谷物清选多组分生物质非球形颗粒-气相非稳态湍流系统机理研究

At present, the research on the motion mechanism of multi-component aspheric particles in unsteady turbulent flow field of cleaning system is still in the developing stage at home and abroad. The drag force model used in the numerical model of gas-solid two-phase flow of cleaning system is based on the free subsidence method of conventional research method. Because this method is measured in low Reynolds number flow field, it will be used in industrial gas-solid system greatly. Error. In this project, a new traction model suitable for high particle Reynolds number is deduced by setting up a traction measurement test system in unsteady turbulent flow field. The core mathematical model of particle system discrete element simulation is studied. A gas-solid two-phase flow model of multi-component biomass aspheric particle system in a high precision grain cleaning system is established, and the mechanism of grain cleaning is revealed at multi-scale. Then, based on the theory of computer experimental design and the modern design method of surrogate model, the optimization design of grain cleaning system is carried out, which takes into account the contradiction between the loss rate and impurity rate, improves its cleaning performance and breaks through the bottleneck of grain cleaning design.

当前，国内外针对清选系统的非稳态湍流场下多组分非球形颗粒运动机制的研究尚处于发展阶段，构建的清选系统气固两相流数值模型所采用的曳力模型均是基于常规研究方法自由沉降法获得，由于该方法是在低雷诺数流场下测得的，应用于工业气固系统会有较大误差。为此，本项目通过搭建非稳态湍流场下曳力测量试验系统，推导新型适合于高颗粒雷诺数的曳力模型，并对颗粒系统离散元模拟的核心数理模型进行研究，建立高精度的谷物清选系统多组分生物质非球形颗粒系统的气固两相流模型，多尺度揭示谷物清选机理，分析清选系统结构参数及流场特征参数对清选过程的影响规律；然后基于计算机试验设计理论和代理模型现代设计方法，对谷物清选系统进行优化设计，兼顾清选损失率和含杂率矛盾问题，提高其清选性能，突破谷物清选设计瓶颈。

谷物清选系统是收获机械实现清选作业的关键核心部件，直接影响谷物籽粒清洁度、清选损失和清选效率。针对国内外谷物清选系统在非稳态湍流场下多组分非球形颗粒运动机制研究的不足，本课题开展了大量的研究，并取得了一系列的成果。.1）非稳态湍流场下非球形颗粒曳力机制研究及核心数理模型的构建及验证.设计并搭建了宽范围雷诺数流场条件下非球形颗粒的曳力测量试验系统，开展了不同形状、物性参数及气流场特征参数条件下的曳力试验；揭示了颗粒物性、气流场特征等参数对颗粒湍流曳力机制的影响规律，构建了较为统一的适用于生物质非球形颗粒的新型曳力模型。运用逆向工程技术和超椭球球元填充法构建了离散元非球形颗粒，基于试验设计建立了待标定模拟参数与休止角的回归模型，结合优化理论得出最优模拟参数组集合；构建并验证了适于脱出混合物的颗粒接触力学模型。.2）清选系统非稳态湍流场下多组分生物质非球形颗粒运动多尺度分析及验证.对谷物清选筛分系统中的谷物颗粒进行了建模分析，构建了清选系统中谷物籽粒、短茎秆、轻杂余多组分颗粒混合物湍流场下气固流动数值计算模型，对清选过程多组分生物质非球形颗粒的气固流动进行了模拟分析，并与相应的台架试验观测信息进行了多尺度对比，验证了所构建模型的有效性。.3）基于GA-SVR代理模型的谷物清选系统优化设计 .以谷物清选系统的振频、振幅、筛孔大小及风速为自变量设计了多组正交仿真试验，利用CFD-DEM耦合方法设计的多种工况进行数值模拟分析，评估了清选损失率和含杂率；基于GA-SVR建立了清选损失率和含杂率的代理模型；利用NSGA-II算法对代理模型进行了最优求解，实现了对收获机械谷物清选系统的快速高效优化设计。. 本课题的研究揭示了谷物清选气固流动机理，完成了对清选过程的高精度仿真计算，并为谷物清选系统的高效优化设计提供了理论指导，有利于解决谷物清选的高损失率、高含杂率问题，提升了清选效率。