基于DEM-CFD耦合的谷物清选模拟研究
发布时间：2021-06-11 23:11
为研究谷物及其杂质在风选装置内的运动特性,降低清选作业中谷物的含杂率、夹带损失率,同时保证谷物的清选率,采用DEM-CFD耦合方法模拟了不同风速及气流倾斜角下谷物的清选过程,并结合空气动力学,分析了谷物及其杂质在流场中的运动状态及分离机理。通过分析不同参数下的仿真结果表明:水平气流速度为5 m/s时,谷物平均含杂率为10.575%,夹带损失率仅为0.066%;随着水平气流速度增大,气流水平作用力P增大,物料飞行系数增加,水平方向位移随之增大。水平气流速度设置为9 m/s时,谷物平均含杂率降低为0.307%,夹带损失率升至1.275%。将气流角度由水平改为倾斜10°时,物料的飞行系数变大,谷物平均含杂率有所下降,而夹带损失率升高。
【文章来源】：山东农业大学学报(自然科学版). 2020,51(04)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
β=10°图8给出了气流倾斜角度为10°条件下，各时刻出口2处的谷物含杂率。当气流倾角设置为10°(a)v=9m/s,β=10°(b)v=9m/s
，高度为160mm，厚度为80mm，进料斗宽口处长度为100mm，宽度为70mm，窄口处长度为50mm，宽度为15mm；进风口长度60mm，宽度60mm。将模型导入ANSYSWorkbench中划分网格，网格如图2所示。图1风选装置图2网格Fig.1WinnowingdeviceFig.2Grid考虑到EDEM软件自身建模的缺陷，所以选择谷物清选除杂中成分含量较高的谷粒、短茎秆、碎茎秆为研究对象。由于EDEM中的颗粒均采用球形，故采用“多球丛聚法”对三种颗粒进行简化、重叠组合、填充[16]，如图3所示，其中谷粒由13个不同粒径的球体填充而成，短茎秆由2个半径为2mm和19个半径为1mm的球体填充而成，碎茎秆由36个半径为0.5mm的球体填充而成。(a)谷粒Grain(b)短茎秆Shortstalk(c)碎茎秆Crushedstalk图3物料颗粒三维模型图Fig.33Dmodelsofmaterialparticles1.4模拟参数设置EDEM中物料颗粒的力学特性参数及接触系数如表1和表2所示[17,18]，风选装置材质选用钢，由于短茎秆和碎茎秆为同种物质，表1、表2中均用茎秆代表。谷物、短茎秆与碎茎秆比例为4:1:0.25，设定谷粒生成速率为1200个/s，短茎秆生成速率为300个/s，碎茎秆的生成速率为75个/s，仿真时间步长设置为瑞利（Rayleigh）时间步长的33.9182%，即4e-6s，仿真时间总时长为10s。Fluent中模拟仿真采用标准的k-ε湍流模型。时间步长设定为EDEM的100倍，即4e-4s。表1材料的物理参数Table1Physicalparametersofthematerial材料Material泊松比Poisson"sratio剪切模量/PaShearmodulus密度/(kg/m3)Densit
第4期赵磊等:基于DEM-CFD耦合的谷物清选模拟研究·741·2仿真模拟及分析2.1气流速度分析在风选装置的入料口处设置颗粒工厂，谷物、短茎秆及碎茎秆在入料口处自由下落，进风口气流速度设置为5m/s。图4为2s时风选装置内部的物料位置瞬态图，在出口2和出口3处分别设置含杂率统计区域和损失率统计区域。从图4中可以看出，物料落入气流作用区域后，在水平气流作用下3种物料颗粒呈现出不同的运动轨迹，谷粒全部落入出口2中，其中掺杂部分短茎秆，而出口3收集到的全部为短茎秆和碎茎秆。由于谷物、短茎秆、碎茎秆的空气动力特性不同，竖直下落的物料受到水平气流作用后会呈现不同的运动轨迹，物料在风选装置内受到自身重力G，空气浮力P′以及水平气流作用力，三个力的合力为F，如图5所示，物料将沿着F的方向运动，其运动轨迹为抛物线，物料的运动方向角为α。(a)谷粒Grain(b)短茎秆Shortstalk(c)碎茎秆Crushedstalk图5物料颗粒受力图Fig.5Diagramofmaterialparticleforce如果空气浮力P′忽略不计，则[19]：mgkvvAGPwq2)(tan(11)当水平气流作用力P不变时，重力越大，α就越大，即物料颗粒的运动方向角α越大。空气动力学中，tanα为物料在流场中的飞行系数，物料的粒度、密度等物理性质不同，在同一气流中的飞行系数也不相同，当气流速度一定时，飞行系数越大的颗粒在气流驱使下所做的水平位移越大。由公式(11)可知，当α(0,π/2)时，物料的飞行系数与自身质量成反比，因此质量较大的谷粒下沉趋势明显，率先落入出口2中，而质量相对较轻的短茎秆和碎茎秆在水平气流作用力的驱
本文编号：3225446
【文章来源】：山东农业大学学报(自然科学版). 2020,51(04)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
β=10°图8给出了气流倾斜角度为10°条件下，各时刻出口2处的谷物含杂率。当气流倾角设置为10°(a)v=9m/s,β=10°(b)v=9m/s
，高度为160mm，厚度为80mm，进料斗宽口处长度为100mm，宽度为70mm，窄口处长度为50mm，宽度为15mm；进风口长度60mm，宽度60mm。将模型导入ANSYSWorkbench中划分网格，网格如图2所示。图1风选装置图2网格Fig.1WinnowingdeviceFig.2Grid考虑到EDEM软件自身建模的缺陷，所以选择谷物清选除杂中成分含量较高的谷粒、短茎秆、碎茎秆为研究对象。由于EDEM中的颗粒均采用球形，故采用“多球丛聚法”对三种颗粒进行简化、重叠组合、填充[16]，如图3所示，其中谷粒由13个不同粒径的球体填充而成，短茎秆由2个半径为2mm和19个半径为1mm的球体填充而成，碎茎秆由36个半径为0.5mm的球体填充而成。(a)谷粒Grain(b)短茎秆Shortstalk(c)碎茎秆Crushedstalk图3物料颗粒三维模型图Fig.33Dmodelsofmaterialparticles1.4模拟参数设置EDEM中物料颗粒的力学特性参数及接触系数如表1和表2所示[17,18]，风选装置材质选用钢，由于短茎秆和碎茎秆为同种物质，表1、表2中均用茎秆代表。谷物、短茎秆与碎茎秆比例为4:1:0.25，设定谷粒生成速率为1200个/s，短茎秆生成速率为300个/s，碎茎秆的生成速率为75个/s，仿真时间步长设置为瑞利（Rayleigh）时间步长的33.9182%，即4e-6s，仿真时间总时长为10s。Fluent中模拟仿真采用标准的k-ε湍流模型。时间步长设定为EDEM的100倍，即4e-4s。表1材料的物理参数Table1Physicalparametersofthematerial材料Material泊松比Poisson"sratio剪切模量/PaShearmodulus密度/(kg/m3)Densit
第4期赵磊等:基于DEM-CFD耦合的谷物清选模拟研究·741·2仿真模拟及分析2.1气流速度分析在风选装置的入料口处设置颗粒工厂，谷物、短茎秆及碎茎秆在入料口处自由下落，进风口气流速度设置为5m/s。图4为2s时风选装置内部的物料位置瞬态图，在出口2和出口3处分别设置含杂率统计区域和损失率统计区域。从图4中可以看出，物料落入气流作用区域后，在水平气流作用下3种物料颗粒呈现出不同的运动轨迹，谷粒全部落入出口2中，其中掺杂部分短茎秆，而出口3收集到的全部为短茎秆和碎茎秆。由于谷物、短茎秆、碎茎秆的空气动力特性不同，竖直下落的物料受到水平气流作用后会呈现不同的运动轨迹，物料在风选装置内受到自身重力G，空气浮力P′以及水平气流作用力，三个力的合力为F，如图5所示，物料将沿着F的方向运动，其运动轨迹为抛物线，物料的运动方向角为α。(a)谷粒Grain(b)短茎秆Shortstalk(c)碎茎秆Crushedstalk图5物料颗粒受力图Fig.5Diagramofmaterialparticleforce如果空气浮力P′忽略不计，则[19]：mgkvvAGPwq2)(tan(11)当水平气流作用力P不变时，重力越大，α就越大，即物料颗粒的运动方向角α越大。空气动力学中，tanα为物料在流场中的飞行系数，物料的粒度、密度等物理性质不同，在同一气流中的飞行系数也不相同，当气流速度一定时，飞行系数越大的颗粒在气流驱使下所做的水平位移越大。由公式(11)可知，当α(0,π/2)时，物料的飞行系数与自身质量成反比，因此质量较大的谷粒下沉趋势明显，率先落入出口2中，而质量相对较轻的短茎秆和碎茎秆在水平气流作用力的驱
本文编号：3225446
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