垂直流场中的蔗叶松弛时间

袁成宇+区颖刚+刘庆庭+黄峥+周绍鹏+梁宇达

摘要：通过自制的测试装置，借助高速摄像对垂直管流中的蔗葉松弛时间进行研究。结果表明，蔗叶松弛时间随蔗叶长度增加逐渐降低，随气流速度的增大，蔗叶松弛时间逐渐减小。

关键词：松弛时间；垂直流场；蔗叶；悬浮速度；高速摄像

中图分类号： S225.5+3文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）07-0197-02

当一个质量为m的球形颗粒以初速度为0的状态进入速度为u的流场中时，由于流体与颗粒之间会进行动量交换，颗粒将在一定时间内达到稳定输送状态，由速度为0到流场中稳定状态的这一时间即为颗粒松弛时间，它是评价颗粒进入气流后能否快速跟随气流一起运动的重要参数，是判断颗粒在气流输送中稳定性与输送难易的主要依据[1-3]。蔗叶在气流输送中的松弛时间是判断其能否快速跟随气流运动并达到稳定状态的重要依据，对切段式甘蔗联合收割机除杂系统的设计与优化有较好的指导作用。

现有研究主要对萝卜、荔枝、马铃薯、苹果、牧草、酱牛肉和番茄等固体物料的应力松弛特性进行初步研究。如张洪霞通过萝卜的应力松弛试验，得出萝卜在不同加载速率、不同方向取样时的流变学参数，从而得出应力松弛曲线[4]。郭文斌等通过对马铃薯的应力松弛试验，获得不同压深、不同面积下应力松弛参数和曲线，确定马铃薯整体压缩时应力松弛为五元件广义麦克斯韦模型[5]。蒋志林等对荔枝进行了不同试验条件的压缩应力松弛和损伤统计试验，确定荔枝应力松弛模型并分析试验因素对模型参数和荔枝损伤的影响等。马龙等以多个品牌酱牛肉为试样，从应力松弛试验中获得力学-流变学性质参数，认为五元件麦克斯韦模型适合酱牛肉的应力松弛现象[6]。现有应力松弛特性研究主要集中于黏弹性固体物料的压缩试验，鲜见有关颗粒在流体中的松弛特性的研究[4，7]。因此，本试验借助高速摄影系统对蔗叶在气流输送过程中的松弛时间进行初步研究，以期为切段式甘蔗收获机除杂系统的设计与优化提供理论参考[8]。

1材料与方法

1.1材料

蔗叶样品为收获期的自然态蔗叶，品种为新台糖22号，取自华南农业大学宁西试验基地。取蔗叶中部约100 cm长范围进行样品定制，将蔗叶修剪成宽度为4 cm，长度分别为5、10、15、20、25 cm的长方形样品并压平，样品的平均含水率为71.22%，平均厚度为0.036 cm，密度为0.93 g/cm3。

1.2试验装置

蔗叶松弛时间测试系统如图1所示，主要包含高速摄影系统和蔗叶加速与悬浮装置，该装置主要由直径为0.4 m、高2.5 m的有机玻璃管7、风机2、整流装置3以及单相变频器等组成，其中风机2最大速度为11 m/s，D为变频器，变频器调节范围为0～50 Hz。高速摄影系统由德国Optronis公司生产的CR600×2型高速摄像机和自带的数据处理系统组成，其记录的频率最高为6 500帧/s（FPS），记录容量为 4 GB。本次测试采用的记录频率为500 FPS，即1 s拍摄500张图片，相邻图片的时间间隔为0.002 s，像素为1 280×1 024，采用传统的黄光碘钨灯照明。风速的测量采用德国Testo公司生产的手持式testo405-V1测速仪，其测量范围为0～20 m/s，精度为001 m/s，蔗叶几何尺寸采用游标卡尺测量，蔗叶质量采用电子称质量计测量，其范围为0～10 kg，精度0.000 1 kg。

1.3测量方法

由于蔗叶长、宽、厚3个方向尺寸相差较大，其空间姿态也时刻变化，所以其在流场内受到的流体作用力也不稳定，蔗叶在整个上升过程中较难处于稳定状态，此次试验得出的松弛时间为每一样品5次试验中的最小值。根据松弛时间的物理意义可知，蔗叶从零速首次达到稳定速度所需的时间即为松弛时间，据此先调节好高速摄影镜头与测试样品所处竖直平面间的距离，启动高速摄影数据记录系统的同时使蔗叶开始加速上升，拍摄从静止进入稳定输送状态的过程图片序列，再将序列图片导入软件Image-pro-plus中进行对象标定，利用软件自动计算相邻2图片间蔗叶运行的速度，直到连续出现3次计算的相邻速度值基本保持不变，则认为蔗叶达到松弛状态，再将首次出现此速度前所有时间累加视为蔗叶的松弛时间，用公式表达即

式中：τ为松弛时间；n是蔗叶速度首次达到稳定状态时对应的图片序列数。

2结果与分析

2.1测试装置精度分析

由于为自制的加速与悬浮装置，先验证测试装置内部流场的均匀性是否满足测试要求。采用同心圆环等面积原理在玻璃圆管测量段上截取等距的5个截面，其中截面1距物料网10 cm，截面间隔为20 cm，每个截面沿直径取7个测点，各个截面上风速的测量结果如表1。

从表1的风速均值可看出，随着截面位置的上升，由于沿程摩擦的影响，风速逐渐变小且趋势平缓，根据标准差可以看出各个截面上各测点的速度波动不大。由以上数据分析可知，试验装置基本满足蔗叶流场加速与悬浮的测量要求。

2.2不同长度蔗叶的松弛时间变化规律

以频率代替气流速度的大小，当变频器示数分别为25、31、37、43、49 Hz时，蔗叶长度与松弛时间的关系如图2所示，从图2可以看出，在同一气流场中，随着蔗叶长度的增大，松弛时间逐渐减小，说明在一定范围内，蔗叶越长，松弛时间越短，蔗叶能在越短的时间内达到稳定输送状态。但蔗叶在 15～25 cm范围内，松弛时间的变化比较平缓，说明蔗叶切段达到一定长度范围后，长度的变化对进入稳定输送状态的时间影响弱化。

2.3不同速度下蔗叶松弛时间的变化规律

同样以变频器的频率代替气流速度，测试样品的原始长度为25 cm，当测完其松弛时间后再剪去5 cm，即修剪为长度为20 cm的样品，测试后再剪去5 cm，以此类推直至完成 5 cm 长的样品试验，测试结果如图3所示。

从图3可以看出，对同一长度的蔗叶样品，当气流速度增大时，蔗叶松弛时间变小，但变化趋势相对比较平缓。风速处于37～49 Hz范围时，风速的变化对蔗叶松弛时间影响不明显，说明在此范围内的蔗叶松弛时间受风速影响不大。因此在切段式甘蔗联合收获时，除杂风机的转速越快，蔗叶进入稳定状态越快，蔗叶可在极短的时间内进入稳定输送状态，也就越有利于蔗叶的清除，但在气流速度较高时，气流速度的变化对松弛时间影响已经不大。

3结论

利用自制的测试装置，借助高速摄影装备获取蔗叶在垂直流场中运行的序列图像，通过对图像处理获得流场中的蔗叶松弛时间的变化规律。在同一气流速度中，随着蔗叶长度的增加，松弛时间逐渐减小；对同一几何尺寸的测试样品，当气流速度增加时，蔗叶松弛时间变短。在切段甘蔗混合物除杂时，高速气流条件下，蔗叶能更快进行稳定状态，输送更容易；在一定长度范围内，蔗叶越长，松弛时间越短，则蔗叶越容易达到稳定输送状态，但随着蔗叶长度的增加，叶长的变化对其松弛时间的影响减弱。

参考文献：

[1]袁竹林，朱立平. 气固两相流动与数值模拟[M]. 南京：东南大学出版社，2013：22-25.

[2]杨伦，谢一华. 气力输送工程[M]. 北京：机械工业出版社，2006：73-75.

[3]马云海，张金波，吴亚丽. 农业物料学[M]. 北京：化学工业出版社，2015：77-79.

[4]张洪霞. 固体物料应力松弛特性的研究[J]. 桂林电子工业学院学报，2003，23（3）：85-88.

[5]郭文斌，王春光，刘百顺. 马铃薯应力松弛特性[J]. 农业机械学报，2008，39（2）：205-207.

[6]马龙，武杰，赵大庆，等. 酱牛肉应力松弛特性实验[J]. 食品与发酵工业，2013，39（1）：221-224.

[7]陆秋君，王俊，何喜玲，等. 常温贮存中番茄应力松弛特性试验[J]. 农业机械学报，2005，36（7）：78-82.

[8]王静，廖庆喜，田波平，等. 高速摄像技术在我国农业机械领域的应用[J]. 农机化研究，2007（1）：184-186.