基于CFD-DEM耦合的核桃风选研究
随着一、二产业融合发展,核桃产业不仅与农业工程关联,而且与机械工业、食品工业等各行业之间的联系也越来越密切。壳仁分离作为核桃精深加工工艺前最重要的工序之一,作业质量直接影响产品附加值高低,改善风选分离装置工作性能将成为促进核桃加工作业质量整体提高的关键一环。风选法在硬壳类坚果壳仁分离装置中应用广泛,然而在气流清选过程中涉及到复杂的气固两相流,传统研究方式难以准确描述。伴随着计算机辅助工程（Computer Aided Engineering,CAE）的推广,关于气固两相流装置研发与设计已经超越了传统的研究方式。利用CAE技术对农产品清选作业工况进行数值模拟已成为明晰其工作原理的重要手段,但仅考虑单一物理场的模拟已无法反映流场的特征。基于计算流体力学与离散元理论的气固两相流耦合方法可使气体相与固体相在各自计算域中进行计算,再综合分析以实现对核桃壳仁混合物在分离装置中的气流清选过程的模拟。本文以CFD-DEM耦合方法为研究手段,以壳仁清选率和分离损失率为核桃壳仁风选分离装置分离性能评价指标对风选分离装置展开研究。首先通过对流场的分析确定了分离装置的结构模型,分析破壳后壳仁混合物迎风面积分布范围从而确定典型壳仁混合物粒径分布,完成对核桃风选分离装置和破壳后各壳仁混合物建模;基于气固两相流耦合基本原理,从单颗粒和颗粒群双重尺度探究分析了不同物料颗粒在分离装置中的运动状态,验证了CFD-DEM耦合方法在核桃壳仁风选分离研究的可行性;对单颗粒壳仁物料进行空气动力特性试验,确定壳仁各混合物悬浮速度差异,同时,确定入口风速、挡板开度和入风口倾角为试验因素,开展核桃壳仁颗粒群风选分离单因素仿真试验,确定较优的水平范围,依此开展多因素组合试验从而确定最佳工作参数组合。研究结果表明:利用CFD-DEM耦合方法可获得壳仁混合物仿真悬浮速度,测试各壳仁混合物悬浮速度,核桃壳平均悬浮速度区间在8.03m/s-14.79m/s,核桃仁平均悬浮速度区间是11.29m/s-20.19m/s,相较于试验测试结果偏差分别为0.1%和3.4%;通过单因素试验表明:随着入口风速的增大,壳仁清选率和分离损失率升高,随着挡板开度的增加,壳仁清选率和分离损失率先降低后升高,随着入风口倾角的增大,壳仁清选率降低分离损失率升高;组合试验结果表明:挡板开度对壳仁清选率影响最为显著,入风口倾角对分离损失率影响最大。得到最佳工作参数组合为:入口风速为24m/s,挡板开度为7cm,入风口倾角为10°。
- 作者：
- 李昊
- 学位授予单位：
- 塔里木大学
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2022年
- 导师姓名：
- 张宏
- 中图分类号：
- S226.5
- 关键词：
- 核桃壳仁分离；CFD-DEM；数值模拟；参数优化；温185
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- 基金项目：
- 兵团科技发展专项“兵团中青年科技创新领军人才”的部分研究成果（项目编号:2018CB014）课题主持人:张宏教授（塔里木大学）