朱占江，康 敏，劉 奎，買合木江·巴吐爾，楊莉玲，崔寬波

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)機械化研究所，烏魯木齊 830091； 2.南京農(nóng)業(yè)大學 工學院，南京 210031)

核桃為藥食兩用堅果，是國家重點支持的木本油料作物之一，對于國家糧油安全具有重要意義[1-2]。目前用于實際生產(chǎn)的核桃殼仁分離機械主要為氣流分離設備，而氣流分離設備的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響其內(nèi)部流場分布，開展不同參數(shù)條件下殼仁氣流分離機構(gòu)內(nèi)部流場分析研究可為分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計以及優(yōu)化提供依據(jù)。關于核桃取仁加工設備研究方面目前主要側(cè)重破殼機理、破殼機構(gòu)的研究[3-6]，而對殼仁氣流分離設備結(jié)構(gòu)研究主要包括殼仁分離風速選擇[7]、分離腔流場均勻性研究[8-9]以及殼仁分離機的設計與試驗[10-14]，而關于分離機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對內(nèi)部流場影響研究很少。此外，一些學者開展了對蓮子[15]、花生[16]、扁桃核殼仁[17]、糧食[18]、玉米[19]、大豆[20]等物料氣力分選裝置的研究與試驗。核桃殼仁氣流分離主要有正壓、負壓以及正負壓結(jié)合方式；負壓氣流分離系統(tǒng)一般包括殼仁分離腔、輕殼吸風管、沉降箱三個部分，現(xiàn)有研究側(cè)重對物料氣流分選分離腔的研究，而缺乏對沉降箱、整個分離系統(tǒng)流場的分析研究。本文依托團隊研制并在實際生產(chǎn)中應用的核桃破殼、殼仁氣流分離加工成套設備，著重從殼仁分離關鍵機構(gòu)(分離腔、沉降箱)以及分離系統(tǒng)整體開展流場模擬對比分析研究以及適宜性研究，探索分離機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)對流場的影響規(guī)律，以期為核桃殼仁氣流分離裝置結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化提供依據(jù)。同時，探索可縮短核桃殼仁氣流分離設備研發(fā)周期、降低研發(fā)成本的流場仿真分析方法及其可行性。

1 分離腔流場分析研究

1.1 分離腔結(jié)構(gòu)

分離腔為核桃殼仁氣流分離系統(tǒng)的關鍵機構(gòu)，核桃殼仁混合物料在分離腔內(nèi)完成殼仁分離，仁沉降收集，殼被吸走。分離腔主要由分離腔體、限料板、天圓地方等組成，是分離系統(tǒng)重要組成部分，如圖1所示。

注：a.分離腔長度；b.分離腔寬度；c.分離腔厚度； h.進料口高度；L1.進料口下部分離腔長度；L2進料口上部分離腔長度；M為分離區(qū)；N為穩(wěn)定區(qū)；A-A截面為限料板調(diào)至適當位置后，下端面對應分離腔橫截面；B-B為分離腔進料口下端面對應分離腔橫截面；1.天圓地方；2.分離腔體；3.限料板；4.振動給料機。

1.2 幾何模型建立

在Solidworks中建立分離腔三維簡化模型，如圖2所示。主要簡化內(nèi)容為：去除連接法蘭；工作過程中，通過限料板調(diào)節(jié)一般將進料口高度控制在30 mm左右，所以簡化模型進料口高度h=30 mm。簡化后的模型導入Ansys Workbench 19.0中，抽取流道，得到三維實體(圖略)，采用Ansys Icem 19.0進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格。將網(wǎng)格模型導入Ansys Fluent 19.0軟件進行數(shù)值模擬。邊界條件：氣流入口兩個，分離腔下端核桃仁出口記為進風口1，側(cè)邊進料口記為進風口2。以1/2殼仁分離條件為基礎(文中未特別說明的，物料均以1/2殼仁為基礎)，進風口1、進風口2風速分別為10.06、10.58 m/s(此風速由現(xiàn)有設備[14]測得)。采用標準k-ε湍流模型，壓力-速度耦合Simple算法，采用Ansys Cfd-Post 19.0進行后處理。

圖2 分離腔模型

1.3 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下分離腔內(nèi)部流場對比分析

1.3.1 分離腔厚度對分離腔流場的影響

一般情況下，適當增大風道厚度，能提高輕雜質(zhì)去除率，但厚度增加到一定值后，風選效率呈降低趨勢[21]。對長度1 200 mm，寬度450 mm，進料口下部分離腔長度300 mm，厚度分別為90、120、150 mm的分離腔進行流場模擬分析，分離腔中部截面速度矢量圖見圖3。由圖3可以看出，隨著分離腔厚度的增大，其靠近分離腔進料口一側(cè)(圖3右側(cè))低速區(qū)范圍不斷擴大，雖然左側(cè)壁附近風速有所降低使左右兩側(cè)風速差減小，但低速區(qū)的存在依然使渦流產(chǎn)生，且渦流產(chǎn)生的區(qū)域有所擴大，不利于殼被及時分離，同樣增加了能耗。為了保證分離效果，需要減小生產(chǎn)率，分離腔厚度90 mm可以滿足600 kg/h的生產(chǎn)率設計要求，從經(jīng)濟性、適應性考慮，課題組將制作的殼仁分離系統(tǒng)分離腔厚度定為90 mm。

圖3 不同分離腔厚度條件下中部截面速度矢量圖

1.3.2 分離腔長度對分離腔流場的影響

分離腔長度與氣流穩(wěn)定性有關[21]，分離腔過短，因氣流方向急速改變而產(chǎn)生渦流，使氣流速度在風道中分布不均勻，容易使殼仁疊加，降低分離效果；適當提高分離腔長度，可以改善氣流穩(wěn)定性，提高風選效果。對寬度450 mm，厚度90 mm，進料口下部分離腔長度300 mm，長度分別為1 200、1 500、1 800 mm的分離腔進行流場模擬分析，其中1 200 mm為依托的破殼、殼仁分離成套設備分離腔最小值。圖4為不同分離腔長度條件下分離腔中部截面速度矢量圖。從圖4可以看出，隨著分離腔長度增加，穩(wěn)定區(qū)流場均勻性有一定改善，渦流現(xiàn)象有所減弱，故分離腔設計過程中在滿足分離風速要求以及設備空間要求的條件下可以適當增加長度。但分離腔也不可過長，過長造成氣力損失，同時增加氣流系統(tǒng)設備制作成本。因此，在滿足生產(chǎn)要求的條件下，考慮整套破殼分離設備的尺寸連接，課題組選擇分離腔長度為1 200 mm，有利于降低設備制作成本，同時也可降低分離系統(tǒng)整體高度，降低對廠房的要求。

圖4 不同分離腔長度條件下中部截面速度矢量圖

1.3.3 進料口下部分離腔長度(B-B截面以下長度，L1)對分離腔流場的影響

分離腔進料口設置在腔體側(cè)邊，進風口1與進風口2氣流在此交匯，一般應首先保證進料口上部合理的分離腔長度(L2)大于800 mm條件下[21]，再適當改變進料口下部分離腔長度(L1)。對寬度450 mm、厚度90 mm、長度1 200 mm分離腔，L1分別取100、200、300 mm條件下進行流場模擬分析，分離腔中部截面速度矢量圖如圖5所示。

圖5 不同進料口下部分離腔長度條件下中部截面速度矢量圖

從圖5可以看出，進料口下部分離腔長度對流場影響較小?？紤]到個別同等級核桃殼在分離過程中，由于出現(xiàn)殼與殼疊加情況，導致疊加后顆粒整體懸浮速度大于B-B截面以下的風速，從而殼下沉增加仁中含殼率，故在保證L2的同時，可以適當增加L1，以延長下沉核桃殼再次分離的時間以及增大疊加核桃殼碰撞散開再次分離的可能，課題組取L1為300 mm。

1.4 分離腔優(yōu)選方案分析

對分離腔優(yōu)選方案厚度90 mm、長度1 200 mm、進料口下部分離腔長度300 mm進行流場模擬分析，分離腔中部截面速度矢量圖及放大圖如圖6所示。結(jié)合圖1，分離區(qū)M可分為兩部分，即A-A截面與B-B截面之間區(qū)域以及B-B截面以下區(qū)域。由圖6可看出，A-A截面與B-B截面之間區(qū)域(進料口正對區(qū)域，來自兩個進風口的氣流在此處匯集)，風速開始變大，此區(qū)域內(nèi)靠下部風速在10 m/s左右，大于1/2核桃殼懸浮速度，小于1/2核桃仁懸浮速度(根據(jù)項目組前期研究1/2核桃殼懸浮速度均值8.04 m/s、1/2核桃仁懸浮速度均值12.50 m/s)，尤其是鄰近進料口區(qū)域以及鄰近B-B截面區(qū)域風速均明顯小于核桃仁懸浮速度，為殼仁分離創(chuàng)造了較好的條件。核桃殼仁混合物料經(jīng)振動給料機均勻進入該區(qū)域后，核桃仁在低速區(qū)沉降，而核桃殼被快速吸走。在此區(qū)域內(nèi)風速不均勻以及殼仁碰撞會造成部分核桃仁被上升氣流帶走，進入穩(wěn)定區(qū)N。從圖6也可看出，盡管在穩(wěn)定區(qū)N中其左側(cè)壁附近風速大于核桃仁懸浮速度，但由于殼仁以及殼與殼等顆粒群的存在，顆粒碰撞劇烈，核桃殼仁混合物料存在向低速區(qū)遷移的可能，從而在右側(cè)低速區(qū)進行二次分離，降低殼中含仁率。B-B截面以下由于僅有來自進風口1的氣流，所以速度約等于進風口1風速(10.06 m/s)，此風速大于核桃殼懸浮速度，小于核桃仁懸浮速度，核桃仁沉降收集，在A-A截面與B-B截面之間區(qū)域未被分離的少量核桃殼，在此區(qū)域內(nèi)可再次分離，從而減小仁中含殼率。

圖6 分離腔中部截面速度矢量圖與放大圖

2 沉降箱流場分析研究

2.1 沉降箱結(jié)構(gòu)

沉降箱主要由天圓地方、箱體、調(diào)節(jié)閥、卸風板、觀察門、閉風器、擋料板組成，見圖7。通過分離腔實現(xiàn)核桃殼仁分離后，核桃殼通過吸風管道輸送隨氣流進入沉降箱，由于體積突然變大，風速降低到核桃殼懸浮速度以下，核桃殼依靠自身重力在氣流中下落完成沉降作業(yè)。作為核桃殼仁氣流分離的關鍵機構(gòu)，沉降箱一方面將分離出的核桃殼快速沉降，另一方面防止核桃殼進入風機造成風機的損傷,對其進行流場分析以及機構(gòu)研究可以改善沉降箱內(nèi)流場分布，提高沉降效果。

注：1.天圓地方；2.箱體；3.調(diào)節(jié)閥；4.卸風板；5.觀察門；6.閉風器；7.擋料板。

2.2 幾何模型建立

在Solidworks中建立沉降箱三維簡化模型，如圖8所示。主要簡化內(nèi)容為：去除連接法蘭；觀察門簡化為一壁板；去除調(diào)節(jié)閥、卸風板、閉風器。按1.2方法進行數(shù)值模擬，邊界條件分別為：天圓地方上端核桃殼入口作為進風口1，卸風板處作為進風口2，這里以1/2殼沉降作為條件，對應風速分別為進風口1風速17.67 m/s，進風口2風速6.8 m/s。由于閉風器內(nèi)部導料板邊緣均連接硅膠，所以假設出殼口無氣流進入。采用標準k-ε湍流模型，壓力-速度耦合Simple算法，采用Ansys Cfd-Post 19.0進行后處理。

圖8 沉降箱模型

2.3 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下沉降箱內(nèi)部流場對比分析

2.3.1 沉降箱寬度對流場的影響

對設置2個長擋料板，且殼入口處擋料板位置貼近殼入口，寬度分別為350、450、550 mm的沉降箱進行流場模擬分析，其中部截面速度矢量圖見圖9。從圖9可以看出，隨著寬度的增加，低速區(qū)范圍增加，靠近出殼口附近風速降低。3種寬度條件下，最下端出殼口風速均小于核桃殼懸浮速度，且左側(cè)擋料板末端至右側(cè)擋料板下部存在低于核桃殼懸浮速度的速度層，說明均可以達到殼沉降的效果。沉降箱寬度為350 mm時，沉降箱右側(cè)擋料板末端以及沉降箱左側(cè)壁直至出風口附近風速大于殼的懸浮速度，部分上浮至擋料板上方的殼存在被吸入風機管道的可能。沉降箱寬度為450 mm與550 mm時，擋料板上方存在低于核桃殼懸浮速度的速度層，使核桃殼即使上浮至擋料板上方也會隨著風速降低受到自身重力影響而再次沉降，核桃殼進入風機的概率很小?？紤]到設備的制作成本，對于1/2殼沉降本課題組選擇寬度為450 mm的沉降箱。

圖9 不同寬度條件下沉降箱中部截面速度矢量圖

2.3.2 沉降箱內(nèi)部擋料板長度對流場的影響

為促進核桃殼更好的快速沉降，在沉降箱內(nèi)沿整個寬度設置2個擋料板，2個擋料板的長度組合分別為2長、1長1短和2短，短擋料板長度為長擋料板的1/2。擋料板與沉降箱下部對應斜側(cè)板平行，且其末端折彎處外側(cè)面與出殼口左右兩側(cè)鄰近壁面同面，長度記為L，殼入口處擋料板位置貼近殼入口，沉降箱寬度為450 mm，分別對2個擋料板的長度組合的沉降箱進行流場模擬分析，其中部截面速度矢量圖如圖10所示。從圖10可以看出，設置2個長擋料板較適宜核桃殼的沉降。左側(cè)較長的擋料板可以快速將殼斜向下逼近出殼口，且出殼口處風速較低，利于殼的快速下沉，防止進入沉降箱內(nèi)的核桃殼還沒來得及沉降就被氣流帶向沉降箱其他區(qū)域甚至出風口。針對由于顆粒碰撞或者湍流影響等未沉降的核桃殼，右側(cè)較長擋料板可以很好地阻擋核桃殼上浮，促使這部分核桃殼動能減小，改變運動方向，促進其下沉。

圖10 擋料板不同長度組合條件下沉降箱中部截面速度矢量圖

2.3.3 沉降箱殼入口擋料板位置對流場的影響

擋料板位置對氣流場造成一定程度的影響，進而對核桃殼沉降產(chǎn)生影響。沉降箱寬度為450 mm，設置2個長擋料板，分別取沉降箱殼入口擋料板貼近殼入口以及擋料板上移100、200 mm 3種情況進行流場模擬分析。不同擋料板位置條件下沉降箱中部截面速度矢量圖見圖11。從圖11可以看出，殼入口擋料板上移后減弱了促使核桃殼向沉降箱底部出殼口運動的氣流，當上移200 mm時，氣流進入沉降箱后橫向流動，盡管沉降箱下部風速較小，大量核桃殼來不及下沉便隨橫向氣流運動至沉降箱右側(cè)或上部空間，這不利于核桃殼的快速沉降，故在設計沉降箱擋料板時，鄰近入料側(cè)的擋料板高度應使擋料板貼近殼入口，以提高沉降效率。

圖11 殼入口擋料板不同位置條件下沉降箱中部截面速度矢量圖

在沉降箱優(yōu)選方案寬度為450 mm，擋料板為2塊長板，殼入口擋料板位置貼近殼入口條件下，進行流場模擬分析，沉降箱中部截面速度矢量圖見圖12。由圖12可以看出：核桃殼進入沉降箱中，左側(cè)擋料板促使其在高速氣流以及擋料板導流作用下向出殼口移動，當接近出殼口時，由于空間的急劇變大，風速風壓變小，核桃殼沉降；部分核桃殼在氣流作用下斜向上運動，當碰撞右側(cè)擋料板后動能減弱，并且由于氣流在右側(cè)擋料板作用下改變運動方向進而帶動核桃殼向下沉降。另外，沉降箱擋料板上方存在低于核桃殼懸浮速度的速度層，核桃殼若有少許上浮也會隨著風速降低受到自身重力影響而再次沉降，從而避免核桃殼被吸入風機的可能。綜上，在優(yōu)選方案下，可以實現(xiàn)核桃殼的有效沉降。

圖12 沉降箱中部截面速度矢量圖

3 殼仁氣流分離系統(tǒng)流場分析研究與設備試驗

根據(jù)以上關鍵機構(gòu)流場模擬分析，對于1/2殼仁氣流分選，分離腔、沉降箱優(yōu)選結(jié)構(gòu)參數(shù)如1.4、2.4所述。通過吸風管將優(yōu)選分離腔與沉降箱連接，建立殼仁分離系統(tǒng)，如圖13所示。

3.1 幾何模型

在Solidworks中建立三維簡化模型，如圖14所示。按1.2方法進行數(shù)值模擬，邊界條件為：氣流入口3個，分別為1.2所述進風口1與進風口2，2.2所述卸風板處進風口記為進風口3，以1/2殼仁分離測得進風口的風速為入口風速，3個進風口速度分別為10.06、10.58、6.8 m/s。采用標準k-ε湍流模型，壓力-速度耦合Simple 算法，采用Ansys Cfd-Post 19.0進行后處理。

注：1.振動給料機；2.分離腔；3.吸風管；4.沉降箱；5.閉風器。

圖14 殼仁氣流分離系統(tǒng)模型

3.2 流場分析

圖15為1/2殼仁分離系統(tǒng)中部截面流場速度云圖。從圖15可以看出，增加連接管后，吸風管內(nèi)風速在17.0 m/s左右，約為核桃1/2殼單顆粒懸浮速度的2倍，符合松散物料水平管輸送條件[22-23]:v散≥(1.5～2.5)v懸。同時可以看出，分離系統(tǒng)能夠較好滿足1/2核桃仁在分離腔沉降收集以及1/2殼經(jīng)吸風管后進入沉降箱沉降的條件，故該系統(tǒng)適宜作為1/2殼仁氣流分離的方案。

為了便于區(qū)分不同等級殼仁分離系統(tǒng)流場模擬情況，對于1/4殼仁、1/8殼仁、1/16殼仁分離系統(tǒng)進行流場模擬分析，結(jié)果如圖16～圖18所示；結(jié)構(gòu)參數(shù)按1/2殼仁混合物料分離機構(gòu)，進風口處風速見表1。前期測得的1/4、1/8、1/16核桃仁平均懸浮速度分別為11.95、11.20、9.84 m/s，1/4、1/8、1/16核桃殼平均懸浮速度分別為7.10、6.66、6.05 m/s。由圖16～圖18結(jié)合物料懸浮速度可以看出，該分離系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)不同等級核桃殼仁混合物料的分離作業(yè)。

表1 不同等級殼仁混合物料分離進風口處風速m/s

圖15 1/2殼仁分離系統(tǒng)中部截面流場速度云圖

圖16 1/4殼仁分離系統(tǒng)中部截面流場速度云圖

圖17 1/8殼仁分離系統(tǒng)中部截面流場速度云圖

圖18 1/16殼仁分離系統(tǒng)中部截面流場速度云圖

3.3 流場分析結(jié)果與現(xiàn)有設備殼仁分離系統(tǒng)對照分析以及設備試驗

團隊通過設計制作、試驗改進的方法經(jīng)過5輪樣機的不斷優(yōu)化提升，最終定型了中型核桃破殼、殼仁分離加工成套設備[14]，該成套設備配置的殼仁分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與前述流場分析獲得的優(yōu)選結(jié)構(gòu)參數(shù)基本一致，表明兩種方法均可用于殼仁分離系統(tǒng)的設計，相對來說前一種方法周期長，耗費成本高，而后一種方法可以有效加速技術設備的研發(fā)、降低設計制作成本，也可為后期設備的持續(xù)改進提升、新型設備研發(fā)創(chuàng)造條件。當然依靠流場仿真分析設計得到分離設備依然需要結(jié)合前一種方法開展不同品種物料、不同工況的大量試驗進行優(yōu)化提升，從而獲得較理想的設備。該成套設備殼仁氣流分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與仿真分析獲得的優(yōu)選結(jié)構(gòu)參數(shù)不同之處在于沉降箱寬度，由于核桃經(jīng)此成套設備破殼、殼仁分離后，測得1/2殼、1/4殼、1/8殼、1/16殼分別占總殼量的75.23%、12.40%、8.52%、3.85%[14]，1/2殼占比顯著高于其他等級核桃殼，故設計時將1/2殼仁分離系統(tǒng)沉降箱寬度定為450 mm，而1/4、1/8、1/16殼仁分離系統(tǒng)沉降箱寬度定為350 mm。

以該套設備開展殼仁分離試驗，原料為新疆主栽核桃品種溫185、新新2以及云南云新核桃，3種核桃均為薄殼核桃，殼厚小于1.3 mm，分心木膜質(zhì)化，且與核桃殼內(nèi)層粘連較輕，適宜機械加工，按設備設計生產(chǎn)率600 kg/h均勻喂料，最終得到殼仁分離效果為1/2殼仁、1/4殼仁核桃仁中含殼率低于3%，殼中含仁率低于1.1%；1/8殼仁其仁中含殼率低于6%，殼中含仁率低于4%；1/16殼仁其仁中含殼率低于9%，殼中含仁率低于7%，分離效果滿足實際生產(chǎn)加工要求，見表2。此外，觀察風機出風口吹出的物料，其為碎末狀，測得其占比小于總殼量的0.1%，表明殼沉降效果較好。

表2 3個品種核桃各等級殼仁混合物料分選效果

4 結(jié) 論

本文模擬分析了核桃殼仁氣流分離設備關鍵機構(gòu)分離腔與沉降箱內(nèi)流場的空間分布，對比分析了影響核桃殼仁氣流分離的關鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，如分離腔厚度、分離腔長度、進料口下部分離腔長度，沉降箱寬度、內(nèi)部擋料板長度與位置對關鍵機構(gòu)內(nèi)部流場的影響規(guī)律，結(jié)果表明分離腔厚度對殼仁分離腔流場分布影響較為明顯，沉降箱擋料板長度和位置對核桃殼能否快速流向出殼口有較大影響。殼仁分離機構(gòu)優(yōu)選方案為分離腔厚度90 mm、長度1 200 mm、進料口下部分離腔長度300 mm，沉降箱寬度450 mm、2個平行于沉降箱下部對應斜側(cè)板的長擋料板長度滿足末端折彎外側(cè)面與出殼口左右兩側(cè)鄰近壁面同面、殼入口處擋料板位置貼近沉降箱殼入口。對組裝后的殼仁分離系統(tǒng)進行流場模擬分析表明，該系統(tǒng)適宜各等級核桃殼仁的分離。對照團隊研制定型的核桃破殼、殼仁分離加工成套設備配套的分離系統(tǒng)表明，采用流場仿真分析的方法對于縮短殼仁氣流分離系統(tǒng)研發(fā)周期、降低設備制作成本具有重要的實際意義，也可為現(xiàn)有設備的持續(xù)改進以及新型設備的研發(fā)提供依據(jù)。