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籽棉團(tuán)懸浮速度的理論算法與試驗(yàn)驗(yàn)證

2022-03-11 07:14:20買買提明艾尼加合甫阿汗吾爾科木冉合木古麗巴哈爾托乎提金阿芳
關(guān)鍵詞:籽棉雷諾數(shù)壓實(shí)

買買提明·艾尼,加合甫·阿汗,吾爾科木·冉合木,3,古麗巴哈爾·托乎提,金阿芳

籽棉團(tuán)懸浮速度的理論算法與試驗(yàn)驗(yàn)證

買買提明·艾尼1,2,加合甫·阿汗1,吾爾科木·冉合木1,3,古麗巴哈爾·托乎提1※,金阿芳1

(1. 新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,烏魯木齊 830047;2. 烏魯木齊佰博機(jī)電科技有限公司,烏魯木齊 830002;3. 新疆塔城地區(qū)市場監(jiān)管局特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測所,塔城 834700)

針對常規(guī)懸浮速度理論值與測試值偏差大的問題,該研究以常規(guī)懸浮速度理論為基礎(chǔ),通過量綱分析法和力平衡原理,建立籽棉團(tuán)物理屬性與阻力系數(shù)之間的關(guān)系,提出一種輕軟可壓縮顆粒懸浮速度理論模型。在棉田測試單顆棉桃完全開裂時所含籽棉團(tuán)直徑,確定氣力輸棉管道最小直徑,并通過管流雷諾數(shù)和繞流雷諾數(shù)計(jì)算確定阻力系數(shù)。用體積法測試籽棉團(tuán)密度,用等密變徑法制備6種不同密度、18種不同直徑的球形籽棉團(tuán)試樣并進(jìn)行懸浮速度試驗(yàn)測試。結(jié)果表明,單顆棉桃全開裂時直徑變化范圍在38~54 mm之間,此范圍內(nèi)管流和繞流雷諾數(shù)都大于500,阻力系數(shù)為0.44;籽棉團(tuán)松散密度范圍為20~90 kg/m3,半壓實(shí)密度范圍為90~220 kg/m3;籽棉團(tuán)懸浮速度測試值從直徑比(籽棉團(tuán)直徑與管道直徑之比)大于0.6開始與常規(guī)懸浮速度理論值偏離,直徑比等于1時籽棉團(tuán)懸浮速度測試值不等于0。采用該研究提出的理論算法時,得到的籽棉團(tuán)懸浮速度分布特征和大小與測試結(jié)果基本吻合,平均相對誤差為4.6%,并通過方差分析驗(yàn)證了該研究提出的理論算法的有效性。這為籽棉、羊毛和駝絨等輕軟可壓縮物料的氣力輸送系統(tǒng)和裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供理論算法。

機(jī)械化;農(nóng)業(yè);懸浮速度;籽棉團(tuán);氣力輸送系統(tǒng);可壓縮顆粒;阻力系數(shù)

0 引 言

棉花是中國重要的戰(zhàn)略物資,隨著種植成本與人工成本的增加,降低采收成本、提升機(jī)械化水平成為提高棉花經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑[1]。氣力輸送系統(tǒng)常用于各種顆粒物的風(fēng)力輸送[2-6]。目前國內(nèi)外比較成熟水平摘錠式采棉機(jī)[7-9]均采用管道式氣力輸棉系統(tǒng),籽棉對管道內(nèi)氣流阻力與懸浮速度是設(shè)計(jì)吸力輸棉系統(tǒng)的基本參數(shù),也是氣力輸送裝置的評價(jià)指標(biāo)[10-11]。阻力與懸浮速度存在著對應(yīng)關(guān)系,通常情況下物體阻力可通過物體物理特性測試計(jì)算[12]。近代相似理論證明了阻力不是一個常數(shù),是隨著流體黏性和物理性質(zhì)的不同而變化的一種復(fù)雜物理參數(shù)[13-15]。Stokes等[16-18]系統(tǒng)分析了雷諾數(shù)與阻力系數(shù)之間的關(guān)系,并確定了雷諾數(shù)在不同范圍內(nèi)的阻力系數(shù)理論模型。以上研究都是基于固體顆粒物理特性進(jìn)行的,在確定棉花、羊絨等輕軟可壓縮顆粒的阻力系數(shù)和懸浮速度時,其理論值與實(shí)際測試值具有一定的差別。通過分析籽棉團(tuán)懸浮速度相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果可知[19-20],不同存在形態(tài)籽棉與懸浮速度之間也有一定的關(guān)系,這為網(wǎng)狀滾筒式籽棉殘膜機(jī)有效分離籽棉殘膜提供了參考數(shù)據(jù)。

影響籽棉團(tuán)懸浮速度的因素很復(fù)雜,最重要的因素是籽棉團(tuán)的輕軟可壓縮特性,這直接導(dǎo)致籽棉團(tuán)的體積和密度的改變,而常規(guī)的硬顆粒懸浮速度數(shù)學(xué)模型無法正確描述輕軟可壓縮籽棉團(tuán)的懸浮速度,目前也未見相關(guān)研究報(bào)道。

本文以具有輕軟可壓縮顆粒特性的籽棉團(tuán)作為研究背景,建立了輕軟可壓縮籽棉團(tuán)的阻力和懸浮速度的理論算法,確定了阻力系數(shù),并與試驗(yàn)結(jié)果對比驗(yàn)證了理論算法的有效性。

1 籽棉團(tuán)懸浮速度理論算法

1.1 籽棉團(tuán)在氣流中的阻力計(jì)算

本文通過量綱分析建立計(jì)入籽棉團(tuán)物理特性的阻力理論算法[12]。根據(jù)量綱分析方法[21]可得阻力的函數(shù)式為

式中阻力,N;為與籽棉團(tuán)形狀運(yùn)動的方位及表面粗糙度有關(guān)的無量綱系數(shù),待定系數(shù);為籽棉團(tuán)懸浮速度,m/s;(F)為與籽棉團(tuán)周圍壓力F分布特征相關(guān)的分布函數(shù),表示籽棉團(tuán)形狀特征尺寸,m;r為空氣密度,kg/m3;為空氣動力黏度,Pa×s;、、和為常數(shù)。

以基本量綱長度、質(zhì)量和時間描述公式(1)可得

按基本量綱指數(shù)整理可得

根據(jù)等式兩邊相等關(guān)系,計(jì)算出分別為2-、2-、1-,其中為待定常數(shù)。按基本量綱指數(shù)整理并將未知變量代入式(1)并整理后得

從式(4)可知,籽棉團(tuán)形狀特征尺寸(F)的指數(shù)為2,表示籽棉團(tuán)形狀特征為面積(F)2。當(dāng)籽棉團(tuán)形狀為球形時,籽棉團(tuán)特征面面積(F)2就等于籽棉團(tuán)擋風(fēng)面面積(F)=p(F)2/4,m2,如圖1b所示。

令:=/2,=va(F)/,=/Re,式(4)可改寫為

式中為雷諾數(shù);為阻力系數(shù),是雷諾數(shù)的函數(shù);為待定系數(shù);(F) 為籽棉團(tuán)壓縮后直徑,與籽棉團(tuán)迎風(fēng)面平均壓力F變化相關(guān)的函數(shù),表示籽棉團(tuán)的可壓縮性,m。

上式中雷諾數(shù)與阻力系數(shù)是未知參數(shù)。雷諾數(shù)與流體黏度有關(guān),流體介質(zhì)不同,黏度有很大的差別。學(xué)者通過大量的試驗(yàn),確定了阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的-曲線圖[22-24],并建立了黏性摩擦阻尼區(qū)、過渡區(qū)和渦流壓差阻尼區(qū)阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系式,結(jié)果如表1所示。式(6)確定管內(nèi)的管流雷諾數(shù)和籽棉團(tuán)周圍的繞流雷諾數(shù),根據(jù)最小管徑和最小籽棉團(tuán)直徑確定管流雷諾數(shù)和繞流雷諾數(shù)并可通過表1確定阻力系數(shù)。

式中為輸送管道直徑,m。

1.2 籽棉團(tuán)懸浮速度計(jì)算

研究籽棉團(tuán)在流體域內(nèi)懸浮速度時,向上流動的空氣使得籽棉團(tuán)處于懸浮狀態(tài)[25-26],如圖1b所示,設(shè)空氣流動對籽棉團(tuán)沉降的作用力就等于阻力[27-28]。對于直徑為(F)的球形籽棉團(tuán),其重力可表示為

式中為重力,N;(F)為籽棉團(tuán)壓縮后密度,可用(F)=+表示,kg/m3;為籽棉團(tuán)壓縮前密度,kg/m3;為籽棉團(tuán)壓縮后的密度增量,用=r(F)dV/V表示,kg/m3。V為籽棉團(tuán)壓縮前的體積。

表1 不同阻尼區(qū)阻力系數(shù)與雷諾數(shù)函數(shù)關(guān)系[13]

注:為雷諾數(shù);和為待定常數(shù),為阻力系數(shù);-為與關(guān)系.

Note:is Reynolds number;andare undetermined constant;is drag coefficient;-is relationship betweenand.

注:D為管道直徑, m;d為籽棉團(tuán)被壓縮后直徑增量, m;dc為籽棉團(tuán)被壓縮前直徑, m;d(FN)為籽棉團(tuán)被壓縮后直徑, m;a(FN)為籽棉團(tuán)被壓縮后擋風(fēng)面面積, m2;AC為籽棉團(tuán)迎風(fēng)面面積, m2;G為籽棉團(tuán)重力, N;R為阻力, N;FN為籽棉團(tuán)迎風(fēng)面平均壓力, N; FC為管道入口平均壓力, N.

根據(jù)圖1中球形籽棉團(tuán)受力特性可知,當(dāng)式(7)所示的籽棉團(tuán)重力與式(5)所示的流體作用阻力相等時,籽棉團(tuán)處于懸浮狀態(tài),可得籽棉團(tuán)懸浮速度。

式(8)為輕軟可壓縮籽棉團(tuán)在管道內(nèi)的懸浮速度理論公式,計(jì)入了籽棉團(tuán)的可壓縮性導(dǎo)致的直徑變化量和密度變化量。如果籽棉團(tuán)不可壓縮,那么(F)等于d、(F)等于,式(8)將變?yōu)槌R?guī)的硬顆粒(不可壓縮顆粒)懸浮速度計(jì)算公式。

1.2.1 籽棉團(tuán)直徑變化量的理論算法

設(shè)籽棉團(tuán)為正壓狀態(tài)下可壓縮、負(fù)壓狀態(tài)下可膨脹的球形體,如圖1所示,籽棉團(tuán)的直徑變化關(guān)系為

1)直徑增量d的計(jì)算

影響直徑增量d的主要因素是籽棉團(tuán)周圍的壓力、籽棉團(tuán)的可壓縮性和籽棉團(tuán)直徑與管道直徑之比。為了方便計(jì)算直徑增量,引入了壓力系數(shù)f、可壓縮性系數(shù)f和直徑比系數(shù)f。此外,直徑增量d與籽棉團(tuán)周圍的繞流特證(雷諾數(shù))相關(guān),因此與阻力系數(shù)成正比,并用下式來表示

2)壓力系數(shù)f的計(jì)算

設(shè)籽棉團(tuán)直徑變化量與管道內(nèi)籽棉團(tuán)迎風(fēng)面平均壓力F成正比,并通過含籽棉團(tuán)管道入口平均壓力F進(jìn)行無量綱化處理后,壓力系數(shù)f表示為

式中FF分別用F=和F=PA來表示,N;其中和P分別為含籽棉團(tuán)管道入口端面平均壓強(qiáng)和籽棉團(tuán)迎風(fēng)面附近的平均壓強(qiáng),Pa;為含籽棉團(tuán)管道入口端面面積,m2;A為球形籽棉團(tuán)迎風(fēng)面面積,m2。代入式 (11)整理后得

根據(jù)伯努利方程可建立含籽棉團(tuán)管道入口端面和籽棉團(tuán)迎風(fēng)面附近的氣體動力學(xué)基本方程如下

式中vv分別為管道入口處氣流速度和籽棉團(tuán)迎風(fēng)面附近的氣流速度,m/s;分別為管道入口處和籽棉團(tuán)迎風(fēng)面附近的氣流密度,kg/m3;為管道高度,m;P為壓強(qiáng)損失,Pa。

設(shè)v=v=,并忽略P的影響,式(13)簡化為

式(14)代入式(12),并代入管道入口端面面積=p2/4和籽棉團(tuán)迎風(fēng)面面積A=pd2/2后整理得

從式(15)可知,一般管道直徑和籽棉團(tuán)直徑已知,在理想氣體狀態(tài)下壓力系數(shù)可直接用籽棉團(tuán)直徑和管道直徑就可算出。

3)籽棉團(tuán)可壓縮性系數(shù)f的計(jì)算

籽棉團(tuán)可壓縮性越大其直徑變化量也越大。設(shè)籽棉團(tuán)的可壓縮性系數(shù)與籽棉團(tuán)密度之差(=-c)成正比,并通過進(jìn)行無量綱化處理后可表示為

式中分別表示籽棉團(tuán)的密實(shí)密度和被壓縮前密度。籽棉團(tuán)在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6975—2001[22]中包裝密度為410~450 kg/m3。本研究取最大值450 kg/m3作為籽棉團(tuán)的密實(shí)密度。

4)直徑比系數(shù)f的計(jì)算

籽棉團(tuán)直徑與管道直徑之比對籽棉團(tuán)的直徑變化量影響大,設(shè)直徑比系數(shù)與直徑之比(籽棉團(tuán)直徑與管道直徑之比)d/成正比、與籽棉團(tuán)直徑d也成正比,并用單位直徑無量綱化處理后得

式中d為單位直徑,m,本研究取d=1 m。

5)直徑變化量d(F)的計(jì)算

把式(15)~(17)代入式(10)整理后再代入(9)式得:

1.2.2 籽棉團(tuán)密度變化量的理論算法

從式(8)中可以看出,籽棉團(tuán)密度r(F)是壓力F的函數(shù),設(shè)輕軟可壓縮籽棉團(tuán)為球形體,并且在正壓狀態(tài)下被壓縮,其密度增大;在負(fù)壓狀態(tài)下被膨脹,其密度減少。根據(jù)被壓縮或膨脹前后的籽棉團(tuán)質(zhì)量不變特性可得

式中m為籽棉團(tuán)質(zhì)量,kg;V=pd36為籽棉團(tuán)壓縮或膨脹前體積,m3;V(F)pd(F)36為籽棉團(tuán)被壓縮或膨脹后的體積,m3。

將體積與直徑的關(guān)系式代入式(19)并整理后得:

1.2.3 籽棉團(tuán)懸浮速度的理論算法

將式(18)和式(20)代入式(8)并整理后得:

式(21)表示將籽棉團(tuán)視為輕軟可壓縮顆粒時,籽棉團(tuán)的懸浮速度的理論算法,計(jì)入了籽棉團(tuán)在可壓縮或可膨脹狀態(tài)下的直徑及其密度變化量和管道直徑的影響。

2 籽棉團(tuán)懸浮速度試驗(yàn)方法

2.1 籽棉團(tuán)松散和半壓實(shí)狀態(tài)下的密度測試

氣力輸棉系統(tǒng)中的籽棉團(tuán)基本上處于松散或半壓實(shí)狀態(tài),而這種狀態(tài)下其密度變化量也很大,但是目前沒有這方面的公開報(bào)道。這對本文提出的理論算法的試驗(yàn)驗(yàn)證帶來困難,因此很有必要對松散和半壓實(shí)狀態(tài)下的籽棉團(tuán)進(jìn)行密度測試。

本文以新路早45棉花品種為測試對象,用體積法測試籽棉團(tuán)在松散和半壓實(shí)狀態(tài)下的密度變化。為了獲取在不同松散和半壓實(shí)狀態(tài)下的密度變化,選用體積較小的圓柱測量容器(直徑為0.08 m,高度為0.03 m,體積為0.000 15 m3)和體積較大的長方體測量容器(長度為 0.1 m、寬度為0.1 m、高度為0.078 m,體積為0.000 78 m3)進(jìn)行了密度測試。為了進(jìn)行半壓實(shí)狀態(tài)下的籽棉團(tuán)密度測試,在兩種容器中填滿籽棉團(tuán),對其施加一定的力進(jìn)行人工反復(fù)壓實(shí),直到填滿容器。且保證卸載松弛后籽棉團(tuán)體積與容器體積剛好相等。

2.2 籽棉團(tuán)粒度測試

計(jì)算籽棉團(tuán)懸浮速度時首先要確定阻力系數(shù),而阻力系數(shù)通過計(jì)算繞流雷諾數(shù)和管流雷諾數(shù)確定。繞流雷諾數(shù)與籽棉團(tuán)最小直徑有關(guān),管流雷諾數(shù)與最小管道直徑有關(guān),而最小管道直徑也通過籽棉團(tuán)最小直徑來確定。但是目前關(guān)于單顆棉桃完全成熟開裂狀態(tài)下的直徑變化數(shù)據(jù)方面沒有公開報(bào)道。因此,很有必要通過試驗(yàn)測試確定單顆棉桃完全成熟開裂時的當(dāng)量直徑d。在氣力輸送過程中可用當(dāng)量直徑d來描述籽棉團(tuán)的粒度。一顆棉桃完全成熟開裂后形成的籽棉團(tuán)包含有35~45個棉籽,在吸力摘棉時,棉籽組成一團(tuán)在管道內(nèi)輸送。本文任意取5塊不同的棉田,每塊棉田里測試100顆且只含一個棉桃完全開裂時的團(tuán)狀籽棉,測量其總質(zhì)量m和體積,確定密度后可用下式(22)確定籽棉團(tuán)當(dāng)量直徑d,單位m。

2.3 球形籽棉團(tuán)試樣制備方法

本文用等密變徑法(保證籽棉團(tuán)密度相等的情況下改變籽棉團(tuán)直徑)制備了球形籽棉團(tuán)。制備時,首先確定籽棉團(tuán)直徑并將其設(shè)為球形體計(jì)算其體積,按設(shè)定密度求理論質(zhì)量的籽棉團(tuán),再按等密度對應(yīng)的籽棉團(tuán)直徑揉壓形成球形,用細(xì)棉線繞籽棉球表面制備球形籽棉團(tuán)試樣,如圖2所示的白色球形籽棉團(tuán)。

本文制備了密度分別為22、36和68 kg/m3的3組松散狀態(tài)的等密變徑籽棉團(tuán),每組籽棉團(tuán)直徑從10 mm變化到180 mm,每組間隔為10 mm。管道直徑為=180 mm。為了驗(yàn)證半壓實(shí)狀態(tài)下懸浮速度,同時制備了69、126和206 kg/m3等3組等密變徑籽棉團(tuán),每組籽棉團(tuán)直徑從40 mm變化到180 mm,每組間隔為20 mm,管道直徑為=200 mm,其中69 kg/m3為松散狀態(tài),126 kg/m3和206 kg/m3半壓實(shí)狀態(tài)。每組等密變徑籽棉團(tuán)制備3組重復(fù)試樣。

圖2 不同直徑球形棉團(tuán)試樣及其懸浮狀態(tài)

2.4 籽棉團(tuán)懸浮速度測試試驗(yàn)臺

式驗(yàn)臺由風(fēng)機(jī)、風(fēng)管、調(diào)向器、控制柜等組成,如圖3所示。通過控制柜控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,從而調(diào)節(jié)正壓風(fēng)口風(fēng)速大小,風(fēng)速可調(diào)范圍0~30 m/s;在正壓風(fēng)口設(shè)置調(diào)向管,調(diào)節(jié)氣流流速平穩(wěn)均勻。懸浮速度測試平臺風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制用CFC610變頻器,轉(zhuǎn)速調(diào)頻范圍為0~50 Hz,頻率分辨率為0.01 Hz。

圖3 試驗(yàn)臺

為保證懸浮速度測試值的準(zhǔn)確性,開機(jī)后首先調(diào)節(jié)變頻器頻率,確認(rèn)玻璃管入口網(wǎng)套上的球形籽棉團(tuán)開始懸浮,然后繼續(xù)微調(diào)變頻器,當(dāng)球形籽棉團(tuán)完全在玻璃管正中間(刻線位置)懸浮并停留時記錄變頻器頻率,如圖2所示。再根據(jù)圖4所示的變頻器頻率與管道入口風(fēng)速之間的關(guān)系式(=0.57-2.22,兩次測試標(biāo)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析獲?。﹣碛?jì)算懸浮速度實(shí)測值。

注:試驗(yàn)1為第一次作測試標(biāo)定結(jié)果;試驗(yàn)2為第二次作測試標(biāo)定結(jié)果。

3 籽棉團(tuán)懸浮速度測試與理論計(jì)算結(jié)果分析

3.1 籽棉團(tuán)密度測試結(jié)果

籽棉團(tuán)密度測試結(jié)果如表2所示。在松散狀態(tài)下籽棉團(tuán)放在圓柱體容器時的測試密度約為(24±2.57) kg/m3。當(dāng)籽棉團(tuán)處于長方體容器中時,由于長方體容器高度是圓柱體容器高度的兩倍,因此籽棉團(tuán)的自重導(dǎo)致相互擠壓,松散度降低,這時籽棉團(tuán)的測試密度為(32±3.35) kg/m3。松散狀態(tài)下密度變化為21.2~35.3 kg/m3。在半壓實(shí)狀態(tài)下,圓柱體容器測試的密度為(129.5±9.33) kg/m3,而用長方體容器測試的密度為(110±8.16) kg/m3,這是由于圓柱體容器底面積為0.005 m2,長方體容器底面面積0.01 m2,單位面積上所受的壓實(shí)力大),半壓實(shí)狀態(tài)下密度變化范圍為(101.0~137.4)kg/m3??梢钥闯鲇捎谧衙迗F(tuán)的可壓縮性,在不同的松散度和半壓實(shí)狀態(tài)下,籽棉團(tuán)的密度變化量也大。從兩種容器測量的籽棉團(tuán)密度極差和標(biāo)準(zhǔn)偏差結(jié)果表明,在松散和半壓實(shí)狀態(tài)下密度極差比較大(圓柱體的分別為5.149和18.661,長方體的分別為6.691和16.32),標(biāo)準(zhǔn)偏差較?。▓A柱體:0.073和0.061;長方體:0.093和0.058),總體平均相對誤差為6.18%。

表2 不同容器中松散及半壓實(shí)狀態(tài)下籽棉團(tuán)密度測試數(shù)據(jù)

注:為極差;為相對誤差;為標(biāo)準(zhǔn)偏差;為平均密度. 下同.

Note:is range;is relative error;standard deviation;is mean density. The same below.

方差分析結(jié)果表明,如表3所示,籽棉團(tuán)狀態(tài)區(qū)間方差值很大、而重復(fù)組間方差值很小,重復(fù)均值差別很大,狀態(tài)區(qū)間有極顯著差異。這說明,不同壓實(shí)和松散狀態(tài)下(狀態(tài)組間)籽棉團(tuán)實(shí)際密度差異很大。而在重復(fù)組間方差小,說明每重復(fù)組間的數(shù)據(jù)波動小,試驗(yàn)測試結(jié)果有效。

測試結(jié)果表明,籽棉團(tuán)在兩種容器內(nèi)的松散密度測試平均值為21.6~35.4 kg/m3,半壓實(shí)測試密度為 108~138.77 kg/m3。綜合考慮工程應(yīng)用性[22]和方便性,并根據(jù)測試結(jié)果分析可推斷出籽棉團(tuán)的壓實(shí)狀態(tài)可分為4種:1)松散狀態(tài),指籽棉團(tuán)除了自重和大氣壓以外不受外力壓實(shí)作用的狀態(tài),空隙率在80%~95%之間,密度在20~90 kg/m3之間;2)半壓實(shí)狀態(tài),指籽棉團(tuán)受外力壓實(shí)一段時間并卸載后的松弛狀態(tài),空隙率在50%~80%之間,密度在90~220 kg/m3之間;3)壓實(shí)狀態(tài),指籽棉團(tuán)全方位無松弛壓實(shí)狀態(tài),空隙率在10%~50%之間,密度在220~410 kg/m3之間;4)密實(shí)壓實(shí)狀態(tài),指籽棉團(tuán)全方位無松弛高壓實(shí)狀態(tài),空隙率在0~10%之間,密度在410~450 kg/m3之間。這為籽棉團(tuán)懸浮速度預(yù)測和氣力輸棉系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

表3 松散及半壓實(shí)狀態(tài)下籽棉團(tuán)密度測試數(shù)據(jù)方差分析

注:**表示極顯著; *表示顯著;下同。

Note: **means highly significant; *means significant; The same below.

3.2 籽棉團(tuán)粒度測試與計(jì)算結(jié)果

單顆棉桃完全開裂時直徑測試結(jié)果如表4所示。在5塊不同的棉田作為測區(qū),每測區(qū)隨機(jī)測量10顆(重復(fù)組)完全開裂時的棉桃直徑,其測試數(shù)據(jù)如表4所示。測試結(jié)果表明,單顆棉桃完全開裂時測量的籽棉團(tuán)直徑d變化范圍在38~54 mm之間,5塊測區(qū)平均值在47.8~49.2 mm之間,總平均值為48.7 mm; 極差在8~14 mm,平均值為10 mm; 相對誤差在0.041~0.076范圍內(nèi),總平均值為0.052;標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.16~0.348范圍內(nèi),總平均值為0.22;籽棉團(tuán)直徑極差比較大,說明直徑變化范圍較大;相對誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差較小,說明測試結(jié)果較合理。從方差分析結(jié)果看,測區(qū)間和測組間方差比誤差小,測區(qū)間和測組間均值差別小,因此值都小于1.0, 測區(qū)間和測組間無顯著差異;而誤差(測區(qū)內(nèi)方差)大,說明每個測區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)波動大。誤差占總方差的大部分,這表明棉桃開裂后的籽棉團(tuán)直徑的變化范圍較大。這是因?yàn)閱晤w棉桃包含的籽棉團(tuán)大小與光照強(qiáng)度有關(guān)。棉桃完全開裂時,棉株上部的籽棉團(tuán)直徑相比于棉株底部的直徑大。

從完全開裂的棉桃中任取100顆且只含一顆棉籽的小籽棉,測量所得其總質(zhì)量m為0.022 8 kg,兩容器籽棉團(tuán)松散密度分別為21.6和35.4 kg/m3,則通過式(1)可計(jì)算含一顆棉籽的小籽棉在松散狀態(tài)下的當(dāng)量計(jì)算直徑為1.07~1.26 mm之間。一般,一顆棉桃含有35~45顆棉籽并組成一塊籽棉團(tuán)的當(dāng)量直徑d,其變化范圍在37.5~56.8 mm之間,這與籽棉團(tuán)實(shí)測直徑變化范圍38.7~58.7 mm基本吻合,而平均直徑分別為47.15 mm和48.7 mm,并有一定的波動,這符合實(shí)際棉桃直徑波動范圍,試驗(yàn)測試結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果有效。

表4 單顆棉桃完全開裂時直徑dsc測試數(shù)據(jù)

本文根據(jù)以上測試值,取籽棉團(tuán)最小直徑為50 mm,最小管道直徑為50 mm,從而計(jì)算管流和繞流雷諾數(shù)并確定了阻力系數(shù)為計(jì)算籽棉團(tuán)懸浮速度提供合理的參數(shù)。

3.3 繞流和管流雷諾數(shù)計(jì)算結(jié)果與阻力系數(shù)選定

當(dāng)環(huán)境溫度25℃時,空氣的動力黏度= 18.107′10-6Pa·s、運(yùn)動黏度為15.027′10-6m2/s、密度r=1.169 kg/m3。根據(jù)以上環(huán)境條件,分別改變輸送管道直徑、管道入口風(fēng)速和籽棉團(tuán)直徑d等參數(shù),并用式(5)計(jì)算了管流雷諾數(shù)和繞流雷諾數(shù),如圖5所示。

當(dāng)入口速度一定時,輸棉管道直徑越大雷諾數(shù)也越大,如圖5a所示。當(dāng)=2m/s、輸送管道直徑分別為0.05、0.1和0.2 m時,管流雷諾數(shù)分別為322 8、645 6和129 12,均大于500。籽棉團(tuán)直徑越大繞流雷諾數(shù)也越大,如圖5b所示。當(dāng)籽棉團(tuán)直徑d為50 mm并分別為2、4和6 m/s時,所對應(yīng)的籽棉團(tuán)繞流雷諾數(shù)分別為6 655、133 09和199 64,均大于500??芍衙迗F(tuán)在管道內(nèi)處于懸浮狀態(tài)時均滿足500,確定阻力系數(shù)為0.44。

圖5 管道入口風(fēng)速vin,籽棉團(tuán)直徑dc和管道直徑D對繞流和管流雷諾數(shù)Re的影響

3.4 籽棉團(tuán)懸浮速度理論結(jié)果分析

直徑比d/D小于0.5時,顆粒的可壓縮性或可膨脹性影響不大,懸浮速度基本相等(圖6)。當(dāng)直徑比d/D大于0.5時,可壓縮及可膨脹時的懸浮速度與不可壓縮懸浮速度之間開始偏離,在/=1.0處懸浮速度不等于零。在可壓縮狀態(tài)下,d/D=1.0處懸浮速度都不等于零;反之,在可膨脹狀態(tài)下懸浮速度分別在d/D=0.913、d/D=0.934和d/D=0.956處提前趨于零;而當(dāng)密度接近密實(shí)密度450kg/m3時,在d/D=1處懸浮速度趨于零。

圖6 不同密度(rc)籽棉團(tuán)在不同狀態(tài)時的懸浮速度v與dc/D之間的分布關(guān)系

3.5 籽棉團(tuán)懸浮速度理論算法有效性試驗(yàn)驗(yàn)證

3.5.1 籽棉團(tuán)懸浮速度試驗(yàn)和理論數(shù)據(jù)誤差分析

表5和表6分別表示第一組(3種松散密度)和第二組(2種半壓實(shí)密度和1種松散密度)試驗(yàn)測試懸浮速度數(shù)據(jù)和所對應(yīng)的理論計(jì)算數(shù)據(jù)。其方差分析結(jié)果見表7。第一和第二組試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)和理論分析數(shù)據(jù)的最大相對誤差為6.5%,最小相對誤差為3.3%,平均相對誤差分別為4.7%(第一組)和4.4%(第二組),兩者平均為4.6%。標(biāo)準(zhǔn)偏差第一組分別為0.068,0.060和0.042,第二組分別為0.111,0.071和0.073。平均相對誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差都比較小,說明試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)波動小。

表5 不同密度籽棉團(tuán)懸浮速度測試和理論值(第一組)

表6 籽棉團(tuán)懸浮速度測試和理論值(第二組)

注:4~6為不同半壓實(shí)狀態(tài)下的籽棉團(tuán)密度.

Note:4-6are seed cotton densities under different semi-pressure state.

表7 籽棉團(tuán)懸浮速度測試和理論值方差分析

從方差分析結(jié)果可知,不論按1、2、3或4、5、6密度區(qū),6種密度區(qū)內(nèi)單獨(dú)方差分析時都沒有顯著性差異,d/D組間方差比密度區(qū)間方差大,而d/D組間均值與密度區(qū)內(nèi)均值差別不大,這表明d/D組間測試值和理論計(jì)算值基本吻合。當(dāng)合并方差分析時(1~3和4~6),不管是密度區(qū)間還是d/D組間都出現(xiàn)極顯著性差異,在不同密度下(密度區(qū)間)各自的試驗(yàn)測試及理論計(jì)算值之間有差異,這是不同密度間懸浮速度差異所導(dǎo)致的結(jié)果。在密度區(qū)間有極顯著差異,說明密度變化對懸浮速影響很大,而在同一密度區(qū)內(nèi)無顯著性差異,說明理論計(jì)算值與試驗(yàn)測試值吻合,試驗(yàn)測試結(jié)果及理論計(jì)算方法有效。

3.5.2 籽棉團(tuán)懸浮速度理論算法的有效性試驗(yàn)驗(yàn)證

當(dāng)直徑比d/D為0.45附近時,測試結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果都顯示懸浮速度值最大(圖7)。籽棉團(tuán)密度的變化,對懸浮速度分布特性影響很大,籽棉團(tuán)密度越高其懸浮速度就越高。當(dāng)直徑比d/D小于0.6時,懸浮速度的測試值與理論計(jì)算值基本吻合,6種不同籽棉團(tuán)密度情況下,測試值的變化趨勢與理論計(jì)算值相同,平均相對誤差7%左右。當(dāng)直徑比d/D的值大于0.6時,試驗(yàn)測試懸浮速度值開始偏離常規(guī)理論計(jì)算值,直徑比d/D越大試驗(yàn)測試懸浮速度值之間的偏離程度也越大,當(dāng)直徑比d/D=1時,相對誤差可達(dá)100%。

圖7 測試懸浮速度與理論值對比

可知,當(dāng)采用本文提出的理論算法進(jìn)行計(jì)算時,所得到的籽棉團(tuán)懸浮速度分布特征和大小與試驗(yàn)測試結(jié)果基本吻合,平均相對誤差為4.6%,方差分析結(jié)果也驗(yàn)證了理論算法的有效性。

4 結(jié) 論

本研究以硬顆粒懸浮速度理論作為基礎(chǔ),考慮輕軟可壓縮顆粒的可壓縮性,建立了阻力系數(shù)和懸浮速度理論算法,并用籽棉團(tuán)試驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證,結(jié)論如下:

1)單顆棉桃全開裂時所含籽棉團(tuán)直徑范圍為38~54 mm。當(dāng)輸棉管道最小直徑為50 mm,籽棉團(tuán)直徑為50 mm時,所對應(yīng)的管流雷諾數(shù)和繞流雷諾數(shù)均滿足500,阻力系數(shù)為0.44。

2)籽棉團(tuán)的密度在松散狀態(tài)下為20~90 kg/m3、在半壓實(shí)狀態(tài)下為90~220 kg/m3、在壓實(shí)狀態(tài)下為220~410 kg/m3,而在密實(shí)壓實(shí)狀態(tài)下為410~450 kg/m3。

3)當(dāng)直徑比d/D為0.45附近時,懸浮速度取最大值;當(dāng)直徑比d/D小于0.6時,測試數(shù)據(jù)與懸浮速度理論值基本吻合,平均相對誤差在5%左右;當(dāng)d/D的值大于0.6時,籽棉團(tuán)懸浮速度測試值開始偏離常規(guī)硬顆粒懸浮速度理論值;當(dāng)直徑比d/D=1時,籽棉團(tuán)懸浮速度測試值均不等于零。當(dāng)采用本文提出的理論算法時,所得到的籽棉團(tuán)懸浮速度分布特征和大小與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果基本吻合,平均相對誤差為4.6%,并通過方差分析驗(yàn)證了本文提出的理論算法的有效性。

以上結(jié)論為輕軟可壓縮顆粒懸浮速度提供理論模型,同時為籽棉、羊毛、羽絨和各種絲絨等輕軟可壓縮軟物質(zhì)的氣力輸送系統(tǒng)和裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供理論算法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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Mamtimin Geni1,2, Jahep Ahan1, Orkin Rahim1,3, Gulbahar Tohti1※, Jin Afang1

(1.,,830047,; 2...,830002,;3.,834700,)

In order to solve the problem of the deviation between the conventional theoretical results and the experimental results of the suspension velocity of LASC (Light And Soft Compressible) seed cotton ball, the relationship between the physical properties of LASC seed cotton ball and the resistance coefficient were established by using the dimensional analysis method and the force balance principle, then the theoretical algorithm of LASC seed cotton ball suspension velocity was proposed based on the conventional particle suspension velocity theory. Then, the diameter of LASC seed cotton ball containing a completely cracked single cotton peach were tested in the cotton field, and the minimum diameter of pneumatic cotton conveying pipeline was determined, and the drag coefficient was determined by calculating and analyzing the Reynolds number of pipe flow and around flow. Spherical LASC seed cotton ball with 6 types of densities and 18 types of diameters were prepared by using equal density variable diameter method and the suspension velocities were tested. When the LASC seed cotton balls were just in completely suspended and stabilized at the middle of the glass tube on the test platform, then the suspension speed of the LASC seed cotton balls were calculated according to the relationship between frequency recorded by the frequency modulator and inlet wind speed, and following results were obtained. When a single cotton ball was fully cracked, the value range of the diameter of the seed cotton balls were between 38-54 mm, then the average diameter of the seed cotton ball and the minimum diameter of the cotton conveying pipe were determined to be 50 mm, so the both Reynolds numbers meet the conditions of 500d/Dwas close to 0.45. If the diameter ratiod/Dwas less than 0.6, the test data was basically close to the theoretical suspension velocity value, and the average relative errors were nearly 5%. While the value ofd/Dwas greater than 0.6, the measured values of LASC seed cotton ball suspension velocities starts to deviate from the conventional particle suspension velocity theory, and the test value of the suspension velocities of the LASC seed cotton balls were not equal to zero when the diameter ratiod/D=1. After using the theoretical algorithm proposed in this paper, the distribution characteristics and size of the suspension velocities of the LASC seed cotton ball were close to that of the experimental results, with an average relative error of 4.6%. The results of variance analysis also shown that there were highly significant differences between the measurement areas with different densities, this indicating that the density change occurs a large impact on the suspension velocity. While there were no significant difference in the measurement areas with the same density, and this indicating that the theoretical calculation value and the test value had small fluctuation and were basically close to each other. Which also verifies the effectiveness of the test approach and theoretical algorithm proposed in this paper. This provides a theoretical algorithm and experimental method for the further improvement of the pneumatic conveying system and device of LASC particles such as seed cotton, wool and cashmere.

mechanization; agriculture; suspension velocity; seed cotton ball; pneumatic conveying system; compressible particles; drag coefficient

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.24.006

S225.91+1,U653.922.+1,TH232

A

1002-6819(2022)-24-0052-11

買買提明·艾尼,加合甫·阿汗,吾爾科木·冉合木,等. 籽棉團(tuán)懸浮速度的理論算法與試驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2022,38(24):52-62.doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2022.24.006 http://www.tcsae.org

Mamtimin Geni, Jahep Ahan, Orkin Rahim, et al. Theoretical algorithm and experimental verification of seed cotton ball suspension velocity[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(24): 52-62. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2022.24.006 http://www.tcsae.org

2021-11-10

2022-09-23

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11772289,12162031)

買買提明·艾尼,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)檗r(nóng)牧機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法、轉(zhuǎn)子動力學(xué)、圖像識別等。Email:mgheni@263.com

古麗巴哈爾·托乎提,副教授,研究方向?yàn)檗r(nóng)牧機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法、轉(zhuǎn)子動力學(xué)、圖像識別等。Email:gulbahart@163.com

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