基于EDEM-Fluent耦合仿真的射流式挖藕機設計與優化

摘要：

為解決大面積的淺水藕田地區的蓮藕采收機執行部件高壓噴頭的個數較多，容易出現各噴頭間流速差過大的現象，導致蓮藕采收率的下降和蓮藕品質的參差不齊的問題，對蓮藕采收機射流系統執行部件進行優化。噴頭作為執行機構的重要組件，其射流的穩定性對蓮藕采收的效率以及沖刷效果有著重大的影響。為揭示高壓噴頭的連接工藝和噴頭形狀、口徑對射流穩定性的影響，基于EDEM-Fluent軟件對內部流場進行環境建模以及對執行部件的噴頭進行耦合仿真模擬。試驗發現：改變噴頭的形狀增加倒角，調整各噴頭出水口直徑到恰當的差值對噴頭出水穩定性有明顯的改觀，流速波動標準差由0.164m/s改變為0.020m/s；平均挖掘深度由33.50cm改變為36.07cm，挖掘深度標準差由1.71cm改為0.69cm。

關鍵詞：蓮藕采收機；射流系統；EDEM-Fluent耦合仿真；出水穩定性；流體力學

中圖分類號：S224

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 04-0018

-06

收稿日期：2022年8月19日" 修回日期：2022年10月18日

基金項目：國家自然科學基金（51875531）

第一作者：陳強，男，1997年生，浙江義烏人，碩士研究生；研究方向為農業機械自動化。E-mail： 602409669@qq.com

通訊作者：錢孟波，男，1981年生，寧波人，博士，教授，博導；研究方向為間隙機構非線性動力學。E-mail： 46704548@qq.com

Design and optimization of jet coupling machine based on EDEM-Fluent coupling simulation

Chen Qiang， Qian Mengbo， Yu Lang， Sun Fuxing， Pan Jiaxuan

（College of Optics， Mechanical and Electrical Engineering， Zhejiang Agriculture and Forestry University，

Hangzhou， 310000， China）

Abstract：

In order to solve the problem that there are a large number of high-pressure nozzles in the executive parts of the lotus root harvester in a large area of shallow water field， and the flow velocity difference between the nozzles is too large， which leads to the decline of the recovery efficiency of lotus root and the uneven quality of lotus root， this paper optimizes the executive parts of the lotus root harvester jet system. As an important component of the actuator， the stability of the jet has a great influence on the harvesting efficiency and scouring effect of lotus root. In order to reveal the influence of the connection process of the high pressure nozzle and the shape and diameter of the nozzle on the jet stability， based on the Edem-Fluent software， this paper carries out the environment modeling of the internal flow field and the coupling simulation of the nozzle of the executing part. It is found that by changing the shape of the nozzle to increase the chamfer and adjusting the diameter of each nozzle to the appropriate difference value， the stability of the nozzle is obviously improved. The standard deviation of the flow velocity fluctuation is changed from 0.164 m/s to 0.020 m/s. The average excavation depth is changed from 33.50 cm to 36.07cm， and the standard deviation of excavation depth is changed from 1.71 to 0.69.

Keywords：

lotus root harvester; firing system; EDEM-Fluent" coupling simulation; water stability; fluid mechanics

0 引言

蓮藕主要分布于我國南方以及安徽、福建等地區［1］。蓮藕具有很好的藥用價值，有除熱清胃、清血化瘀的功效［2］。根據生長位置的不同可以分為淺水藕和深水藕，國內蓮藕種植面積穩步增大［3］。

近些年隨著農村剩余勞動力的快速轉移，農業機械化得到快速發展［4， 5］，但目前蓮藕采收的方式還是以人工采挖為主［6］，這種方式不僅采收的蓮藕品質參差不齊，而且工作效率低、人力成本高，而隨著教育水平的提高，務農人員越來越少，農戶因不能及時采收而腐爛在藕田里造成的經濟損失備受困擾［7］。對農戶擴大種植規模造成極大的阻礙。傳統的人工挖藕方式已經不能滿足農民的需求。如何才能又好又快的將蓮藕挖出來是當務之急需要解決的問題。實現農業機械化，減輕勞動強度，以此提高生產效率［8］。

蓮藕在東南亞國家是一種常見的蔬菜，尤其是日本對蓮藕采收機已有一定的研究基礎［9］，日本蓮藕的種植面積達到了600hm2，收獲季節作業非常繁重，勞動力卻不足，因而迫切要求蓮藕采收作業的機械化，早在20世紀80年代，日本便研制出了噴流式挖藕機［5］；我國對蓮藕采收機也有一定的研究，主要的蓮藕采收機分為挖掘式和射流式兩種［10， 11］。國內高校陸續研制出多款射流式船體挖藕機，在2017年對驅動進行優化，研制出液力驅動挖藕機。2018年華中農業大學工學院設計的自旋射流式挖藕機，發明射流自旋式管路結構，其主要特點是簡化挖藕機的整體結構，減少作業時所需要的能源動力，并在提高作業寬幅和效率的基礎上降低制造成本［12］。

為解決大面積淺水藕田地區蓮藕采收機構執行部件高壓噴頭個數較多，出現噴頭建流速差過大的現象導致蓮藕采收率下降采收品質層次不齊的問題，本文基于EDEM-Fluent軟件對內部流場進行環境建立，并對執行部件進行耦合仿真。

1 蓮藕采收機結構及工作原理

1.1 蓮藕采摘機整體結構設計

目前國內挖藕多采用人工挖藕或者半自動挖藕，其不僅工作繁重效率低，而且蓮藕破損率也比較高。本文設計一種射流式蓮藕采收一體機，其整體結構如圖1所示。

射流式蓮藕采收一體機主要應用于中等規模的淺水藕田環境。結合藕的物料特性分析，查閱相關資料，詢問導師以及專家意見，確定了車體式蓮藕采收機的主要性能參數如表1所示。

1.2 蓮藕采收機采收的工作原理

蓮藕采收機由機架、除莖裝置、高壓水槍裝置、收集裝置等組成。首先，由工作人員駕駛車體按工作路徑駕駛小車，啟動采收按鈕，采收電機啟動，拔禾器將蓮莖、葉卷入，由滾刀切碎從左側通道排出；水泵啟動，高壓水槍噴射水流沖碎泥土，藕從淤泥中浮出水面，如圖2所示；藕通過鏟斗倒入傳送帶中，傳送帶上的水槍與毛刷清洗藕上淤泥，最后通過傳送帶進入到收集框中，挖藕過程到此結束。

2 基于EDEM-Fluent的射流系統出水均勻性仿真分析

噴頭作為挖藕機執行機構的重要組件，其噴頭噴射水流的穩定性對挖藕的效率以及沖刷效果有著重大的影響。郭洋民［6］對不同的進水方式對水流的流動狀態進行了分析，肖科星對噴頭安裝角度、水流量、流速對挖藕深度和范圍的影響進行了研究分析，但都未對噴頭的孔徑以及形狀對各噴頭出水穩定性進行分析。本文以降低噴頭水流能量損耗為目標，仿真分析了不同形狀內徑下各噴頭流速平穩程度和挖掘深度的情況，為射流車體式挖藕機的設計提供參考。

2.1 有限元模型建立

2.1.1 土壤模型建立

Hertz-Mindlin with JKR模型是一種考慮了接觸區域內范德華力影響的具有內聚力的接觸模型［13］，主要運用于黏性材料的分析，藕田環境下的淤泥具有一定的黏性所以采用該模型進行建模分析。

在EDEM中建立土壤顆粒模型時，根據文獻調研，建立藕田泥土的堆積角平均值為42°，體積密度為1714kg/m3，土壤彈性模量為1143.2kPa，土壤剪切模量為408.3kPa，泊松比為0.4；選擇JKR模型，設置其JKR系數為13.05，恢復系數為0.5，靜摩擦因素為1.06，動摩擦因素為0.15［14］。

以上述建立的泥土顆粒為基本顆粒，采用顆粒工廠自動填充建立一個大?。ㄩL×寬×高）為0.65m×0.3m×0.40m的基床儲存土壤，建立好的土壤顆粒床如圖3所示。

2.1.2 高壓噴頭模型建立

噴水器主要由橫主管、進水口、出水口三部分組成，橫主管外徑為100mm，長度為1220mm，厚度t=2mm，有效作業幅寬為1000mm，設置了5個噴頭以及1個進水口，噴頭均勻的安裝在分水橫主管上。

為了便于網格劃分，提高運算速度，對幾何模型進行簡化，刪除了出水口除了管道外的輪廓模型，忽略了橫管與出水口和入水口的連接形狀和方式對水壓損耗的影響。僅考慮出水口噴頭的形狀以及直徑對水壓損耗的影響，其劃分好網格后的簡化模型如圖4所示。

2.2 材料屬性和邊界條件設定

定義材料屬性，打開Fluent軟件，導入已經在mesh里劃分好網格的模型，假設噴水裝置里的water-liquid處于理想狀態，設定基于Pressure Based（壓力求解器），求解水的Steady（定常流動），設定重力加速度大小為9.8m/s，方向為Y軸負方向。選擇普適性的k-epsilon（2eqn）Realizable 湍流模型，該模型適用于普遍的湍流運動，在滿足了雷諾應力的約束條件上更符湍流的真實運動，可以更精確的計算擴散速度，計算結果更符合實際狀態，得到的結果更加精確［15］。

定義邊界條件，設定進水口為Velocity inlet（速度入口），設定湍流的方式為Intensity and Hydraulic Diameter（給定湍流強度和水力直徑）。設置進水口速度為2.4m/s，湍流強度值為4.2%，水力直徑為70mm。對模型以及設立的條件設置9500步長進行收斂性檢驗，模型殘差圖如圖5所示，圖中共有6條數據線分別代表：質量殘差、x、y、z三個方向速度殘差、湍流動能殘差k、湍動能耗散率殘差ε。通過計算入水口與出水口的質量流量差結果為0.044%小于0.5%，所以數據結果為收斂。至此仿真模型的前處理和邊界條件設置完畢，模型收斂程度檢驗完成。接下來進行EDEM-Fluent耦合仿真求解計算。

3 仿真結果與優化分析

3.1 噴頭形狀對射流強度的影響

通過Fluent軟件對模型進行多次仿真計算得到收斂后的平均數據結果。為了試驗的有效性，先對3種數據結果的進出口流量差進行計算，得到方形出水口噴頭的進出口流量差為6.8×10-4 kg/s，圓形出水口噴頭的進出口流量差為2.9×10-4 kg/s，帶倒角圓形噴頭出水口流量差為1.4×10-4 kg/s，都遠小于他們的總流量，滿足質量受恒定律，驗證了參數設定及模型建立的正確性。三種形狀噴頭的中心對稱面處壓力、速度分布云圖如圖6所示。由圖6可以看到，三種噴頭除了進水口附近有較強水流外，其余內部流場分布均勻且流速低。對于方形出水口其速度和壓強的損耗相比圓形出水口要大的多。給噴頭從左到右依次編號1～5，3種不同形狀噴頭出水口的最大流速和平均流速數據統計結果如表2所示，方形噴頭5個出水口的最大速度和平均速度的平均值分別是4.77m/s和4.58m/s，標準差分別為0.34m/s與0.32m/s，圓形噴頭五個出口的最大和平均速度的平均值為7.15m/s和5.82m/s，最大和平均標準差為0.43m/s與0.16m/s，帶倒角圓形出水口5個出口的最大和平均速度的平均值是6.19m/s和5.66m/s，標準差為0.28m/s與0.20m/s。

分析壓力分布云圖與不同孔形狀出水口最大速度、平均速度對比表得出水流壓力波動較大的時間為剛進水的時候，之后就趨于平緩，在其他條件都相同的情況下，不同孔的形狀對水流速度的影響較大，比較方形孔噴頭與圓形孔噴頭，圓形孔噴頭能量損失更小。為了更明顯地看到水流波動情況，繪制各噴頭水流速度波動圖，如圖7所示，發現在噴頭與橫水管連接處使用倒角工藝，能使各噴頭水流速度更加穩定，波動更小。

由平均速度云圖可以看出，各噴頭平均流速波動趨勢關于進水口位置呈對稱分布，各噴頭平均流速的最大值與最小值的差值達到0.42m/s，波動較大。為了更明顯的看到水流的波動，將各噴頭的流速標準差做成折線圖（圖7），可以看出，各噴頭流速波動的范圍大小，在雷諾數保持不變的情況下，出水口流速波動大的噴頭沖刷的區域容易因為沖刷力過大而導致蓮藕的表皮破損，影響了蓮藕的出售品質；而出水口流速小的噴頭沖刷區容易因為沖刷力過小而導致淤泥沒有被沖開，蓮藕漏采的現象，造成采收率低的結果。

3.2 調整噴頭孔徑對射流穩定性的影響

查閱文獻得知，在壓強、水管內徑不變的情況下，存在最合適的噴頭內徑使射流強度最大，除此外射流強度逐漸減小。在一定直徑范圍內，噴嘴出口直徑的增大可以使密集段長度和切割能力增加［16］。對于單入水口的橫水管，保持水泵壓強不變，通過試驗發現調整噴頭直徑可以使5個出水口的壓強與速度變得更平穩與均勻。其中噴頭直徑增減調整如表3所示。

由圖8可以看出，通過調整各噴頭的噴頭直徑可以有效提高噴頭流速的穩定性。其中第5組的流速更均勻與穩定，符合本次優化目的。將標準組和第五組作為試驗對照組進行仿真分析，為了方便觀察，改設入水口流速為10m/s進行EDEM-Fluent耦合仿真。因其結構對稱性，取其中3個噴頭從外側到中間依次標號1～3，其噴頭間挖掘深度差如圖9所示。

其中標準組的平均挖掘深度為33.50cm，挖掘深度標準差為1.71cm；第5組的平均挖掘深度為36.07cm，挖掘深度標準差為0.69cm。仿真分析可得，通過調整各噴頭的噴孔內徑，有效的減小了能量的損耗，加大了挖掘深度，并且各噴頭間流速變得更加穩定，挖掘深度標準差明顯減小，所以該方案符合優化設計的目的，取得了一定的優化效果。

4 結論

1） 對采藕機的總體方案進行設計，利用SolidWorks對蓮藕除莖、挖掘、收集一體機各主要機構進行三維建模和虛擬裝配，對挖掘裝置中的射流系統進行優化設計。

2） 運用Fluent軟件對射流系統的橫水管和高壓噴頭內場流體域進行仿真分析，對噴頭的形狀、直徑、連接工藝進行流體力學仿真分析，改變噴頭形狀會大幅改變流速以及能量的損耗，在橫水管與噴頭連接處使用倒角工藝能有效減小能量的損失，使水流更穩定，波動更小。

3） 基于EDEM-Fluent對調整各噴頭內徑后作用于土壤的整個過程進行耦合仿真，仿真發現通過調整各噴頭的內徑大小，能有效地使各噴頭的流速更均勻與穩定，更有力地保障蓮藕的采收效率和質量。流速波動標準差由0.164m/s改變為0.020m/s；平均挖掘深度由33.50cm改變為36.07cm，挖掘深度標準差由1.71cm改為0.69cm，在一定程度上解決蓮藕采收品質參差不齊以及漏采率高的問題。

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