基于EDEM-Fluent耦合的钙果风筛式清选装置仿真与试验

吴 楠，贺俊林，刘少华，何永强

(山西农业大学农业工程学院，山西 晋中 030801)

0 引言

钙果，学名欧李，富含钙元素，营养含量高[1-2]。钙果机械采收后，钙果脱出物中会夹杂较多枝叶、茎秆等杂质，影响钙果制品的生产效率，钙果清选成为钙果机械采收后亟待解决的问题。

随着计算机技术的迅速发展，近年来离散元法和计算流体力学已广泛应用于清选装置的分析。刘义伦等[3]运用EDEM软件模拟各粒级颗粒在不同条件下的筛分过程，得出颗粒运动速度随着振幅和筛面倾角的增大而加快，振幅越小，越有利于小颗粒筛分。李永祥等[4]运用EDEM软件对振动筛的筛分过程进行仿真模拟，得出振动筛最佳振动参数。李洪昌等[5]运用CFD-DEM对装置中物料在筛面上的运动进行模拟研究，发现风机出口风速在一定范围增加会使物料后移速度增加。王桂锋等[6]应用离散元法模拟和分析筛分过程，得到最佳筛分效率下各个筛分参数，建立了振动筛参数与筛分效率关系曲线。LI Hua等[7]运用离散单元法模拟了谷物在振动筛上的运动，发现选择较大的振动频率和筛面倾角更有利于谷物分离。江海深等[8]通过DEM仿真研究了在不同筛面长度下，圆孔筛与方孔筛对煤炭直线振动筛筛分效率的影响。王立军等[9]采用CFD-DEM耦合仿真方法模拟风筛式清选装置中玉米脱出物在振动筛筛面上的运动状况。

上述离散元法模拟筛分过程的分析仅是对玉米、水稻等小颗粒状物料的筛选，对于钙果等大颗粒物料筛选过程的仿真分析鲜有研究。

本文结合钙果物理特性，设计并建立了钙果清选装置模型，利用EDEM-Fluent耦合的方法，对钙果清选装置清选过程进行仿真分析，优化清选装置参数并进行台架试验，以期得到钙果清选装置最优工作参数组合。

1 清选装置结构及工作原理

钙果风筛式清选装置结构如图1所示，该装置由抖动板、吊杆、振动筛、连杆、曲柄圆盘、支撑杆、风机、电机及机架等组成。

1.电机 2.曲柄圆盘 3.连杆 4.机架 5.支撑杆 6.振动筛 7.吊杆 8.吊板 9.抖动板 10.风机图1 钙果风筛式清选装置结构Fig.1 Structure of air screen cleaning device for Cerasus humilis

钙果等物料在抖动板上方落下，经抖动板喂入清选室内，在振动筛的往复振动下落入集果箱中。在清选过程中，杂余的一部分从抖动板落到振动筛的空中被风机吹出清选室外，另一部分落到振动筛上，在清选筛的往复运动与风机的共同作用下排出清选室。

2 清选装置简化模型及颗粒模型

2.1 清选装置简化模型

清选装置简化仿真模型如图2所示，模型由喂料口、振动筛、进风口和出料口等组成。清选装置尺寸1 600 mm×600 mm×600 mm，进风口直径260 mm，出风口尺寸600 mm×300 mm，振动筛选用圆形筛孔，筛板尺寸520 mm×1 500 mm，孔直径28 mm，孔间距40 mm，筛面开孔率65%。

1.进风口 2.清选室 3.喂料口 4.振动筛 5.出料口图2 钙果清选装置简化模型Fig.2 Simplified model of Cerasus humilis cleaning device

2.2 颗粒模型

钙果脱出物中有茎秆、叶子及灰尘等，统计钙果脱果装置作业后收集到的物料中钙果、叶子与茎秆所占的个数比为8∶12∶5。在EDEM软件中，采用“多球重聚法”对钙果等进行简化和填充[10]。钙果形状近似于球形，平均直径22 mm，茎秆由12个直径5 mm的球体填充而成，长度17 mm。叶子则由57个直径1 mm的球体填充而成。具体模型如图3所示。

图3 颗粒三维模型Fig.3 Three-dimensional model of particles

3 物料力学特性及仿真参数设置

3.1 物料力学特性及接触系数

在仿真过程中，钙果脱出物各物理特性参数如表1所示，试验测得各材料之间的接触系数如表2所示[11]。

表1 物料物理特性Tab.1 Physical characteristics of materials

表2 材料之间接触特性Tab.2 Contact characteristics between materials

3.2 仿真参数设置

运用CFD-DEM耦合计算模拟清选装置的作业过程。其中气相由Fluent 19.0计算，颗粒相由EDEM 2018计算。

在Fluent中选择求解器，涡粘模型选择SIMPLE模型；设置工作环境为1个大气压；设定边界条件，入口风速分别为8、10和12 m/s，出口设置为压力出口[12-13]。

在EDEM中各材料接触模型选用Hertz-Mindlin(no-slip)接触模型[14-15]。设定清选装置中振动筛的运动为简谐运动，振动频率分别为6、9和12 Hz，振幅分别为8、10和12 mm。EDEM中时间步长为雷利时间步长的30%，Fluent时间步长是EDEM的50倍。

4 仿真结果与分析

4.1 单因素仿真试验

以钙果的清洁率B，损失率C为钙果清选装置的性能指标。分别以风速、振动筛频率和振幅为影响因素进行单一变量仿真试验。钙果清洁率B计算方法如式(1)所示，损失率C计算方法如式(2)所示。

(1)

(2)

式中W1——仿真完成后集果箱内钙果等混合物的总个数

W2——仿真完成后集果箱内钙果的个数

M1——仿真前喂入钙果的总个数

4.1.1风速对清选效果的影响

在振动筛振幅10 mm，振动频率9 Hz的情况下，对风速分别为8、10和12 m/s的清选过程进行模拟。得到不同风速下的钙果损失率B、清洁率C，如图4所示。

图4 风速对清选效果的影响Fig.4 Effect of wind speed on cleaning effect

4.1.2振幅对清选效果的影响

在风速10 m/s，频率9 Hz的情况下，对振幅分别为8、10和12 mm的清选过程进行模拟。得到不同振幅下的钙果损失率B、清洁率C，如图5所示。

图5 振幅对清选效果的影响Fig.5 Effect of amplitude on cleaning effect

4.1.3频率对清选效果的影响

在风速10 m/s，振幅10 mm的情况下，对频率分别为6、9和12 Hz的清选过程进行模拟。得到不同振幅下的钙果损失率B、清洁率C，如图6所示。

图6 频率对清选效果的影响Fig.6 Effect of frequency on cleaning effect

4.2 试验结果分析

由图4可以看出，当风速从8 m/s增加到12 m/s时，钙果的损失率由3%增加到20%，钙果的清洁率由94.1%先增加到98.5%然后再减少到95.6%。这是由于风速越大，愈多物料经风力作用被吹出清选室外，钙果的损失率增加，清洁率降低。综合考虑，风速10 m/s时，能保证较高的清选效果。

由图5可以看出，钙果的损失率与振幅成正相关，而清洁率则随着振幅的增加先增大后减小。这是由于振幅越大，物料被抛起的高度越高，钙果到达筛面的时间就越长，透筛效率降低，钙果损失率增加，筛下钙果的比例减少，清洁率降低。综合考虑，振幅10 mm时，能保证较高的清选效果。

由图6可以看出，当振动筛频率逐步增加，钙果的损失率也逐渐增大，钙果的清洁率先增大后减小。这是由于振动筛的频率较大时，钙果跳动频率增加，与杂余的接触次数增加，影响透筛，钙果的损失率增加，筛下钙果比例减少，清洁率降低。综合考虑，频率9 Hz时，清选装置的作业效果较好。

5 台架试验

基于仿真优化参数结果，设计加工钙果风筛式清选装置，试验装置如图7所示。试验台风力由CTZ电动吹风机提供，试验台振动筛频率由电机转速控制，试验台振动筛振幅由机架吊杆长度控制。

图7 钙果风筛式清选装置Fig.7 Air screen cleaning device for Cerasus humilis

5.1 试验方法

以清洁率和损失率为评价指标，分别以振动筛频率、振幅和风机风速为影响因素作单一变量试验，探究振动筛频率、振幅和风速等因素对装置清选效果的影响。

设定钙果混合物喂入量100个/s，成分及比例与仿真时一样，均匀混合后，预试验将300个钙果脱出物喂入清选装置，经多次试验保证钙果等混合物在5 s内从抖动板完全下落。每次试验将钙果脱出物重新按比例混合进行试验。

5.1.1风机风速试验

设定振动筛振幅10 mm、频率9 Hz，研究不同风机风速对清选效果的影响。

5.1.2振动筛频率试验

设定振动筛振幅10 mm、风速10 m/s，研究不同振动筛频率对清选效果的影响。

5.1.3振动筛振幅试验

设定振动筛频率9 Hz、风速10 m/s，分别在8、10和12 mm振动筛振幅下进行试验，分析不同振幅对清选效果的影响。

5.2 试验结果与分析

试验结果如表3所示。由表3可以看出，随着风机风速、振动筛频率与振幅的增加，清选装置的清洁率先增大后减小，损失率逐步增大。其结果与仿真结

表3 单因素试验与结果Tab.3 Single factor tests and results

果基本一致。

5.3 正交试验分析

为了探究风机风速、振动筛频率与振动筛振幅对钙果风筛式清选装置清选效率影响的最优组合，开展3因素3水平正交试验，试验因素指标如表4所示。

表4 试验因子指标Tab.4 Test factor indexes

利用Design-Expert 8.0.6软件对试验数据进行方差分析，分析结果如表5所示。由方差分析结果可知，风机风速与振动筛振幅对清选装置清选效果的影响极显著，振动筛频率对清选装置清选效果显著。各因素对清选效率影响的优先级为风机风速>振动筛振幅>振动筛振动频率。

表5 方差分析Tab.5 Analysis of variance

5.4 最佳清选参数选择

根据单因素试验与正交试验结果，综合考虑钙果等物料物理特性，选择最优清选参数为风机风速10 m/s，振动筛振幅10 mm，振动筛振动频率9 Hz。在最优清选参数下，装置的清洁率96.3%，损失率3.4%

6 结论

(1)针对目前钙果采收高含杂率的问题，结合钙果等物料物理特性，设计了钙果风筛式清选装置，主要由风机、振动筛、机架、吊杆和支撑杆等组成。

(2)在CFD-DEM耦合过程中，随着风速、振动筛的振动频率和振幅的增大，钙果的损失率一直增加，钙果的清洁率先增加后减少。

(3)根据清选装置单因素试验结果，随着风速、振动筛振动频率和振幅的增大，钙果的损失率一直增加，钙果的清洁率先增加后减少。此结果与CFD-DEM耦合仿真结果趋势基本一致。

(4)根据台架试验与仿真试验结果，风速10 m/s、振幅10 mm和频率9 Hz为最佳工作参数，此时钙果清洁率96.3%，损失率3.4%。