توصيفگر ها :
ديناميك سيالات محاسباتي , روش اجزاي گسسته , سيكلون , گردابياب
چكيده فارسي :
چكيده
با توجه به جمعيت روز افزون جهاني و افزايش نياز به توليد غذاي بيشتر، طراحي و ساخت ماشينآلات بهروز و پيشرفته به امري ضروري مبدل شده است. در اين ميان گياه يونجه با دارا بودن انواع مواد غذايي مهم و اساسي از جمله انواع ويتامينها و پروتئينها جايگاه مهمي در صنعت دامداري دارد. برگهاي اين گياه كه داراي بيشترين مقدار مواد غذايي ميباشد حين عمليات برداشت و بستهبندي دچار ريزش شده و از دسترس خارج ميشود. در سال 1387 شجاعي براي مرتفع ساختن اين مشكل اقدام به طراحي و ساخت دستگاهي كرد كه از دو قسمت اصلي شامل يك مكنده براي جمعآوري برگهاي باقيمانده بر روي زمين و يك جداكننده سيكلوني براي جداسازي ذرات و دانههاي خاك مكيده شده از برگهاي يونجه،تشكيل شده بود. هدف اصلي از انجام پژوهش حاضر،آزمون و ارزيابي عملي و شبيهسازيشده عملكرد و كارايي ايندستگاه بود.در آزمون عملي تاثير دو عامل سرعت پيشروي دستگاه با سه سطح 2، 3 و 4 كيلومتر بر ساعت و اندازه قطر ذرات خاك و سنگها با سه سطح 2/0 ، 1 و 4/2 ميليمتر بر شاخصهاي عملكردي(بازده جمعآوري برگ،بازده جمعآوري برگ و ساقه،بازده تميزي،بازده سيكلون،گرفتگي توسط برگ و ساقه و گرفتگي توسط ذرات خاك و سنگها) دستگاه بررسي شد.به دليل عدم امكان تغيير سرعت چرخش فن دستگاه،تاثير سرعت هوا داخل سيكلون مورد ارزيابي و بررسي قرار نگرفت. در شبيهسازيها علاوه بر دوعامل سرعت پيشروي و اندازه ذرات خاك، اثر سرعت هواي بر شاخص¬هاي عملكردي دستگاه در سه سطح 9، 5/13 و 18 متر بر ثانيه نيز مورد بررسي قرار گرفت. براي انجام شبيهسازي¬ها از روش سطح پاسخ(RSM) بهره گرفته شد. شبيهسازي به روش كوپل يكطرفه CFD-DEM انجامشد. براي آناليز CFDاز نرمافزار Ansys Fluent و براي محاسبات DEM از نرمافزار Rocky DEM استفاده شد. در پژوهش حاضر علاوه بر بررسي كارايي و عملكرد سيكلون تحت تاثير عوامل مذكور، تغييراتي بر روي هندسه و ابعاد سيكلون با هدف ارتقاء و بهبود بازده تميزي دستگاه اعمال شد. اين تغييرات عبارت بودند از: افزايش شعاع انحناي لوله مكش به اندازه دو برابر و كاهش پهناي دهانه ورودي سيكلون به اندازه نصف اندازه اوليه و همچنين اضافه كردن لوله گردابياب با سه قطر متفاوت 150، 225 و 300 ميليمتر. نتايج به دست آمده از تجزيه واريانسهاي دادههاي شبيهسازي شده و تجربي نشان داد كه سرعت هواي 9 متر بر ثانيه باعث تجمع خاك و برگ در دهانه ورودي به سيكلون ميشود و به مرور زمان باعث گرفتگي لوله مكش ميگردد. از بين سرعتهاي 5/13 و 18 متر بر ثانيه، سرعت 5/13 متر بر ثانيه توصيه ميگردد،زيرا در سرعت 18 متر بر ثانيه ميزان افت فشار و اغتشاش مانع از جريان پيوسته مواد ميشود. به طوركلي، افزايش سرعت جريان هوا موجب جداسازي بيشتر برگ از توده محصول به جا مانده بر روي سطح خاك شد، اما به همان نسبت بر تميزي محصول خروجي از دستگاه جمعآوري برگ يونجه اثر منفي داشت. افزايش سرعت پيشروي منجر به كاهش بازده جداسازي برگ گرديد.زيرا افزايش سرعت پيشروي باعث شد برگهاي باقيمانده روي سطح خاك مدت زمان كوتاهتري در معرض دهانه مكش قرار گيرند. بررسي تاثير تغييرات اعمال شده بر طراحي و هندسه سيكلون نشان دادكه كاهش مقطع لوله مكش منجر به بهبود پارامترهاي عملكردي دستگاه جمعآوري برگ يونجه گرديد. با كاهش مقطع لوله مكش و به تبع آن افزايش سرعت هواي داخل سيكلون ميتوان بدون نياز به نصب فن قويتر از فن موجود بر روي دستگاه با توان 40كيلو وات مشكل تجمع برگ و خاك در دهانه ورود مواد به سيكلون را مرتفع كرد. وجود گردابياب منجر به جداسازي خاك و برگ گرديد، اما به دليل نزديك بودن وزن برگ به وزن ذرات خاك،بازده تميزي و بازده سيكلون هيچگاه به سطح صد در صد نرسيدند.در نهايت ميتوان گفت تغييراتي كه بر هندسه و ابعاد هندسي سيكلون اعمال شد،توانست كليه شش شاخص عملكردي دستگاه را ارتقاء و بهبود ببخشد.
كلمات كليدي: ديناميك سيالات محاسباتي، روش اجزاء گسسته، سيكلون، گردابياب
چكيده انگليسي :
Abstract
The rapid growth of the global population and the consequent increase in food demand necessitate the development of advanced agricultural machinery. Alfalfa is a critical forage crop in the livestock industry due to its high concentrations of essential nutrients, including proteins and vitamins. However, substantial losses of alfalfa leaves—the plant’s most nutrient-dense component—occur during harvesting and packaging. In 2008, Shojaie designed and fabricated a device consisting of two principal units: (i) a suction system for collecting residual leaves from the ground, and (ii) a cyclone separator for removing entrained soil particles and debris from the collected material. The present study evaluated the performance of this device through experimental trials and numerical simulations. In the experimental phase, two factors were assessed: forward velocity of the machine (2, 3, and 4 km·h⁻¹) and soil particle diameter (0.2, 1.0, and 2.4 mm). In the simulation phase, in addition to these factors, air velocity (9, 13.5, and 18 m·s⁻¹) was examined. Response Surface Methodology (RSM) was employed to reduce the number of required simulations runs to 13. The computational framework used a one-way coupled CFD–DEM approach, with Ansys Fluent applied for CFD analysis and Rocky DEM for particle dynamics. Further investigations addressed geometric modifications to the cyclone, including: (i) doubling the radius of the suction pipe, (ii) reducing the cyclone inlet width by 50%, and (iii) incorporating a vortex finder with diameters of 150, 225, and 300 mm. Analysis of variance (ANOVA) of experimental and simulated data revealed that an air velocity of 9 ms⁻¹ resulted in the accumulation of soil and leaves at the cyclone inlet, ultimately causing partial blockage of the suction pipe. Air velocities of 13.5–18 m·s⁻¹ improved leaf separation efficiency; however, 18 m·s⁻¹ induced excessive pressure drop and turbulence, impeding stable material flow. Thus, 13.5 m·s⁻¹ was identified as the optimal operating condition. Increasing airflow velocity generally enhanced leaf separation efficiency but reduced product cleanliness due to incomplete soil removal. Furthermore, increasing machine forward velocity reduced leaf recovery efficiency, as the shorter exposure time of surface leaves to the suction inlet limited collection. The evaluation of cyclone design modifications demonstrated that reducing the suction pipe cross-sectional area improved device performance by mitigating inlet blockages without necessitating a higher-capacity fan. The addition of a vortex finder facilitated partial separation of soil and leaves; however, due to the similarity in bulk density between leaves and soil particles, complete separation was unattainable, with a residual fraction of either component consistently remaining within the cyclone.
Key Words
Computational Fluid Dynamics, Discrete Element Method, Cyclone, Vortex finder
