Имитационное моделирование процесса очистки в зерноочистительной машине горизонтального типа ВСГ-1

Введение. В настоящий момент наиболее важную роль в сельскохозяйственной промышленности играет повышение эффективности процесса очистки, снижение потерь и улучшение качества зерна. Для этого необходимо проводить исследования в модернизированных и спроектированных зерноочистительных агрегатах с предварительной оценкой полученных параметров. Такую оценку возможно провести благодаря имитационному моделированию в специализированных системах автоматизированного проектирования. Имитационное моделирование является важной методологией для оптимизации работы зерноочистительных машин. Так как зерновые культуры разнообразны и требуют разных условий для эффективной очистки, исследование и тестирование на реальных машинах могут значительно затянуть процесс и увеличить затраты. Имитационное моделирование позволяет исследовать различные условия и параметры, оптимизировать процедуры, проверять теоретические концепции без необходимости экспериментов на реальных машинах. С помощью имитационного моделирования можно также предвидеть динамические процессы, оценивать производительность и надежность зерноочистительных машин. Таким образом, использование имитационного моделирования в зерноочистительных машинах является необходимым инструментом для оптимизации работы и повышения производительности.

Целью данной работы является определение оптимальных параметров очистки зерноочистительной машины горизонтального типа ВСГ-1 при имитационном моделировании.

Материалы и методы исследования . Для воздушной очистки зерна от лёгких примесей и пыли разработан воздушный сепаратор с каналом горизонтального типа ВСГ-1 (рисунок 1) с распределительным устройством автоматизированного действия и возможностью корректировки скорости ввода материала в аспирационный канал, имеющий принципиально новые конструктивные отличия от имеющихся воздушных очистительных машин. Большинство зерноочистительных установок – вертикального типа, недостаток таких установок в том, что при движении зерна в вертикальном аспирационном канале частицы бьются об стенки канала, что увеличивает процент травмированного зерна.

1 – вход воздушного потока; 2 – выход воздушного потока; 3 – вход аспирационного канала;

4 – выход аспирационного канала

Рисунок 1 – Общий вид зерноочистительной машины горизонтального типа ВСГ-1

1 – airflow inlet; 2 – air flow outlet; 3 – entrance of the aspiration channel; 4 – exit of the aspiration channel Figure 1 – General view of a VSG-1 horizontal grain cleaning machine

Для повышения эффективности очистки от лёгких примесей целесообразно уменьшить кучность зернового материала, подаваемого из приёмно-распределительного устройства в ас- пирационный канал (рисунок 1), что приведёт к отделению примесей и мелкодисперсных пылевых частиц от основного очищаемого материала перпендикулярным воздушным потоком и позволит произвести предварительную очистку зернового материала с последующей фильтрацией и выпуском наружу.

На рисунке 2 представлены зависимости распределения скорости воздушного потока относительно геометрических размеров поверхностей входа и выхода.

При анализе взаимодействия частиц с воздушным потоком рассмотрим действие сил на частицу (рисунок 3). Из рисунка 1 видно, что в пневмосепарирующий канал частица поступает под углом к горизонтали с некоторой начальной скоростью С 0 и встречается с вертикальным потоком, как в большинстве сепараторов для очистки зерна.

Выход Outlet

6№     _  _____

Вход 3 Inlet 3

Рисунок 2 – Геометрическое расположение входа 3 и выхода воздушного потока Figure 2 – Geometric arrangement of Inlet 3 and the outlet of the air flow

ʋ 0

Рисунок 3 – Силы, действующие на частицы вертикальным воздушным потоком, и планы скоростей Figure 3 – Forces affecting particles by vertical air flow and velocity diagrams

Воздушный поток воздействует на зерновой материал в начальный момент времени при скорости U0. Зная значение начальной скорости зернового материала и воздушного потока - С0 и u0 = ^v^ + Cq — 2v0C0cos(9G + a") = ^v^ + C^ + 2v0C0sina.     (1)

U 0 соответственно, а также на основе плана скоростей и уравнения векторов С 0 - v₀ + и₀ можно определить величину и направление ско рости движущейся частицы из выражения (1):

Направление скорости, определяемое углом к направлению воздушного потока 00, можно по- лучить из выражения (2):

sin0 0 = — sin(90

Сила сопротивления воздушног о " потока, действующая на частицу в направлении, противоположном относительной скорости, определяется из выражения (3):

R= C_Df_m^ 2 , (3) где C_D - коэффициент лобового сопротивления частицы; f_m - миделево сечение; р - плотность воздуха.

В итоге движение частицы определится действием результирующей силы Р , величину которой можно опре делить из выражения (4):

Р = 7^ 2 + R 2 - 2GRCOS0 0 , (4) где G - сила тяжести; R - результирующая сила, действующая на частицу в вертикальном воздушном потоке; 0 0 - угол наклона частицы к направлению воздушного потока.

То есть, когда скорость движения частицы близка к скорости воздушного потока, её траектория постепенно снижается. Но по мере того, как скорость движения частицы становится выше скорости воздушного потока, её траектория начинает меняться, и она движется по нисходящей траектории к горизонтальной части аспирационного канала. Это происходит, даже если скорость подачи частиц увеличивается [1, 2, 3].

Научные исследования показывают, что использование скорости воздушного потока в 10 м/с в зерноочистительных машинах является

+ а) или sin0_o = — cosa. (2)

Ug оптимальным для удаления легких примесей из зерна пшеницы. Высокая скорость воздушного потока обеспечивает эффективное отделение легких примесей от тяжелых зерен. Для удаления пыли, соломы и других легких примесей необходимо поддерживать постоянную скорость потока воздуха в зерноочистительной машине. Скорость потока воздуха в 10 м/с дает возможность достигать оптимальной эффективности очистки зерна от легких примесей. Эту скорость можно регулировать для обеспечения максимальной эффективности и минимальных потерь зерна. Таким образом, использование скорости воздушного потока в 10 м/с в зерноочистительных машинах является необходимым для обеспечения эффективной очистки зерна пшеницы от легких примесей [4, 5, 6]. Для упрощения имитационного моделирования не учитывались прочие формы частиц [7].

Для проведения имитационного моделирования аспирационного канала зерноочистительной машины горизонтального типа ВРС-1 были выбраны программные средства, такие как: Ansys Fluent и Rocky [8, 9, 10, 11].

Результаты исследования и их обсуждение. В Ansys Fluent были заданы граничные условия и построена расчётная сетка, а также обозначены входы/выходы (рисунок 4).

а a                                                 б b а – обозначение входов и выходов в расчётной модели; б – расчётная сетка Ansys Fluent Рисунок 4 – Подготовка расчётной модели a – designation of inputs and outputs in the computable model; b – Ansys Fluent computational mesh Figure 4 – Preparation of the computable model

Под номерами 1–3 обозначены входы для имитационной модели, скорость входного воздушного потока в области 1 и 3 (рисунок 4) составляет 0 м/с, так как принудительной подачи воздуха осуществляться не будет, а вход под номером 2 (рисунок 4) имеет скорость воздуш- ного потока 10 м/с, скорость воздушного потока в области 4 составляет 7 м/с.

После построения сетки в Ansys Fluent зададим параметры частицы и расход частиц. Для пшеницы наиболее близкая по форме модель многогранника (рисунок 5 а ), а для лёгкой примеси – сфера (рисунок 5 б ).

а а

б b

а – модель для пшеницы – многогранник; б – модель для лёгких частиц – сфера Рисунок 5 – Модель частиц, необходимых для имитационного моделирования а – a polyhedron presents a model for wheat; b – a sphere presents a model for light particles Figure 5 – Model of particles required for simulation modeling

Параметры зерна пшеницы для моделирования:

– длина – 7,2 мм;

– ширина – 4,9 мм;

– насыпная плотность пшеницы – 800 кг/м3;

– массовый расход при моделировании – 10 т/ч.

Для оптимизации процесса имитационного моделирования лёгких примесей была выбрана форма частиц сфера.

Параметры лёгкой частицы для моделирования:

– длина – 4,5 мм;

– ширина – 4,5 мм;

– насыпная плотность пшеницы – 10 кг/м3;

– массовый расход при моделировании – 0,04 т/ч [7].

Направление движения воздушного потока представлено на рисунке 6.

Из рисунка 6 видно, что максимальная скорость воздушного потока в 7 и 10 м/с наблюдается в области 2 и 4 (рисунок 3) соответственно, что указывает на правильность введённых граничных условий.

Векторы скорости воздушного потока представлены на рисунке 7.

Если рассмотреть более детально векторы скорости воздушного потока (рисунок 8) в аспирационной области, то можно проследить появление перпендикулярного воздушного по- тока (1, рисунок 8) по отношению к горизонтальному движению частиц из области 3 (рисунок 3).

Векторы скорости воздушного потока в пристеночных областях вертикального потока имеют скорость в 2 раза меньше по отношению к входной и выходной областям и меняют направление на противоположное вдоль стенки. Это обусловлено высоким скоростным напором воздушного потока, а также законом движения воздуха, описываемым уравнением Бернулли [1]:

Р^і Р^2

Р і + — = Р 2 + — = const, (5) где р - статическое давление; pV^ - скоростной напор для двух различных направлений движения воздушного потока; V - средняя скорость потока; p - плотность жидкости (газа).

Исходя из выражения 5, проанализируем зависимости, полученные по результатам работы в Ansys Fluent. Графики зависимости распределения скорости воздушного потока и распределения динамического давления воздушного потока относительно геометрических размеров поверхностей входа и выхода ВСГ-1 представлены на рисунках 9 и 10 соответственно. Геометрические размеры на рисунках 9 и 10 имеют отрицательные значения, это указывает на то, что начало геометрии считается относительно геометрического центра выхода 3 и входа соответственно.

Рисунок 6 – Направление движения воздушного потока Figure 6 – Direction of air flow

Рисунок 7 – Векторы скорости воздушного потока Figure 7 – Air flow velocity vectors

Рисунок 8 – Векторы скорости воздушного потока в области очистки Figure 8 – Air flow velocity vectors in the cleaning area

Геометрические размеры поверхности, м Geometric dimensions of the surface, m

Рисунок 9 – Зависимости распределения скорости воздушного потока относительно геометрических размеров поверхностей входа 3 – 1 и выхода – 2

Figure 9 – Dependences of the distribution of air flow velocity relative to the geometric dimensions of the surfaces of Inlet 3 – 1 and Outlet – 2

Геометрические размеры поверхности, м Geometric dimensions of the surface, m

Рисунок 10 – Зависимости распределения динамического давления воздушного потока относительно геометрических размеров поверхностей входа 3 – 1 и выхода – 2 Figure 10 – Dependences of the distribution of the dynamic pressure of the air flow relative to the geometric dimensions of the surfaces of Inlet 3 – 1 and Outlet – 2

Из рисунка 9 видно, что скорость воздушного потока на входе 3 (рисунок 2) равномерно распределена по всей поверхности входа 3 и составляет 10 м/с, а на выходе аспирационного канала от -0,03 до 0,03 м максимальная скорость составляет 8 м/с, что достаточно для того, чтобы обеспечить подъёмную силу лёгких примесей. Подъёмная сила обеспечивается динамическим давлением, зависимость распределения динамического давления воздушного потока относительно геометрических размеров поверхностей входа 3 и выхода представлена на рисунке 10.

Из рисунка 10 видно, что динамическое давление на выходе аспирационного канала относительно центра входа от -0,02 м до 0,02 м имеет максимальное значение 50 Па, а на входе по всей поверхности – 63 Па, что обеспечивает подъёмную силу лёгких примесей.

На рисунке 11 представлено взаимодействие лёгких частиц с воздушным потоком.

Рисунок 11 – Взаимодействие лёгких частиц с воздушным потоком Figure 11 – Interaction of light particles with air flow

Из рисунка 11 видно, что лёгкие примеси при попадании в зону перпендикулярного воздушного потока в 10 м/с изменяют вектор скорости к выходу канала, а зёрна пшеницы, имеющие ускорение, полученное при вводе материала в аспирационный канал распределительным устройством, скатываются по горизонтальному каналу, изменяя направление к вектору v₀ (рисунок 3) при прохождении участка, где происходит давление воздушного потока на частицы, после чего снова движутся по каналу, попадая в фракцию очищенного материала. Скорость витания зерна пшеницы составляет от 8,5 до 11,5 м/с [2], при выбранном среднем значении в 10 м/с будет происходить отклонение траектории движения частиц зерна, что и наблюдается при имитационном моделировании.

Выводы. В ходе проведения имитационного моделирования была подтверждена работоспособность конструкции зерноочистительной машины горизонтального типа ВСГ-1, были приведены зависимости распределения скорости воздушного потока относительно геометрических размеров поверхностей входа и выхода, распределения динамического давления воздушного потока относительно геометрических размеров поверхностей входа и выхода, кроме этого были приведены зависимости направления скорости, определяемые углом к направле- нию воздушного потока 00, и выражения силы сопротивления воздушного потока, действующие на частицу в направлении, противоположном относительной скорости, результирующей силы движения частицы. Полученные зависимости скорости воздушного потока от геометрических размеров воздушной зерноочистительной машины описаны законом сохранения энергии. Так, при движении воздуха через узкий канал (воздушный поток) происходит ускорение скорости в соответствии с уравнением Бернулли. Согласно этому закону, скорость потока воздуха обратно пропорциональна квадрату площади поперечного сечения канала. Также скорость потока воздуха напрямую пропорциональна разности давлений, то есть, если разность давлений уменьшается, то скорость потока воздуха увеличивается. Таким образом, увеличение геометрических размеров канала (воздушной зерноочистительной машины) приведет к уменьшению скорости воздушного потока. При этом, ближе к центру выхода воздушного потока может быть область усреднения скорости, где скорость будет максимальной, но общая тенденция уменьшения скорости потока останется применимой.

Геометрические размеры аспирационной части ВСГ-1 составляют 1500×30×45 мм, при этом скорость воздушного потока на входе кана- ла исследуемой машины горизонтального типа ВСГ-1 составляет 10 м/с, а на выходе аспирационного канала (область очистки) – 8 м/с, при этом динамическое давление на выходе аспирационного канала относительно центра входа имеет максимальное значение 50 Па, а на входе по всей поверхности – 63 Па, что обеспечивает подъёмную силу лёгких примесей.

Данные, полученные в ходе имитационного моделирования, могут быть использованы при создании лабораторной зерноочистительной машины горизонтального типа.