气力输送中蔗叶滑移率的研究

袁成宇 ，区颖刚，刘庆庭，黄　峥，周绍鹏

(1.华南农业大学 工程学院 ,广州　510642 ；2.海南大学 机电工程学院，海口　570228)



气力输送中蔗叶滑移率的研究

袁成宇1,2，区颖刚1，刘庆庭1，黄峥1，周绍鹏1

(1.华南农业大学 工程学院 ,广州510642 ；2.海南大学 机电工程学院，海口570228)

摘要：颗粒在运动流场内的滑移率是判断颗粒气力输送稳定性的重要依据，对输送气流速度的选取有很好的借鉴作用。分析蔗叶在流场内的滑移率，对切段式甘蔗联合收割机除杂系统工作参数的设计与优化有很好的指导作用。为此，通过高速摄像对垂直管流中运行的蔗叶滑移率进行了测量，结果表明：蔗叶在流场内的最终稳定速度与理论计算不符，实际滑移率与蔗叶在流场中的迎风面积密切相关，气流速度的变化对实际滑移率并不产生明显影响。

关键词：蔗叶；气流场；滑移率；高速摄像

0引言

颗粒滑移率是指颗粒在上升气流中运行达到稳定状态时，气流速度与颗粒速度的差值与气流速度的比值，是判断颗粒在气流输送中稳定性与难易的主要依据，也是确定气流输送速度大小的重要参考。切段式甘蔗联合收获机除杂系统主要依靠轴流风机产生的负压将甘蔗混合物中的杂物吸走，关键部件轴流风机的设计主要依靠经验数据，往往会造成风机功率不足或过大而影响除杂。经理论分析发现：蔗叶悬浮速度、蔗叶松弛时间及蔗叶在流场内的滑移率是影响和风选除杂的主要因素。为此，本文借助高速摄像设备对蔗叶在流场内的滑移率进行初步研究，以期能为切段式甘蔗收获机除杂系统的设计与优化提供一定的理论参考。

1试验材料

试验用的蔗叶样品为收获期的青蔗叶，取自湛江农垦广前公司试验基地，品种为新台糖22号。采用随机抽取甘蔗叶样本的方法采样，取蔗叶中部约1m长范围进行样品定制，将蔗叶按试验设计方案修剪成宽度为0.04m，长度分别为0.03、0.06、0.09、0.12、0.15m的长方形样品，压平使其保持平面状态。经测试，样品的平均含水率为73.13%，平均厚度为3.4×10-4m，密度为0.841×10-3kg/m3。

2试验设备与仪器

2.1试验设备

试验的测试装置如图1所示。

1.支架　2.叶轮　3.整流细管　4.玻璃管匀流段

该装置主要由高速摄像机系统E，直径为0.4m、高为2.5m的有机玻璃管，高压风机，整流细管，以及单相变频器等组成。其中，高压风机出口最大速度为11m/s，整流细管由长度为0.3m、内径为0.01m的PVC管组成。图1中，A、B、C为玻璃管测试段的测试位置，D为变频器，变频器调节范围为0～50Hz。高速摄影设备采用德国OPTRONIS公司生产的CR600×2型高速摄像机，其记录的频率最高为6 500帧/s(FPS)，记录容量为4GB。本次测试采用的记录频率为500(FPS)，即每秒钟拍摄500张图片，相邻图片的时间间隔为0.002s，像素为1～280×1024，采用传统的碘钨灯照明。

2.2测量仪器

风速的测量采用德国testo公司的testo405-V1测速仪，测量范围为0～20m/s，精度为0.01 m/s。蔗叶质量采用电子称重计测量，其范围为0～10kg，精度0.000 1kg。

3测量原理与方法

3.1测量原理

根据颗粒在流场中滑移率的定义，滑移率可以表示为

(1)

其中，φm为滑移率；v和ux分别为气流速度和颗粒在流体内的最终稳定速度(m/s)。

根据式(1)可知：只需要测量出气流速度和颗粒在流场运动的稳定速度，即可求出颗粒的滑移率。同时，根据气力输送理论可知：垂直上升流场内的颗粒理论滑移率φr为颗粒悬浮速度与气流速度之比值，即

φr=uf/v

(2)

其中，φr为理论滑移率；uf为颗粒悬浮速度(m/s)。

3.2测量方法

气流速度的测量利用testo405-V1测速仪进行。由于管道中同一截面上的各点风速可能有细微不同，故通过等面积圆环法取6个点再加上截面中心点测量，以7个点平均值代替气流速度。蔗叶悬浮速度则通过图1所示的右边装置进行测量，具体方法为：调节电机变频器，使蔗叶样品悬浮于测试装置的玻璃管测量段内某处，然后，根据相应位置测量风速，每个样品测量3次取平均值。蔗叶在流场内最终稳定速度通过高速摄影测量获取，将高速摄影的序列图片导入软件Image-Pro-Plus中，计算出相邻图片间蔗叶运行的距离，再根据高速摄影设定的时间间隔求出蔗叶的速度。本次试验导入6幅连续图片，计算出5个相邻速度，再以此平均值代替蔗叶最终稳定速度。

4滑移率的测量结果与分析

4.1气流速度测量结果

将电机变频器频率分别调至27、38、43Hz时，可测得玻璃管试验段的气流平均速度分别为6.85、7.85、8.85m/s。

4.2悬浮速度测量结果

对样品宽度为0.04m，平均厚度0.003 4m，平均含水率73.13%，长度分别为0.03、0.06、0.09、0.12、0.15m的长方形样品进行悬浮速度测量，结果如表1所示。

表1　样品的悬浮速度

根据表1的试验数据可以发现：蔗叶悬浮速度随着叶长增加而增大。

4.3蔗叶最终稳定速度测量结果

先将选定的高速摄影序列图片导入Image-Pro-Plus中进行目标对象标定，然后测量相邻图片目标对象间的运行距离，再根据高速摄影设定的时间间隔t=0.002s计算出相邻图片的蔗叶运动速度。当气流速度为8.85、7.85、6.85m/s时，测量结果如表2所示。

表2　高速摄影测量的蔗叶最终稳定速度

续表2

4.4滑移率的计算与分析

根据表2试验样品的最终稳定速度及公式(1)和公式(2)，可以计算出试验样品的理论滑移率和实际滑移率，结果如图2、图3和图4所示。图2、图3和图4分别为气流速度为8.85、7.85、6.85 m/s时样品的理论滑移率和实际滑移率与蔗叶长度的关系。

图2　理论滑移率和实际滑移率(8.85m/s)

图3　理论滑移率和实际滑移率(7.85m/s)

图4　理论滑移率和实际滑移率(6.85m/s)

由表1可知：而蔗叶悬浮速度随长度增加而增大。故由公式(2)可知：在气流速度不变的情况下，样品的理论滑移率随蔗叶长度增大而增加，这在图2、图3和图4中的理论滑移率曲线变化规律可以得到验证。根据气力输送有关理论可知：颗粒在垂直上升流场内的最终输送速度理论上等于气流速度与颗粒悬浮速度的差，即蔗叶在流场内最终的稳定速度应为气流速度与蔗叶悬浮速度的差值。但从表2中蔗叶最终稳定速度可以看出：在气流速度不变的情况下，随着蔗叶长度的增加，最终稳定速度并没有单调递减，而是在某一范围内波动。其主要原因为：试验测试的悬浮速度为蔗叶在流场中处于水平状态时的速度，是最小悬浮速度；而当蔗叶在流场中运行时处于非水平态时，其实际悬浮速度大于最小悬浮速度，故其最终稳定速度要比理论值小；蔗叶在流场内受风面积越小，悬浮速度就越大，最终稳定速度就越小，当减小至一定值时就不能进行有效输送了。所以，对蔗叶来看，当其在流场中输送时，受风面积越小，悬浮速度越大，实际滑移率越大，最终稳定速度就越小，输送也就越困难。由于蔗叶在流场内运行时的受风面积可能时刻发生变化，故图2、图3和图4中的蔗叶实际滑移率并没有明显的变化规律。

5结论

1)通过试验测量分析可知：在气流速度不变的情况下，蔗叶在流场内的理论滑移率随着叶长增加而增加；而实际滑移率则与其在流场内运动的悬浮速度有关。当悬浮速度变小时，滑移率变小，蔗叶跟随流场的能力增强，输送比较容易；当悬浮速度增大时，实际滑移率增大，蔗叶跟随流场能力降低，则输送较困难。当受风面积最大时，也就是蔗叶处于水平态时，此时蔗叶悬浮速度最小，蔗叶的实际滑移率最小，此时跟随流场一起运行的能力最强，输送最省力。

2)对同一测试样品，在气流速度增加时，理论滑移率降低。然而，由于蔗叶在流场内的悬浮速度跟其受风面积有关，故无法确定实际滑移率的变化规律。

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Study on Slip Rate of Sugarcane Leaf in Pneumatic Conveying

Yuan Chengyu1,2, Ou Yinggang1, Liu Qingting1, Huang Zheng1， Zhou Shaopeng1

( 1.College of Engineer, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 2.College of Mechanical and Electrical Engineer ,Hainan University ,Haikou 570228, China)

Abstract：The particle slip rate is an important basis for judging the stability of particles in pneumatic conveying. It is a good reference for selecting the conveying air velocity. The sugarcane leaf slip rate is an important role to design and optimize the working parameters on the cleaning system of the chopper sugarcane harvester. So the authors measured the sugarcane leaf slip rate in vertical pipe flow by high speed camera by high speed camera. The test result showed that the final stable speed was not fit to the theoretical results of sugarcane leaves in flow field. the windward area of sugarcane leaf in flow field had a great influence on the actual slip rate of sugarcane leaves.The change of gas velocity didn’t have a significant impact on the actual slip ratio of sugarcane leaf.

Key words：sugarcane leaf; air flow field; slip rate; high speed camera

文章编号：1003-188X(2016)02-0133-04

中图分类号：S12

文献标识码：A

作者简介：袁成宇(1976-)，男，湖南邵阳人，博士研究生，(E-mail)ycy@hainu.edu.cn。通讯作者：区颖刚(1947-)，男，广东新会人，教授，博士生导师，(E-mail)ouying@scau.edu.cn。

基金项目：国家甘蔗产业体系专项基金项目(CARS-20-4-1)；海南省自然科学基金项目(413124)

收稿日期：2015-01-22