شماره مدرك
20343
شماره راهنما
17518
پديد آورنده
صفري حسينآبادي، كامران
عنوان
طراحي و توسعه غربال استوانهاي دوار به عنوان سيستم تميزكننده گندم كوبيده شده با استفاده از شبيهسازي CFD- DEM
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
طراحي و ساخت
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1404
صفحه شمار
هشت،68 ص، مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
كلمات كليدي: شبيهسازي عددي، ديناميك سيالات محاسباتي، روش المان گسسته، غربال استوانهاي دوار، سامانههاي تميزكننده
تاريخ ورود اطلاعات
1404/04/28
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك بيوسيستم
دانشكده
مهندسي كشاورزي
تاريخ ويرايش اطلاعات
1404/04/31
كد ايرانداك
23147089
چكيده فارسي
محصولات كشاورزي منبع اصلي ذرات زيستي بوده كه در شكل، اندازه، چگالي و ساير خصوصيات فيزيكي و مكانيكي متفاوت ميباشند. در برداشت گندم سه قسمت اصلي برداشت شده گياه عبارتند از دانه، كاه و كوزل. محصول برداشت شده ميتواند شامل قسمتهاي ديگري مانند بذر علف هرز، خاك و ديگر بافتهاي گياهي غير از محصول اصلي نيز باشد. سه شاخص نسبت تميزي، نرخ تلفات و بازده از شاخصهاي مهم جداسازي دانه از مواد غيردانه (MOG) در ارزيابي كمباين ها به شمار ميروند. امروزه بهبود طراحي و بهينه سازي سامانه هاي تميزكننده به يك نياز مبرم در صنعت تبديل شده است. روش اجزاي گسسته (DEM) يك تكنيك شبيهسازي عددي رايج و قدرتمند براي پيشبيني و مدلسازي جريان مواد گسسته بر اساس قوانين حركت نيوتن است. مدلهاي ديناميك سيالات محاسباتي (CFD) نيز براي تحليل ويژگيهاي جريان سيال مورد استفاده قرار ميگيرند تا رفتار آئروديناميكي را پيشبيني كنند. غربال استوانهاي دوار با يك ساختار استوانهاي شكل ساده داراي ويژگيهاي ساخت نسبتا ساده، وزن سبك، ارتعاش كم، كاركرد آسان و مصرف انرژي كم در مقايسه با ساير سيستمهاي جداسازي مواد ميباشد و به طور گسترده در عمليات غربالگري و درجهبندي استفاده ميشود. در اين پژوهش با هدف درك بهتر حركت پديدههاي ميكروسكوپي در طول فرآيند جداسازي دانه گندم از مواد غيردانهاي و همچنين بررسي اثر پارامترهاي متفاوت طراحي شامل سرعت جريان هوا، شيب غربال و سرعت دوراني غربال بر شاخص¬هاي عملكردي غربال استوانهاي دوار از شبيه سازي عددي به روش جفت كردن CFD-DEM بهره برده شد. با طراحي و ساخت يك غربال استوانهاي دوار صحتسنجي نتايج حاصل از مرحله شبيهسازي انجام شد. با توجه به اندازه اجزاي گندم درو شده فاصله روزنهها، قطر روزنهها، طول و قطر غربال استوانهاي به ترتيب 3، 11، 700 و 300 ميليمتر انتخاب شد. براي شبيهسازي سامانه تميزكننده ابتدا هندسه مربوط به غربال استوانهاي و حوزه دامنه جريان هوا توسط محيط مدلسازي SpaceClaim در نرم افزار Ansys Workbench ايجاد شد. سپس براي ايجاد شبكه محاسباتي و تعيين شرايط مرزي متناسب به فيزيك جريان هوا، هندسه توليد شده به محيط Ansys Meshing منتقل شد. پس از گسستهسازي حوزه سيال و انتخاب تعداد شبكه مناسب، مسئله به نرم افزار Ansys Fluent انتقال پيدا كرد. براي شبيهسازي ذرات در سامانه تميزكننده از نرم افزار Rocky DEM استفاده شد. مدل دانه گندم و كوزل به كمك اسكن سه بعدي ايجاد شد. ذرات كاه در نرم افزار به عنوان يك Straight fiber ترسيم شد. سپس خواص فيزيكي و مكانيكي غربال، مجراي ورود هوا، گندم، كاه و كوزل تعريف شد. با توجه به تغييرات نرخ تلفات، گام زماني 00045/0 ثانيه براي حل مسئله انتخاب شد. در نهايت كوپل دو نرم افزار در محيط Ansys Workbench انجام شد. پس از انجام شبيهسازيها، آزمايشهاي اعتبارسنجي با گندم كوبيده شده كه درصد جرمي و مشخصات فيزيكي اجزاي آن با شبيهسازيها يكسان بود، انجام شد. نتايج نشان داد سرعت جريان هوا تاثير معناداري بر هر سه شاخص نسبت تميزي، نرخ تلفات و بازده داشت. همچنين اثر شيب غربال بر نسبت تميزي معنادار بود. اثر سرعت دوراني غربال بر نسبت تميزي و بازده نيز معنادار گزارش شد. با مقايسه نتايج تجربي با نتايج شبيهسازي، ميانگين مقادير درصد خطا براي نسبت تميزي و بازده كمتر از 5 درصد و براي نرخ تلفات برابر با 69/7 درصد بدست آمد. براي رسيدن به بيشينه نسبت تميزي و بازده و كمينه نرخ تلفات به ترتيب برابر با 45/85، 87/86، 91/1 درصد، بايد شيب، سرعت جريان هوا و سرعت دوراني غربال برابر با 9/3 درجه، 4/18 متر بر ثانيه و 3/22 دور بر دقيقه باشد.
چكيده انگليسي
Agricultural products are a primary source of bio-particles, which vary in shape, size, density, and other physical and mechanical properties. In wheat harvesting, the three main components collected from the plant are the grain, straw, and chaff. The harvested material may also contain other elements such as weed seeds, soil particles, and plant tissues other than the main crop. Three key performance indices in evaluating combine harvesters for separating grain from material other than grain (MOG) are cleanliness ratio, loss ratio, and efficiency. Today, the improvement and optimization of cleaning systems have become a critical demand in the agricultural machinery industry. The Discrete Element Method (DEM) is a widely used and powerful numerical simulation technique for modeling and predicting the flow behavior of particulate materials based on Newtonian mechanics. In parallel, Computational Fluid Dynamics (CFD) models are employed to analyze fluid flow characteristics and predict aerodynamic behavior. The rotary cylindrical sieve, with its simple cylindrical structure, has relatively simple construction, low weight, minimal vibration, easy operation, and lower energy consumption compared to other separation systems. It is widely used in screening and grading operations. This study employed CFD-DEM coupled numerical simulation to gain a better understanding of microscale phenomena during the grain separation process and to investigate the effects of design parameters—including airflow velocity, sieve inclination angle, and sieve rotational speed—on the performance indices of the rotary cylindrical sieve. A rotary cylindrical sieve was designed and constructed to validate the simulation results. Based on the size of the harvested wheat components, the sieve aperture spacing, aperture diameter, sieve length, and sieve diameter were set to 3 mm, 11 mm, 700 mm, and 300 mm, respectively. To simulate the cleaning system, the geometry of the sieve and airflow domain was created using the SpaceClaim environment in ANSYS Workbench. The geometry was then transferred to ANSYS Meshing to generate the computational grid and apply boundary conditions appropriate to the airflow physics. Following the discretization of the fluid domain and the selection of an appropriate mesh size, the model was exported to ANSYS Fluent for CFD simulation. The Rocky DEM software was used to simulate particles within the cleaning system. Three-dimensional scans were used to model the wheat grain and chaff particles, while straw particles were modeled as straight fibers. The physical and mechanical properties of the sieve, air inlet duct, wheat grains, straw, and chaff were defined accordingly. Based on variations in the loss rate, a time step of 0.00045 seconds was selected for the solution. The coupling of CFD and DEM simulations was carried out within ANSYS Workbench. After simulation, validation experiments were conducted using threshed wheat with mass percentages and physical characteristics matching those used in the simulation. The results indicated that airflow velocity had a significant effect on all three performance indices: cleanliness ratio, loss ratio, and efficiency. The sieve inclination angle significantly affected cleanliness ratio, while the sieve rotational speed had a significant effect on both cleanliness ratio and efficiency. By comparing the experimental data with the simulation results, the mean percentage error was found to be less than 5% for cleanliness ratio and efficiency, and 7.69% for loss ratio. To achieve maximum cleanliness ratio (85.45%), maximum efficiency (86.87%), and minimum loss ratio (1.91%), the optimal parameters were determined to be a sieve inclination of 3.9 degrees, airflow velocity of 18.4 m/s, and sieve rotational speed of 22.3 rpm.
استاد راهنما
مهرنوش جعفري
استاد مشاور
مهدي نادرينژاد
استاد داور
مرتضي صادقي , محمد شاياننژاد