基于CFD-EDM耦合的气吸式红枣捡拾机气力输送装置仿真分析

张凤奎, 张宏, 兰海鹏, 于福锋, 李忠杰, 李平

(塔里木大学机械电气化工程学院, 新疆维吾尔自治区普通高等学校现代 农业重点实验室, 新疆 阿拉尔 843300)

红枣种类繁多，产量逐年攀升。红枣收获作业分为打枣、拾枣和杂质分选三部分，整个作业过程劳动强度大、耗时长且与其他作物收获期重叠，从而造成生产成本增加、作业效率低下和雇工难、雇工贵等问题，实现红枣机械化收获可解决上述难题。目前红枣机械化收获装备以气吸式红枣捡拾机械的研究为主[1-6]。气吸式红枣捡拾机具有适应性强、通过性好和体积小等特点，其气力输送装置是影响其工作效率和损耗的关键装置。

随着离散单元法(discrete element method)和计算流体动力学(computational fluid dynamics)的发展，模拟技术已成为研究多相流和结构优化的重要工具[7-14]。基于CFD-EDM气固耦合的试验方法广泛用于研究颗粒与颗粒间及颗粒与壳体间的运动状态及气流场的特征[15-16]。该方法也在农业工程领域被用于研究颗粒在气流场的分布及优化工作参数等方面[17-19]，如小浆果采收、谷物分选和玉米播种器优化等[20-22]。工作参数优化主要针对关键部件的结构和运行参数，通过优化进而提高机械装备作业效率。气吸式红枣捡拾机的气力输送装置包括输送管路和清选箱两部分，因红枣在气力输送过程中形成的气固两相流较复杂，同时清选箱箱体的结构对该机作业效果产生较大影响，故本文利用CFD-EDM气固耦合试验法对该机的气力输送装置进行仿真分析，以期获得红枣在输送过程中的运动特性、流场分布特性与清选箱箱体结构参数之间的关系。

通过分析红枣在输送过程中的运动状态和气流场分布规律，提出优化清选箱箱体结构的方案，并通过样机试验验证仿真结果，为气力式红枣捡拾机械的设计与试验提供参考。

1 原理与方法

1.1 气吸式红枣捡拾机与箱体结构

1.1.1气吸式红枣捡拾机结构 该机主要包括气力输送装置、卸料装置、离心风机、动力输出装置、下料装置和行走装置等(图1)。其中,气力输送装置由手持吸管、输料软管和清选箱组成。

该机工作时，通过动力输出装置驱动离心风机转动，使气力输送装置内部产生负压，手持吸管将落地红枣及杂质拾起并由输料软管输送到清选箱中，然后通过清选箱对红枣和杂质实现分离作业，分离后的红枣经卸料装置和下料装置落入到收集框中。

1.1.2清选箱箱体结构 如图2所示，清选箱箱体形状为“┓”形，有利于沉降细小杂质、减少空气污染并防止杂质损伤风机叶片，主要分为分离室、沉降室、拦枣栅和挡枣板四部分。

清选箱主要作用是实现红枣与杂质的分离，故栏栅栅距D需小于红枣三轴尺寸最小值。通过悬浮速度测量试验测得红枣的悬浮速度为17.2～21.4 m·s-1，枣叶和枣枝的悬浮速度分别为0.5～2.2和1.2～3.2 m·s-1，为保证杂质能被气流带出箱体，箱体中的平均气流速度需大于杂质悬浮速度,最大值为3.2 m·s-1。清选箱箱体结构参数计算如式(1)[23]所示。

(1)

式中，U为箱体中平均气流速度，3.5 m·s-1；Q为气体流量，133 7.9 m3·h-1；B为箱体宽度，m；H1为箱体高度，m。

通过计算得出箱体宽度B与箱体高度H1的乘积约为0.11 m2，确定箱体宽度B为315 mm，箱体高度H1为350 mm，箱体入口高度H2为170 mm。

1.2 红枣物料模型构建

1.2.1基本物料参数测量 供试品种为灰枣，于2019年12月5日阿拉尔市十团某枣园内捡拾表面无损伤、果肉无缺失、形状较为规则的红枣200粒，测量其三轴尺寸、质量和体积等物料参数，物料参数数值如表1。

表1 物料参数Table 1 Material parameter

1.2.2构建红枣颗粒模型 为减少个体差异对试验的影响，依据测得的红枣三轴尺寸平均值使用Solidworks软件绘制三维模型，将排出的颗粒变化范围值设置为物料模型体积的0.8～1.2倍，符合红枣体积变化范围；然后将三维模型作为几何体导入EDEM 软件中，使用其particle工具对模型进行手动填充，获得由46个直径为5 mm的球形颗粒聚合成物料离散元模型。

1.3 CFD-EDM仿真试验

气吸式红枣捡拾机的性能主要由该机气力输送装置中的气流流动性能决定，为阐明该机气力输送装置内气固两相流流动特性，本文利用CFD-EDM耦合法对该机气力输送装置进行了仿真研究。

1.3.1EDEM模型构建 为便于软件仿真模拟和分析，需对气力输送装置简化处理，故将手持吸管和输送软管设计成一体式管路以便于网格划分，加快仿真速度。应用SolidWorks软件构建仿真模型(图3)，将实体模型保存为x_t格式后导入EDEM中。

1.3.2FLUENT模型构建及网格划分 FLUENT划分的网格模型与EDEM中导入的模型略有不同，主要因实物样机有卸料装置，该装置可以防止漏气减少压力损失，所以在构建划分实体模型时，将图3中物料出口改为密封结构。本文构建的模型结构较为复杂，为简化实际工作条件，选择非结构网格模型划分方法，以缩短仿真模拟的计算时间。为提高网格质量，保证网格质量均大于0.3，防止因网格质量差而影响仿真结果，对网格质量进行检查和梳顺，优化后的网格数量为248 434个，节点数为492 875。

1.3.3参数设置 在DEM-CFD进行耦合计算时，红枣颗粒体积分数较大，对流场的影响不可忽略，因而本文采用Eulerian模型对红枣在气输送装置中的气固耦合进行模拟。输送管路和箱体输送过程中空气流速的雷诺数(Re)计算均为公式(2)[24]。

(2)

式中，Re为雷诺数；ρ为空气密度，kg·m-3；v为气流平均速度，m·s-1；D1为输送管路内径，m；μ为空气动力粘性系数。

该机输送管路直径为130 mm，气流平均流速28 m·s-1；箱体的等流量当量直径约为400 mm，假设箱体中的气流平均流速为杂质悬浮速度最大值3.2 m·s-1，计算得出其Re值远大于紊流流动的临界值，因此整个过程气体的运动形态为紊流。在EDEM软件中选用多种接触模型，由于红枣在运动过程中主要受滚动摩擦力和气流作用力，又考虑到红枣表面无粘接力，故选用Hertz-Mindlin无滑移接触模型。

通过上述分析，气力输送装置气相选用Eulerian-Langrangian不可压缩流体模型，标准k-ε湍流模型求解；固相选用Hertz-Mindlin无滑动接触模型，CFD-DEM耦合仿真模块中选用Saffman剪切升力和Magnus旋转升力模型。设定入口风速为实测值28 m·s-1，设置颗粒工厂颗粒总数为200粒，排出速度为0.01 m·s-1，颗粒工厂排除颗粒变化范围值为红枣颗粒模型体积的0.8～1.2倍，在红枣体积变化区间范围内。仿真参数设置如表2所示。

表2 仿真参数设置Table 2 Simulation parameter design

1.4 箱体结构仿真优化试验

根据两相流仿真结果，对原有箱体结构进行优化。在相同仿真参数下设计六组对照试验，主要探究箱体拐角内径大小对箱体流场的影响，第一组仿真试验为原箱体的两相流仿真试验，其他五组对照试验为不同拐角内径下优化箱体的两相流仿真试验，拐角内径分别为50、100、150、200和250 mm。

1.5 样机试验

为验证气力输送装置气固两相流的数值模拟仿真试验的可行性，本文通过样机试验进行验证。

1.5.1试验条件 为更好的观察和测量试验数据，将清选箱箱体加工为透明箱体，材质为有机玻璃。该箱体可通过插入弧形插板和更换箱体组装部件实现箱体结构变化，样机其他组成部件皆为原部件。试验红枣品种为灰枣。

1.5.2试验验证 试验场地为新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业重点实验室。捡拾物料5 kg，离心风机转速和卸料器转速分别为3 000和25 r·min-1；对原有箱体和优化后箱体各试验5次求平均值，保证物料捡拾量、风机转速和卸料装置转速一致。

2 结果与分析

2.1 物料模型分析

通过EDEM软件构建的红枣颗粒模型如图5所示。该模型由手动填充颗粒构成，填充时球颗粒水平排列放置，由大端到小端球颗粒数目逐渐减少，可使物料模型较平滑。

2.2 气力输送装置仿真结果分析

2.2.1两相流流动特性分析 图6显示了在气流作用下，输送过程中红枣速度变化及其分布情况。可以看出，红枣运动过程可分为上升段、弯管段、加速段和分离段4部分。红枣在上升段分布均匀，呈加速趋势上升；在进入弯管段后，在其弯管外侧壁面中线附近聚集，形成类似于绳状的结构，通常称之为颗粒绳[25-27]。颗粒绳是弯管内气固两相流的典型特征，离心力和碰撞是其形成的主要原因，弯管外侧附近红枣密度明显高于其他区域，但运动速度明显低于其他区域；当红枣离开弯管段后，在湍流和其自身重力的作用下，聚集的颗粒绳逐渐分散，进入加速段。加速段因红枣质量较大，水平气流速度无法使其悬浮，故红枣主要分布于管路底部且靠近底部的红枣速度略小于靠近底部上层的红枣速度；红枣进入分离段，此时达到其最大运动速度，约为4.85 m·s-1，然后撞击拦枣栅和挡枣板后，速度骤降，呈下落趋势。

从红枣运动状态分析(图7)可知，在气力输送过程中有少量红枣遗留于箱体中，大部分红枣主要撞击位置分布于拦枣栅下端和挡枣板中上端且少部分被拦枣栅卡住或通过拦枣栅，主要原因是受到箱体入口高度的影响。

2.2.2两相流流场分析 运用Tecplot软件对耦合后的计算结果进行处理和分析，结果如图8所示。由流场中心截面的压力和速度分布可知，通过拦枣栅的平均流速约为17.85 m·s-1，分离室和沉降室易产生涡流现象增大箱体能量损失，且气流轨迹混乱，并没有沿箱体输送路径流动。通过比照在输送过程中红枣分布情况与压力云场分布可知，在上升段流场压力和速度变化不明显，因在上升段红枣分布较为均匀；在弯管段和加速段，流场压力和速度分布受红枣分布影响较大，红枣分布处相比没有红枣处的出压力减小，速度减小；管路中压降变化明显，均小于入口处总压强，说明压降能量大部分用于转化为红枣运动的动能及红枣群提升的重力势能。

2.3 箱体结构仿真优化试验结果分析

由图9可知，在相同参数下,原有箱体通过拦枣栅的气流速度变化不明显，平均流速为17.85 m·s-1，气流运动轨迹呈直线状并没有沿箱体路径运动；优化后的箱体随着拐角内径增大，通过拦枣栅的平均流速降低且减少涡流现象发生，气流运动轨迹清晰均匀并随箱体路径运动；当拐角内径为200 mm时最佳，降低通过拦枣栅的平均流速至6 m·s-1，气流轨迹清晰均匀并随箱体路径运动。降低通过拦枣栅的气流速度可防止红枣因自身动能过大而造成损伤；箱体入口处易产生涡流现象，主要原因为箱体入口位置过高造成。

通过上述结论对原有箱体结构进行优化，将箱体入口高度降低以减少红枣因动能多大通过拦枣栅的概率并防止涡流现象发生，此时箱体入口高度为65 mm；将拦栅形状设计为环形拦栅，以增大碎杂清堵装置清堵面积；将挡枣板设计为倾斜挡板以防止少量红枣残留于箱体中，优化后箱体模型如图10所示。

为验证优化箱体可行性，对优化后箱体进行耦合仿真分析。由图11可知，红枣在输送管路中的运动状态变化不明显，但因箱体入口高度的调节，绝大部分红枣撞击倾斜挡板后从箱体出口排除且红枣的最大运动速度减小为4.74 m·s-1，在运动过程中无红枣残留于箱体。当降低箱体入口高度后，箱体入口处无涡流现象发生，拦枣栅处的气流速度大于杂质的悬浮速度，可保证杂质顺利通过。

2.4 样机试验结果分析

样机试验结果如表3所示。分析样机试验结果得出，吸口处气流速度为28 m·s-1时，原箱体拦枣栅处气流平均速度为18.5 m·s-1，优化后箱体拦枣栅处气流速度为7.5 m·s-1，与仿真试验结果较接近。由物料输送情况分析得出，通过降低箱体入口使绝大多数红枣撞击于挡枣板上，然后落入卸料装置中。这不仅缩短红枣输送时间，还可防止红枣因撞击拦栅出现红枣卡在拦栅上和穿过拦栅现象的发生，降低物料损伤率。

表3 优化验证结果Table 3 Optimization results

3 讨论

目前，气力式红枣收获机械的研究主要为小型气力式落地红枣捡拾机械,多利用负压吸送原理实现落地红枣的捡拾，但因箱体与筛分装置易被堵塞，作业效果不佳[1-2]。潘俊兵等[4]研制的气吹式红枣捡拾装置利用正压吹送原理实现落地红枣的捡拾，该机对红枣损伤较小，但需对落地红枣进行清扫聚拢，树下红枣不易收获。张学军等[5-6]研制的气力式矮密栽培红枣捡拾机，适用于矮化密植栽培模式下的红枣收获，收获后的红枣含杂率较低。前人的研究主要为气力式红枣收获机械的设计和试验，对气力输送装置中物料输送过程的运动特性、流场分布特性与箱体结构参数之间的关系研究较少。

CFD-EDM耦合法是将颗粒相用EDEM进行计算求解，将气相用FLUENT进行计算求解，然后通过气固耦合两相的动量交换实现耦合计算[25，28-31]。为更深入研究气力式红枣收获机械，本研究利用CFD-DEM耦合法对气吸式红枣捡拾机的气力输送装置进行模拟仿真。将仿真模型和红枣颗粒模型与ICEM-CFD非结构网格模型分别导入EDEM和FLUENT中，然后建立两种软件的耦合仿真联系。通过两相流流动特性分析结果得出，在气力输送过程中有少量红枣残留于箱体，且主要撞击点分布于拦枣栅下端和挡枣板中上端，三轴尺寸较小的红枣易通过拦枣栅或被卡住。通过降低箱体入口高度可解决这一问题；两相流流场分析结果得出分离室和沉降室出现涡流现象且气流没有沿输送路径流动，通过拦枣栅的平均流速为17.85 m·s-1；仿真优化后箱体仅有箱体入口处有涡流现象发生，通过拦枣栅的平均流速为6 m·s-1，可防止红枣因动能过大造成撞击拦枣栅后的损伤；分析优化箱体的耦合试验结果得出，箱体入口处并无涡流现象发生，运动过程中无红枣残留于箱体，且绝大部分红枣撞击倾斜挡板后从箱体出口排除。

为验证耦合仿真试验的可行性，本研究通过样机试验进行验证，结果表明，实际的红枣运动状态与仿真模拟的结果比较接近；当箱体入口气流速度为28 m·s-1时，原箱体和优化后箱体拦枣栅处的平均气流速度分别为16.54和7.5 m·s-1，与仿真结果较接近。因此说明采用CFD-EDM两相流耦合技术进行气吸式红枣捡拾机气力输送装置的气力输送运动特性模拟仿真和箱体结构优化是可行的。本研究通过优化箱体结构可提高样机气力输送装置的输送效率，降低物料损伤率，可为气吸式红枣捡拾机械箱体结构设计提供参考和依据。但影响气吸式红枣捡拾机械作业性能的因素还有很多，如箱体入口距地高度、箱体外形形状和分离除杂装置的设计等，对箱体结构参数的设计和其他关键装置的设计还需进一步研究。在今后的研究中，不仅要对气吸式红枣捡拾机械继续优化，还需对其增加打枣装置和清扫聚拢装置，在捡拾前对树上红枣进行敲打并清扫聚拢，提高整机工作效率，实现全程机械化，以取代人工打枣和清扫聚拢作业。