核桃破壳后壳仁气流分离的实验研究与机理分析

Airflow separation for walnut shell-kernel has important application value because of the low cost and little damage.but few of the research is about basic theory currently.Experience and separation law of other grain materials were depend on,which lead to low separation rate and low product puritu.This seriously restricted the scale of walnut processing.In this project,the distribution regularity of flow field in separation chamber will be studied by PIV,numerical model between wind speed、air volume、material flow and air plate opening will be set up as well.On the other hand, motion equation and single walnut model in airflow field will be build.By studying interaction from particle swarms themselves and with airflow field, model of particle swarms based on distinct element method and separation rules of particle swarms in airflow field will be established.In the end,high-speed camera system and image processing technology will be used to collection and analysis the image sequences of particles in the airflow field , and collect the motion characteristics of particles,then the correctness of the theoretical analysis and separation will be verified. Above all the analysis, the structure and operation parameters of shell-kernel separation device can be optimized and provide theoretical basis for an efficient separation device designation.

核桃壳仁气流分离成本低、对仁损伤小，具有重要的应用价值。然而目前关于核桃破壳后壳仁气流分离的基础理论研究很少，现有分离装置多凭经验或借鉴其他谷物类物料分选理论设计，壳仁分离率低，仁中含壳率、壳中含仁率偏高，制约了核桃的规模化加工。本项目拟首先利用PIV粒子图像测速仪研究分离室内气流场空间分布规律及风速风量、物料流量、调风板开度等对气流场分布的影响，并建立数值模型。其次在对核桃壳仁颗粒物理特性研究的基础上，建立单颗粒模型及其在气流场作用下的运动方程；研究颗粒之间的相互作用，构建基于离散元的颗粒群模型，分析颗粒群在气流场中的运动及分离规律，并进行数值模拟分析。最后运用高速摄像系统、图像处理技术采集和分析颗粒在气流场中分离过程的序列图像，提取颗粒的运动数据，验验证理论分析的正确性并进行分离效果验证。从而为优化分离装置的结构及运行参数，控制影响壳仁分离的主要因素，设计高效分离装置提供理论依据。

核桃产业发展对于新疆特别是南疆主产区农民增收至关重要，核桃破壳后获得干净的核桃仁是核桃深加工的前提。核桃壳仁气流分离成本低，对仁损伤小，具有较高的应用价值。然而目前关于核桃破壳后壳仁气流分离的基础理论研究很少，现有分离装置多凭经验或借鉴其他谷物物料分选理论设计，壳仁分离率低，仁中含壳率、壳中含仁率偏高，制约了核桃的规模化加工。. 本研究对核桃破壳后壳仁混合物料各组分分布情况，原果核桃及破壳后壳仁密度、迎风面积等系列参数进行了测定，着重对壳仁物料空气动力学特性进行了研究，计算了物料理论悬浮速度，实验测定了壳仁单颗粒与颗粒群物料悬浮速度，悬浮速度测定结果表明同等级单颗粒物料悬浮速度随质量变化规律并不稳定，随着颗粒数量的增加，核桃壳仁颗粒群悬浮速度逐渐增加，颗粒群悬浮速度与颗粒数量正相关，呈三次拟合函数关系；各等级物料分离风速为对应轻物料悬浮速度均值的1.1～1.2倍。结合壳仁物料特性，以现有壳仁气流分离系统为基础，模拟分析了分离装置关键机构分离腔与沉降箱内部流场空间分布，对比分析了影响核桃壳仁气流分离的关键结构参数：分离腔厚度、长度、进料口下部分离腔段长度，沉降箱宽度、内部挡料板位置与长度对核桃壳仁分离气流场的影响规律，结果表明厚度对壳仁分离腔流场分布影响较为明显，沉降箱挡料板位置和长度对核桃壳能否快速流向出壳口有较大影响，最后确定了分离腔与沉降箱较优的结构参数。结合装置，开展了风速调节机构对分离腔风速影响的实验研究，研究分析了调节阀开度、卸风板开度、进料口限料板高度对分离系统分离腔风速的影响规律，结果表明，调节阀开度对分离腔风速影响最大。开展了基于EDEM-FLUENT耦合的核桃壳仁气流分离系统模拟研究，探究壳仁分离过程物料受力、碰撞、运动轨迹以及喂料速度、风速等各因素对分离效果的影响。同时开展分离装置运行参数对壳仁分离效果的实验研究，通过对壳仁分离效果影响因素单因素与多因素正交实验，确定了壳仁气流分离最优组合参数。提出了节能型壳仁气力分选系统技术方案并进行了验证，该方案不仅增加了物料气力分选系统调节方法，而且可有效利用风机性能，减少电耗。. 基于以上对核桃破壳后物料特性研究、壳仁分离系统流场模拟分析、气固两相流耦合模拟分析与壳仁分离实验研究，本研究可为核桃壳仁气流分离装置的结构优化、高效分离装置设计以及分离装置生产应用提供较系统的理论基础与数据支撑。