《Powder Technology》：Mechanistic investigation of irregular particle separation in a pneumatic and mechanical spiral drum by coupled CFD-DEM
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刘群|曾勇|张红|王建平|张永成|陈培玉|张丽萍|毛碧琪
塔里木大学机械与电子工程学院，中国新疆阿拉尔843300
摘要
在分离不规则颗粒时，特定尺寸范围内的块状颗粒和片状颗粒表现出相似的空气动力响应，导致轨迹重叠，从而降低了分离效率。然而，去壳后的核桃混合物是一种典型的不规
刘群|曾勇|张红|王建平|张永成|陈培玉|张丽萍|毛碧琪
塔里木大学机械与电子工程学院，中国新疆阿拉尔843300
摘要
在分离不规则颗粒时，特定尺寸范围内的块状颗粒和片状颗粒表现出相似的空气动力响应，导致轨迹重叠，从而降低了分离效率。然而，去壳后的核桃混合物是一种典型的不规则颗粒系统，其中包含片状的壳碎片和块状的仁碎片，经常观察到分离不完全的情况。因此，采用CFD–DEM（一种耦合分析框架）对涉及径向和轴向的分离过程进行了模拟。在不同气流速度和滚筒转速下分析了逃逸角和方向角的概率密度函数（PDF）。通过壳和仁的逃逸角PDF之间的赫林格距离来量化径向分离能力。轴向分离能力则通过颗粒朝向来流的最大迎风面积的概率来评估。结果表明，径向分离能力随气流速度和滚筒转速的增加而先增加后减少，而轴向分离能力随气流速度的增加而增加，但随着滚筒转速的增加而单调增加。径向和轴向分离共同决定了整体分离效果，适中的气流速度和转速会放大组分间的运动差异，从而提高分离效果；而过高的或过低的参数则会导致壳和仁的轨迹重叠，进一步削弱分离效果。
引言
由于核桃等坚果具有高营养价值和健康益处，越来越受到消费者的青睐[1]、[2]。这些坚果通常由坚硬的壳和内部的仁组成。可食用部分是仁，而不是壳本身。普遍认为，去壳后的仁提取是后续加工的基础，因此去壳和壳仁混合物的分离是连接初级加工和进一步加工的关键操作，也是保证产品质量和合理工艺经济性的前提[3]、[4]。然而，壳和仁的分离往往不完全[5]、[6]、[7]，导致混合流中浪费了可食用材料并影响了后续加工的质量。众所周知，壳仁混合物通常由不规则颗粒组成。不规则颗粒的分离是一个动态过程，在外部场的作用下，不同组分由于形状和物理性质的差异而经历不同的力和运动响应，从而形成不同的轨迹[8]、[9]。在分离过程中，颗粒轨迹是一个重要的宏观表现，与其分离效果密切相关[10]。因此，阐明不规则颗粒的力特性、方向演变和运动差异，并揭示由形状和物理性质综合效应产生的分离规律，对于理解不规则颗粒的分离机制至关重要。
许多研究已经探讨了不规则颗粒的分离[11]。对于涉及块状颗粒的分离，现有工作主要研究了等效尺寸、密度和惯性的差异如何改变作用在颗粒上的力及其运动响应，从而影响分离边界和分离行为[12]。相比之下，对于涉及片状颗粒的分离，更多关注颗粒方向的变化如何引起运动差异，进而影响分离行为[13]。然而，工业和农业生产中的混合颗粒类型并不总是均匀的，它们可能同时包含块状和片状颗粒[14]。这两种颗粒类型在几何形状和力响应上存在根本差异，例如在残膜回收过程中农业薄膜与土壤的混合、城市垃圾分类中塑料薄膜与瓶子等大物体的共存，以及坚果加工中壳片与仁碎片的混合[6]、[15]、[16]。这类混合系统的分离通常利用两种颗粒类型的空气动力特性差异，使它们在气流场中沿不同轨迹运动，从而实现分离[17]。基于此，相关研究通过调整气流速度、分离通道配置和进料条件来放大两种颗粒类型的空气动力响应差异[18]、[19]、[20]。然而，特定尺寸范围内的块状颗粒在与片状颗粒分离时往往表现出相似的空气动力行为，导致运动轨迹重叠[21]。随后，研究重点转向分离过程本身，关注不规则颗粒之间的碰撞和重新混合等运动特性，以及速度和轨迹的分布[14]、[22]。研究人员指出，与块状颗粒相比，片状颗粒所受的阻力、升力和空气动力扭矩对方向非常敏感。此外，方向还影响接触配置，进而改变碰撞冲量的传递方式，从而影响两种颗粒类型的轨迹演变和分离[13]。然而，现有的标准和分析大多仅停留在描述颗粒速度和碰撞对分离轨迹的影响层面，未能捕捉片状颗粒方向的演变及其相关的空气动力力变化，也没有量化块状颗粒的惯性迁移和碰撞扰动对片状颗粒方向的影响[23]、[24]。此外，大多数现有研究仅从宏观角度研究不规则颗粒的分离，关注颗粒分离速度、颗粒轨迹和整体方向变化。然而，颗粒方向的演变、力和运动的综合演变，由片状颗粒的方向变化和块状颗粒与片状颗粒之间的相互作用共同驱动，通常可以从径向分离和轴向分离两个角度来理解。因此，为了解释由于轨迹重叠导致的不规则颗粒分离不完全现象，有必要建立一个综合的径向-轴向分析框架，以揭示分离通道内不规则颗粒的力响应、方向演变和轨迹形成机制。幸运的是，随着计算建模技术的进步，耦合离散元方法和计算流体动力学模拟变得越来越普遍。这种耦合方法在分析颗粒混合物的相互作用和运动学方面非常有效，特别是在气固两相流中[25]、[26]、[27]。它还被广泛应用于气动输送系统的模拟、颗粒-流体相互作用的详细分析以及设备性能的优化[28]、[29]。
节摘
数学模型
CFD-DEM耦合气固多相模拟已广泛应用于工业和农业生产中的气动分离（例如联合收割机清洗单元、气动吸尘器和槽式滚筒分离器），为研究片状和块状颗粒的分离机制提供了可靠的工具。在此框架下，连续相使用纳维-斯托克斯方程求解，而离散相计算平移和旋转运动
结果与讨论
在气固耦合分离过程中，性能受到外部驱动场强度和颗粒动态响应的共同约束。一方面，气流速度决定了作用在颗粒上的空气动力力的大小，并控制它们的运动轨迹；另一方面，滚筒转速通过离心作用和接触传递改变颗粒的负载和运动。对于由低密度、不规则颗粒组成的混合物
讨论
与以往仅从整体分离运动角度研究不规则颗粒分离的研究不同，本研究将整体分离运动分解为径向和轴向两个方向，全面评估了这两个方向上的运动对整体分离行为的影响，并进一步探讨了轴向和径向分离机制的变化如何最终影响整体分离效果
结论
本研究采用CFD-DEM耦合方法，模拟了在不同气流速度和滚筒转速下气动-机械分离器中核桃壳和仁的分离过程。将分离过程中的颗粒运动分解为径向和轴向分量，并分别通过逃逸角和方向角量化了径向和轴向分离能力。在此基础上，我们详细研究了
CRediT作者贡献声明
刘群：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，软件，方法论，调查，正式分析。曾勇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，项目管理，调查，资金获取。张红：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，项目管理，调查，资金获取。王建平：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，项目管理，调查，资金获取。
利益冲突声明
我们声明与任何可能不当影响我们工作的人或组织没有财务和个人关系，对任何产品、服务和/或公司没有专业或其他个人利益，这些利益可能会影响题为“通过耦合CFD-DEM研究气动和机械螺旋滚筒中不规则颗粒分离的机制”的手稿的内容或评审。
致谢
本工作得到了新疆维吾尔自治区关键研发计划项目（2024B02017）、国家自然科学基金（资助编号12002229、12462017、32560427）、新疆生产建设兵团自然科学支持计划（资助编号2024ZD108）以及国家林业和草原装备科技创新园“挑战系统”重大突破项目（2024YG06）的财政支持和鼓励。
