适用于丘陵和山地地形的地形适应性农业底盘的振动特性

《Biosystems Engineering》：Vibration characteristics of a terrain-adaptive agricultural chassis for hilly and mountainous terrain

本研究采用四向耦合的XDEM方法模拟有机矿物肥料在旋转鼓干燥器中的干燥过程，通过全三维、轴对称和平面二维模型对比，验证了二维模型在计算效率（降低56.2%-65.6%）和预测精度（RMSE<1%）间的平衡性，并建立了包含颗粒破碎、凝聚和磨损的干燥动力学模型，为工业自动化干燥设计提供理论依据。

　　这项研究聚焦于一种新型有机-无机复合肥料（25.5.5 NPK，含8%的SO?）的干燥过程，旨在通过结合计算流体力学（CFD）与扩展离散元方法（XDEM）的四向耦合模型，对干燥行为进行准确模拟。研究团队来自土耳其阿达纳的?ukurova大学农业工程学院，他们提出了一种创新的方法，以提高肥料干燥过程的预测精度和计算效率。这种新型肥料因其含有有机成分（如 Leonardite）和微量元素，相较于传统的化学肥料，对土壤和人类健康更为有益。然而，由于其复杂的物理和化学特性，干燥过程中的挑战也更为显著，例如如何在不牺牲效率的前提下精确控制湿度，以及如何处理干燥过程中可能出现的颗粒聚集、破碎和磨损等问题。

在肥料制造过程中，干燥是关键的一环，其效果直接影响后续筛分和包装等步骤的效率。因此，优化干燥条件对于提升整个生产流程的质量和经济性至关重要。当前，干燥过程通常依赖于传统的旋转干燥筒，但由于其操作过程复杂，且涉及多种物理现象，如热量传递、质量传递、动量传递以及颗粒与流体、颗粒与颗粒、颗粒与壁面之间的相互作用，因此难以实现高效的自动化控制。为此，研究团队提出了一种基于CFD与XDEM的四向耦合模拟方法，该方法不仅能够准确捕捉干燥过程中颗粒的动态行为，还能有效模拟颗粒之间的相互作用，如颗粒的破碎、聚集和磨损。

为了验证该模型的有效性，研究团队在工业干燥设备的操作范围内进行了实验，并将实验数据与模拟结果进行对比。结果显示，XDEM模拟在湿度、温度、颗粒破碎、聚集以及磨损等方面与实验数据具有较高的吻合度。具体而言，湿度的预测误差为0.5%，温度误差范围在0.8至7.5摄氏度之间，颗粒破碎的误差为1.46%，聚集的误差为0.58%，磨损的误差为1.247×10?? kg m?2 s?1。这些误差指标表明，XDEM模型能够较为准确地反映实际干燥过程中的物理行为。此外，研究团队还对不同几何形状的干燥筒进行了模拟，包括轴对称、平面和三维模型，并分析了它们在计算效率和模拟精度方面的差异。结果显示，轴对称模型的计算负担为1，平面模型为0.8681，而三维模型为0.4438，这表明在保持精度的前提下，使用简化的二维模型可以显著降低计算成本。

在方法上，研究团队首先对颗粒和流体的物理特性进行了实验室表征，以确保模拟参数的准确性。随后，他们在工业干燥设备上进行了实验，收集了关于颗粒流动、湿度变化、温度分布以及磨损情况的数据。这些数据被用于验证和校准模拟模型，确保其能够真实反映实际干燥过程中的各种现象。为了实现四向耦合，研究团队开发了一种新的颗粒混合材料（挥发性液态水与固体的组合）和流体混合材料（水蒸气与干燥空气的组合），以便更精确地模拟干燥过程中水分的转移过程。这种材料模型的引入使得模拟能够更好地捕捉颗粒在干燥过程中因湿度变化而产生的物理行为，如颗粒的破碎、聚集和磨损。

研究团队还探讨了如何通过对称性模型来减少计算负担，同时保持模拟精度。他们提出了使用轴对称和二维平面模型来替代完整的三维模型，从而降低计算成本。这一方法的可行性已在实验中得到验证，特别是在颗粒流动方向与干燥筒轴线方向一致的情况下，二维模型能够准确预测颗粒的运动轨迹和相互作用。此外，研究团队还分析了干燥过程中颗粒与流体、颗粒与颗粒、颗粒与壁面之间的相互作用，以及这些相互作用对干燥效率的影响。他们发现，颗粒之间的碰撞和摩擦是影响干燥过程的重要因素，而这些因素在XDEM模型中得到了充分考虑。

在实际应用中，干燥过程的优化不仅有助于提高生产效率，还能减少能源消耗和设备磨损，从而延长设备的使用寿命。通过精确模拟干燥过程中的物理现象，研究团队能够为肥料生产企业提供更科学的干燥参数设置建议，帮助他们在保证产品质量的前提下，实现更高效的生产流程。此外，该研究还为肥料干燥设备的设计和改进提供了理论依据，使得未来在肥料生产线上引入自动化和智能化技术成为可能。

综上所述，这项研究通过引入四向耦合的CFD-XDEM模型，成功地模拟了新型有机-无机复合肥料在旋转干燥筒中的干燥行为。研究结果表明，该模型在预测湿度、温度、颗粒破碎、聚集和磨损等方面具有较高的准确性，同时通过使用对称性模型，显著降低了计算成本。这一成果不仅填补了肥料干燥领域在模拟方法上的研究空白，还为肥料生产行业的自动化和智能化发展提供了重要的技术支持。未来，随着计算技术的不断进步和模拟模型的进一步完善，这种四向耦合方法有望在更广泛的工业应用中发挥作用，为提高干燥过程的效率和精度提供更加可靠的解决方案。