傳統(tǒng)清洗機常存在 “清洗盲區(qū)”（局部水流薄弱導致雜質(zhì)殘留）、“過度沖刷”（局部流速過高導致豆莢破損）等問題，根源在于水流場分布不均?；谟嬎懔黧w力學（CFD）的水流場模擬，可通過數(shù)值仿真直觀呈現(xiàn)流場特征，精準定位問題區(qū)域，進而通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)“高效清洗”與“低破損”的平衡，為設(shè)備升級提供科學依據(jù)。

一、水流場模擬的建模與求解過程

基于CFD軟件（如 ANSYS Fluent、STAR-CCM+）的流場模擬，需經(jīng)過“幾何建模-網(wǎng)格劃分-邊界條件設(shè)置-數(shù)值求解-結(jié)果后處理”五個步驟，確保模型與實際設(shè)備的一致性：

（一）幾何建模與簡化

以某型號全自動毛豆清洗機為例，其清洗槽長2000mm、寬800mm、高600mm，沿長度方向分為“進料區(qū)”“清洗區(qū)”“出料區(qū)”三部分：

進料區(qū)：設(shè)置2個對稱布水管（直徑50mm），管壁均勻分布直徑8mm的出水孔（間距50mm），負責將毛豆與清水混合后送入清洗區(qū)；

清洗區(qū)：底部安裝 3 組旋轉(zhuǎn)攪拌槳（槳葉直徑300mm，轉(zhuǎn)速60-120r/min），側(cè)壁布置4個高壓噴嘴（噴射角度45°，孔徑 6mm），是核心清洗區(qū)域；

出料區(qū)：設(shè)置傾斜式濾網(wǎng)（孔徑5mm），實現(xiàn)毛豆與廢水分離，廢水經(jīng)槽底排水口排出。

建模時，采用SolidWorks等軟件構(gòu)建三維幾何模型，對非關(guān)鍵結(jié)構(gòu)（如螺栓、支架）進行簡化，保留影響流場的核心部件（布水管、噴嘴、攪拌槳、槽體）；同時，考慮到毛豆物料的離散特性，采用“歐拉-拉格朗日多相流模型”，將水流視為連續(xù)相（歐拉法），毛豆顆粒視為離散相（拉格朗日法），通過雙向耦合（水流影響顆粒運動，顆粒運動反過來影響水流場）模擬物料與流場的相互作用。

（二）網(wǎng)格劃分與獨立性驗證

網(wǎng)格質(zhì)量直接影響模擬精度，采用“結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格+非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格”混合劃分策略：

對清洗槽槽體、布水管等規(guī)則區(qū)域，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（網(wǎng)格尺寸20mm），確保計算效率；

對攪拌槳、噴嘴等復雜區(qū)域（流場變化劇烈），采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（網(wǎng)格尺寸5-10mm），捕捉局部流場細節(jié)；

在水流與毛豆接觸的近壁面（如槽體側(cè)壁、攪拌槳表面），設(shè)置邊界層網(wǎng)格（共5層，第一層厚度0.5mm，增長率1.2），模擬壁面附近的粘性底層流動（湍流中速度梯度至大的區(qū)域）。

完成網(wǎng)格劃分后，進行網(wǎng)格獨立性驗證：分別構(gòu)建網(wǎng)格數(shù)量為120萬、180萬、240萬的三個模型，在相同邊界條件下（進水流量15m3/h，攪拌槳轉(zhuǎn)速90r/min），對比清洗區(qū)中心截面的平均流速。結(jié)果顯示，180萬與240萬網(wǎng)格模型的流速偏差＜3%，說明180萬網(wǎng)格已能滿足精度要求，最終選擇180萬網(wǎng)格進行后續(xù)模擬，兼顧精度與計算效率。

（三）邊界條件與數(shù)值求解設(shè)置

根據(jù)實際工作狀態(tài)設(shè)置邊界條件：

進水邊界（布水管入口、噴嘴入口）：采用“質(zhì)量流量入口”（mass flow inlet），設(shè)定布水管進水流量10m3/h，噴嘴進水流量5m3/h（總流量15m3/h），進水溫度25℃（常溫清水）；

排水邊界（槽底排水口）：采用“壓力出口”（pressure outlet），設(shè)定出口壓力為大氣壓（101325Pa）；

固體壁面（槽體、攪拌槳、輸送網(wǎng)帶）：采用“無滑移邊界條件”（no-slip condition），即壁面處水流速度為0；攪拌槳壁面設(shè)置“運動邊界”（moving wall），按實際轉(zhuǎn)速（90r/min）設(shè)定旋轉(zhuǎn)速度；

毛豆顆粒離散相：設(shè)定顆粒直徑15-25mm（對應(yīng)毛豆帶莢尺寸），顆粒密度1.08g/cm3，進料速率500kg/h（匹配生產(chǎn)線速度），顆粒與壁面的碰撞恢復系數(shù)0.8（彈性碰撞為主，避免過度破損）。

數(shù)值求解時，選用“有限體積法” 離散控制方程，時間項采用一階隱式格式（適用于非穩(wěn)態(tài)流場），對流項采用二階迎風差分格式（提高計算精度），壓力-速度耦合采用SIMPLEC算法（收斂速度快于傳統(tǒng)SIMPLE算法）。湍流模型選用RNG k-ε模型（相較于標準k-ε模型，能更準確模擬強旋流與剪切流），設(shè)置湍流強度 5%，水力直徑按清洗槽截面尺寸計算（約500mm）。求解迭代過程中，設(shè)定殘差收斂標準為10⁻⁴（連續(xù)相）與10⁻3（離散相），同時監(jiān)測清洗區(qū)平均流速與顆粒運動軌跡，確保流場達到穩(wěn)定狀態(tài)（迭代500步后，流速變化＜1%）。

（四）模擬結(jié)果后處理與關(guān)鍵指標提取

通過 CFD 軟件的后處理模塊，提取流場關(guān)鍵特征參數(shù)，量化分析清洗效果：

速度分布：提取清洗區(qū)沿長度方向的截面流速云圖，識別“高速區(qū)”（流速＞1.5m/s，可能導致豆莢破損）與“低速區(qū)”（流速＜0.3m/s，可能形成清洗盲區(qū)）；

湍流強度分布：湍流強度反映流場的紊亂程度（湍流強度=0.1-0.3為弱湍流，0.3-0.6為強湍流），強湍流區(qū)域（0.4-0.5）利于毛豆翻滾碰撞，提升清洗效率；

顆粒運動軌跡：通過離散相模擬，輸出毛豆顆粒在清洗槽內(nèi)的運動路徑，分析顆粒是否存在“滯留區(qū)”（停留時間＞120s，易導致過度沖刷）或“快速通過區(qū)”（停留時間＜30s，清洗不充分）；

雜質(zhì)去除效率：通過模擬泥沙顆粒（密度2.6g/cm3，直徑0.1-1mm）的沉降軌跡，計算槽底排水口的雜質(zhì)回收率（回收率=排出雜質(zhì)質(zhì)量  總投入雜質(zhì)質(zhì)量），評估固液分離效果。

二、基于模擬結(jié)果的流場問題定位與優(yōu)化策略

通過流場模擬，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)清洗機存在三大核心問題，針對性提出結(jié)構(gòu)與參數(shù)優(yōu)化方案：

（一）問題1：清洗區(qū)存在低速盲區(qū)，雜質(zhì)殘留率高

模擬結(jié)果：清洗區(qū)中部（第二組與第三組攪拌槳之間）出現(xiàn)流速＜0.3m/s 的低速區(qū)，占清洗區(qū)總面積的15%；該區(qū)域湍流強度＜0.2，毛豆顆粒運動緩慢，翻滾頻率低（每分鐘翻滾＜5 次），表面泥沙無法有效剝離，雜質(zhì)殘留率高達12%（遠超行業(yè)要求的5%以內(nèi)）。問題根源：攪拌槳布置間距過大（兩組攪拌槳間距500mm），槳葉旋轉(zhuǎn)形成的漩渦無法覆蓋中間區(qū)域，導致水流動力不足；同時，側(cè)壁噴嘴噴射角度為45°，射流僅作用于清洗區(qū)兩側(cè)，無法覆蓋中部區(qū)域。

優(yōu)化方案：

調(diào)整攪拌槳布置：將攪拌槳間距從500mm縮短至350mm，增加1組攪拌槳（總數(shù)量從3組增至4組），確保漩渦相互疊加，消除中部低速區(qū)；

優(yōu)化噴嘴參數(shù)：將側(cè)壁噴嘴噴射角度從45°調(diào)整為30°（向下傾斜），同時在清洗區(qū)中部增設(shè)2個垂直向下的噴嘴（孔徑6mm，流量2m3/h），使射流覆蓋中部區(qū)域；

驗證效果：優(yōu)化后模擬顯示，清洗區(qū)低速區(qū)面積占比降至3%以下，湍流強度提升至0.3-0.4，毛豆顆粒翻滾頻率增至每分鐘8-10次，雜質(zhì)殘留率降至4.2%，滿足清洗要求。

（二）問題2：進料區(qū)水流紊亂，毛豆破損率高

模擬結(jié)果：進料區(qū)布水管出水孔水流直接沖擊輸送網(wǎng)帶，形成局部高速區(qū)（流速＞2.0m/s）；毛豆顆粒進入清洗槽后，在高速水流沖擊下與網(wǎng)帶、槽體側(cè)壁劇烈碰撞，破損率高達8.5%（超過5%的破損上限）；同時，紊亂的水流導致部分毛豆顆粒在進料區(qū)滯留（停留時間＞150s），過度沖刷進一步加劇破損。問題根源：布水管出水孔朝向垂直向下（正對網(wǎng)帶），水流動能集中于局部；進料區(qū)未設(shè)置導流結(jié)構(gòu)，水流擴散不均勻，形成“射流沖擊死角”。

優(yōu)化方案：

改進布水管出水結(jié)構(gòu)：將出水孔朝向從垂直向下調(diào)整為45°傾斜（朝向清洗區(qū)中部），同時在出水孔處加裝導流板（長度30mm，與水流方向呈15°），使水流分散為“扇形射流”，降低局部流速（從＞2.0m/s降至1.2-1.5m/s）；

增設(shè)進料區(qū)導流板：在進料區(qū)兩側(cè)安裝傾斜式導流板（與槽體夾角60°，高度150mm），引導水流向清洗區(qū)平穩(wěn)過渡，避免水流紊亂；

驗證效果：優(yōu)化后模擬顯示，進料區(qū)流速上限值降至1.5m/s，毛豆顆粒與壁面的碰撞力從0.8N降至0.3N（碰撞力＜0.5N時，豆莢不易破損），破損率降至3.8%，同時顆粒滯留時間控制在60-90s，避免過度沖刷。

（三）問題3：出料區(qū)固液分離不徹底，廢水含雜率高

模擬結(jié)果：出料區(qū)濾網(wǎng)傾斜角度為15°，水流流經(jīng)濾網(wǎng)時流速驟降（從0.8m/s降至0.2m/s），部分細小泥沙（直徑＜0.5mm）因水流攜帶能力不足，附著于濾網(wǎng)表面或隨毛豆顆粒進入出料口，導致廢水含雜率（泥沙質(zhì)量/廢水質(zhì)量）高達0.8%，后續(xù)污水處理成本增加；同時，濾網(wǎng)堵塞導致排水不暢，清洗槽內(nèi)水位波動＞100mm，影響流場穩(wěn)定性。問題根源：濾網(wǎng)傾斜角度過小，水流在濾網(wǎng)表面的停留時間不足，細小雜質(zhì)無法充分沉降；濾網(wǎng)孔徑均一（5mm），僅能攔截毛豆，無法分級過濾不同粒徑的雜質(zhì)。

優(yōu)化方案：

調(diào)整濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)與角度：將濾網(wǎng)傾斜角度從15°增大至30°，延長水流在濾網(wǎng)表面的停留時間（從 2s 增至 4s），提升細小雜質(zhì)沉降效率；同時，采用“階梯式濾網(wǎng)”設(shè)計，前段（靠近清洗區(qū)）濾網(wǎng)孔徑 3mm（攔截細小泥沙），后段（靠近出料口）濾網(wǎng)孔徑5mm（攔截毛豆），實現(xiàn)“分級過濾”；

增設(shè)濾網(wǎng)反沖洗裝置：在濾網(wǎng)下方安裝高壓反沖洗噴嘴（孔徑4mm，流量1m3/h），每隔30s噴射一次（與生產(chǎn)線間歇時間匹配），清除濾網(wǎng)表面附著的雜質(zhì)，避免堵塞；

驗證效果：優(yōu)化后模擬顯示，出料區(qū)廢水含雜率降至0.2%，濾網(wǎng)堵塞頻率從每小時2次降至每小時0.5次，清洗槽內(nèi)水位波動＜30mm，流場穩(wěn)定性顯著提升。

三、優(yōu)化方案的試驗驗證與效益分析

為確保模擬結(jié)果的可靠性，將優(yōu)化后的設(shè)備參數(shù)應(yīng)用于實際樣機，進行“模擬-試驗”對比驗證：

（一）試驗驗證方法

搭建全自動毛豆清洗機試驗平臺，選用新鮮毛豆（品種為“青酥2號”，帶莢直徑18-22mm，初始含雜率15%）作為試驗物料，設(shè)置兩組對比試驗：

對照組：傳統(tǒng)清洗機（未優(yōu)化，攪拌槳3組，噴嘴角度45°，濾網(wǎng)角度15°）；

優(yōu)化組：基于流場模擬優(yōu)化的清洗機（攪拌槳4組，噴嘴角度30°+中部垂直噴嘴，階梯式濾網(wǎng)+反沖洗）。

兩組試驗均采用相同操作參數(shù)（進水流量15m3/h，攪拌槳轉(zhuǎn)速90r/min，進料速率500kg/h），分別測試以下指標：

清洗效果：采用“稱重法”計算雜質(zhì)殘留率（殘留雜質(zhì)質(zhì)量/物料總質(zhì)量）；

破損率：人工分揀破損豆莢（表皮開裂、籽粒外露），計算破損率（破損數(shù)量/總數(shù)量）；

能耗與效率：記錄設(shè)備運行功率（kW）與單位時間處理量（kg/h），計算能耗比（kW・h/t，即處理1噸毛豆消耗的電能）。

（二）驗證結(jié)果與效益

試驗結(jié)果顯示，優(yōu)化組各項指標均顯著優(yōu)于對照組，且與模擬結(jié)果高度吻合：

清洗效果：優(yōu)化組雜質(zhì)殘留率4.1%（模擬值4.2%），對照組11.8%，清洗效率提升65%；

破損率：優(yōu)化組破損率3.7%（模擬值3.8%），對照組8.6%，破損率降低57%；

能耗與效率：優(yōu)化組能耗比8.2kW・h/t，對照組10.5kW・h/t，能耗降低22%；單位時間處理量從500kg/h提升至600kg/h，生產(chǎn)效率提升 20%。

從經(jīng)濟效益來看，按年產(chǎn)1萬噸毛豆加工生產(chǎn)線計算，優(yōu)化后每年可減少毛豆破損損失約43噸（按破損率降低4.9%計算，毛豆市場價8元/kg），節(jié)省能耗約2.3萬kW・h（工業(yè)電價1元/kW・h），減少污水處理成本約1.5萬元（按廢水含雜率降低0.6%計算），綜合年收益增加約52萬元，投資回收期僅需6個月。

五、結(jié)論與展望

基于流體力學的CFD流場模擬，成功定位了全自動毛豆清洗機的流場缺陷（低速盲區(qū)、局部高速沖擊、固液分離不足），通過“攪拌槳加密+噴嘴角度優(yōu)化”“導流板減沖”“階梯式濾網(wǎng)+反沖洗” 等針對性策略，實現(xiàn)了清洗效果、破損率與能耗的協(xié)同優(yōu)化。試驗驗證表明，優(yōu)化后的設(shè)備雜質(zhì)殘留率＜5%、破損率＜4%、能耗降低22%，滿足農(nóng)產(chǎn)品加工的高效、低損、節(jié)能要求。