CFD-DEM simulation and parameter optimization of pneumatic conveying of threshed corn residual products in a vertical elbow 基于CFD-DEM耦合方法的大thresh后玉米残余产物垂直弯管气力输送仿真与参数优化

《Industrial Crops and Products》：CFD-DEM simulation and parameter optimization of pneumatic conveying of threshed corn residual products in a vertical elbow

　　

研究人员采用计算流体力学（CFD）与离散元法（DEM）耦合方法，对大thresh后玉米残余产物（由玉米籽粒与玉米芯棒组成的典型二元非均相体系）在90°垂直弯管中的气力输送特性进行了研究。与传统球形简化模型不同，研究人员采用高保真多球团簇方法忠实重构了玉米芯棒的不规则棒状形态。模拟结果揭示了弯管下游再加速区独特的堵塞机制：由于翻滚行为，不规则玉米芯棒相较于球形籽粒经历显著更高的气动阻力与旋转能耗，导致二者形成明显的"速度滞后"效应及随后的气动分异。此外，研究人员采用Box-Behnken设计分析了管径、气流速度、垂直高度及物料给料率的影响，识别出管径与气流速度间存在显著交互效应（P<0.05）。优化结果表明，在管径500 mm、气流速度20 m/s、垂直高度3000 mm、物料给料率5 kg/s条件下可实现最小压力降99.371 Pa。这些发现为低损伤输送提供了理论基础，并为复杂管网系统提供了保守设计准则。

随着种子产业的快速发展，种子玉米加工机械化已成为保障粮食安全的关键战略。在脱粒后处理阶段，气力输送系统因其布局灵活且能最大限度降低种子机械损伤，正逐步取代机械输送器用于输送脱粒残余物。这些残余物由玉米籽粒与破碎玉米芯棒组成的二元混合物构成，对输送过程的稳定性要求严苛。然而，工程实践表明，90°垂直弯管是制约系统运行稳定性的关键瓶颈——流向的突变导致严重的流场畸变与离心颗粒分异，引发显著压力降；弯管处的能量损失仇敌与壁面磨蚀远高于直管段，直接威胁系统寿命。在种子玉米加工的特殊语境下，玉米芯棒的不规则棒状形态使其在弯管处极易发生急剧减速与物料架桥，这种流动停滞不仅导致频繁停机人工清理，更因高颗粒间压力不可逆地破坏种子萌发潜力。因此，阐明微观堵塞机制并优化输送参数成为迫切的工程需求。

为探究这些复杂颗粒流动，CFD-DEM耦合方法已被广泛采用。尽管该方法在分析水力输送与混凝土泵送中表现有效，但这些研究通常涉及不可压缩、高黏度液相载体，浮力占主导；而农业残余物气力输送则涉及可压缩、低黏度气固系统，由高速空气动力学主导，呈现截然不同的建模挑战。现有CFD-DEM研究多聚焦于粉煤与生物质粉末等单一物料优化，对脱粒玉米残余物这类二元非均相系统的建模存在显著不足。核心局限在于颗粒形状的过度简化：多数研究以球形模型近似农业物料，虽对籽粒有效，但对细长玉米芯棒则无法捕捉非球形物体在弯管中的翻滚与互锁行为，导致旋转能耗与壁面摩擦的严重低估。此外，驱动堵塞现象的微观机制仍不清晰。尽管弯管下游再加速区的存在已被识别，但鲜有研究量化二元组分在该区域"速度滞后"的差异——理解不规则玉米芯棒的速度亏损如何触发堆积而籽粒仍保持悬浮，对解决堵塞难题至关重要，而现有文献尚未充分阐明该机制。

鉴于此，研究人员采用高保真多球团簇建模方法精确重构玉米籽粒与玉米芯棒的几何形态，利用CFD-DEM耦合方法模拟90°垂直弯管中的气固流动，揭示堵塞的微观翻滚-碰撞-滞后机制，并采用Box-Behnken设计优化管径、气流速度、垂直高度及物料给料率，以实现最小压力降与输送稳定性的最优权衡。该研究成果发表于《Industrial Crops and Products》。

研究人员采用的关键技术方法包括：基于ANSYS Workbench Meshing模块建立包含103,192个四面体非结构化网格的管道几何模型；采用标准k-ε湍流模型处理稀相气力输送中的湍流流动；运用Gidaspow曳力模型描述气固相间动量交换；通过EDEM软件实现多球团簇离散元建模，以23个球形颗粒组装玉米籽粒（11 mm×9 mm×5 mm，0.35 g）、以10个球形颗粒组装玉米芯棒（95 mm×18-28 mm，30 g）；基于Box-Behnken设计开展四因素三水平响应面实验设计，结合方差分析（ANOVA）构建压力降回归模型；依据雷诺相似准则构建几何缩比（λ=0.32）的实验验证平台，采用差压传感器与高速摄像系统进行定性定量验证。

关于管道流场特性分析：CFD-DEM模拟显示水平段呈现稳定流动态势，压力均匀衰减且速度分布均一；当气流进入90°弯管时，流场因方向突变发生根本性重构——离心力与能量转换机制共同驱动下，弯管外壁形成高压区，内壁因流动分离产生低压区，对应速度分布呈现外壁压缩减速、内壁加速的特征。该现象不仅是运动学表征，更是能量耗散的直接驱动力：离心效应将动能转化为外壁势能，同时该区域剧烈摩擦与非弹性碰撞造成显著机械能耗散，这种为克服壁面摩擦及再加速颗粒惯性所付出的不可逆能量损失，构成了系统压力降的根本机制。下游垂直段形成峰值位于外壁的独特速度分布，与传统管道流的中心峰值分布截然不同，这种畸变的气动环境直接决定固相运动。

关于管道颗粒动力学特性分析：玉米籽粒与芯棒碎片的速度分布与空间分布呈现强相关性。二者速度均随时间呈下降趋势，但芯棒在0.3 s后维持高于籽粒的速度，该差异源于二者密度（350 kg/m³ vs 1198 kg/m³）与形状因子的显著差异——较轻芯棒惯性更低，对气动拖曳加速更敏感，但其不规则形状亦诱发更高曳力系数，使其较球形平滑的籽粒更久地维持于高速气流中。空间分布演变显示，颗粒从初始稀疏分布逐渐转化为弯管外壁的集中堆积，至0.6 s时肘部区域呈现显著聚集，证实了弯管作为颗粒流动复杂性与聚集倾向最显著关键区的地位。作用于颗粒的耦合力（气体拖曳力与升力的合力）呈现显著材料差异性：致密、几何规则的籽粒运动平稳，耦合力稳定低于0.005 N；而芯棒因多孔不规则形态在湍流边界层中经历翻滚运动，有效迎风面积的持续变化导致拖曳与升力急剧波动（0.005-0.02 N）。

关于单颗粒运动轨迹分析：典型籽粒与芯棒的微观运动学行为差异显著。近似球形的籽粒过弯后沿底部外壁稳定滑移，轨迹相对平滑；棒状芯棒则呈现翻滚与螺旋的复杂模式，因其不规则形状及较高壁面恢复系数频繁碰撞反弹，占据更大管道空间。速度演化呈现三阶段特征：初始加速段（0-0.1 s）二者均快速加速至近入口值；弯管导航段（0.1-0.3 s）芯棒经历急剧速度跌落与剧烈波动，而籽粒减速更为平缓，该不稳定性归因于芯棒翻滚运动增大的有效碰撞面积及非弹性冲击与旋转摩擦导致的严重动量损失；垂直提升段（0.3-0.6 s）籽粒稳定于约15 m/s，成功保留足够动能实现向上输送，而芯棒未能恢复动量，衰减至低于7 m/s的低速状态。这种"速度滞后"确认为芯棒气动不稳定性与能耗散是驱动物料分异及潜在堵塞的首要力学因素。

关于多因素作用下管道压力降的Box-Behnken仿真实验：以管道压力降（ΔP）为响应指标，选取管径（A）、气流速度（B）、垂直高度（C）、物料给料率（D）为实验因素。29组仿真实验的方差分析表明，二次回归模型具有统计显著性（P<0.05），拟合优度R²=0.8436；管径（P<0.0001）与气流速度（P=0.0001）为高度显著因素，二者交互作用AB亦达统计显著（P=0.0305），而垂直高度（P=0.6233）与物料给料率（P=0.5300）未达显著水平。三维响应面分析揭示：小管径管道中速度对压力降的影响更为显著，大管径则有效缓释速度变化导致的压力波动；交互作用影响排序为AB>AC>AD>BD>CD>BC。通过非线性参数模型优化，确定最小压力降参数组合为管径500 mm、气流速度20 m/s、垂直高度3000 mm、物料给料率5 kg/s，此时最小压力降为99.371 Pa。

关于模拟实验验证：依据雷诺相似准则构建几何缩比λ=0.32的实验平台（模型管径160 mm、风速62.5 m/s、垂直高度960 mm、物料率1.6 kg/s），采用PVC直管与透明亚克力弯管组合，配备离心风机、差压传感器（WML-801A型，精度±0.5% FS）及240 fps摄像系统。高速摄像清晰捕捉到颗粒在弯管外壁的聚集行为，与数值预测高度一致；实验测得平均压力降2340.96 Pa，与同等边界条件下CFD-DEM模拟值2155.42 Pa相比，相对误差仅7.93%，验证了数值模型的准确性与有效性。

在讨论部分，研究人员首先与Kuang等（2019）针对煤粉与聚乙烯颗粒单一物料输送的研究进行了对比，指出本研究将方法拓展至更复杂的二元体系，且多球团簇模型有效弥补了传统曳力模型在处理形状诱导气动变异方面的不足。与Sharma和Mallick（2019）关于细粉的经验观察相比，本研究揭示了二元体系独特的由流场畸变驱动的颗粒分异机制——离心于弯管外壁高压区形成与内壁流动分离，导致轻质不规则芯棒于外壁累积而重质籽粒保持悬浮，这种"去混合"现象及芯棒翻滚诱导的轨迹混沌性严格而言无法由单一物料模型预测。参数优化所得最小压力降对应风速20 m/s，与Kinast和Kruggel-Emden（2025）提出的略高于悬浮速度运行以最小化能量损失的观点一致，且进一步揭示了管径-速度交互效应对二元混合物流动稳定性的关键影响，表明农业气力系统设计必须考虑该参数耦合以防止堵塞。

研究结论部分翻译如下：（1）弯管压力降的根本驱动力在于动能向势能的转化及壁面摩擦诱导的机械耗散；微观运动学分析识别出"速度滞后"现象为堵塞的关键先兆，与籽粒稳定滑移不同，不规则芯棒呈现翻滚与螺旋的复杂行为，导致严重非弹性碰撞与大幅速度衰减（出口速度低于7 m/s），由此翻滚行为所致气动分异是芯棒堆积及后续堵塞的首要机制。（2）基于Box-Behnken设计与方差分析，管径（P<0.0001）与气流速度（P=0.0001）为影响压力降的高度显著因素，管径与气流速度交互作用（P=0.0305）亦显著；该交互作用揭示小管径管道对速度波动显著更敏感，大管径则提供优越流动稳定性，表明几何缩放是二元混合物输送的关键设计约束。（3）多参数优化确定最优参数组合为管径500 mm、气流速度20 m/s、垂直高度3000 mm、物料给料率5 kg/s，此时最小压力降为99.371 Pa；模拟与实验压力降相对误差仅7.93%，表明CFD-DEM模型能够准确模拟混合农业残余物流动，为低损伤抗堵塞气力输送系统的开发提供了理论基础与保守设计准则。