水稻收获脱出物风机-内圆筒筛分运动研究

水稻收获脱出物风机-内圆筒筛分运动研究
原建博;吴崇友;李骅;齐新丹;施新新
【摘要】为探究谷物收获脱出物风机-内圆筒筛分运动规律,采用离散单元法精确构建五常稻花香水稻收获脱出物各成分(籽粒、瘪籽粒和短茎秆)颗粒模型,并通过计算流体动力学(CFD)与离散单元法(DEM)耦合方法数值计算混合物风机-内圆筒筛分过程.分析了入口风速和安装导流板圈数对混合物各成分运动规律及筛分特性的影响.结果显示:不同入口风速圆筒筛内的气流场变化趋势一致,对各成分轴向平均速度、筛下籽粒分布、筛分效率等有较大影响;随导流板圈数增加,各成分轴向平均速度减小,减缓了籽粒堆积现象并将圆筒筛尾端堆积的瘪籽粒与短茎秆扬起产生二次筛分,对筛分清洁率、筛分损失率和筛分效率有较大影响.本文研究结果为研制出适合小田块耕作的轻简型谷物联合收获机筛分系统提供了研究的新方法与合理的设计依据.
【期刊名称】《南京工业大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2019(041)003
【总页数】9页(P361-369)
【关键词】风机-内圆筒筛;CFD-DEM;水稻收获脱出物;运动规律;筛分特性
【作者】原建博;吴崇友;李骅;齐新丹;施新新
【作者单位】南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京 211800;江苏省高等学校智能化农业装备重点实验室,江苏南京 210031;农业部南京农业机械化研究所,江苏南京 210014;江苏省高等学校智能化农业装备重点实验室,江苏南京 210031;南京农业大学工学院,江苏南京 210031;南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南
京 211800;江苏省高等学校智能化农业装备重点实验室,江苏南京 210031;南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京 211800;江苏省高等学校智能化农业装备重点实验室,江苏南京 210031
【正文语种】中文
【中图分类】TH132
在现代化农业生产过程中，散体物料的粒度分级、筛分和清选的效果直接决定农机具的使用性能，圆筒筛具有结构简单、质量轻、易于维修、工作平衡可靠、振动较轻等优点，在工农业中得到了广泛的应用[1]。

20世纪八九十年代开始有学者对圆筒筛分装置的结构及物料在圆筒筛内运动规律进行研究[2-5]。

随后，施小轮[6]研究了质点沿旋转的圆筒筛外表面运动规律，为研究圆筒筛的筛分机制和选取参数提供了基础。

Wheeler等[7]通过实验方法建立了一个圆筒筛分系统来处理生活垃圾。

Bellocq等[8]研究了粗粒硬质小麦(湿软团聚物)先导旋转筛鼓(两个筛筒)筛分过程
并得到3种形态物料。

探究散体物料圆筒筛分微观接触和动力学特性尤为关键，
随着计算机技术的发展，一种计算流体动力学和离散单元法(CFD-DEM)耦合的数
值计算方法被提出来，得到了广大研究学者的青睐与应用。

在国内，李洪昌等[9]
和蒋恩臣等[10]通过CFD-DEM耦合方法计算了农业谷物收获清选分离装备工作
过程。

刘立意等[11]通过CFD-DEM耦合方法分析了两种稻谷干燥过程中谷层阻
力的变化规律。

在国外，大量学者通过CFD-DEM耦合方法研究散体物料传送、
分级、沉降及流化床中的运动行为[12-14]。

多相流耦合的数值研究方法为复杂的
工农业问题的研究提供了新的突破点，也是未来机械装备研究的发展方向。

本文采用CFD-DEM耦合的方法对五常稻花香水稻收获脱出物风机-内圆筒筛分过程进行数值计算，分析入口风速和安装导流板圈数对混合物各成分运动规律及筛分
特性的影响，然后通过风机-内圆筒筛分实验平台对分析结果进行验证，以期为风机-内圆筒筛分系统的应用与设计提供理论支撑。

1 数学模型及公式
在耦合过程中，气相采用的是FLUENT中的Navier-Stokes方程求解[15]。

在CFD-DEM数值计算过程中，离散颗粒与流体之间进行动量交换。

本文选用模型中空气密度(标准大气压下约1.29 kg/m3)远小于混合物各成分密度(300～1 300 kg/m3)，故仅考虑曳力(自由流体阻尼力)及压力梯度力的影响等[14, 16]。

如图1所示，颗粒a在流体中的运动受到重力、接触力(颗粒-颗粒、颗粒-筛面)、曳力(自由流体阻尼力)和压力梯度力作用，其关系表达式为
(1)
式中：ma为颗粒a的质量；va为颗粒a的速度；ρa为颗粒a的密度，ρf为气体的密度；为颗粒外表面接触球i的接触力；kc为每个颗粒外表面接触球个数；FD 为流体拖曳力；Fp为流体压力梯度力。

图1 接触模型Fig.1 Contact model
1)采用Herrz-Mindlin无滑移接触模型，颗粒与颗粒、颗粒与筛面的接触力分解为法向力Fn，ij、法向阻尼力切向力Ft，ij和切向阻尼力即
(2)
2)流体拖曳力(自由流体阻尼力)为
FD=0.5CDρaA|v|v
(3)
(4)
(5)
式中：α为CFD网格单元的自由体系；η为流体黏度；v为颗粒与流体间的相对
速度；A为颗粒的投影面积；da为颗粒a的平均直径；CD为拖曳系数(取决于雷
诺数Re)。

3)流体压力梯度力表达式为
Fa=-Va▽p
(6)
式中：Va为颗粒a的体积；▽p为颗粒所在位置流体相静压力梯度力。

2 材料与方法
2.1 圆筒筛三维模型及网格单元划分
根据颗粒透筛理论及各成分三轴尺寸选择圆筒筛孔径为10 mm、孔间隙为3 mm、长度均为700 mm、直径为300 mm、其中导流板(长×宽为80 mm×25 mm)按
顺时针螺旋线排列，一圈均等分布8个，每个导流板与轴线夹角约5°，三维实体
模型如图2所示。

FLUENT中模型为实体模型，应用ANSYS Workbench四面体网格法将孔径为8、9、10和11 mm圆筒筛实体分别划分网格数量为1 533 892、1 058 784、1 035 383和849 035个，并定义圆筒筛进风口、壁面及出风口，其中进风口直径200 mm(即入风口面积61 800 mm2)。

图2 圆筒筛三维模型Fig.2 3-D model of the cylindrical sieve
2.2 水稻收获脱出物各成分颗粒模型
图3 各成分三维模型Fig.3 3-D model of each component of rice harvest exfoliants
通过非接触式三维激光扫描方法得到籽粒与瘪籽粒三维模型[17]，其中短茎秆三维模型由三维绘图软件直接绘制(图3)。

对三维模型尺寸与实际物料进行对比分析，
重构各模型与实际物料尺寸长、宽、高、体积误差均在5%左右，符合颗粒建模使用要求。

利用FLUENT软件中用户自定义函数(UDF)与EDEM中的应用程序编程接口[18]，通过编写插件得到如图4所示颗粒模型，籽粒、瘪籽粒和短茎秆填充球数分别为664、436和30个，与各成分实际尺寸对比分析误差均在5%左右，符合数值计算使用要求[19]。

图4 五常稻花香水稻颗粒模型Fig.4 Wuchang Daohuaxiang rice particle models
2.3 仿真参数设置
选用五常稻花香水稻收获脱出物进行风机-内圆筒筛分过程仿真研究，混合物中籽粒、瘪籽粒、短茎秆的质量比例分别为89.77%、8.62%和1.61%(其中因轻杂余的质量与瘪籽粒相似，故在仿真过程中瘪籽粒质量比例为8.62%)。

仿真时设置每秒产生籽粒、瘪籽粒和短茎秆质量分别为0.180(8 051个)、0.025 9(4 632个)和0.003 7 kg(178个)，考虑到仿真计算量及计算机硬件条件，设置仿真总时间为2.2 s。

本文数值仿真中颗粒质量浓度较小，小于圆筒筛总体积的10%，故采用Langrange耦合模型，在FLUENT中设置时间步长为0.000 35 s，选取EDEM与FLUENT时间步长比例为1∶100，其中保证EDEM中锐利百分比为5%～40%。

各成分物理特性参数如表1和2所示，其中籽粒、瘪籽粒和短茎秆泊松比分别为0.30、0.35和0.40[19-21]。

根据谷物悬浮速度[20]和实际生产经验确定影响因素及变量水平，如表3所示，其中圆筒筛转速为26 r/min、倾斜角度2°。

为区分仿真中各成分，将籽粒、瘪籽粒和短茎秆分别设置成黄色、绿色和蓝色，水稻收获脱出物圆筒筛分仿真示意如图5所示。

表1 混合物各成分及筛板的物理特性参数Table 1 Physical parameters of the components of themixture and the sieve项目泊松比密度/(kg·m-3)剪切模量/MPa籽粒0.301 1378.24瘪籽粒0.354781.35短茎秆0.406230.23筛板0.307
8007 000
表2 混合物各成分及筛板相互间的接触物理特性参数Table 2 Contact physical parameters between the componentsof the mixture and the contact sieve plates项目恢复系数静摩擦因数滚动摩擦因数籽粒籽粒0.460.610.02籽粒瘪籽粒0.350.630.02籽粒短茎秆0.370.350.02籽粒筛板0.470.340.01瘪籽粒瘪籽粒
0.380.660.02瘪籽粒短茎秆0.320.460.02瘪籽粒筛板0.360.370.01短茎秆短茎
秆0.330.340.02短茎秆筛板0.360.310.01
表3 单因素仿真参数Table 3 Parameters for single factor simulations分组因
素水平条件1—4圆筒筛导流板圈数A0、1、2、3B=9 m/s5—8圆筒筛入口风速
B9、10、11、12A=2
图5 水稻收获脱出物风机-内圆筒筛分仿真示意图Fig.5 Diagram of rice harvest mixture screening in a cylinder with draught fan
2.4 验证实验方法
实验谷物各组分比例与仿真中比例一致，总质量为1 kg，在风机-内圆筒筛分实验台架上进行，实验台架如图6所示。

按照要求设定好输送带的输送速度和圆筒筛
转速、风机转速，启动电动机、风机、传送带，物料通过喂入口掉入圆筒筛内进行筛分，物料完全进入圆筒筛后断开所有电源。

统计圆筒筛停止转动后筒内混合物总质量和籽粒质量，圆筒筛下6个收集区域混合物总质量和籽粒质量。

筛分效率(η)、筛分清洁率(C)和筛分损失率(L)分别为
(7)
(8)
(9)
1—输送带；2—混合物样品；3—风机；4—输送带速度调节器；5—进风罩；6—喂料口；7—圆筒筛台架；8—圆向筛；9—倾角调节支脚；10—筛下物料收集盒；11—驱动电机变频器；12—驱动电机；13—风机变频器。

图6 风机-内圆筒筛分
实验台架Fig.6 Test bench of cylinder sieve with draught fan
式中：m为喂入料质量，mg为喂入料中籽粒的质量，mgt为圆筒筛停止后筛筒
内籽粒的质量，ml为圆筒筛停止后筛下物的总质量，mgl为圆筒筛停止后筛下物中籽粒的质量。

3 仿真结果与分析
3.1 仿真过程分析
选择圆筒筛孔径9 mm、入口风速9 m/s及安装3圈导流板仿真实验结果进行分析，如图7所示。

0～2 s混合物由颗粒工厂产生并进入圆筒筛，0.22 s开始接触
筛面进行筛分，部分短茎秆和瘪籽粒在风场作用下产生分层现象(图7(a))；0.37 s
开始出现明显的堆积，籽粒沿着圆筒筛底部流动并产生透筛(图7(b))；随仿真时间延长，混合物堆积增多，在重力、摩擦力与离心力作用下沿圆筒筛的旋转方向不断堆积，有少量籽粒随圆筒筛旋转运动被抛起，然后掉落至筛底进行再次筛分并透筛，部分瘪籽粒在导流板的作用下被抛起，在风场作用下再次被吹出圆筒筛(图7(c))；籽粒在圆筒筛前部分堆积产生透筛现象，大部分瘪籽粒在风场作用下被筛出圆筒筛，短茎秆在筛面产生堆积且沿筛面轴向滑动，最终被筛出圆筒筛达到筛分和清选的效果(图7(d))。

图7 水稻收获脱出物风机-内圆筒筛分仿真过程Fig.7 Screening process of cylinder sieve with draught fan
3.2 入口风速对混合物筛分的影响
籽粒、瘪籽粒和短茎秆由于物理特性的差异，在气流场作用下产生分层现象，质量
较轻的瘪籽粒和部分短茎秆被吹出筛筒外，体积较大的短茎秆不易透筛，沿筛面流动由圆筒筛尾部掉落。

图8分别为风速8、9、10和11 m/s时,X=300 mm(混合物分布较多处)平面上的速度矢量云图。

由图8可知，4种入口风速圆筒筛内气流
场的变化趋势一致，故入口风速对圆筒筛内流场变化影响较小，由于筛孔的存在，流场由入口到出口呈发散状且近壁面风速较小，由于混合物运动的影响会产生轻微流速不均现象。

如图9所示，随入口风速增大，籽粒、瘪籽粒和短茎秆轴向平均速度均增大，瘪
籽粒质量较轻，轴向平均速度大于籽粒和短茎秆，易于吹出圆筒筛外达到清选效果。

风速为11.34 m/s时，籽粒、瘪籽粒和短茎秆的轴向平均速度最大分别为0.73、2.48和1.65 m/s。

如图10所示，随机选取一颗籽粒对其运动轨迹进行分析。

随
入口风速增加，籽粒在圆筒筛内的滚动时间、路程、与筛面的碰撞频率增加。

入口风速为8 m/s时，大部分籽粒由圆筒筛前部掉落；入口风速为11 m/s时，部分
籽粒被吹出圆筒筛造成筛分损失；入口风速为9和10 m/s时，籽粒透筛位置及效果较好。

图8 流场速度矢量图Fig.8 Flow velocity vector diagrams
图9 各成分轴向平均速度随入口风速的变化Fig.9 Axial average velocities for each component
通过圆筒筛下方的收集区域统计筛下籽粒分布的情况。

如图11所示，入口风速较小时筛下籽粒容易在前部分堆积，随入口风速增加筛下籽粒分布沿轴向后移，入口风速为8 m/s时,第2区域堆积的籽粒较多；入口风速为9、10 和11 m/s时，第
3区域籽粒堆积较多，合适的风速有利于使籽粒沿筛面均匀分布，从而提高筛分效率。

如图12所示，对统计结果进行非线性拟合得到入口风速为8 m/s时部分瘪籽粒在混合物碰撞作用下产生透筛造成筛分含杂，清洁率较低。

随入口风速增加，大部分瘪籽粒及短茎秆被吹出圆筒筛，风速较大时部分籽粒也被吹出圆筒筛造成筛分
损失。

入口风速为8 m/s时，筛分损失率最小为0.59%，入口风速为11 m/s时，筛分清洁率和筛分效率最高，分别为99.79%和83.5%。

3.3 圆筒筛导流板圈数对混合物筛分的影响
混合物在气流场的作用下产生分层现象，部分瘪籽粒及质量较轻的短茎秆在导流板击打作用下被抛起，在风场作用下进行二次筛分被吹出圆筒筛达到筛分和清选的效果。

圆筒筛中导流板的疏密程度也会对各成分运动规律及筛分特性产生影响。

如图13所示，随圆筒筛导流板圈数增加，混合物各成分轴向平均速度减小，混合物运
动过程中撞击到导流板，将轴向运动速度分减一部分为其他方向，削减了其轴向运动速度。

无导流板时各成分轴向平均速度均最大，分别为0.75、2.68和1.71 m/s；装有3圈导流板时，籽粒、瘪籽粒和短茎秆轴向平均速度最小，分别为0.46、
2.00和1.10 m/s。

如图14所示，随机选取一颗籽粒对其运动轨迹进行分析。

无
导流板时大部分籽粒落在圆筒筛前端并透筛，随圆筒筛导流板圈数增加，籽粒下落位置向轴向方向偏移；安装3圈导流板时，部分籽粒在导流板多次打击下溅出圆
筒筛，造成筛分损失。

图10 不同入口风速时籽粒运动轨迹图Fig.10 Movement tracks for grain with different inlet wind speed
图11 不同入口风速时筛下籽粒分布Fig.11 Distribution of undergo grain with different inlet wind speed
图12 不同入口风速时筛分特性Fig.12 Screening characteristics with different inlet wind speed
图13 各成分轴向平均速度随导流板圈数变化Fig.13 Axial average velocities
如图15所示，圆筒筛导流板圈数对筛下籽粒分布有较大影响：无导流板时，大部分籽粒在圆筒筛前端堆积，随圆筒筛导流板圈数增加，筛下籽粒分布沿轴向后移；安装3圈导流板时，筛下籽粒分布较均匀。

如图16所示，对统计结果进行非线性
拟合得到：随圆筒筛导流板圈数增加，混合物筛分清洁率增加，筛分损失率减小，筛分效率先增加后减小，当导流板的圈数较多时，对籽粒击打导致籽粒在筛面停留时间变短，筛分效率减少。

安装3圈导流板时，筛分清洁率最大为98.9%，筛分损失率最小为0.23%；安装2圈导流板时，筛分效率最大为80.2%。

4 实验结果验证
通过2.4节实验平台与实验方法选取入口风速9 m/s、圆筒筛孔径9 mm、安装2圈导流板情况进行实验验证，实验过程中使用五常稻花香水稻收获脱出物，各成分比例与仿真参数一致，实验重复3次，结果如表4所示。

3组实验结果与仿真结果对比，清洁率和清选效率误差分别为1.01%和1.88%，由于实验过程传送带上存在一定损失，致使损失率实验值高于仿真值，误差为7.65%，实验数据与仿真数据误差较小，变化趋势一致，表明基于离散单元法数值计算结果可信。

图14 不同导流板圈数下籽粒运动轨迹图Fig.14 Movement tracks for gram with different deflector furns
图15 不同导流板圈数下筛下籽粒分布Fig.15 Distribution of undergo grain with different deflector furns
图16 不同导流板圈数下筛分特性Fig.16 Screening characteristics with different deflector furns表4 实验结果与对比分析Table 4 Experimental results and comparative analysis
项目清洁率/%损失率/%筛分效率/%实验198.101.8081.10实验
298.541.7983.20实验397.591.9080.83平均值98.101.8381.71仿真值
99.101.7080.20误差1.017.651.88
5 结论
1)通过EDEM API自动填充获得各成分颗粒模型，减少了由于颗粒精度引起的计算误差。

2)不同入口风速圆筒筛内的气流场变化趋势一致，入口风速增大各成分轴向平均速度均增大，瘪籽粒轴向平均速度大于籽粒和短茎秆，筛下籽粒分布沿轴向后移，筛分效率增加，同时部分籽粒也被吹出圆筒筛，造成筛分损失。

3)随导流板圈数增加，各成分轴向平均速度减小，减缓了籽粒堆积现象，并将圆筒筛尾端堆积的瘪籽粒与短茎秆扬起产生二次筛分，筛分清洁率增加，筛分损失率减小，筛分效率先增加后减小。

4)验证实验与仿真结果对比分析得到清洁率和清选效率误差较小，证明基于CFD-DEM耦合方法探索散体物料风机-内圆筒筛分和清选过程可行，亦可借助适当的统计分析方法对机械装备进行优化分析，以减少实验成本及设计周期。

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