新型谷物清选装置中气固两相流的数值模拟和试验研究

本文介绍了谷物清选装置的国内外研究状况，针对目前在清选装置设计和研究上存在的几点问题，提出了一种新型的贯流式谷物清选装置，并且设计和制造了样机。这款新型的清选装置有三个主要特点：一是配置了一个喇叭形扩展通道，该通道既保证了清选室侧面尺寸与出风口尺寸一致，使气流进入清选室时在垂直于气流速度的整个清选室端面上均匀分布，又增强了气流的速度；二是采用了贯流式风机作为风源，该风源产生的气流在风机的轴向上均匀分布；三是设计了两个相向转动的喂料辊，使得进入清选室内的谷物呈均匀的薄层状，这样就保证了大部分难风选的短茎秆在进入清选室时其轴向与风向垂直，使短茎秆与谷粒尽快分离。在纯气流运动时，对扩展通道和清选室内的气流运动状态和分布规律进行研究。基于气相k－ε湍流模型，建立气体的运动方程式和边界条件，模拟气体的流动，得到了扩展通道和清选室内气流场的运动速度及其分布规律。引入了离散单元法，建立了离散单元颗粒的力学模型，推导出了颗粒之间的接触力计算方程和颗粒模型的运动方程。基于计算流体力学－离散单元法（CFD-DEM）联合仿真清选室内气固两相流模型，采用SIMPLE方法对流体相进行模拟，采用颗粒轨道模型对物料颗粒进行模拟计算，得到了各个颗粒在清选室内的位置状态和运动轨迹。模拟计算的结果表明，清选室内气流存在一定的水平分层现象，表现为靠近清选室上下壁板附近流速低，中部流速高，但在层内流场分布平稳，没有明显涡流产生；谷物中不同组分颗粒的运动轨迹有很大差异，表明该新型贯流式清选装置可有效分离谷物物料中的不同成分。进行了两组定条件下的谷物清选实验，并用高速摄像机拍摄了谷粒、颖壳和短茎秆在不同时刻的分布状态。通过Blaster’sMAS分析软件分别描绘出了它们在清选室内的运动轨迹。最后将两组不同的实验条件下得到的实际轨迹和采用基于离散单元法的气固两相流模拟计算所得到的运动轨迹进行对比，发现实验所得到的结果和理论计算出来的结果比较吻合，验证了理论模型的正确性。