CN110516307A - 一种风力吹送式清土起藤机工作过程的耦合仿真建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风力吹送式清土起藤机工作过程的耦合仿真建模方法，包括以下步骤：构建风力吹送式清土起藤机模型、构建EDEM仿真土垄、设定EDEM‑Fluent耦合方法和清土过程仿真；本发明利用流体计算软件FLUENT对风场进行模拟，利用在土壤颗粒工程中有广泛应用的离散元软件EDEM对土体进行模拟，解决了目前在葡萄藤起藤、清土领域常用的离散元软件不能建立网格模拟风场和有限元软件不能有效模拟出土壤的离散特性等问题。根据EDEM‑Fluent的模拟仿真，得到风场与土体之间相互影响的数据。在EDEM中观察土体在风力作用下的破裂程度，同时计算土壤颗粒的速度和位置等信息，精确预判颗粒的落点。在FLUENT中计算每个网络中包含的颗粒体积分数，以及流体速度大小。

Description

一种风力吹送式清土起藤机工作过程的耦合仿真建模方法

技术领域

本发明属于葡萄清土起藤技术的数值模拟分析领域，一种风力吹送式清土起藤机工作过程的耦合仿真建模方法。

背景技术

由于中国北方葡萄种植主产区气候寒冷干燥，葡萄藤会遭受早晚霜冻等周期性的冻害，每当冬季来临之际，为了避免葡萄藤出现风干或冻伤现象，一般将葡萄藤放倒之后用土掩埋起来，待冬季结束之后将土清除干净。风力吹送式清土机是一种利用风力清土的装置，清土效果好且不伤藤，因此，对风力吹送式清土起藤机工作参数的分析、研究十分有意义。

目前，在清土起藤机设计时，获得工作参数的方法主要有经验公式法、实验室研究、现场测试等方法。利用经验公式法计算风量、风压、风口大小等参数，由于考虑的因素较少，计算结果存在很大的偏差。而试验研究和现场测试等方法，一方面受到传感器技术的限定，使得到的结果不够精确，另一方面，在物理试验上，需要花高成本构建物理样机，且实验周期较长，降低了产品的开发效率。

与传统的基于物理试验得到工作参数的方法相比，采用仿真的手段，利用有限元分析法与离散元素法交互仿真，不仅能够得到较精确的工作参数，而且采用仿真模型替代传统设计开发模式下的物理样机模型，降低了产品的开发成本，缩短了产品的开发周期。同时，利用仿真的手段，模型参数修改方便，能够实现设计的多样化，有利于产品的优化设计。

风力吹送式清土起藤机的工作环境，是典型的气固两相流运动。目前对于气固两相流的描述模型主要有欧拉-拉格朗日模型和欧拉-欧拉双流体模型。其中，欧拉-拉格朗日模型主要应用于稀相流，欧拉-欧拉双流体模型用于浓相流。但是由于土壤颗粒场本身的不连续性，采用上述模型方法得到的模拟结果与实际情况存在一定的偏差。计算流体力学—离散单元(CFD-DEM)法是近年来新发展起来模拟两相流的方法。该方法主要是利用DEM模型建立固体颗粒体系的参数化模型，描述颗粒间的碰撞、团聚等特征，并结合CFD在处理气相流场方面的优势，能够有效地提高数值求解的计算效率和精度。

在葡萄藤清土起藤领域，没有一个完整的分析风力清土过程的理论体系，这给风力吹送式清土机的研究造成了很大困难。目前软件只能模拟单一土体或者流体，运用EDEM-FLUENT耦合的方法对流体和土体进行模拟，在流固耦合方面有着很大的优势。申请号为201910193703.3的中国专利，采用EDEM-Fluent耦合方法对浆液与土体的注浆过程进行仿真，模拟浆液在土体中的流动过程，但是方法无法模拟风场对土垄的清土过程。

发明内容

本发明提供一种风力吹送式清土起藤机工作过程的耦合仿真建模方法，对风力吹送式清土起藤机的工作状态进行仿真，模拟风场对土体的作用，模拟显示风在土体周围的扩散状态以及土壤颗粒随风力输送运动的情况，为新型风力吹送式葡萄清土起藤机的设计提供理论设计参数。本发明不仅仅降低了传统制造样机产品的开发成本，缩短了产品的开发周期，而且还提出了新的利用离散元-有限元软件耦合仿真分析风力吹送式葡萄清土起藤机工作动力学的方法，填补了分析葡萄藤清土起藤领域气-固耦合仿真的空白。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种风力吹送式清土起藤机工作过程的耦合仿真建模方法，包括以下步骤：

构建风力吹送式清土起藤机模型：

利用软件对风力吹送式清土起藤机模型进行建模，根据风力吹送式清土起藤机实际工作环境，设计风口尺寸、风口倾斜角，生成模型文件，将所述模型文件导入到有限元分析软件中，对所述模型文件创建流体模型，并且进行网格划分，生成网格文件，将所述网格文件导入到Fluent中，并在Fluent中进行流体模型参数设置，所述参数包括流体材料、流体动力学分析模型和流体边界条件；

构建EDEM仿真土垄：

将所述网格文件导入到EDEM中，设置实际土垄中土壤颗粒参数和土壤颗粒接触参数，创建土壤颗粒工厂，在EDEM中建立土垄模型，使土垄模型形成与实际土垄一样的自然休止角；

设定EDEM-Fluent耦合方法：

从Fluent EDEM中选择耦合方式，设计Sample Point、momentum under-relaxation、volume under-relaxation的值，分别设置EDEM和Fluent的时间步长，然后运行仿真，自动迭代计算至收敛；

清土过程仿真：

在EDEM中导入所述风力吹送式清土起藤机模型，然后根据所述风力吹送式清土起藤机的运动情况，在EDEM中定义风力吹送式清土起藤机的运动参数，模拟清土过程，得到风力吹送式清土起藤机工作过程中土壤与流体的信息。

上述方案中，所述构建风力吹送式清土起藤机模型步骤中，利用三维软件SolidWorks软件对风力吹送式清土起藤机模型进行建模；将所述模型文件导入到有限元分析软件ANSYS的Mesh中，对所述模型文件创建流体模型，并且在Mesh中进行网格划分，生成网格文件。

上述方案中，所述构建风力吹送式清土起藤机模型的步骤中，所述流体材料为air，所述流体动力学分析模型为k-epsilon。

上述方案中，所述构建EDEM仿真土垄步骤中，利用无滑动接触模型在EDEM中建立土垄模型。

上述方案中，所述构建EDEM仿真土垄步骤中，土壤颗粒参数包括土壤颗粒的泊松比、剪切模量、密度、大小、形状和尺寸分布比例。

上述方案中，所述构建EDEM仿真土垄步骤中，土壤接触参数包括碰撞恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数。

上述方案中，所述构建EDEM仿真土垄步骤中，设置所述土壤颗粒参数时，poissonsratio为0.4，shear modulus为1e+06，density为1250；所述创建土壤颗粒工厂时，颗粒数目为30000，颗粒创建速率设为15000/s。

上述方案中，所述设定耦合方法步骤具体为：

从Fluent EDEM面板中选择Eulerian作为耦合方式，将Sample Point设为10，将momentum under-relaxation设置为0.7，将volume under-relaxation设为0.6；设置EDEM实际时间步长为0.00008s，Fluent时间步长为0.002s，然后运行仿真，当自动迭代计算至收敛，EDEM将会自动运行。

上述方案中，所述设定耦合方法步骤中，EDEM-Fluent耦合过程还需要设置与EDEM耦合的模型，耦合方法选择欧拉，耦合流体域选择Fluid。

上述方案中，所述清土过程仿真的步骤中，土壤与流体的信息包括土壤颗粒在风场作用下的飘落点和土体破裂程度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明利用流体计算软件FLUENT对风场进行模拟，利用在土壤颗粒工程中有广泛应用的离散元软件EDEM对土体进行模拟，解决了目前在葡萄藤起藤、清土领域常用的离散元软件不能建立网格模拟风场和有限元软件不能有效模拟出土壤的离散特性等问题。

2.本发明能同时考虑风场与土体的相互作用，风力吹送式清土过程是一个双向的作用过程，本发明所提出的建模方式和计算不仅能考虑风场对土体的冲击作用，也能考虑风场在土体周围的扩散路径，在结果中能明显看出风场对土体的影响区域为多少。

3.本发明构思巧妙，将有限元网格计算引入到离散元颗粒流计算当中，将流体的连续性和土体的离散性质都准确地模拟出来，为风力吹送式清土的设计提供基础。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一实施方式的耦合模拟计算流程图。

图2是本发明一实施方式的Fluent流体模型示意图。

图3是本发明一实施方式的EDEM土垄构建过程开始图。

图4是本发明一实施方式的EDEM土垄构建过程结束图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示为本发明所述风力吹送式清土起藤机工作过程的耦合仿真建模方法的一种较佳实施方式，所述风力吹送式清土起藤机工作过程的耦合仿真建模方法包括以下步骤：

构建风力吹送式清土起藤机模型：

利用软件对风力吹送式清土起藤机模型进行建模，根据风力吹送式清土起藤机实际工作环境，设计风口尺寸、风口倾斜角，生成模型文件，将所述模型文件导入到有限元分析软件中，对所述模型文件创建流体模型，并且进行网格划分，生成网格文件，将所述网格文件导入到Fluent中，并在Fluent中进行流体模型参数设置，所述参数包括流体材料、流体动力学分析模型、流体边界条件进行设置。

根据本实施例，优选的，所述构建风力吹送式清土起藤机模型步骤中，利用三维软件Solid Works软件对风力吹送式清土起藤机模型进行建模；将所述模型文件导入到有限元分析软件ANSYS的Mesh中，对所述模型文件创建流体模型，并且在Mesh中进行网格划分，生成网格文件。

根据本实施例，优选的，所述构建风力吹送式清土起藤机模型的步骤中，所述流体材料为air，所述流体动力学分析模型为k-epsilon。

根据本实施例，优选的，在所述三维软件Solid Works中建立所述风力吹送式清土起藤机的三维实体模型，并对模型进行适当简化，删除倒角、圆角，删除不需要的部分，保留仿真需要的部分，从而缩短仿真时间，利用所述三维软件Solid Works与有限元分析软件ANSYS的接口，将简化后的所述风力吹送式清土起藤机模型导入所述有限元分析软件ANSYS中，利用软件对所述风力吹送式清土机的流体进行网格划分。

构建EDEM仿真土垄：

将所述网格文件导入到EDEM中，设置实际土垄中土壤颗粒参数和土壤颗粒接触参数，创建土壤颗粒工厂，在EDEM中建立土垄模型，使土垄模型形成与实际土垄一样的自然休止角。

根据本实施例，优选的，所述构建EDEM仿真土垄步骤中，利用无滑动接触模型在EDEM中建立土垄模型。

根据本实施例，优选的，所述构建EDEM仿真土垄步骤中，土壤颗粒参数包括土壤颗粒的泊松比、剪切模量、密度、大小、形状和尺寸分布比例。

根据本实施例，优选的，所述构建EDEM仿真土垄步骤中，土壤接触参数包括碰撞恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数。

根据本实施例，优选的，所述构建EDEM仿真土垄步骤中，设置所述土壤颗粒参数时，poissons ratio为0.4，shear modulus为1e+06，density为1250；所述创建土壤颗粒工厂时，颗粒数目为30000，颗粒创建速率设为15000/s。

设定EDEM-Fluent耦合方法：

从Fluent EDEM中选择耦合方式，设计Sample Point、momentum under-relaxation、volume under-relaxation的值，分别设置EDEM和Fluent的时间步长，然后运行仿真，自动迭代计算至收敛。

根据本实施例，优选的，所述设定耦合方法步骤具体为：

从Fluent EDEM面板中选择Eulerian作为耦合方式，将Sample Point设为10，将momentum under-relaxation设置为0.7，将volume under-relaxation设为0.6；设置EDEM实际时间步长为0.00008s，Fluent时间步长为0.002s，然后运行仿真，当自动迭代计算至收敛，EDEM将会自动运行。

EDEM-Fluent耦合过程，需要定义UDF路径，该路径是UDF所在的文件夹路径。

根据本实施例，优选的，所述设定耦合方法步骤中，EDEM-Fluent耦合过程还需要设置与EDEM耦合的模型，耦合方法选择欧拉，耦合流体域选择Fluid，打开之前设置好的EDEM模型，单击OK完成该设置。

清土过程仿真：

在EDEM中导入所述风力吹送式清土起藤机模型，然后根据所述风力吹送式清土起藤机的运动情况，在EDEM中定义风力吹送式清土起藤机的运动参数，运动参数包括移动速度和方向，模拟清土过程，得到风力吹送式清土起藤机工作过程中土壤与流体的信息。

根据本实施例，优选的，所述清土过程仿真的步骤中，土壤与流体的信息包括土壤颗粒在风场作用下的飘落点和土体破裂程度。

本实施例的一个具体应用为：

构建风力吹送式清土起藤机模型：

1.在Solid Works中构建风力吹送式清土起藤机三维模型，结合实际模型参数，并对模型进行适当简化，只留下仿真需要的关键工作装置，包括风口、风管等，并将风力吹送式清土起藤机模型导出，转化为.stp格式文件，然后导入Fluent中。

2.在Fluent中检查网格大小，避免最小体积出现负值。选择流体材料为air，并设置流体边界条件，定义流体出入口，根据流动特性，选择流体动力学分析模型为k-epsilon，如图2所示。

构建EDEM仿真土垄：

在EDEM中构建土垄模型首先要确定土壤颗粒接触模型，主要工作对象为沙壤土，所以选择EDEM中默认接触模型“Hertz-Mindlin(noslip)”无滑动接触模型，并设置参数，包括材料属性以及材料之间的接触参数。然后建立土垄模型，根据工作环境土壤颗粒的大小、形状以及粒径分布，在EDEM中生成土垄，使其自然堆垛形成自然休止角，如图3和图4所示。

1.参数分析

材料属性参数，包括泊松比、密度、剪切模量，可通过查看材料手册获得或通过实验测得。接触模型中材料之间的接触参数包括碰撞恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数，可通过实验测试与模拟相结合的方法获得。

2.构建土垄

对实际土垄中土块的形状、大小、粒径分布进行统计分析，在颗粒工厂中设置生成颗粒尺寸按正态分布，并控制最大最小尺寸，使大中小各种颗粒的质量满足连续分布，与实际土堆相接近。仿真过程中，先在一个长方体中生成各种颗粒，并使其自由沉降，在以后，颗粒基本不再发生沉降。在时刻，去掉一侧挡板，并重新调整矿堆仿真区域，使矿石在重力的作用下，自由坍塌，形成自然休止角，当不再发生自由滑落坍塌的现象，土堆形成。

设定EDEM-Fluent耦合方法：

从Fluent EDEM面板中选择Eulerian作为耦合方式，将Sample Point设为10，将momentum under-relaxation设置为0.7，将volume under-relaxation设为0.6。设置EDEM实际时间步长为0.00008s，Fluent时间步长为0.002s，然后运行仿真，当自动迭代计算至收敛，EDEM将会自动运行。

清土过程仿真：

在EDEM中导入所述风力吹送式清土起藤机模型，然后根据所述风力吹送式清土起藤机的运动情况，在EDEM中定义风力吹送式清土起藤机的运动参数，运动参数包括移动速度和方向，模拟清土过程，得到风力吹送式清土起藤机工作过程中土壤与流体的信息，包括土壤颗粒在风场作用下的飘落点和土体破裂程度。

最终，根据EDEM-fluent的模拟仿真，得到风场与土体之间相互影响的数据。在EDEM中观察土体在风力作用下的破裂程度，同时计算土壤颗粒的速度和位置等信息，精确预判颗粒的落点。在FLUENT中计算每个网络中包含的颗粒体积分数，以及流体速度大小，为后期改进风机打下基础。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风力吹送式清土起藤机工作过程的耦合仿真建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建风力吹送式清土起藤机模型：

利用软件对风力吹送式清土起藤机模型进行建模，根据风力吹送式清土起藤机实际工作环境，设计风口尺寸、风口倾斜角，生成模型文件，将所述模型文件导入到有限元分析软件中，对所述模型文件创建流体模型，并且进行网格划分，生成网格文件，将所述网格文件导入到Fluent中，并在Fluent中进行流体模型参数设置，所述参数包括流体材料、流体动力学分析模型和流体边界条件；

构建EDEM仿真土垄：

将所述网格文件导入到EDEM中，设置实际土垄中土壤颗粒参数和土壤颗粒接触参数，创建土壤颗粒工厂，在EDEM中建立土垄模型，使土垄模型形成与实际土垄一样的自然休止角；

设定EDEM-Fluent耦合方法：

从Fluent EDEM中选择耦合方式，设计Sample Point、momentum under-relaxation、volume under-relaxation的值，分别设置EDEM和Fluent的时间步长，然后运行仿真，自动迭代计算至收敛；

清土过程仿真：

在EDEM中导入所述风力吹送式清土起藤机模型，然后根据所述风力吹送式清土起藤机的运动情况，在EDEM中定义风力吹送式清土起藤机的运动参数，模拟清土过程，得到风力吹送式清土起藤机工作过程中土壤与流体的信息。

2.根据权利要求1所述的风力吹送式清土起藤机工作过程的耦合仿真建模方法，其特征在于，所述构建风力吹送式清土起藤机模型步骤中，利用三维软件Solid Works软件对风力吹送式清土起藤机模型进行建模；将所述模型文件导入到有限元分析软件ANSYS的Mesh中，对所述模型文件创建流体模型，并且在Mesh中进行网格划分，生成网格文件。

3.根据权利要求1所述的风力吹送式清土起藤机工作过程的耦合仿真建模方法，其特征在于，所述构建风力吹送式清土起藤机模型的步骤中，所述流体材料为air，所述流体动力学分析模型为k-epsilon。

4.根据权利要求1所述的风力吹送式清土起藤机工作过程的耦合仿真建模方法，其特征在于，所述构建EDEM仿真土垄步骤中，利用无滑动接触模型在EDEM中建立土垄模型。

5.根据权利要求1所述的风力吹送式清土起藤机工作过程的耦合仿真建模方法，其特征在于，所述构建EDEM仿真土垄步骤中，土壤颗粒参数包括土壤颗粒的泊松比、剪切模量、密度、大小、形状和尺寸分布比例。

6.根据权利要求1所述的风力吹送式清土起藤机工作过程的耦合仿真建模方法，其特征在于，所述构建EDEM仿真土垄步骤中，土壤接触参数包括碰撞恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数。

7.根据权利要求1所述的风力吹送式清土起藤机工作过程的耦合仿真建模方法，其特征在于，所述构建EDEM仿真土垄步骤中，设置所述土壤颗粒参数时，poissons ratio为0.4，shear modulus为1e+06，density为1250；所述创建土壤颗粒工厂时，颗粒数目为30000，颗粒创建速率设为15000/s。

8.根据权利要求1所述的风力吹送式清土起藤机工作过程的耦合仿真建模方法，其特征在于，所述设定耦合方法步骤具体为：

从Fluent EDEM面板中选择Eulerian作为耦合方式，将Sample Point设为10，将momentum under-relaxation设置为0.7，将volume under-relaxation设为0.6；设置EDEM实际时间步长为0.00008s，Fluent时间步长为0.002s，然后运行仿真，当自动迭代计算至收敛，EDEM将会自动运行。

9.根据权利要求1所述的风力吹送式清土起藤机工作过程的耦合仿真建模方法，其特征在于，所述设定耦合方法步骤中，EDEM-Fluent耦合过程还需要设置与EDEM耦合的模型，耦合方法选择欧拉，耦合流体域选择Fluid。

10.根据权利要求1所述的风力吹送式清土起藤机工作过程的耦合仿真建模方法，其特征在于，所述清土过程仿真的步骤中，土壤与流体的信息包括土壤颗粒在风场作用下的飘落点和土体破裂程度。