outlet200直筒體高度H/mmHeight of cylinder430上椎體角度α/°Angle of the upper vertebral45入口高度h/mmHeight of inlet180

圖2 旋風(fēng)分離筒的結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)Fig.2 The parameters and design of cyclone separator

(1)

(2)

其中

(3)

式中,εg為氣相體積百分比(%),ρg為空氣密度(kg·m-3),vg為風(fēng)速(m·s-1),t為時(shí)間(s);p為氣相壓強(qiáng)(Pa),τ為粘性應(yīng)力張量,Rgp為單位網(wǎng)格顆粒相與氣相之間的動(dòng)量交換量,g為重力加速度(m·s-2),Fp,i為顆粒i上作用的合力(N),n為特定網(wǎng)格內(nèi)的顆粒數(shù)量,ΔV為網(wǎng)格的體積(m3)。

R氣流在旋風(fēng)分離筒中做螺旋向上的運(yùn)動(dòng)從而形成內(nèi)渦流，構(gòu)建了一個(gè)有速度梯度的流場(chǎng)，由于其兩側(cè)流速的差異，產(chǎn)生了由低速向高速方向的Saffman升力，同時(shí)固體顆粒在流場(chǎng)中自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)與流場(chǎng)流動(dòng)方向垂直的有逆流指向順流側(cè)方向的Magnus升力[6]。

(4)

(5)

其中：

(6)

式中,CSa為剪切升力系數(shù),ReS為顆粒的剪切流雷諾數(shù),dp為顆粒直徑(m),μg為氣體粘度(Pa·s-1),vp為顆粒速度(m·s-1),ωg為空氣角速度(rad·s-1),ωp為顆粒的角速度(rad·s-1)。

CSa= {(1-0.3314γ0.5)e-Rep /10+0.3314γ0.5(Rep≤40)

(7)

式中,γ為顆粒剪切流雷諾數(shù)與顆粒雷諾數(shù)比值。

(8)

2 谷物混合物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)值模擬

2.1 CFD-EDEM耦合仿真方法

旋風(fēng)分離筒工作過程中，谷物混合物和氣流以一定的初速度沿分離筒切向進(jìn)入，在筒壁周圍做螺旋向下的運(yùn)動(dòng)，逐漸形成外旋流。籽粒在向下運(yùn)動(dòng)的過程中受到各種相互作用力，隨著能量消耗，速度逐漸降低，最后在重力的作用下進(jìn)入集糧盤。而在分離筒的中心軸附近，向上旋轉(zhuǎn)的氣流柱形成內(nèi)旋流，莖稈、穎殼等雜質(zhì)在內(nèi)旋流的作用下向上運(yùn)動(dòng)并排出筒外。

本研究采用Fluent 16.0和EDEM 2.7進(jìn)行耦合模擬，分析谷物混合物在分離筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。耦合過程中，分離筒中的氣體為不可壓縮的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)流體，采用湍流模型。首先利用CFD求解器對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行求解，迭代至收斂，然后更新顆粒位置、速度和受力，將控制權(quán)移交EDEM求解器仿真，進(jìn)行迭代運(yùn)算一次或若干次。結(jié)束后CFD收回仿真控制權(quán)進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)，直至結(jié)束。

2.2 物理建模

在SolidWorks中建立分離筒的三維模型，導(dǎo)入workbench完成網(wǎng)格劃分。氣相流進(jìn)口設(shè)置為inlet，速度方向設(shè)置為分離筒切線方向；氣流出口為排雜口,設(shè)置為outlet 1，出糧口設(shè)置為outlet 2，并且均設(shè)置出口壓力。根據(jù)田間試驗(yàn)過程分析，進(jìn)入分離筒的谷物混合物的主要成分為籽粒、短莖稈和穎殼，落入集糧斗中的谷物混合物主要以短莖稈為主，故而影響清潔率的主要因素是短莖稈。為了提高耦合的效率、減少計(jì)算量，本文以籽粒與短莖稈為研究對(duì)象建立三維顆粒模型。小麥籽粒模型根據(jù)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)綠洲農(nóng)業(yè)科研試驗(yàn)教學(xué)基地提供的永良4號(hào)建立，隨機(jī)選取200粒無蟲害、飽滿、無損傷的永良4號(hào)籽粒，利用游標(biāo)卡尺對(duì)籽粒三軸進(jìn)行測(cè)定，計(jì)算平均值獲得小麥的幾何尺寸(長(zhǎng)為7.20 mm、高為3.31 mm、寬為3.01 mm)。小麥籽粒外表光滑，簡(jiǎn)化為具有同體性質(zhì)的、均勻的線彈性材料，形狀為橢球型，在EDEM中利用圓形顆粒對(duì)其填充建立三維模型[11]。同樣選擇200個(gè)短莖稈進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算平均值獲得幾何尺寸(長(zhǎng)為22.02 mm、內(nèi)徑為2.00 mm、外徑為3.00 mm)，由于EDEM中建立顆粒模型只能利用顆粒填充的方式，故將其等效成實(shí)心柱體，建立的小麥籽粒及短莖稈離散元模型如圖3所示。小麥籽粒、短莖稈及分離筒材料的力學(xué)特性如表2所示[5]。

圖3 顆粒離散元模型Fig.3 Discrete element model of particles

物料Material泊松比Poisson ratio剪切模量/MPaShear modulus密度 /(kg·m-3)Density籽粒 Grain0.32.61350短莖稈 Short stem0.41100鋼 Steel0.37007800

2.3 仿真參數(shù)的選擇

在EDEM中接觸模型是基礎(chǔ)參數(shù)，其實(shí)質(zhì)是靜態(tài)下顆粒固體的接觸力學(xué)彈塑性分析結(jié)果[12]，由于分離筒中的物料混合物小麥籽粒和短莖稈表面光滑且無粘性，籽粒是由圓形顆粒疊加而成的橢球形，短莖稈是柱狀體，故本仿真選擇Hertz-Mindlin無滑動(dòng)接觸模型[13]。顆粒間的恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因素和滾動(dòng)摩擦系數(shù)如表3所示。本研究中小麥、玉米間作模式下的半喂入式聯(lián)合收獲機(jī)的喂入量為0.4 kg·s-1，草谷比為1∶10，仿真中顆粒工廠每秒生成小麥籽粒2 000粒，生成短莖稈200個(gè)。時(shí)間步長(zhǎng)的選擇很重要，時(shí)間步長(zhǎng)過長(zhǎng)，顆粒可能會(huì)穿透幾何模型，過短又會(huì)增加計(jì)算量，本仿真選取雷利時(shí)間步長(zhǎng)的25%作為模擬的時(shí)間步長(zhǎng)。為了讓仿真與實(shí)際更加吻合，使分離筒內(nèi)的流場(chǎng)穩(wěn)定，籽粒從0.5 s以后開始生成。

表3物料間的仿真參數(shù)

Table 3 Simulation parameters among materials used

接觸形式Contact form恢復(fù)系數(shù)Coefficient ofrestoration靜摩擦系數(shù)Coefficient ofstatic friction滾動(dòng)摩擦系數(shù)Coefficient of rolling friction籽粒-籽粒Grain-grain0.21.000.01籽粒-短莖稈Grain-short stem0.20.800.01籽粒-鋼Grain-steel0.50.580.01短莖稈-短莖稈Short stem-short stem0.20.900.01短莖稈-鋼Short stem-steel0.20.800.01

分離筒所需要的流場(chǎng)主要由氣流提供，運(yùn)動(dòng)形式以旋流為主，故而在Fluent軟件中湍流模型選擇RNGK-ε模型。流場(chǎng)實(shí)質(zhì)是空氣，密度為1.29 kg·m-3，粘度系數(shù)為1.7894×10-5kg·m-1·s-1。Fluent的時(shí)間步長(zhǎng)是EDEM的100倍，設(shè)置為2×10-4s[14]。

3 仿真過程與分析

3.1 分離過程可視化

旋風(fēng)分離筒中的氣流分布規(guī)律決定了物料混合物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及清選效果，為了清晰觀察物料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及清選過程，設(shè)置旋風(fēng)分離筒的模型以Mesh形式顯示，完成可視化的清選分離仿真過程如圖4所示。

由圖4可以看出顆粒在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，0.75 s(圖4a所示)顆粒從顆粒工廠產(chǎn)生進(jìn)入旋風(fēng)分離筒，籽粒沿筒壁切向運(yùn)動(dòng)，短莖稈由于受到吸雜口的負(fù)壓強(qiáng)一部分向上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)仿真到1.45 s(圖4b所示)，籽粒沿筒壁螺旋向下在重力的作用下滑落到集糧斗，短莖稈一部分在筒體中心軸附近向上運(yùn)動(dòng)。2.15 s(圖4c所示)分離進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，籽粒在筒體底部有短暫的堆積現(xiàn)象。2.5 s(圖4d所示)顆粒工廠停止產(chǎn)生顆粒。通過可視化的仿真過程可以看出，由于受到氣流場(chǎng)的影響，籽粒在筒體底部有短暫的堆積現(xiàn)象，導(dǎo)致籽粒進(jìn)入集糧斗的時(shí)間增加，影響分離效率。

3.2 速度分布分析

在Fluent仿真過程中截取端面、軸面以及不同截面的速度分布如圖5所示。

由圖5可以看出，分離筒內(nèi)的氣流場(chǎng)速度主要分布在X軸和Y軸兩個(gè)方向上，物料混合物以一定的初速度沿X軸進(jìn)入分離筒并被拋向筒壁，隨即沿著筒壁做切向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在阻力、摩擦力等載荷作用下，能量被逐漸消耗，速度逐漸減小。進(jìn)一步分析可得到：1)在分離筒中存在高速區(qū)和低速區(qū)。高速區(qū)位于筒壁與中心軸之間，帶動(dòng)籽粒和一部分莖稈向下作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，到達(dá)下椎體部分時(shí)，隨著能量消耗，速度逐漸降低，在重力的作用下籽粒滑出分離筒；低速區(qū)在中心軸附近的柱狀范圍內(nèi)，當(dāng)高速區(qū)的氣流碰撞到下椎體后以一定的速度向上旋轉(zhuǎn)，密度小、懸浮速度低的莖稈、穎殼、瘦弱的麥粒隨著向上的氣流通過吸雜口被帶出分離筒。2)由于受到入口氣流的影響，氣流場(chǎng)的速度呈不對(duì)稱分布。在高速區(qū)域氣流向下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形成外渦流，速度沿著Y軸負(fù)方向逐漸降低，當(dāng)氣流運(yùn)動(dòng)到椎體時(shí)，由于壁面碰撞產(chǎn)生了相反的流場(chǎng)使得一部分籽粒產(chǎn)生了沿Y軸正方向的加速度，向上運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后又落回出糧口；在低速區(qū)氣流向上旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形成了內(nèi)渦流，再上升到排雜口附近出現(xiàn)了輕微的擺尾現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是由于流場(chǎng)的偏心造成的。

圖4 清選分離過程仿真Fig.4 Simulation of cleaning process

通過EDEM后處理功能，輸出籽粒平均速度-時(shí)間、單個(gè)籽粒速度-時(shí)間數(shù)據(jù)以CSV格式保存，將其導(dǎo)入origin軟件中繪制速度時(shí)間折線圖如圖6所示。

圖6(a)是籽粒平均速度時(shí)間圖，從圖中可以看出，籽粒在剛進(jìn)入分離筒時(shí)速度最大，達(dá)到12 m·s-1，隨著能量的消耗，速度逐漸降低，在1.5 s時(shí)趨近于穩(wěn)定。圖6(b)是單個(gè)籽粒速度時(shí)間圖，單個(gè)籽粒的速度波動(dòng)較大，在1 m·s-1左右時(shí)產(chǎn)生顯著上下跳動(dòng)現(xiàn)象，說明籽粒在筒體下部和下椎體部分速度有較大波動(dòng)。

3.3 壓力分布分析

在Fluent中獲得分離筒內(nèi)壓力分布云圖如圖7所示。

由圖7可以看出，分離筒內(nèi)的壓力相對(duì)于中心軸近似對(duì)稱，外壁的壓強(qiáng)大于中心軸附近的壓強(qiáng)，中心軸附近的低壓區(qū)近似呈柱狀，從筒壁向中心軸形成壓力差，由上向下形成壓力差。在分離筒內(nèi)造成壓力差的主要原因有：1)在氣流進(jìn)入的過程中氣流與進(jìn)口壁面、分離筒壁面的摩擦造成的能量損失；2)氣流在旋風(fēng)分離筒內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)能量的消耗；3)內(nèi)外旋流交界面、進(jìn)氣管與排雜管靜壓造成的損失。壓強(qiáng)降的產(chǎn)生有助于提高分離效率，為籽粒和短莖稈的分離提供能量。故而吸雜口的壓強(qiáng)和直筒體的高度是決定分離效果的重要因素。

圖5 不同截面在1.5 s時(shí)的速度云圖Fig.5 Velocity distribution of different section at 1.5 s

圖6 清選過程中籽粒速度-時(shí)間圖Fig.6 Relationship of particles velocity and time in cleaning process

圖7 清選過程壓力分布云圖Fig.7 Pressure distribution during cleaning process

4 仿真試驗(yàn)

與傳統(tǒng)的大田收獲機(jī)不同，玉米、小麥間作模式下小型半喂入式小麥聯(lián)合收獲機(jī)對(duì)其清選裝置有更高的要求，本研究通過仿真試驗(yàn)優(yōu)化分離筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，獲得最佳的分離效果。用于表征清選系統(tǒng)分離效果最主要的指標(biāo)是清潔率(Yq)和損失率(Ys)：

(9)

(10)

式中,W1為模擬過程中出糧口捕捉到的總的顆粒數(shù)量；W2為模擬過程中出糧口捕捉到的籽粒數(shù)量；W3為模擬過程中吸雜口捕捉到的籽粒數(shù)量。

進(jìn)口喂入速度、吸雜出口壓強(qiáng)是影響分離效果的主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)[2]，下椎體角度、直筒體高度是影響分離效果的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文分別對(duì)其設(shè)計(jì)了三個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平如表4所示。

按照上述因素水平，選擇L9(34)正交試驗(yàn)，利用計(jì)算機(jī)流體力學(xué)和離散元耦合來進(jìn)行仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中統(tǒng)計(jì)經(jīng)過出糧口的顆粒數(shù)和籽粒數(shù)，計(jì)算仿真試驗(yàn)的清潔率和損失率，試驗(yàn)方案和結(jié)果見表5所示。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析如表6所示。

由極差(R)可知，清潔率(Q)的指標(biāo)越大則清選效果越好，故確定各影響因素主次順序依次為D>B>C>A；對(duì)于損失率(S)指標(biāo)(R)值越小越好，即各影響因素主次順序依次為B>A>C>D。按清潔率確定各因素最佳水平組合為A2B3C1D2，損失率各因素最佳水平組合為A2B3C1D3，可見喂入速度、吸雜壓強(qiáng)、筒體高度性能指標(biāo)的最佳水平均為A2B3C1，即

表4 試驗(yàn)因素水平

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果

喂入速度為12 m·s-1，吸雜壓強(qiáng)為-1 800 Pa，筒體高度為350 mm時(shí)清潔率最佳，損失率最低。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)踐中，當(dāng)損失率與清潔率不能同時(shí)保證時(shí)，需先保證損失率，再考慮清潔率[15]。因此在本研究中，下椎體角度的選擇以損失率為主要考核指標(biāo)，即65°為最優(yōu)參數(shù)。

對(duì)最優(yōu)組合A2B3C1D3進(jìn)行仿真試驗(yàn)獲得清潔率和損失率分別為92.18%和1.99%。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，2016年7月10日在武威市涼州區(qū)黃羊鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)綠洲農(nóng)業(yè)科研試驗(yàn)教學(xué)基地(37°52′20″N，102°50′50″E)，該試驗(yàn)站地處河西走廊東端，海拔1 581 m，典型的內(nèi)陸荒漠氣候區(qū)。試驗(yàn)田小麥、玉米間作種植，小麥帶和玉米帶寬均為800 mm。玉米壟作種植，小麥平作種植。小麥種植6行，行距120 mm，播種密度為37 500萬(wàn)株hm-2。采用課題組研制的間作模式下半喂入式小麥聯(lián)合收獲機(jī)，留茬300 mm，割幅700 mm，機(jī)進(jìn)速度1.2～1.5 km·h-1。設(shè)置旋風(fēng)分離筒的參數(shù)：喂入速度12 m·s-1，吸雜壓強(qiáng)-1 800 Pa，筒體高度350 mm，下椎體角度65°進(jìn)行試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)參數(shù)的可靠性，對(duì)以上試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行9組試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7所示。由表7可以看出，9組試驗(yàn)清潔率和損失率的平均值分別為89.47%和2.13%，與正交仿真試驗(yàn)的誤差分別為2.947%和7.428%。

表6 正交試驗(yàn)的極差分析

圖8 田間試驗(yàn)Fig.8 Field testing

試驗(yàn)序號(hào)Experimentnumber清潔率QCleanlinessrate/%清潔率誤差Error ofcleanliness rate損失率SLoss ratio/%損失率誤差Error ofloss ratio189.962.4082.074.020290.651.6602.189.547389.752.6362.095.025490.981.3022.137.035589.562.8422.179.045691.241.0202.2111.055787.235.4782.053.015889.572.8312.1910.050986.336.3462.158.040平均值A(chǔ)verage89.472.9472.137.428

6 結(jié) 論

1)運(yùn)用CFD-DEM氣固耦合的方法對(duì)小麥、玉米間作模式下半喂入式聯(lián)合收獲機(jī)的旋風(fēng)分離筒裝置進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，對(duì)氣流和谷物在分離筒中的運(yùn)動(dòng)和壓力分布進(jìn)行了分析，在研究顆粒在流場(chǎng)中相互作用的同時(shí)，兼顧了氣流的力學(xué)特性，為進(jìn)一步提高旋風(fēng)分離筒的清選效率提供依據(jù)。

2)以清潔率和損失率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以氣流的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和分離筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)為因素，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，利用EDEM軟件和Fluent軟件耦合完成仿真試驗(yàn)。以損失率更低兼顧清潔率更高為原則獲得最優(yōu)組合即喂入速度12 m·s-1，吸雜壓強(qiáng)-1 800 Pa，筒體高度350 mm，下椎體的角度65°。

3)完成田間驗(yàn)證試驗(yàn)，得到潔凈率和損失率的平均值分別為89.47%和2.13%，與仿真試驗(yàn)對(duì)比誤差分別為2.947%和7.428%，二者在數(shù)值上有所偏差，但基本規(guī)律大體保持一致。