[ASABE会议论文]不同空隙率的采棉机籽棉残膜分离装置仿真分析

来源：2016年ASABE会议论文
题目：Simulation and analysis of seed cotton and plastic mulch remnant separator on cotton picker under veried porosities
作者： Hongkui Chun，Ruoyu Zhang， Yanjie Qi

题目：不同空隙率的采棉机籽棉残膜分离装置仿真分析

摘要：

四种不同孔隙率的筛网被用来研究籽棉残膜分离装置的不同空隙率网状滚筒的分离效果，选择出最优的网状滚筒。利用图像处理方法，测量得到其孔隙率分别为37%，42%，59%和65%。仿真控制组的空隙率为70%。利用AutoCAD和GAMBIT软件构建不同孔隙率的几何模型。通过FLUENT软件模拟大小网状滚筒的旋转，来仿真分析分离室中的气流。为评估不同孔隙率在分离中效果中的准确率，对比分析了不同空隙率下分离室重要区域的15个测试样本点数据。由于棉籽尺寸和网状滚筒对残膜的粘合力，四种类型的网眼中65%空隙率的被认为最佳。

关键字：孔隙率，分离装置，残膜，籽棉，仿真

1 引言

中国是世界上最大棉花原产国，新疆是中国最重要的高品质棉花产地。新疆棉花种植区域已经达到2430千公顷，棉花机械采摘率已经超过新疆总比重的43%。新型膜下滴灌种植模式增加了棉花产量，同时也容易使破损的地膜在机械收获时混入籽棉中。然而，残膜作为人造杂质严重影响了棉花质量和潜在利润。

目前，越来越多的前进检测技术包括超声波技术、光电技术和图像技术已经被用于杂质检测研究中。提出了在采棉技加装籽棉和残膜分离装置的方法实现从源头去除杂质。不同孔隙率对网状滚筒残膜的吸附作用会影响分离装置的除杂率。然而，不同孔隙率的网状滚筒对分离装置的影响还未被研究。在先前的有关分离装置的研究中，由于仅对静态非转动状态的网状滚筒进行仿真，分离室仿真并未完全呈现真实的工作状态。

本研究的目标为利用CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）探究旋转条件下不同孔隙率的网状滚筒对分离装置分离效果的影响，并确定网状滚筒最佳孔隙率。

2 材料与方法

2.1 分离装置基本结构和工作原理

网状滚筒基本结构和工作原理如图1所示。籽棉和残膜从通道进入分离室。在大小网状滚筒由于不同密度和表面的差异下，籽棉从出棉口掉落，从密闭气阀排除。残膜被吸附在大网状滚筒上，然后在转换到小网状滚筒后，通过残膜出口排出。较轻的籽棉被气流带到了小网状滚筒的上部。轻的籽棉在大小网状滚筒带动后开始掉落到出棉口，被密闭气阀带走。

图1 分离装置基本结构和工作原理

2.2 分离装置主要

在先前研究中，通过对分离装置工作原理分析和地膜物料特性分析发现，大小滚筒对地膜的吸附能力是分离效果的主要影响因素。因此，大小网状滚筒与残膜接触区域被认为是研究中分离装置的主要区域。网状滚筒内部气流越大，吸附效果越好。15个测试样本点如图二所示。在大网状滚筒外部边缘5mm外上每隔6度选择一个样本点。在小网状滚筒外边缘5mm外每隔12度选择一个样本点。第11个样本点为大小网状滚筒外边缘5mm的交叉点。

图2 主要区域测试点

2.3 棉种横径的统计分析

200kg机械收获的籽棉收获于新疆沙湾（44°19′N，85°37′E），品种为中国棉花研究所61号（CRI-61）。随机选择样本，手工将纤维从棉花籽上去除。用游标卡尺测量100个去掉纤维的棉种的横径，如图3所示。这些种子的尺寸分布如图4所示。横截直径尺寸在5.00mm到6.20mm之间，服从正态分布。棉种横径尺寸是网状滚筒具体选择的基础。

图3 棉种横径测量 图4 横径分布

2.4 孔隙率测量

网状滚筒由金属网制成。网眼孔径尺寸作为金属网的分类依据。在金属网丝下，筛网孔径尺寸越大越好。根据图4，制作网状滚筒的分离装置的网眼尺寸不能超过5mm。该研究中，四种类型的设金属网购置于新疆石河子老街市场。这些筛网包括四种不同的孔径尺寸，如2mm×2mm，3mm×3mm，4mm×4mm和5mm×5mm。所有金属网的直径为0.7mm。

为了建模准确，本研究中，采用图像处理技术精确测量四种筛网。首先，四种筛网被红色油漆染色。然后使用扫描仪采集四种筛网相同面积（50mm×50mm）的图像。利用MATLAB软件根据公式1来计算孔隙率。

公式1 孔隙率计算公式

其中，d代表孔隙率，n代表扫描筛网的像素点个数，N 代表总像素点个数。

2.5 分离装置仿真分析

2.5.1 几何模型构建

在仿真分析之前，使用AutoCAD构建四种不同筛网的分离装置模型。然后将其保存为“.sat”格式文件从AutoCAD2007软件中导出，导入进入GAMBIT软件。此后，移动筛网和边界参数设定均在GAMBIT软件中进行。

2.5.2 数学模型选择

雷诺数（Reynolds number，流体力学重要无量纲参数），是一个重要的数学模型选择基础。分离装置入口的雷诺数可以通过公式2计算得出。其中，空气密度ρ，入口处空气速度v，特征长度和空气粘度系数分别为1.21kg·m^-3，4·s^-1，70mm和1.81×10^-5Pa·s。计算雷诺数为18718，超过10000，则气流属于全湍流。因此标准k-ε湍流模型适用于本研究。

公式2 雷诺数计算

其中，Re代表雷诺数，ρ代表空气密度，v代表空气速度，d代表特征长度，μ代表空气年度系数。

湍流动力能量k：

公式3 湍流动力能量计算公式

损耗ε：

公式4 损耗计算公式

湍流逆流粘度μ_t

公式5 湍流逆流粘度

其中，G_k和G_b分布由在梯度变化的湍流动力能量k和平均粘性弹力得出。Y_M为总损耗率ε的波分膨胀效应。C_1ε，C_2ε和C_3ε为经验常数，分别为1.44,1.92和0.09在FLUENT软件中。σ_k为湍流动力能量的普朗特数，σ_ε为损耗率的普朗特数，分别为1.00和1.30。

2.5.3 边界参数设定

边界参数根据之前的研究设定。分离装置入口空气速度为4m·s^-1。大网状滚筒旋转速度为沿顺时针方向每分钟100转，小网状滚筒的转速为120rpm沿相同方向。残膜出口设定为flow（流出）。籽棉出口设定为wall（墙），因为在密闭气阀处空气不能流出。大小网状滚筒设一定壁。其他分离装置的修整边界也如此。

3 结果与讨论

3.1 孔隙率测量结果

四片不同孔径尺寸的金属网图像处理结果如图5所示。孔隙率测量结果如表1所示。根据公式1可知，4种孔径尺寸的孔隙率计算结果分别为37%，42%，59%和65%。

图5 不同孔径尺寸的 表1 金属网孔隙率测量结果

3.2 数值仿真结果

从GAMBIT软件中导出“.mesh”文件，导入到FLUENT软件中，设定边界参数。同时，利用FLUENT软件进行分离装置室内的数值仿真。如图6所示，为分离装置的空气流速分布。其中，70%孔隙率作为控制组添加到仿真组中。仿真结果表明，大小网状滚筒空隙越大，其内部气流速度越佳。

图6 分离装置室内气体流速分布

主要区域测试点速度如图7所示。由此可以得出，主要区域的测试点速度会随着孔隙率的增加而增加。随着孔隙率增加，不同孔隙率的速度差异变小。70%孔隙率的测试点的最大气流速度为3.5m·s^-1，37%孔隙率的最大气流速度仅为2.2m·s^-1。因此网状滚筒不同孔隙率会对残膜吸附作用有很大影响。然而，70%孔隙率不能满足产品的要求，因为其孔径大于棉种横径尺寸，棉种容易进入筛网内。因此65%的孔隙率记5mm×5mm孔径尺寸为四种筛网中分离装置的最佳选择。

图7 主要区域测试点速度

4 结论

1）分离装置研究中，首先使用FLUENT软件动态网格技术进行不同孔隙率的分离装置的仿真分析，更加准确地模拟分离装置室内气流分布。
2）利用图像处理方法测量四种不同筛网的孔隙率，为相似研究提供参考依据。
3）研究揭示了不同孔隙率对残膜和籽棉分离的影响规律，孔隙率越大，网状滚筒粘附力越大。
4）由于棉籽横径的限制，本研究中65%孔径为最优分离。为了改善本研究的鲁棒性，应该进一步研究不同品种的棉籽。

致谢

作者十分感谢中国自然科学与技术支持项目（2015BAD19B03）和国家自然基金（51265047）的经费支持。作者同时感谢罗勇军和贾凯所收集的数据。