張小明

(貴州省山地農業(yè)機械研究所,貴州 貴陽 550007)

0 引言

辣椒產業(yè)是貴州特色優(yōu)勢產業(yè),已成為帶動農民脫貧創(chuàng)業(yè)增收的一個重要途徑[1]。到2021年,全省種植辣椒面積已經達到了38.03萬公頃(571萬畝),辣椒產量占全國的六分之一,辣椒銷售額超過709億。當前,貴州正從“辣椒大省”向“辣椒強省”邁進[2]。

針對山地自走式履帶辣椒收獲機收獲的辣椒含雜率高,辣椒果實風選急待解決的問題,通過離散單元法(DEM)與計算流體力學(CFD)相耦合的仿真計算模擬方法,對朝天椒混合物的風選分離進行模擬仿真,研究氣體速度大小和氣體傾角對辣椒含雜率和損失率的直接影響規(guī)律。

1 風選裝置結構及顆粒模型

1.1 幾何模型構建

使用三維建模軟件SolidWorks對辣椒風選裝置進行建模,如圖1所示。該辣椒風選裝置采用單進風口結構,由進風口、進料口、清選室、出口1、出口2、出口3組成。整體壁厚為15 mm,整體長度為1 880 mm,寬度為1 300 mm,厚度為500 mm;進料口寬口長度為500 mm,寬度為500 mm,高度為400 mm;進料口窄口長度為109 mm,寬度為109 mm;進風口長度為300 mm,寬度250 mm。在SolidWorks里建模完成后將風選裝置模型輸出為XT格式并導入ICEM CFD網格劃分軟件中,添加進風口、物料入口、辣椒出口1、辣椒莖稈出口2及辣椒葉出口3,設置各進出口完成后劃分網格如圖2所示。

圖1 風選裝置示意

圖2 風選裝置網格

1.2 顆粒模型

考慮到EDEM軟件本身自動模型的一些缺陷,因此選取在辣椒清選除雜中成分濃度較大的辣椒、辣椒葉片、辣椒莖稈等作為重點的研究對象進行顆粒建模。由于目前EDEM軟件研究粒子模型均全部使用球形結構來描述,所以采用“多球叢聚法”的方式,對3個大小不同的研究粒子加以簡化、重疊合并及重新填充來替代實際風選的研究粒子模型[3]。顆粒模型如圖3所示,朝天椒由22個不同粒徑(最大直徑10 mm)的小球形結構合并填充而成,總長度為104 mm;辣椒葉由1 000個直徑為1 mm的球體合并填充而成,總體長度為150 mm,總體寬度為46 mm;而辣椒稈則由40個直徑為3 mm的球體合并填充而成,總體長度為107 mm。

圖3 三維模型示意

2 物料力學特性及仿真參數(shù)設置

2.1 物料力學特性及接觸參數(shù)

根據(jù)文獻[4-5]中所述方法,通過WDW3100微機控制電子萬能試驗機對朝天椒、辣椒葉及辣椒稈進行壓破試驗和拉伸試驗求取泊松比與剪切模量,通過天平與量筒法測量密度。根據(jù)文獻[6-7]中的測量方法,通過斜板試驗(滑動法與滾動法)分別測量辣椒、辣椒稈、辣椒葉與鋼板之間的摩擦接觸參數(shù),通過碰撞試驗分別測量辣椒、辣椒稈、辣椒葉及鋼板間的恢復系數(shù)。EDEM軟件中,物料粒子的力學特征參數(shù)和接觸系數(shù)分別如表1和表2所示,風力分選裝置材料則采用鋼材。

表1 材料的物理參數(shù)

表2 相關顆粒的材料接觸系數(shù)

2.2 仿真參數(shù)設置

利用軟件EDEM-Fluent耦合技術對辣椒進行風選模擬,在EDEM軟件中選擇Hertz-Mindlin(no-slip)的顆粒接觸模型用于仿真模擬,將辣椒、辣椒葉和辣椒莖稈的時間生成比率設置為6∶1∶0.25,辣椒的時間生成步長速率設置為1 200個/s,辣椒葉的時間生成步長速率設置為200個/s,辣椒稈的時間生成步長速率設置為50個/s,在EDEM中仿真的固定時間步長設置為29.678 4%,模擬時間總時長設置為6 s。Fluent中,模擬的仿真結果計算模型使用標準的k-ε湍流模型,并設置仿真邊界的狀態(tài),將入口處設置為速度入口,將出口設置為壓力出口,將時間步長設置為EDEM的100倍,即時間步長設置為7×10-4s,總的步數(shù)為8 571步。

3 仿真模擬及分析

3.1 氣流速度分析

辣椒風選裝置的進料口設置有顆粒生成工廠,辣椒、辣椒葉和辣椒桿從進料口顆粒生成工廠處自由下落,以氣流速度20 m/s為例,圖4為1 s時辣椒風選裝置物料分布位置瞬態(tài)示意圖,在出口1、2處設置Ⅰ區(qū)為辣椒含雜率統(tǒng)計區(qū)及Ⅱ區(qū)為辣椒損失率統(tǒng)計區(qū)。由圖4可看出,當物料在水平氣流的影響下落入氣流區(qū)域時,3種仿真物料顆粒的運動軌跡不同:辣椒落入出口1,而出口2和出口3收集到的分別是辣椒桿和辣椒葉。

圖4 物料顆粒位置瞬態(tài)圖(t=1 s)

這是因為辣椒、辣椒葉子和辣椒莖稈的空氣動力學特性不同,因此垂直下落的物料在水平氣流作用后會有不同的軌跡。物料受自身重力G、空氣浮力P′和水平氣流P的作用,三力合力為F。如圖5所示,物料在力F的方向上,其運動軌跡是一條拋物線,角度α方向就是物料運動的角度。

圖5 物料顆粒受力示意

如果空氣浮力P′忽略不計,則有[8]

(1)

P為粒子和氣體相對運動時,其所引起的相互作用力。其大小為[9]

P=kρAv2=kρA(vq-vw)2

(2)

k為空氣阻力系數(shù);ρ為空氣密度;A為物料的受風面積,即物料在空氣流動方向的直接投影面積;v為物料與氣流的相對速度;vq為氣流速度;vw為物料速度。

辣椒含雜率與損失率為評價辣椒清選裝置工作性能的關鍵指標,因此以辣椒含雜率Ed和辣椒損失率El作為該風選裝置的主要性能衡量指標,則有[10-11]:

(3)

(4)

W1為Ⅰ區(qū)辣椒含雜率統(tǒng)計區(qū)域統(tǒng)計的辣椒質量;M為Ⅰ區(qū)辣椒含雜率統(tǒng)計區(qū)域統(tǒng)計的物料總質量;W2為Ⅱ區(qū)辣椒損失率統(tǒng)計區(qū)域統(tǒng)計的辣椒質量。

為探討風速大小對辣椒風選結果的影響效果,采用控制變量的方法,保證其他各項條件參數(shù)相同,從而進行模擬風速分別為15 m/s、20 m/s和25 m/s三種不同風速時的辣椒風選過程。通過Ⅰ區(qū)辣椒含雜率統(tǒng)計區(qū)域和Ⅱ區(qū)辣椒損失率統(tǒng)計區(qū)域統(tǒng)計的數(shù)據(jù),得到不同風速下的辣椒含雜率與損失率,如圖6所示。

圖6 風速對辣椒風選效果的影響

由圖6可以看到,當氣流速度分別設定為15 m/s、20 m/s和25 m/s時,辣椒的含雜率分別為11.774%、4.624%和1.676%。比較上述三種氣流速度條件下的仿真統(tǒng)計結果,在氣流速度為20 m/s時,辣椒的含雜率相比氣流速度為15 m/s時的含雜率減少了7.15%,而在氣流速度為25 m/s時,辣椒的含雜率相較氣流速度為20 m/s時的含雜率減少了2.948%。辣椒的損失率分別為0.959%、1.798%和6.476%;經過比較三組數(shù)據(jù)后,可知:當氣流速度為15 m/s時,辣椒的損失率相對較小,將氣流速度增大至20 m/s時,辣椒的損失率就上升了0.839%,而繼續(xù)將氣流速度提高至25 m/s時,辣椒的損失率則比原氣流速度為20 m/s時上升了4.678%。

由以上仿真數(shù)據(jù)的對比分析可以看出,提高風速可以增加辣椒的風選效果,但會導致風速增大時辣椒從辣椒葉出口處吹出缺陷。這是因為水平氣流速度的增大,從而使水平氣流作用力P增加,故物料夾角α和物料水平方向上的運動速度都增大了,辣椒葉片和辣椒莖稈中摻雜的辣椒數(shù)量也增多,所以在提高水平氣流速度時,可以減少辣椒中的含雜率,但同時,辣椒的損失率也會增大?？傮w而言,選擇具有較高分離率和較低損失率的吹風速度,即在風速為20 m/s時可獲得最佳分離效果,此時,辣椒含雜率為4.624%,損失率為1.798%。

3.2 氣流傾角對風選結果的影響

為研究氣體傾角對物料運動行為及清選質量的影響,將風選裝置進風口由0°(水平)改為傾角5°,即氣體傾角β改為5°,圖7、圖8是在氣流速度均為20 m/s時,進風口傾角分別為0°、5°條件下的氣流速度云圖。由圖7和圖8可知,兩種條件下的氣流在風力分選裝置內都存在著層流現(xiàn)象,近壁側區(qū)域氣流速度相對較小,但在進風口處的氣流速度均高于出口3處的氣流速度。氣流傾角傾斜5°時,辣椒風選裝置的頂部氣流速度較大,裝置內氣流走向整體高度有所抬升。經過比較圖7、圖8可知,改變氣流傾角對氣流速度的總體分配規(guī)律影響并不大。

圖7 氣流傾角為0°的氣流速度云圖

圖8 氣流傾角為5°的氣流速度云圖

圖9給出了當氣流速度為20 m/s時,氣流水平與氣流傾角5°情況下辣椒的含雜率變化和損失率情況。由圖9可以看到,在氣流傾角5°時,辣椒的含雜率為2.382%,損失率為3.563%,比較同樣氣流速度下,根據(jù)氣流傾角為0°時的計算結果可知,當氣流傾角為5°時辣椒的含雜率減少了2.242%,而損失率則上升了1.765%。

圖9 風速20 m/s時,氣流傾角對辣椒風選效果的影響

根據(jù)空氣動力學原理,在相同風速下,當氣流傾角為5°時,1出口辣椒中雜質含量減少,而2、3出口辣椒損失率增加。

綜上所述,當風力速度為20 m/s時,選擇吹風傾角為5°能達到較好的辣椒風力分選效果,而此時辣椒的含雜率為2.382%,損失率為3.563%,為最佳的辣椒風力分選參數(shù)。

4 田間試驗

2020年9月,使用改進的辣椒收獲樣機對辣椒進行田間采收試驗,設置風選裝置的進風口的氣流傾角為5°,試驗時風選氣流速率大小調節(jié)為20 m/s,試驗地點為貴州省遵義市綏陽縣風華鎮(zhèn)金承村的辣椒培育試驗區(qū),辣椒平均含水率為55.2%。

由田間采收試驗可知:收獲機采摘的辣椒經過風選,辣椒的含雜率為4.6%,辣椒的損失率為4.2%,對比改進前辣椒風選,改進后辣椒的風選效果較好,收獲機采摘的辣椒經過風選達到辣椒的存儲及運輸條件,進一步驗證了該機風選系統(tǒng)滿足辣椒的風選工作要求。

5 結語

通過對辣椒在不同風速和不同氣流傾角下的仿真結果數(shù)據(jù)分析及田間采收試驗,得出如下結論:

(1)風速對最終的辣椒風選的結果影響較大。當風速為15～25 m/s,如果不考慮辣椒的損失率,辣椒風選的風速越高,辣椒的含雜率也就越低,在平均風速為25 m/s情況下,最終風選得到的辣椒含雜率最低可以達到1.676%。如果考慮損失率,在20 m/s的平均風速下可以獲得最佳的風選結果,所得辣椒最終含雜率為4.624%,辣椒損失率為1.798%。

(2)氣流的角度對辣椒的風選效果也有一定的影響。當風速設定為20 m/s,進風口氣流傾角為5°時,辣椒的雜質含量為2.382%,損失率為3.563%。對于水平氣體則不同,因為傾斜氣體的物料顆粒飛行系數(shù)比水平氣體的高,而物料顆粒的水平運動距離也大,所以在相同條件下,如果氣體傾角為5°時,物料顆粒的含雜率降低,但損失率也增加了。

(3)通過田間采收試驗,可知收獲機采摘的辣椒經過風選,辣椒的含雜率為4.6%,辣椒的損失率為4.2%,收獲機采摘的辣椒經過風選達到辣椒的存儲及運輸條件,進一步驗證了該機風選系統(tǒng)滿足辣椒的風選工作要求。