一种海产品船载抗风浪摇摆送料纠偏系统及均匀干制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种海产品加工船舶在海上遇到大风浪时船体剧烈摇摆情况下容易出现物料堆积现象的抗风浪摇摆布料系统及均匀干制方法。本发明专利技术通过CFD‑DEM耦合，并借助导流板的导流作用，仿真模拟物料颗粒在不同导流参数及风机速度下的运动状态及分布规律，进一步指导优化导流板的旋转角度及风机速度，从而通过气流场改变物料堆积状态，实现海产品的快速均匀干制，具有高效化、自动化、连续化等优点。

A kind of rectification system and even drying method for anti wind wave swing feeding of marine products on board

【技术实现步骤摘要】
一种海产品船载抗风浪摇摆送料纠偏系统及均匀干制方法(一)
本专利技术涉及水产品加工
，特别涉及一种海产品加工船舶在海上遇到大风浪时船体剧烈摇摆情况下容易出现物料堆积现象的抗风浪摇摆布料系统及均匀干制方法。(二)
技术介绍
海产品富含蛋白质和水分，通过“海上捕捞+陆上加工”等传统加工模式加工，极易发生腐烂变质。因此海产品的即时干制加工对于其产品质量的保持至关重要。海产品的船载干制技术可最大程度的降低传统加工模式对海产品品质的不利影响。热风干燥作为应用较为广泛的海产品船载干燥加工技术之一，具有设备投资少，适应性强，操作、控制简单等优点。但与传统陆上干燥相比，船载干制加工具有其特殊性：(1)船体空间有限性：与陆上加工厂相比，船体加工设备的安装受限于船上有限空间内宽度、高度和长度的三维尺度限制，对设备的紧凑性和高效性有更高的要求；(2)加工过程中船体的摇摆性：与陆上作业不同，在大海中行驶的加工船会在风浪等外力作用下作周期性的左右横摇和前后摇摆，产生干制加工过程中物料的堆积现象，尤其是易堆积在船体的左右两侧，会引起水产品干制的不均匀，导致部分物料加工不充分，而部分物料干制过度的现象，严重影响干制效果，降低水产品的加工品质。目前对水产品海上干制技术的研究主要集中于对现有陆上干制设备的组合及优化，无法在海况复杂、风大浪高、船体摇摆特殊条件下进行船载干制加工。如中国专利CN107120911A专利技术了一种船载南极磷虾粉快速干燥装置，该装置由进料系统、速干系统、穿流系统等八个系统组成。该专利技术装置虽然能够进行水产品的海上干制加工，但在海况7级左右风浪时难以进行正常的规模化生产。因此，海洋水产品的船载干制加工不能简单采用目前陆基常用的热风干燥加工技术及设备，需要建立适于海况大风浪、船体剧烈摇摆情况下，能够避免物料堆积的抗风浪摇摆布料系统，以及专利技术适用于船载均匀干制的加工方法。计算流体力学(CFD)和离散单元法(DEM)的耦合仿真技术，是目前解决气固两相流问题的重要途径，能够较为准确的模拟物料颗粒在热风气流场作用下的相互作用及运动规律，从而指导船载干制加工设备的优化，并进一步提高水产品船载干制加工品质。虽然基于CFD与DEM耦合技术在农业加工机械和能源勘探等领域已有广泛应用。如中国专利CN106021638A，通过CFD-DEM耦合技术，专利技术了一种基于气泡和颗粒随机运动的鼓泡流化床建模方法，该方法在保证低负荷、快速计算的同时，能够大大提高鼓泡流化床随机模型数值计算精度。美国专利US10221649B2基于CFD-DEM耦合技术专利技术了不同地质构造中流体路径导流的分段设计方法，具有智能化、高效化等优点。由此可见，CFD与DEM耦合技术的普适性及颗粒运动仿真模拟的准确性，可对船载干制水产品复杂布料运动进行仿真模拟，从而优化船载干制设备的设计达到连续均匀加工目的。(三)
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺陷和不足，本专利技术提供了一种基于CFD-DEM耦合的海产品船载抗风浪摇摆送料纠偏系统及均匀干制方法，该方法具有高效、经济、连续、均匀、可控等优点。本专利技术采用的技术方案是：一种基于CFD-DEM耦合的海产品船载抗风浪摇摆送料纠偏系统，所述包括：(1)定义模型边界参数：定义和计算系统模型的边界参数条件，包括风机速度和导流板旋转角度；导流板旋转角度定义为导流板与传送带平面间的夹角，船体平稳运行时，即为导流板的最小旋转角度0°；船体达到最大摇摆角度时，即为导流板最大旋转角度或最低风速为船体平稳时的风机速度F平稳，船体可允许工作最大风力环境下，船体达到左倾或右倾最大角度时的风机速度为最大风速，分别记为F左倾或F右倾；(2)三维模型的构建及网格划分：使用AutoCAD软件设计海产品船载均匀干制系统三维模型，采用AnsysWorkbench的Mesh模块对模型进行网格划分，用四面体网格，网格单元大小设为3～8mm；(3)气流场动力学模拟：在计算流体动力学软件Fluent中导入Mesh模块生成的网格文件，湍流模型选择标准k-ε模型，湍流定义方法采用湍动粘度与水力直径，流场求解方法采用COUPLED算法，离散格式采用二阶迎风格式；采用的气流场动力学模型为：其中，分别代表x，y方向上的速度分量；CD为颗粒群曳力系数；ρ为空气密度；μ为流体剪切黏度；υ为运动黏度；μT为湍流黏度；Gk为湍动能；αg为气体的体积分数；Cμ为粘度系数，取0.09；其他常数值为C1＝1.44，C2＝1.92，σk＝1.0，σε＝1.3；(4)物料颗粒模型构建：通过三维软件构建所要输送物料的颗粒模型，并将所述三维模型导入离散元模型软件EDEM；(5)设置仿真参数：包括时间步长的设置；通过计算颗粒运动的剧烈程度来选取相应的仿真时间步长，固定时间步长设定在Rayleigh时间步长的20％～40％之间；(6)Fluent-EDEM联合仿真：选择离散单元法的基本接触模型，在EDEM软件中建立物料颗粒的力学模型，基于CFD-DEM耦合理论，利用Fluent-EDEM联合仿真不同导流板角度及风速下物料的运动状态；离散单元的接触模型为Hertz-Mindlin无滑移模型，计算流体动力学与离散单元通过Lagrangian模型进行耦合；(7)气固两相流模型准确性及实用性验证：通过比较物料颗粒在船体模型倾斜0°～10°时，受不同气流场仿真作用下的分布情况，初步模拟优选出防物料堆积的导流板旋转角度及风速，建立导流板旋转角度θ、风速F与船体摇摆角度ω间的数学方程(公式②)，并与相同条件下物料实际分布状况比较，验证模型的准确性。其中m为物料重量，ω为船体摇摆角度，f为物料所受摩擦力，ρ为流体密度(kg/m3)，F为风机速度(即风速，m/s)，θ为导流板旋转角度。所述步骤(1)中，通过PLC控制系统实现导流板旋转角度、风机速度与船体摇摆幅度间的自动响应，该控制系统的可编程控制器连接有变频器、船体倾斜角度传感器、导流板旋转角度传感器及风机速度传感器。所述海产品为丁香鱼时，呈椭球形，质量为0.5±0.1g，其长轴为2.5±0.5cm，短轴为0.3±0.05cm，步骤(4)中，采用EDEM中的多个球形颗粒进行重叠组合填充建立丁香鱼的颗粒模型。所述海产品为南极磷虾时，质量为2±0.5g其长轴为6±0.5cm，短轴为0.6±0.1cm，步骤(4)中，采用EDEM中的多个球形颗粒进行重叠组合填充建立南极磷虾的颗粒模型。所述海产品为中国毛虾时，质量为0.6±0.1g，其长轴为3±0.1cm，短轴为0.4±0.1cm，步骤(4)中，采用EDEM中的多个球形颗粒进行重叠组合填充建立中国毛虾的颗粒模型。优选的，步骤(7)通过计算物料在仿真模拟优选出的导流板旋转角度及风速作用下，在传送带不同部位的实际分布比例m实，与仿真模拟结果m仿比较，以公式③验证模型准确性；通过测定物料在不同传送带部位的含水率，以公式④和⑤验证物料干燥均匀性：|m实-m仿|/m实＜10％本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于CFD-DEM耦合的海产品船载抗风浪摇摆送料纠偏系统，所述系统包括：/n(1)定义模型边界参数：定义和计算系统模型的边界参数条件，包括风机速度和导流板旋转角度；导流板旋转角度定义为导流板与传送带平面间的夹角，船体平稳运行时，即为导流板的最小旋转角度0°；船体达到最大摇摆角度时，即为导流板最大旋转角度θ

【技术特征摘要】
1.一种基于CFD-DEM耦合的海产品船载抗风浪摇摆送料纠偏系统，所述系统包括：
(1)定义模型边界参数：定义和计算系统模型的边界参数条件，包括风机速度和导流板旋转角度；导流板旋转角度定义为导流板与传送带平面间的夹角，船体平稳运行时，即为导流板的最小旋转角度0°；船体达到最大摇摆角度时，即为导流板最大旋转角度θ左倾，或θ右倾，最低风速为船体平稳时的风机速度F平稳，船体可允许工作最大风力环境下，船体达到左倾或右倾最大角度时的风机速度为最大风速，分别记为F左倾或F右倾；
(2)三维模型的构建及网格划分：使用AutoCAD软件设计海产品船载均匀干制系统三维模型，采用AnsysWorkbench的Mesh模块对模型进行网格划分，用四面体网格，网格单元大小设为3～8mm；
(3)气流场动力学模拟：在计算流体动力学软件Fluent中导入Mesh模块生成的网格文件，湍流模型选择标准k-ε模型，湍流定义方法采用湍动粘度与水力直径，流场求解方法采用COUPLED算法，离散格式采用二阶迎风格式；
采用的气流场动力学模型为：









其中，分别代表x，y方向上的速度分量；CD为颗粒群曳力系数；ρ为空气密度；μ为流体剪切黏度；υ为运动黏度；μT为湍流黏度；Gk为湍动能；αg为气体的体积分数；Cμ为粘度系数，取0.09；其他常数值为C1＝1.44，C2＝1.92，σk＝1.0，σε＝1.3；
(4)物料颗粒模型构建：通过三维软件构建所要输送物料的颗粒模型，并将所述三维模型导入离散元模型软件EDEM；
(5)设置仿真参数：包括时间步长的设置；通过计算颗粒运动的剧烈程度来选取相应的仿真时间步长，固定时间步长设定在Rayleigh时间步长的20％～40％之间；
(6)Fluent-EDEM联合仿真：选择离散单元法的基本接触模型，在EDEM软件中建立物料颗粒的力学模型，基于CFD-DEM耦合理论，利用Fluent-EDEM联合仿真不同导流板角度及风速下物料的运动状态；离散单元的接触模型为Hertz-Mindlin无滑移模型，计算流体动力学与离散单元通过Lagrangian模型进行耦合；
(7)气固两相流模型准确性及实用性验证：通过比较物料颗粒在船体模型倾斜0°～10°时，受不同气流场仿真作用下的分布情况，初步模拟优选出防物料堆积的导流板旋转角度及风速，建立导流板旋转角度θ、风速F与船体摇摆角度ω间的数学方程(公式②)，并在相同导流板及风速参数条件下，研究物料实际分布情况，并与仿真结果比较，以验证模型的准确性；



其中m为物料重量，ω为船体摇摆角度，f为物料所受摩擦力，ρ为流体密度，F为风机速度，θ为导流板旋转角度。


2.如权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：周绪霞，丁玉庭，朱士臣，林龙，张裕聪，于方睿，林招永，林宁，徐霞，柯志刚，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33