秸秆固态发酵回转筒内颗粒混合状态离散元参数标定

为解决秸秆碎料在发酵过程中积热和触氧条件不均的问题,采用离散元法研究回转筒内秸秆颗粒的运动特性。为利用实验值定量对比仿真,基于图像处理法,定量分析实验法和离散元法的滚筒内颗粒混合状态。通过虚拟堆积实验和滚筒内颗粒混合仿真与实验现象进行对比,标定离散元法的颗粒物性参数。结果表明:图像法表征混合状态时,子域大小的划分与颗粒尺寸相关;影响堆积角的主要因素为颗粒间静摩擦因数和密度;影响回转筒内颗粒混合的主要因素为颗粒与壁面粘性系数和颗粒与壁面滚动摩擦因数;验证标定参数结果表明,颗粒参数能用于离散元法描述回转筒内秸秆碎料的运动特性。     

番茄秸秆与发酵菌种立式螺旋混合设备参数优化

针对番茄秸秆基质化造肥处理过程中秸秆碎料与发酵菌种难以混合问题,提出立式螺旋混合搅拌装置。通过对物料的动力学分析、立式螺旋混合的离散元仿真分析和试验表明,混合3 min以后,混合变异系数小于10%,平均功耗小于0.078 1 k W,验证了对秸秆基质化处理的可行性;随搅拌叶片螺距增加,混合变异系数得到降低,功耗呈先增大后减小的趋势;随搅拌叶片转速的增加,混合变异系数同样得到降低,功耗呈大幅度提高的趋势;随填料高度的增加,混合变异系数和功耗呈增加趋势;影响混合变异系数的主次顺序依次为螺距、转速和填料高度。构建了混合变异系数与结构和工作参数的数学模型,并进行优化,得到当填料高度440 mm、转速30 r/min、螺距400 mm时,物料混合变异系数最优为4.3%;将离散元仿真功耗与试验值进行对比,误差均值为13.5%,验证了仿真结果的正确性。     

转筒内D型二元颗粒物料滚落模式的径向分离

针对D型二元颗粒物料在转筒内的分离问题,以粘土颗粒和木制颗粒组成的物料为对象,采用离散单元法模拟了滚落运动模式下物料在转筒内的运动与分离过程。通过颗粒接触数定义物料混合指数,并结合Hong的渗流与凝聚竞争理论定量分析了物料的径向分离。结果表明:滚落运动模式下物料在转筒截面上分为平流层与活动层两部分,颗粒之间的分离运动发生在活动层;颗粒密度差异引起凝聚作用,使木制颗粒向转筒内壁分散而粘土颗粒向中心聚集,物料形成"月亮模式"分离形态;通过配置2种颗粒的半径可引入渗流机理,当渗流作用与凝聚作用相互平衡时,可避免物料发生径向分离;渗流机理的引入不受转筒尺寸的影响。     

茶园施肥机离心撒肥过程仿真与参数优化

针对目前茶园中无专用施肥或撒肥装备,传统的大田撒肥装置无法适应茶树较窄行距的问题,根据茶树行距和肥料特性,设计了叶片位置倾角可调的偏置式撒肥离心盘。基于撒肥过程的受力和运动分析,以肥料颗粒为对象,建立其在离心盘上运动的动力学模型。基于Design-Expert的正交试验设计和中心组合曲面响应设计,首先进行撒肥过程的离散元仿真,建立颗粒分布变异系数与施肥机行走速度、离心盘叶片个数、叶片偏置角度等因素之间的关系模型并解析;然后进行撒肥工作参数的优化。结果表明,各因素对分布变异系数影响的主次顺序为:叶片个数、偏置角度、行走速度;叶片个数与偏置角度的交互作用对分布变异系数的影响较为明显,叶片个数与偏置角度的交互作用对分布变异系数的影响较弱;经回归分析和优化可知,当叶片个数为5、偏置角度为13.44°、行走速度为0.6 m/s时,分布变异系数达到最小值6.12%;验证试验的实测值与模型理论值的平均相对误差为11.18%。因此,基于离散元的撒肥过程仿真可用于离心式撒肥装置工作参数的优化,并可获得较好的茶园撒肥均匀性。     

基于堆积试验的针形茶叶离散元仿真参数标定

针对针形茶叶在理条机加工过程中离散元仿真缺少准确的模型参数,导致茶叶理条机离散元仿真过程中易出现失真问题,以单芽茶叶颗粒为研究对象,基于切片技术的近似法建立颗粒模型,采用离散元仿真与漏斗注入法堆积试验相结合的方法,对其仿真参数进行标定。以茶叶颗粒的休止角为响应值,设计Plackett-Burman试验得到对茶叶颗粒休止角有显著性影响的参数：茶叶颗粒间碰撞恢复系数、茶叶颗粒间静摩擦系数和茶叶颗粒间滚动摩擦系数;以仿真试验休止角和实际堆积试验休止角之间的相对误差为目标,进行最陡爬坡试验确定显著性参数的最优值范围,并通过Box-Behnken试验建立茶叶颗粒休止角与显著性参数之间的二次多项式方程,利用Design-Expert软件优化模块得出显著性参数最优值：茶叶颗粒间碰撞恢复系数0.28、茶叶颗粒间静摩擦系数0.15、茶叶颗粒间滚动摩擦系数0.10;并对标定的结果进行离散元仿真验证,结果表明：仿真得到的茶叶颗粒休止角均值为19.52°,与实际茶叶颗粒休止角20.23°相比,相对误差为3.51%,说明此参数标定结果合理有效。为茶叶理条机的优化设计及茶叶加工数值模拟过程提供一定的理论参考。     

双轴卧式日粮混合机加工质量影响因素试验

对影响双轴卧式全混合日粮混合机加工质量的主要结构与运动参数、物料特性及装料顺序等因素进行了试验研究.提出了评价全混合日粮混合加工质量的指标--日粮混合均匀度及粒度.通过试验得出了其结构与运动参数、物料的主要特性、物料装料顺序对全混合日粮混合加工质量的影响规律.结果表明,日粮含水率适宜范围为30%～60%,物料的合理装料顺序为作物秸秆、青贮、干草、精料.     

基于EDEM的滚筒烘丝过程物料运动行为研究

为揭示滚筒烘丝复杂系统的内在关系和规律,提升烘丝质量和物料利用率,提高企业生产过程质量控制水平,满足企业精细化生产需求,根据某卷烟厂烘丝生产线,建立滚筒烘丝设备模型、烟丝离散模型,并应用EDEM离散元仿真系统模拟计算滚筒内烟丝物料运动状态,分析不同典型工艺参数下烟丝在滚筒内的运动行为,得出烟丝物料行为的基本状态和规律。结果表明:EDEM仿真计算结果将密封滚筒内烟丝物料运动的“黑箱”过程“可视化”,将烟丝物料运动行为数字化表征;各物料颗粒的上抛高点、下落低点、水平移动距离有明显差异,但在滚筒内的总体运动轨迹呈周期性螺旋式向前运动;物料在滚筒中的运动行为主要有3种典型状态:持料上升运动、泻落运动、抛落运动。     

回转式日粮混合机混合机理分析与性能试验优化

针对我国日粮混合机机理研究及自主设计不足的问题,结合我国畜牧业发展的实际需要,设计了一种在筒体内壁安装抄板的回转式日粮混合机,实现日粮的均匀混合。为揭示其混合机理,利用回转式日粮混合试验装置,借助高速摄像技术对其混合过程进行了观察和分析,结果可知:按筒体内物料颗粒群运动特征可将物料分布区域划分为提料区、抛落区、回料区,其中抛落区是主混合区,其物料以剪切混合为主、以扩散与对流混合为辅,且各个区域的位置、大小、形状受结构和运行参数的影响很大;同时,以筒体转速、物料装载率、混合时间、抄板安装角和抄板高度为试验因素,以变异系数、净功耗为评价指标,采用五因素五水平(1/2部分实施)正交旋转组合试验方法进行了性能优化试验,并确定其最佳参数组合为:筒体转速23.5 r/min、物料装载率65%、混合时间4 min、抄板安装角11°、抄板高度109 mm,此时变异系数、净功耗分别为2.09%、33.734 kJ,比优化前分别降低了64.4%和15.1%。     

多维并联振动筛筛分过程解析与筛面运动形式优选

针对物料在多维并联振动筛筛面上的运动过程及其规律不明确,以及采用何种筛面运动形式最佳的问题,研究了物料颗粒在多维振动筛筛面上的运动过程,并提出最佳的筛面运动形式。引入分散度与分层速率2个指标,基于颗粒离散单元法(DEM)研究各单自由度振动对筛面上物料分散和分层过程的影响,优选出分散度和分层速率较优的4个单自由度振动,即:分别沿筛面长度、宽度和高度方向的移动x、y和z,以及绕筛面法线方向的转动γ,其中,x和y单自由度振动效果尤为明显。在优选振动自由度组成的各种振动形式下,基于筛分效率和含杂率,对多维振动筛面的物料透筛过程进行模拟研究,表明:3平移1转动(3T-1R)四维振动形式透筛性最好,为理想的筛面运动。据此设计了一种3T-1R并联机构,并在样机上进行了筛分试验验证。     

水平转筒内大豆颗粒随机运动与混合特性模拟

基于离散单元法,利用EDEM软件对水平转筒内大豆颗粒运动的随机性与混合特性进行了模拟研究,分析了转筒转速与装载量对颗粒随机运动及混合特性的影响.结果表明:转筒转速的提高有利于改善颗粒的随机运动过程,而且颗粒的混合效果增强,混合速度加快.装载量的影响相反,随着装载量的增大,颗粒在转筒径向方向的随机运动虽有增大,但堆积现象比较明显,沿转筒轴向方向的随机运动明显降低,颗粒的混合速度变慢,混合效果变差.     

农业类颗粒体物料蓬松机构设计与试验

针对农业类颗粒体物料久置、潮解后易于粘结等实际问题，设计一种使特定工况下结成团或块状的颗粒体农业物料变得蓬松的机构。首先，选取轴式螺旋轴为螺旋叶片主轴，机构单次最大工作量为60 kg，设计螺旋叶片宽度为127.5 mm，内缘叶片厚度为20 mm，外缘叶片厚度为10 mm。运用SolidWorks软件和simulation工具对叶片进行刚度和强度校核分析。然后，利用单因素变量试验分析法探讨颗粒体的特性以及颗粒群在进入到机构内的运动规律，研究颗粒块体积和螺旋叶片转速对颗粒体蓬松率的影响。最后，设置电机转速和单次工作量两个参数，采用颗粒物料试验验证法研究机构的工作效率和蓬松率以验证机构的实用性。研究结果表明：所设计的机构具有良好的可靠性和稳定性，蓬松机构转速与蓬松率呈正相关，颗粒体体积与蓬松率呈负相关，以结块的硫酸铵饲料颗粒为试验对象，在电机转速1 000~1 200 r/min时，块状颗粒体蓬松率能达到98.23%以上。     

搅拌滚筒内非牛顿流体的流场分析

针对混凝土这种典型的非牛顿流体中的宾汉流体,建立了其本构方程和流体力学模型.以有限元为依据,应用计算流体动力学技术,基于k-ε模型,利用Fluent软件计算了预拌混凝土在搅拌滚筒内的三维流场,数值模拟搅拌叶片螺旋角为73°时流场的流线和轴向出料速度,较为真实地反映了混凝土在滚筒内搅拌的实际情况.通过与搅拌叶片螺旋角为66°和80°的搅拌滚筒内流动的模拟计算比对,表明螺旋角为73°的叶片的搅拌性能和出料速度均优于其他螺旋角的搅拌叶片,能满足搅拌运输车的搅拌滚筒对拌料匀质、送料连续和低动力消耗的要求.同时进行了相应的试验比对,验证了模拟分析的正确性.该搅拌筒内非牛顿宾汉流体混凝土流动的数值模拟,表明基于k-ε模型的CFD数值模拟方法可以用于搅拌筒内混凝土这种非牛顿流体的搅拌过程的分析.     

基于离散元法的旋耕过程土壤运动行为分析

土壤与耕作部件间的相互作用规律是设计和选用土壤耕作部件的基础。研究土壤和耕作部件间的相互作用规律就是要研究耕作部件对土壤产生的作用和它们之间的作用力,首先必须探讨耕作部件工作时土壤运动规律和施加于土壤的作用力。为此本文建立基于离散元方法的旋耕工作模型;对比分析实验与仿真的土壤位移:在土槽实验中采用示踪块方法测量土壤位移,仿真中通过追踪表层土壤颗粒的运动获得仿真位移;利用实验和仿真数据对土壤位移和运动机理进行分析。结果表明:土壤水平和侧向位移都随着转速增加呈现增加的趋势;土壤的水平运动位移总是大于同转速下的侧向位移。浅层土壤颗粒的运动位移最大,中层土壤次之,深层土壤最小。较深位置的土壤,距离旋转中心越近的土壤颗粒水平位移和侧向位移越大。在旋耕刀切土范围内的土壤,有向相反方向运动趋势的浅、中、深层颗粒比例分别为26.2%、72.1%、48.4%。在水平力作用下,大部分土壤颗粒随着旋耕刀切土有向后运动的行为;土壤在开始时刻的侧向受力和侧向运动方向,由颗粒的侧向位置是否偏离侧切刃轴线决定,位于侧切刃轴线左侧的颗粒,则其侧向力向左,反之亦然;土壤在垂直方向先随着刀具入土向下运动,然后滑出刀刃边界被抛起。本文建立的仿真模型得到的土壤水平位移和侧向位移与相应实验值的误差为24.9%和15.3%。本文运用离散元法进行旋耕过程中土壤宏观和细观运动行为的分析,有助于理解旋耕刀与土壤的相互作用机理,为旋耕机械的设计与优化提供理论依据。     

混合沙粒对半开式叶轮离心泵磨损的影响

为了研究含有混合多种颗粒粒径的含沙水对离心泵过流部件磨损特性的影响,应用RN G k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,基于颗粒离散相模型(DPM)和半经验的McLaury磨损模型,沙粒注入选用Rosin-Rammler分布的拟合方法,对1台半开式离心泵内固液两相流的磨损特性进行数值分析.研究结果表明:叶轮流道内沙粒组分...     

颗粒直径对渣浆泵冲蚀磨损性能的影响

为探究渣浆泵在输送固液两相流介质时颗粒直径对冲蚀磨损的影响,采用k-ε湍流模型(液相)、离散相零方程模型(固相)和Finnie塑性冲蚀磨损模型,通过拉格朗日法计算出不同颗粒直径下颗粒的运动轨迹.对颗粒与过流零件表面撞击的冲击速度、冲击角度等参数进行了数值模拟,进而探讨固液两相流中浆体对渣浆泵的磨损规律.结果表明:小直径颗粒在流道中分布相对均匀,与过流部件发生撞击概率很小,对叶片的冲蚀磨损相对较弱.大直径颗粒的运动轨迹易向叶片工作面靠拢,且易与叶片头部发生碰撞.直径较大时,颗粒冲击叶片和蜗壳圆周壁面的角度和速率更大,且存在多次撞击过程,对叶片和蜗壳壁面的冲蚀磨损程度相对较大,造成严重的冲蚀磨损.     

双轴桨叶式混合机内椭球颗粒混合特性模拟

为探讨双轴桨叶式混合机内椭球颗粒的随机运动和混合特性,采用离散元法对颗粒混合过程进行了模拟研究。从单颗粒的随机运动轨迹、颗粒群的流线运动轨迹的角度分析了颗粒运动规律及混合特征,定量描述了混合程度与转子旋转圈数的数学关系。结果表明:混合机内椭球颗粒的随机运动剧烈,径向和轴向上的混合效果良好;分层颗粒的混合均匀是在对流混合,剪切混合和扩散混合共同作用下实现的;分层颗粒的混合度与转子旋转圈数直接相关,混合度与圈数的关系符合指数增长模型。     

开沟旋耕机渐变螺旋升角轴向匀土刀辊设计与试验

针对长江中下游农业区开厢沟后旋耕作业地表平整度差、土壤轴向分布不均匀等问题,设计了一种渐变螺旋升角轴向匀土刀辊。分析了旋耕刀轴向运土力学条件,建立了匀土刀辊旋耕刀扰土体积参数方程和旋耕刀渐变螺旋升角排列螺旋线方程,并分析确定了影响匀土刀辊轴向匀土性能的关键因素为刀辊转速、旋耕切土节距、初始螺旋升角。运用离散元法模拟匀土刀辊作业过程,以耕后地表平整度为试验指标,以刀辊转速、旋耕切土节距、初始螺旋升角为试验因素,进行了正交试验,建立地表平整度回归方程。利用Design-Expert分析软件得到最优参数组合为：刀辊转速260r/min、旋耕切土节距8.3cm、初始螺旋升角71°,此时仿真地表平整度为17.35mm。在最优参数组合下进行了田间试验,结果表明,匀土刀辊作业后,地表平整度、土壤轴向分布均匀度、耕深稳定性系数、碎土率的均值分别为14.5mm、8.82%、92.34%、81.66%,整体耕整效果优于常用旋耕刀辊。     

大尺寸固体颗粒对固液两相流输送泵叶轮的磨损

针对大尺寸固体颗粒对输送泵叶轮的磨损问题,借助商用计算流体动力学软件STAR-CCM+开展数值模拟研究.采用变曲率弯管试验结果验证数值模拟模型的物理有效性,进而考虑介质浓度、颗粒粒径对输送泵运行性能和磨损特性的影响.研究结果表明:泵内固体颗粒的分布不均匀,叶片工作面对颗粒做功导致颗粒高速撞击叶片是叶片发生磨损的关键因素.输送泵叶轮的磨损主要发生在叶片的进口边和背面,首级叶轮的磨损量始终大于次级叶轮.介质浓度的增加会导致叶轮磨损量增加.当颗粒粒径由25 mm增加至30 mm时,首级叶轮和次级叶轮的磨损率均出现急剧增长,叶轮的磨损加剧.输送小颗粒时,应着重对叶片的进口角度进行优化,减轻小颗粒对叶片进口边的磨损;输送大颗粒时,应对叶片的型线进行优化,以减少大颗粒对叶片背面的磨损.     

异速圆盘动态支撑式玉米秸秆粉碎装置设计与试验

针对玉米秸秆粉碎过程中秸秆力学和能耗变化规律不明确,限制秸秆粉碎还田质量提升,不利于秸秆还田技术在东北黑土区推广应用的问题,本文基于异速圆盘动态支撑式玉米秸秆粉碎装置和秸秆受力状态,将玉米秸秆粉碎全过程分为秸秆捡拾阶段、秸秆升举输送阶段和入侵粉碎阶段,建立秸秆各阶段受力数学模型,确定其关键影响参数及范围。以捡拾粉碎刀转速、对数螺线支撑圆盘刀滑切角和捡拾粉碎刀与对数螺线支撑圆盘刀间的传动比为试验因素,选取秸秆最大破碎力、滑切切割功耗和滑切冲量为试验指标,应用有限元分析方法研究试验因素对试验指标的影响规律。结果表明,捡拾粉碎刀转速为1950 r/min、对数螺线支撑圆盘刀滑切角为40°和捡拾粉碎刀与对数螺线支撑圆盘刀间的传动比为0.5时,秸秆最大破碎力、滑切切割功耗和滑切冲量分别为101.71 N、1049.42W和0.032N·s。田间验证试验结果表明,滑切切割功耗为1150.43W,与模型预测值误差为9.63%,秸秆粉碎长度合格率为93.34%,满足行业标准要求。     

斜置旋耕试验研究

在自行研制的斜置旋耕试验台上 ,分别采用国标旋耕刀和斜置旋耕刀进行了斜置旋耕试验 ,得到了水平分力、垂直分力、轴向分力、比功耗等参数随台车前进速度、刀辊转速和斜置角变化的规律