[发明专利]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

说明书

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。

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：