基于DEM-CFD耦合的馬鈴薯氣力懸浮薯石分離仿真分析

蘇國粱 耿端陽 劉洋

1、山東理工大學農業工程與食品科學學院 2、山東省馬鈴薯生產裝備智能化工程技術研究中心

引言

馬鈴薯糧菜兼用，營養價值豐富，我國目前的馬鈴薯種植面積已居世界首位[1]。不同地區的馬鈴薯對清選有著不同的需求，為滿足相應的需求，多位學者[2-5]進行了相關的馬鈴薯清選設備的研究，但均沒有針對馬鈴薯和石塊分離的相關研究。因此本研究將對馬鈴薯與石塊如何在氣力和振動篩的作用下完成分離進行研究，并借助DEM-CFD耦合來對馬鈴薯和石塊分離的過程進行模擬仿真。

1 仿真模型的建立

1.1 EDEM三維模型的建立

利用SolidWorks2018軟件建立氣力懸浮薯石分離裝置的三維圖，如圖1所示。

圖1 仿真三維圖

1.2 FLUENT網格劃分

建立三維模型后，機架便成為輸送氣流的唯一部件，在FLUENT中對機架進行網格劃分，劃分后的網格如圖2所示。

圖2 仿真網格圖

2 仿真試驗及分析

在進行了仿真參數的設置后，結合谷物收獲機清選裝置[7]，綜合分析后，確定以曲柄長度R、連桿傾角γ、氣流方向角α做為仿真試驗的因素。

2.1 仿真試驗指標

馬鈴薯清選的主要評價指標有：馬鈴薯選出率Y1和清選潔凈率Y2。其中

式中Q1—清選后物料中馬鈴薯質量，kg；

Q2—清選前馬鈴薯總質量，kg。

式中U1—清選后物料中的石塊質量，kg；

U2—清選前石塊總質量，kg。

2.2 單因素仿真試驗

2.2.1 曲柄長度對試驗指標的影響規律仿真試驗

取曲柄長度分別為11mm、13mm、15mm、17mm、19mm和21mm，取連桿傾角為20°，取氣流方向角為58°。仿真試驗參數及試驗結果記錄如表1所示。

表1 曲柄長度仿真試驗數據表

根據仿真試驗數據表格分析可知：馬鈴薯選出率隨曲柄長度的增大而減小，當曲柄長度增大時，馬鈴薯拋離篩面的趨勢會隨之減小。清選潔凈率隨曲柄長度的增大而增大，當曲柄長度增大時，石塊不被拋離篩面的趨勢也會增加。

2.2.2 連桿傾角對試驗指標的影響規律仿真試驗

取連桿傾角分別為12°、14°、16°、18°、20°和22°，取曲柄長度為15mm，取氣流方向角為58°。仿真試驗參數及試驗結果記錄如表2所示。

表2 連桿傾角仿真試驗數據表

根據仿真試驗數據表格分析可知：馬鈴薯選出率隨連桿傾角的增大先減小后增大，當連桿傾角增大時，馬鈴薯的懸浮效果先變差再變好。清選潔凈率隨連桿傾角的增大先增大后減小，清選潔凈率也隨之提高；連桿傾角增大的后段，石塊向著越來越容易拋離篩面的趨勢變化，此時石塊容易拋離篩面，清選潔凈率降低。綜合以上分析，取連桿傾角14°和18°作為較優參數進行后續的仿真驗證試驗。

2.2.3 氣流方向角對試驗指標的影響規律仿真試驗

取氣流方向角分別為43°、48°、53°、58°、63°和68°，取曲柄長度為15mm，取連桿傾角為20°。仿真試驗參數及試驗結果記錄如表3所示。

表3 氣流方向角仿真試驗數據表

根據仿真試驗數據表格分析可知：馬鈴薯選出率和清選潔凈率隨氣流方向角的增大均為先增大后減小。分析可知，當氣流方向角較小時，氣力沿豎直方向的分力較小，馬鈴薯選出率較低且清選潔凈率較低。隨著氣流方向角的逐漸增大，氣力沿豎直方向的分力逐漸增大，導致清選潔凈率降低且馬鈴薯選出率降低。綜合上述分析，取氣流方向角為53°作為較優參數進行后續的仿真驗證試驗。

2.3 仿真驗證試驗

根據前述仿真試驗中對試驗因素參數的選取，分別取曲柄長度15mm，連桿傾角18°和氣流方向角53°，進行仿真驗證試驗，驗證試驗仿真時間設定為20s，試驗結果如表4所示。

表4 仿真驗證試驗結果

仿真試驗結果表明，試驗參數分別取曲柄長度15mm、連桿傾角18°和氣流方向角53°時，馬鈴薯選出率和清選潔凈率分別為91.33%和92.45%。

3 結論

為解決我國馬鈴薯清選過程中的薯石分離問題，設計了馬鈴薯氣力懸浮薯石分離裝置，并借助EDEM和FLUENT的耦合原理進行了仿真試驗和仿真驗證試驗，仿真試驗結果表明：當曲柄長度為15mm、連桿傾角為18°、氣流方向角為53°時，馬鈴薯選出率為97.23%，清選潔凈率為95.48%，符合清選作業的要求。