基于CFD-DEM耦合方法的小麦种子在比重分选过程中的行为分析

《Powder Technology》：Behavior analysis of wheat seeds during specific gravity sorting process based on CFD-DEM coupling method

小麦比重筛分过程中气流、振动与筛面倾角对种子分层和流动分离的影响机制研究。采用CFD-DEM耦合模拟与单因素实验，揭示不同密度种子（HDP/MDP/LDP）对气流主导型（低密度种子）和振动主导型（高密度种子）的响应差异，建立参数调控与微观力学行为的关联模型，为筛分设备智能化设计提供理论支撑。

　　

郑小培|朱成天|宋江|王梦涵|陈梦媛|李永雷|兰海阳

中国农业大学工程学院，北京100083，中国

摘要

在谷物加工过程中，使用比重分选机获得高质量种子至关重要，但分选性能取决于种子的运动和流动轨迹，而这些又受到各种工作参数的影响。本研究通过CFD-DEM气固耦合模拟和单因素实验，阐明了每个参数如何影响小麦种子分选中的颗粒分层和流动分离行为。筛网倾斜角度通过改变重力的分量间接影响颗粒运动。相比之下，气流和振动作为外部激励因素，直接决定颗粒运动。适当的气流可以诱导颗粒床的流化与重组，从而实现不同比重（密度）种子的分层。同时，振动激励主要影响流动分离行为；随着振动频率的增加，颗粒轨迹的分散变得更加明显，为收集不同质量的种子创造了条件。不同比重的种子对外部激励的反应各不相同：低密度颗粒（LDP）对气流反应强烈，导致以气流为主导的分选模式；而高密度颗粒（HDP）与筛网保持更紧密的接触，形成以振动为主导的分选模式。在分选过程中，调整分选参数可以引发不同比重种子的明显分层和流动分离行为。这一机制构成了比重分选的物理本质。本研究为进一步探索种子行为提供了新途径，并为优化比重分选机的操作参数提供了理论基础。

引言

种子加工是提高收获后种子质量的重要措施[1]。其典型工序包括预清洗[2]、干燥[3]、空气分离[4]、筛分[5]、比重分选、长度分级（通过压痕圆筒）和涂层[6]等。在这一加工流程中，比重分选是去除受霉菌感染和虫害种子的关键步骤，从而提升种子质量。与传统基于尺寸的筛分方法不同，该技术利用种子之间的密度差异[7]。它通过空气动力场、筛网振动和筛网倾斜的协同作用，实现高密度种子与低密度杂质的有效分离[8]。作为全球第二大广泛种植的谷物作物[9]，小麦对全球粮食安全具有关键作用。因此，通过有效分选获得高质量种子至关重要。由于小麦种子的迁移行为直接影响分选性能，深入研究它们在比重分选机筛网上的运动具有重要的工程价值。

比重分选机筛网上的颗粒构成了一个离散颗粒系统，其动态行为受外部激励（气流和振动）以及筛网几何约束的共同影响。在这个系统中，气流通过对颗粒床施加空气动力，提供初始分选驱动力，有效减少颗粒间的内摩擦[10]和压缩[11]。适当的气流使筛网上的颗粒进入气固流化状态[12,13]。这种气固流化床已广泛应用于化学工程和煤炭开采等行业中的颗粒分离和浮选[14,15]。贾等人研究了气固流化床内的复杂颗粒轨迹和密度分离机制，通过精确控制进料和出料方法，显著优化了床层密度分布并提高了分选效率[16]。李等人进一步证明，调节气固分离流化床中介质颗粒的粒径分布可以建立稳定的流化条件，从而确保高效的材料分离[17]。

除了气流外，筛网的振动激励也会影响颗粒的运动行为[18, [19], [20]]。徐等人证明，适当的振动强度可以显著增加颗粒间的松散度，从而促进不同尺寸颗粒在筛网上的有效分离[21]。奥贡莫迪穆等人指出，虽然振动传递的能量能有效减少颗粒压实并提高迁移速率，但过高的频率会引发湍流，破坏分层效果[22]。除了微观层面的颗粒行为外，振动在宏观材料分布中也起着关键作用。高等人设计了一种三维振动筛，利用振动实现材料的快速分散，显著提高了筛面上的均匀性[23]。此外，筛网表面的结构参数（如横向和纵向倾斜角度）对限制和引导材料分布至关重要[24,25]。金等人设计了一种多自由度振动筛，具有可变倾斜角度，证明了其在改善材料径向分布方面的优越性[26]。李等人根据颗粒动力学和运动学参数优化了一种新型筛网的结构参数，实现了筛面上的最佳颗粒分散，从而确保了杂质和种子的有效分离[27]。

因此，在使用比重分选机进行种子分选时[28,29]，必须全面考虑机器的激励参数和筛网的工作参数。现有研究主要通过实验设计来优化这些关键参数。例如，连等人设计了一种用于食用葵花籽的双层振动空气筛清洗装置。综合分析表明，筛网倾斜角度、空气流速和振动频率是影响清洗效果的主要因素[30]。戴等人结合仿真和物理实验，研究了空气流速和振动频率等关键参数对清洗效率的影响，利用响应面方法确定了亚麻籽清洗装置的最佳参数组合[31]。张等人设计了一种适用于大豆和玉米的风筛清洗装置，通过修改分段上筛和弯曲下筛的结构，改善了材料分布特性。通过物理测试，确定了振动频率和筛网倾斜角度的最佳组合，实现了单一设备对两种作物的高效低损伤清洗[32]。然而，上述研究主要关注宏观清洗性能指标与操作参数之间的实验统计关系，强调针对特定设备内特定材料的工艺回归。相比之下，目前还缺乏系统性的定量研究，探讨在比重分选机复杂流场下不同比重颗粒群体的分层和流动分离的微观机制。这种对微观机制理解的不足限制了对分选过程的深入理解，并限制了设备的发展。

阐明这一微观机制的主要挑战在于颗粒系统的复杂性。在分选过程中，气-颗粒、颗粒-颗粒以及颗粒-边界之间的相互作用极其复杂，且涉及的颗粒数量庞大[33,34]。因此，传统实验方法难以有效捕捉这些动态相互作用，且往往成本高昂[35]。近年来，CFD-DEM耦合数值模拟作为一种高效替代方法应运而生。这种方法不仅能够可视化单个颗粒和颗粒群体的整个动态演变过程，还能通过提取微观力学和运动学信息，实现对颗粒系统内复杂相互作用的高精度分析[36]。目前，这项技术已广泛应用于农业机械[37,38]、岩土工程[39]以及能源和化学工程[40,41]等多个领域。特别是在农业机械领域，陈等人采用CFD-DEM耦合方法模拟了不同空气流速下稻壳和糙米混合物的分离过程，研究了气流-颗粒相互作用以及糙米损失和稻壳保留的机制[42]。同样，周等人利用这种方法模拟了甘蔗收割机提取器内的清洗过程，分析了设备的空气动力性能和内部物料流动的运动学特性[43]。此外，冯等人采用CFD-DEM耦合方法模拟了新型筛网梯形角度和长度对气流分布的影响，分析了颗粒分散的瞬时和整体程度[25]。总体而言，这些研究表明CFD-DEM耦合方法是研究气固多物理场耦合的有效工具，在比重分选领域具有巨大应用潜力。

因此，基于5XZ-50比重分选机，本研究建立了小麦种子分选过程的动力学模型和CFD-DEM耦合仿真模型。通过单因素实验，研究了不同比重颗粒的分层和流动分离行为。具体探讨了外部激励参数和筛网操作参数对小麦种子运动学、力学和分选性能的影响。研究结果有助于理解气流、振动和倾斜对种子分层、流动分离及最终分选性能的影响机制。本研究为种子分选设备的智能设计和参数优化提供了理论基础，并为多物理环境中颗粒行为的深入研究提供了方法和见解。

材料

本研究选择了含水量为13.5%的小麦种子作为研究对象，并根据密度将其分为三类（图1）：高密度颗粒（HDP，图1(a)）、中等密度颗粒（MDP，图1(b)）和低密度颗粒（LDP，图1(c)）。其中，HDP是高质量种子，具有圆形饱满的形态；理想情况下，应在分选过程中尽可能多地回收这些种子。相比之下，LDP的密度最低

空气流速对种子行为的影响

图9显示了在不同入口空气流速下颗粒分层和流动分离的演变过程。关于垂直分层行为（见左图），在低流速下，只有LDP漂浮在颗粒床上，而HDP和MDP之间的边界不明显。随着流速的增加，颗粒床的流化加剧，颗粒间的间隙扩大[17,59]。由于惯性较大，LDP容易被气流带走

结论与展望

本研究采用CFD-DEM耦合方法，全面研究了小麦种子比重分选过程中的颗粒分层和流动分离机制。通过单因素模拟实验，系统分析了各种分选参数对不同比重（HDP、MDP和LDP）颗粒的运动学、力学和分选性能的影响。主要结论如下：

(1)

气流激励作用

作者贡献声明

郑小培：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据整理、概念构思。朱成天：撰写——审阅与编辑、方法论。宋江：监督、方法论、研究。王梦涵：可视化、研究。陈梦媛：验证、方法论。李永雷：监督、资源获取、资金筹措、概念构思。兰海阳：验证、软件。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2023YFD1701501-04）的支持。