基于CFD-DEM耦合方法的玉米秸秆切割抛送机理分析与性能优化研究

针对玉米秸秆切割抛送装置存在的高能耗、低效率等技术瓶颈，研究人员通过CFD-DEM气固耦合数值模拟与多尺度力学分析，揭示了刀具-秸秆-流场多相耦合作用机制，优化得到动刀弧半径500 mm、刀片长度519 mm、主轴转速605 r/min的最佳参数组合，使比能耗降低3.13%，为农业废弃物资源化装备设计提供新范式。

　　

玉米秸秆作为全球主要农业副产物，年产量高达2.43×10⁸吨，其高效转化对于畜牧业可持续发展与环境污染控制具有重要意义。尽管通过机械粉碎加工可将其转化为黄贮饲料，但现有粉碎机普遍面临比能耗高（达21.55 kWh/kg）、作业效率低及堵塞频发等问题。内蒙古农业大学的研究团队在《Computers and Electronics in Agriculture》发表研究，通过CFD(计算流体力学)-DEM(离散元法)耦合技术，首次系统解析了切割-抛送协同机制，为装备优化提供了创新解决方案。

研究采用三大关键技术：1) 建立分层可断裂柔性秸秆模型，结合运动学分析揭示切割动力学特性；2) 运用双向CFD-DEM耦合方法模拟气固两相流场中碎料运动行为；3) 通过响应面法设计三因素三水平试验，构建比能耗预测模型。

动刀弧半径对切割性能的影响分析
研究发现动刀弧半径通过改变滑切-挤压复合切割模式调控扭矩消耗。当半径从400 mm增至600 mm时，切割扭矩先降后升，500 mm时最优，因其形成35°滑切角使剪切力降低12.7%。

刀片长度与流场调控机制
519 mm刀片长度可优化二次涡主导气流的流速分布，使抛送速度标准差从4.2 m/s降至2.8 m/s，有效缓解物料滞留。

主轴转速的能效平衡
虽然提高转速至605 r/min可增强气流强度（轴向速度提升19.3%），但会导致湍流耗散率非线性上升，需在效率与能耗间取得平衡。

结论与意义
该研究构建了首个包含分层断裂特性的玉米秸秆CFD-DEM多尺度模型，阐明切割-抛送-输送三阶段动态耦合机制。优化后的装置比能耗降低至21.55 kWh/kg，较优化前显著下降3.13%，实现了能效与作业性能的协同提升。Wenhang Liu等提出的机械-流场-物料耦合设计框架，为农业生物质处理装备研发提供了新方法论，对推动畜牧业绿色转型具有重要实践价值。