基于EDEM-Fluent耦合的鈣果風篩式清選裝置仿真與試驗

吳 楠，賀俊林，劉少華，何永強

(山西農業大學農業工程學院，山西 晉中 030801)

0 引言

鈣果，學名歐李，富含鈣元素，營養含量高[1-2]。鈣果機械采收后，鈣果脫出物中會夾雜較多枝葉、莖稈等雜質，影響鈣果制品的生產效率，鈣果清選成為鈣果機械采收后亟待解決的問題。

隨著計算機技術的迅速發展，近年來離散元法和計算流體力學已廣泛應用于清選裝置的分析。劉義倫等[3]運用EDEM軟件模擬各粒級顆粒在不同條件下的篩分過程，得出顆粒運動速度隨著振幅和篩面傾角的增大而加快，振幅越小，越有利于小顆粒篩分。李永祥等[4]運用EDEM軟件對振動篩的篩分過程進行仿真模擬，得出振動篩最佳振動參數。李洪昌等[5]運用CFD-DEM對裝置中物料在篩面上的運動進行模擬研究，發現風機出口風速在一定范圍增加會使物料后移速度增加。王桂鋒等[6]應用離散元法模擬和分析篩分過程，得到最佳篩分效率下各個篩分參數，建立了振動篩參數與篩分效率關系曲線。LI Hua等[7]運用離散單元法模擬了谷物在振動篩上的運動，發現選擇較大的振動頻率和篩面傾角更有利于谷物分離。江海深等[8]通過DEM仿真研究了在不同篩面長度下，圓孔篩與方孔篩對煤炭直線振動篩篩分效率的影響。王立軍等[9]采用CFD-DEM耦合仿真方法模擬風篩式清選裝置中玉米脫出物在振動篩篩面上的運動狀況。

上述離散元法模擬篩分過程的分析僅是對玉米、水稻等小顆粒狀物料的篩選，對于鈣果等大顆粒物料篩選過程的仿真分析鮮有研究。

本文結合鈣果物理特性，設計并建立了鈣果清選裝置模型，利用EDEM-Fluent耦合的方法，對鈣果清選裝置清選過程進行仿真分析，優化清選裝置參數并進行臺架試驗，以期得到鈣果清選裝置最優工作參數組合。

1 清選裝置結構及工作原理

鈣果風篩式清選裝置結構如圖1所示，該裝置由抖動板、吊桿、振動篩、連桿、曲柄圓盤、支撐桿、風機、電機及機架等組成。

1.電機 2.曲柄圓盤 3.連桿 4.機架 5.支撐桿 6.振動篩 7.吊桿 8.吊板 9.抖動板 10.風機圖1 鈣果風篩式清選裝置結構Fig.1 Structure of air screen cleaning device for Cerasus humilis

鈣果等物料在抖動板上方落下，經抖動板喂入清選室內，在振動篩的往復振動下落入集果箱中。在清選過程中，雜余的一部分從抖動板落到振動篩的空中被風機吹出清選室外，另一部分落到振動篩上，在清選篩的往復運動與風機的共同作用下排出清選室。

2 清選裝置簡化模型及顆粒模型

2.1 清選裝置簡化模型

清選裝置簡化仿真模型如圖2所示，模型由喂料口、振動篩、進風口和出料口等組成。清選裝置尺寸1 600 mm×600 mm×600 mm，進風口直徑260 mm，出風口尺寸600 mm×300 mm，振動篩選用圓形篩孔，篩板尺寸520 mm×1 500 mm，孔直徑28 mm，孔間距40 mm，篩面開孔率65%。

1.進風口 2.清選室 3.喂料口 4.振動篩 5.出料口圖2 鈣果清選裝置簡化模型Fig.2 Simplified model of Cerasus humilis cleaning device

2.2 顆粒模型

鈣果脫出物中有莖稈、葉子及灰塵等，統計鈣果脫果裝置作業后收集到的物料中鈣果、葉子與莖稈所占的個數比為8∶12∶5。在EDEM軟件中，采用“多球重聚法”對鈣果等進行簡化和填充[10]。鈣果形狀近似于球形，平均直徑22 mm，莖稈由12個直徑5 mm的球體填充而成，長度17 mm。葉子則由57個直徑1 mm的球體填充而成。具體模型如圖3所示。

圖3 顆粒三維模型Fig.3 Three-dimensional model of particles

3 物料力學特性及仿真參數設置

3.1 物料力學特性及接觸系數

在仿真過程中，鈣果脫出物各物理特性參數如表1所示，試驗測得各材料之間的接觸系數如表2所示[11]。

表1 物料物理特性Tab.1 Physical characteristics of materials

表2 材料之間接觸特性Tab.2 Contact characteristics between materials

3.2 仿真參數設置

運用CFD-DEM耦合計算模擬清選裝置的作業過程。其中氣相由Fluent 19.0計算，顆粒相由EDEM 2018計算。

在Fluent中選擇求解器，渦粘模型選擇SIMPLE模型；設置工作環境為1個大氣壓；設定邊界條件，入口風速分別為8、10和12 m/s，出口設置為壓力出口[12-13]。

在EDEM中各材料接觸模型選用Hertz-Mindlin(no-slip)接觸模型[14-15]。設定清選裝置中振動篩的運動為簡諧運動，振動頻率分別為6、9和12 Hz，振幅分別為8、10和12 mm。EDEM中時間步長為雷利時間步長的30%，Fluent時間步長是EDEM的50倍。

4 仿真結果與分析

4.1 單因素仿真試驗

以鈣果的清潔率B，損失率C為鈣果清選裝置的性能指標。分別以風速、振動篩頻率和振幅為影響因素進行單一變量仿真試驗。鈣果清潔率B計算方法如式(1)所示，損失率C計算方法如式(2)所示。

(1)

(2)

式中W1——仿真完成后集果箱內鈣果等混合物的總個數

W2——仿真完成后集果箱內鈣果的個數

M1——仿真前喂入鈣果的總個數

4.1.1風速對清選效果的影響

在振動篩振幅10 mm，振動頻率9 Hz的情況下，對風速分別為8、10和12 m/s的清選過程進行模擬。得到不同風速下的鈣果損失率B、清潔率C，如圖4所示。

圖4 風速對清選效果的影響Fig.4 Effect of wind speed on cleaning effect

4.1.2振幅對清選效果的影響

在風速10 m/s，頻率9 Hz的情況下，對振幅分別為8、10和12 mm的清選過程進行模擬。得到不同振幅下的鈣果損失率B、清潔率C，如圖5所示。

圖5 振幅對清選效果的影響Fig.5 Effect of amplitude on cleaning effect

4.1.3頻率對清選效果的影響

在風速10 m/s，振幅10 mm的情況下，對頻率分別為6、9和12 Hz的清選過程進行模擬。得到不同振幅下的鈣果損失率B、清潔率C，如圖6所示。

圖6 頻率對清選效果的影響Fig.6 Effect of frequency on cleaning effect

4.2 試驗結果分析

由圖4可以看出，當風速從8 m/s增加到12 m/s時，鈣果的損失率由3%增加到20%，鈣果的清潔率由94.1%先增加到98.5%然后再減少到95.6%。這是由于風速越大，愈多物料經風力作用被吹出清選室外，鈣果的損失率增加，清潔率降低。綜合考慮，風速10 m/s時，能保證較高的清選效果。

由圖5可以看出，鈣果的損失率與振幅成正相關，而清潔率則隨著振幅的增加先增大后減小。這是由于振幅越大，物料被拋起的高度越高，鈣果到達篩面的時間就越長，透篩效率降低，鈣果損失率增加，篩下鈣果的比例減少，清潔率降低。綜合考慮，振幅10 mm時，能保證較高的清選效果。

由圖6可以看出，當振動篩頻率逐步增加，鈣果的損失率也逐漸增大，鈣果的清潔率先增大后減小。這是由于振動篩的頻率較大時，鈣果跳動頻率增加，與雜余的接觸次數增加，影響透篩，鈣果的損失率增加，篩下鈣果比例減少，清潔率降低。綜合考慮，頻率9 Hz時，清選裝置的作業效果較好。

5 臺架試驗

基于仿真優化參數結果，設計加工鈣果風篩式清選裝置，試驗裝置如圖7所示。試驗臺風力由CTZ電動吹風機提供，試驗臺振動篩頻率由電機轉速控制，試驗臺振動篩振幅由機架吊桿長度控制。

圖7 鈣果風篩式清選裝置Fig.7 Air screen cleaning device for Cerasus humilis

5.1 試驗方法

以清潔率和損失率為評價指標，分別以振動篩頻率、振幅和風機風速為影響因素作單一變量試驗，探究振動篩頻率、振幅和風速等因素對裝置清選效果的影響。

設定鈣果混合物喂入量100個/s，成分及比例與仿真時一樣，均勻混合后，預試驗將300個鈣果脫出物喂入清選裝置，經多次試驗保證鈣果等混合物在5 s內從抖動板完全下落。每次試驗將鈣果脫出物重新按比例混合進行試驗。

5.1.1風機風速試驗

設定振動篩振幅10 mm、頻率9 Hz，研究不同風機風速對清選效果的影響。

5.1.2振動篩頻率試驗

設定振動篩振幅10 mm、風速10 m/s，研究不同振動篩頻率對清選效果的影響。

5.1.3振動篩振幅試驗

設定振動篩頻率9 Hz、風速10 m/s，分別在8、10和12 mm振動篩振幅下進行試驗，分析不同振幅對清選效果的影響。

5.2 試驗結果與分析

試驗結果如表3所示。由表3可以看出，隨著風機風速、振動篩頻率與振幅的增加，清選裝置的清潔率先增大后減小，損失率逐步增大。其結果與仿真結

表3 單因素試驗與結果Tab.3 Single factor tests and results

果基本一致。

5.3 正交試驗分析

為了探究風機風速、振動篩頻率與振動篩振幅對鈣果風篩式清選裝置清選效率影響的最優組合，開展3因素3水平正交試驗，試驗因素指標如表4所示。

表4 試驗因子指標Tab.4 Test factor indexes

利用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗數據進行方差分析，分析結果如表5所示。由方差分析結果可知，風機風速與振動篩振幅對清選裝置清選效果的影響極顯著，振動篩頻率對清選裝置清選效果顯著。各因素對清選效率影響的優先級為風機風速>振動篩振幅>振動篩振動頻率。

表5 方差分析Tab.5 Analysis of variance

5.4 最佳清選參數選擇

根據單因素試驗與正交試驗結果，綜合考慮鈣果等物料物理特性，選擇最優清選參數為風機風速10 m/s，振動篩振幅10 mm，振動篩振動頻率9 Hz。在最優清選參數下，裝置的清潔率96.3%，損失率3.4%

6 結論

(1)針對目前鈣果采收高含雜率的問題，結合鈣果等物料物理特性，設計了鈣果風篩式清選裝置，主要由風機、振動篩、機架、吊桿和支撐桿等組成。

(2)在CFD-DEM耦合過程中，隨著風速、振動篩的振動頻率和振幅的增大，鈣果的損失率一直增加，鈣果的清潔率先增加后減少。

(3)根據清選裝置單因素試驗結果，隨著風速、振動篩振動頻率和振幅的增大，鈣果的損失率一直增加，鈣果的清潔率先增加后減少。此結果與CFD-DEM耦合仿真結果趨勢基本一致。

(4)根據臺架試驗與仿真試驗結果，風速10 m/s、振幅10 mm和頻率9 Hz為最佳工作參數，此時鈣果清潔率96.3%，損失率3.4%。