基于CFD-DEM的气动吸管装置中的气流变化及颗粒输送特性

《Biosystems Engineering》：Airflow variations and particle conveying characteristics in pneumatic straw suction device based on CFD-DEM

气动秸秆输送装置通过CFD-DEM耦合模拟优化结构参数，在200mm风道内径、1.54弯头直径比和2900rpm风机转速下实现最低压力降12.58Pa和3.15%秸秆质量回收率。

　　本研究围绕保护性耕作技术中的秸秆气力吸送装置展开，旨在通过创新设计降低压力损失并提高输送效率。随着全球对可持续农业的关注不断加深，保护性耕作作为一种减少土壤扰动、增加作物残余覆盖、降低水土流失并提升农业系统长期生产力的耕作方式，正在成为现代农业的重要组成部分。秸秆覆盖是保护性耕作中的关键环节之一，它不仅有助于保持土壤结构，还能有效保存水分和养分。然而，秸秆覆盖量的波动会对耕作效果产生直接影响，过多或过少的秸秆覆盖都可能带来生态风险。因此，如何精准检测和量化秸秆覆盖量，成为评估保护性耕作效果和实现农业可持续管理的重要课题。

为了更好地实现地表秸秆的收集与称重，研究人员此前开发了一种自行走的秸秆覆盖检测设备。该设备的一个关键子系统是气力吸送装置，其作用是高效地将秸秆从土壤表面吸起并输送至收集点。传统的机械式秸秆收集方式，如滚筒式或提升式装置，虽然被广泛采用，但在实际应用中仍存在诸多局限。例如，这些系统往往运行速度较低、能耗较高，并且在收集过程中容易造成秸秆损失。因此，探索更高效的秸秆收集与输送技术显得尤为迫切。

气力输送作为一种替代方案，通过将颗粒悬浮在气流中实现秸秆的运输。这种技术通常根据操作压力（吸力或正压）和物料流密度（稀相或密相）进行分类。在本研究中，选择稀相气力输送作为主要研究对象，因为其适用于轻质、分散的物料，如粉碎后的秸秆。稀相输送的特点在于固体浓度较低（1–10 kg/m3）和气流速度较高（10–30 m/s）。已有研究表明，气流速度和颗粒的阿基米德数会影响颗粒的加速长度，而管道直径则会对其产生相反的影响。此外，气固两相流的动态特性，如颗粒的分布、迁移和沉降，也受到了广泛研究。在这些研究基础上，如何进一步优化气流速度和管道几何形状，以减少压力损失和能耗，成为当前研究的重点。

然而，传统研究多集中于规则形状的颗粒，而实际应用中的秸秆颗粒具有较大的尺寸、较低的密度以及不规则的形态，这使得其在气流中的行为与常规颗粒存在显著差异。这种差异在气力输送过程中可能导致堵塞或流动不稳定等问题。为了更准确地模拟和分析秸秆颗粒在气力输送系统中的行为，研究采用了耦合计算流体力学（CFD）与离散元法（DEM）的模拟方法。CFD能够对气流的运动进行数值模拟，而DEM则可以分析单个颗粒的动态行为。通过将这两种方法结合，研究人员得以全面地解析气流与颗粒之间的相互作用，包括颗粒与气流、颗粒与颗粒以及颗粒与管道壁之间的复杂关系。

在实际应用中，气力输送系统往往包含多种结构组件，如吸气室、弯管和风机等。这些组件的几何形状和尺寸对气流的分布以及颗粒的运动轨迹具有重要影响。例如，吸气室的上表面和管道内径的大小，以及弯管的弯曲直径比例，都会显著影响系统的压力损失和输送效率。此外，风机的转速决定了气流的强度和速度，从而影响颗粒的悬浮和运输能力。因此，如何合理选择这些关键参数，以实现低压力损失和高输送效率，成为本研究的核心目标。

为了验证模拟方法的准确性，研究人员进行了实验测试。实验结果显示，模拟结果与实际测量之间的静态压力偏差在15%以内，表明所采用的CFD-DEM耦合模型能够较为准确地预测气力输送系统的性能。在实验条件下，通过优化管道直径、弯管弯曲直径比例以及风机转速，研究人员发现当管道直径为200 mm、弯管弯曲直径比例为1.54、风机转速为2900 rpm时，系统能够实现最低的压力损失和最高的输送效率。此时，系统的下吸压力损失为12.58 Pa，上吸压力损失为17.12 Pa，秸秆质量占比为3.15%。这些结果为保护性耕作中的秸秆收集和输送系统设计提供了重要的理论依据和实践指导。

秸秆的物理特性，如悬浮速度、密度和形状，对气力输送系统的性能具有直接影响。悬浮速度是指颗粒在气流中保持悬浮状态所需的最低气流速度，这一参数对于确定气力输送装置的最小气流强度至关重要。研究表明，秸秆的悬浮速度范围为5.826至9.034 m/s，这一数据为后续的气流强度设计提供了重要参考。此外，秸秆的密度较低，且形状不规则，这些特性使得其在气流中的运动轨迹更加复杂，增加了系统设计的难度。

为了更深入地理解秸秆在气力输送系统中的行为，研究人员不仅关注了气流的分布特性，还对颗粒的运动轨迹进行了详细分析。通过模拟，可以清晰地观察到颗粒在吸气室和管道中的运动模式，以及气流如何影响颗粒的分布和输送效率。这些模拟结果为优化系统设计提供了关键的数据支持，同时也揭示了颗粒与气流之间复杂的相互作用机制。

本研究的创新点在于将CFD-DEM耦合方法应用于秸秆气力输送系统的优化设计。这种方法不仅能够模拟气流的宏观行为，还能够解析颗粒的微观运动，从而实现对整个系统的全面分析。通过这种方式，研究人员能够更准确地预测不同参数设置下的系统性能，并据此提出优化方案。此外，本研究还强调了实际应用中可能遇到的挑战，如管道几何形状的复杂性、颗粒形态的多样性以及不同操作条件下的系统响应差异。这些问题的解决对于提升秸秆收集与输送系统的效率和稳定性具有重要意义。

在农业实践中，气力输送系统通常需要与多种结构组件相结合，以实现高效的秸秆收集和运输。这些组件包括吸气室、弯管、风机等，它们的几何形状和尺寸对系统的整体性能具有重要影响。例如，吸气室的上表面设计不仅影响气流的分布，还可能影响颗粒的吸入效率。弯管的弯曲直径比例则决定了气流在弯管中的流动阻力，从而影响系统的压力损失。风机的转速决定了气流的强度和速度，进而影响颗粒的悬浮和运输能力。因此，如何合理选择和优化这些组件的参数，成为提升系统性能的关键。

本研究通过实验和模拟相结合的方法，系统地分析了这些关键参数对秸秆气力输送系统的影响。实验结果显示，不同参数设置下的系统性能存在显著差异，而模拟方法则能够进一步揭示这些参数之间的相互作用关系。例如，管道直径的增大可能会降低气流速度，从而减少颗粒的悬浮能力；而弯管弯曲直径比例的调整则可能影响气流的流动路径和颗粒的运动轨迹。这些发现为后续的系统优化提供了理论依据，并有助于指导实际工程应用。

此外，本研究还强调了秸秆颗粒的特殊性。与常规颗粒相比，秸秆颗粒具有较大的尺寸、较低的密度以及不规则的形态，这些特性使得其在气流中的行为更加复杂。因此，传统的气力输送模型可能无法准确预测秸秆颗粒的运动规律，从而导致设计上的偏差。通过采用CFD-DEM耦合方法，研究人员能够更真实地模拟秸秆颗粒在气力输送系统中的行为，为系统的优化设计提供了更加可靠的依据。

综上所述，本研究通过创新设计和模拟分析，为保护性耕作中的秸秆气力输送系统提供了新的思路和方法。研究结果不仅揭示了关键参数对系统性能的影响，还为实际应用中的系统优化提供了理论支持。未来的研究可以进一步探索不同秸秆形态和操作条件下的系统性能，以期实现更高效、更稳定的秸秆收集与输送。