籽瓜高效破碎和组分分离机理研究

Seed watermelon highly efficient crushing and components separation is a key link in the whole utilization of seed watermelon. Due to the lack of corresponding theoretical guidance, the industry development has been restricted seriously because of such problems as high energy consumption, serious damage and drag separation of seeds. This research will study the corresponding basic theory. Based on the physicochemical properties, biomechanical properties and microstructure morphology of different components, the mechanical behavior during seed watermelon crushing and components separation will be studied, and the mechanical model and criterion will be established. The two-phase hydrodynamics rule will be mastered, and the corresponding models will be established through two-phase hydrodynamics theoretical analysis, CFD and DEM coupling simulation and PIV test methods. To reveal mechanism of seed watermelon efficient crushing and components separation, the crushing model will be established with consideration of the particle size distribution based on the viscoelastic solid crushing theory, and the separation model of seed watermelon will be established based on the two-phase materials separation theory. On this basis, the method of coordinated control for the whole highly efficient crushing and separation process will be identified to realize process coordination. The research will enrich the connotation of crushing and separation theory for agricultural materials, practically improve the mechanization level of seed watermelon postharvest processing, and have important application value to promote the development of the seed watermelon industry.

籽瓜破碎和组分分离是籽瓜全利用加工的一个重要环节，由于缺乏相应的理论指导，实际生产中存在能耗高、瓜籽损伤严重和分离不彻底的问题，严重制约产业的发展。本项目针对这一问题，进行相应的基础理论研究。依据籽瓜各组分的理化特性、生物力学特性和微观结构形态分析，研究籽瓜破碎和组分分离各环节的力学行为，建立相应的力学模型和准则。采用两相流体动力学分析、CFD与DEM耦合仿真和PIV测试方法，研究籽瓜破碎和组分分离过程的两相流体动力学规律，建立相应的流体动力学模型。基于粘弹性体破碎理论，建立考虑粒度分布的籽瓜破碎模型，基于两相物料分离理论，建立籽瓜组分分离模型，揭示籽瓜高效破碎和组分分离机理。在此基础上，研究总体工艺过程协调控制的方法，实现籽瓜高效破碎和组分分离过程的协调控制。这在理论上丰富了农业物料破碎和分离理论的研究内涵，在实践上对提高籽瓜产后加工的机械化水平，促进籽瓜产业的发展具有重要的应用价值。

本项目针对籽瓜全利用生产加工过程中破碎取籽分离环节存在能耗高、瓜籽损伤严重和分离不彻底的问题，通过理论分析、数值模拟与试验相结合的方法，深入开展籽瓜破碎与组分分离机理和工艺协调控制的研究。首先，进行了籽瓜组分及各分离环节力学特性研究，研究了不同规格、不同部位籽瓜果皮质地特性之间的差异、变异程度和变化规律，建立了瓜皮破碎结构模型、各组分输送结构模型和分离结构模型，以及相应的破碎力学、输送力学、分离力学模型和准则。其次，研究了皮瓤分离过程和籽瓤分离过程的液固两相流体动力学特性，建立了皮瓤分离过程和籽瓤分离过程的两相流场模型。采用实测试验与仿真试验相结合的方法，建立了籽瓜各组分的离散元模型，并对破碎和组分分离过程进行了数值模拟，探索了结构参数、工作参数对流场的影响规律，获得了各参数的合理取值范围。第三，基于粘弹性体破碎理论，结合实际破碎试验，建立了考虑粒度分布的籽瓜破碎理论模型。基于两相物料分离理论，建立了籽瓜组分分离模型。在此基础上，揭示了籽瓜高效破碎和组分分离机理。第四，分段试制各环节测试平台，系统研究了冲击破碎、挤压破碎、皮瓤分离、籽瓤分离4个环节工艺优化配置，在此基础上根据总体能耗、生产率、各组分分离物最终纯度要求，基于并行处理方法，优化配置总体工艺参数，实现了籽瓜高效破碎和组分分离过程的协调控制。本项目的研究在理论上丰富了农业物料破碎和分离理论的研究内涵，在实践上对提高籽瓜产后加工的机械化水平，促进籽瓜产业的发展具有重要的应用价值。