傳統(tǒng)清洗機(jī)常存在 “清洗盲區(qū)”（局部水流薄弱導(dǎo)致雜質(zhì)殘留）、“過(guò)度沖刷”（局部流速過(guò)高導(dǎo)致豆莢破損）等問(wèn)題，根源在于水流場(chǎng)分布不均?；谟?jì)算流體力學(xué)（CFD）的水流場(chǎng)模擬，可通過(guò)數(shù)值仿真直觀呈現(xiàn)流場(chǎng)特征，精準(zhǔn)定位問(wèn)題區(qū)域，進(jìn)而通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)“高效清洗”與“低破損”的平衡，為設(shè)備升級(jí)提供科學(xué)依據(jù)。

一、水流場(chǎng)模擬的建模與求解過(guò)程

基于CFD軟件（如 ANSYS Fluent、STAR-CCM+）的流場(chǎng)模擬，需經(jīng)過(guò)“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(gè)步驟，確保模型與實(shí)際設(shè)備的一致性：

（一）幾何建模與簡(jiǎn)化

以某型號(hào)全自動(dòng)毛豆清洗機(jī)為例，其清洗槽長(zhǎng)2000mm、寬800mm、高600mm，沿長(zhǎng)度方向分為“進(jìn)料區(qū)”“清洗區(qū)”“出料區(qū)”三部分：

進(jìn)料區(qū)：設(shè)置2個(gè)對(duì)稱布水管（直徑50mm），管壁均勻分布直徑8mm的出水孔（間距50mm），負(fù)責(zé)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(gè)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(shí)現(xiàn)毛豆與廢水分離，廢水經(jīng)槽底排水口排出。

建模時(shí)，采用SolidWorks等軟件構(gòu)建三維幾何模型，對(duì)非關(guān)鍵結(jié)構(gòu)（如螺栓、支架）進(jìn)行簡(jiǎn)化，保留影響流場(chǎng)的核心部件（布水管、噴嘴、攪拌槳、槽體）；同時(shí)，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(guò)雙向耦合（水流影響顆粒運(yùn)動(dòng)，顆粒運(yùn)動(dòng)反過(guò)來(lái)影響水流場(chǎng)）模擬物料與流場(chǎng)的相互作用。

（二）網(wǎng)格劃分與獨(dú)立性驗(yàn)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(duì)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(jì)算效率；

對(duì)攪拌槳、噴嘴等復(fù)雜區(qū)域（流場(chǎng)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(chǎng)細(xì)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(zhǎng)率1.2），模擬壁面附近的粘性底層流動(dòng)（湍流中速度梯度至大的區(qū)域）。

完成網(wǎng)格劃分后，進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證：分別構(gòu)建網(wǎng)格數(shù)量為120萬(wàn)、180萬(wàn)、240萬(wàn)的三個(gè)模型，在相同邊界條件下（進(jìn)水流量15m3/h，攪拌槳轉(zhuǎn)速90r/min），對(duì)比清洗區(qū)中心截面的平均流速。結(jié)果顯示，180萬(wàn)與240萬(wàn)網(wǎng)格模型的流速偏差＜3%，說(shuō)明180萬(wàn)網(wǎng)格已能滿足精度要求，最終選擇180萬(wàn)網(wǎng)格進(jìn)行后續(xù)模擬，兼顧精度與計(jì)算效率。

（三）邊界條件與數(shù)值求解設(shè)置

根據(jù)實(shí)際工作狀態(tài)設(shè)置邊界條件：

進(jìn)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(jìn)水流量10m3/h，噴嘴進(jìn)水流量5m3/h（總流量15m3/h），進(jìn)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(wú)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(yùn)動(dòng)邊界”（moving wall），按實(shí)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(duì)應(yīng)毛豆帶莢尺寸），顆粒密度1.08g/cm3，進(jìn)料速率500kg/h（匹配生產(chǎn)線速度），顆粒與壁面的碰撞恢復(fù)系數(shù)0.8（彈性碰撞為主，避免過(guò)度破損）。

數(shù)值求解時(shí)，選用“有限體積法” 離散控制方程，時(shí)間項(xiàng)采用一階隱式格式（適用于非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)），對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分格式（提高計(jì)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(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，能更準(zhǔn)確模擬強(qiáng)旋流與剪切流），設(shè)置湍流強(qiáng)度 5%，水力直徑按清洗槽截面尺寸計(jì)算（約500mm）。求解迭代過(guò)程中，設(shè)定殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)為10⁻⁴（連續(xù)相）與10⁻3（離散相），同時(shí)監(jiān)測(cè)清洗區(qū)平均流速與顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，確保流場(chǎng)達(dá)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(biāo)提取

通過(guò) CFD 軟件的后處理模塊，提取流場(chǎng)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(zhǎng)度方向的截面流速云圖，識(shí)別“高速區(qū)”（流速＞1.5m/s，可能導(dǎo)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(qiáng)度分布：湍流強(qiáng)度反映流場(chǎng)的紊亂程度（湍流強(qiáng)度=0.1-0.3為弱湍流，0.3-0.6為強(qiáng)湍流），強(qiáng)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(yùn)動(dòng)軌跡：通過(guò)離散相模擬，輸出毛豆顆粒在清洗槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)路徑，分析顆粒是否存在“滯留區(qū)”（停留時(shí)間＞120s，易導(dǎo)致過(guò)度沖刷）或“快速通過(guò)區(qū)”（停留時(shí)間＜30s，清洗不充分）；

雜質(zhì)去除效率：通過(guò)模擬泥沙顆粒（密度2.6g/cm3，直徑0.1-1mm）的沉降軌跡，計(jì)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(píng)估固液分離效果。

二、基于模擬結(jié)果的流場(chǎng)問(wèn)題定位與優(yōu)化策略

通過(guò)流場(chǎng)模擬，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)清洗機(jī)存在三大核心問(wèn)題，針對(duì)性提出結(jié)構(gòu)與參數(shù)優(yōu)化方案：

（一）問(wèn)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(qiáng)度＜0.2，毛豆顆粒運(yùn)動(dòng)緩慢，翻滾頻率低（每分鐘翻滾＜5 次），表面泥沙無(wú)法有效剝離，雜質(zhì)殘留率高達(dá)12%（遠(yuǎn)超行業(yè)要求的5%以內(nèi)）。問(wèn)題根源：攪拌槳布置間距過(guò)大（兩組攪拌槳間距500mm），槳葉旋轉(zhuǎn)形成的漩渦無(wú)法覆蓋中間區(qū)域，導(dǎo)致水流動(dòng)力不足；同時(shí)，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(wú)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(shí)在清洗區(qū)中部增設(shè)2個(gè)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(yàn)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(qiáng)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(wèn)題2：進(jìn)料區(qū)水流紊亂，毛豆破損率高

模擬結(jié)果：進(jìn)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(jìn)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(dá)8.5%（超過(guò)5%的破損上限）；同時(shí)，紊亂的水流導(dǎo)致部分毛豆顆粒在進(jìn)料區(qū)滯留（停留時(shí)間＞150s），過(guò)度沖刷進(jìn)一步加劇破損。問(wèn)題根源：布水管出水孔朝向垂直向下（正對(duì)網(wǎng)帶），水流動(dòng)能集中于局部；進(jìn)料區(qū)未設(shè)置導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，水流擴(kuò)散不均勻，形成“射流沖擊死角”。

優(yōu)化方案：

改進(jìn)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(shí)在出水孔處加裝導(dǎo)流板（長(zhǎng)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(jìn)料區(qū)導(dǎo)流板：在進(jìn)料區(qū)兩側(cè)安裝傾斜式導(dǎo)流板（與槽體夾角60°，高度150mm），引導(dǎo)水流向清洗區(qū)平穩(wěn)過(guò)渡，避免水流紊亂；

驗(yàn)證效果：優(yōu)化后模擬顯示，進(jìn)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(shí)，豆莢不易破損），破損率降至3.8%，同時(shí)顆粒滯留時(shí)間控制在60-90s，避免過(guò)度沖刷。

（三）問(wèn)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(shí)流速驟降（從0.8m/s降至0.2m/s），部分細(xì)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(jìn)入出料口，導(dǎo)致廢水含雜率（泥沙質(zhì)量/廢水質(zhì)量）高達(dá)0.8%，后續(xù)污水處理成本增加；同時(shí)，濾網(wǎng)堵塞導(dǎo)致排水不暢，清洗槽內(nèi)水位波動(dòng)＞100mm，影響流場(chǎng)穩(wěn)定性。問(wèn)題根源：濾網(wǎng)傾斜角度過(guò)小，水流在濾網(wǎng)表面的停留時(shí)間不足，細(xì)小雜質(zhì)無(wú)法充分沉降；濾網(wǎng)孔徑均一（5mm），僅能攔截毛豆，無(wú)法分級(jí)過(guò)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(zhǎng)水流在濾網(wǎng)表面的停留時(shí)間（從 2s 增至 4s），提升細(xì)小雜質(zhì)沉降效率；同時(shí)，采用“階梯式濾網(wǎng)”設(shè)計(jì)，前段（靠近清洗區(qū)）濾網(wǎng)孔徑 3mm（攔截細(xì)小泥沙），后段（靠近出料口）濾網(wǎng)孔徑5mm（攔截毛豆），實(shí)現(xiàn)“分級(jí)過(guò)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(shí)間匹配），清除濾網(wǎng)表面附著的雜質(zhì)，避免堵塞；

驗(yàn)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(shí)2次降至每小時(shí)0.5次，清洗槽內(nèi)水位波動(dòng)＜30mm，流場(chǎng)穩(wěn)定性顯著提升。

三、優(yōu)化方案的試驗(yàn)驗(yàn)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(shí)際樣機(jī)，進(jìn)行“模擬-試驗(yàn)”對(duì)比驗(yàn)證：

（一）試驗(yàn)驗(yàn)證方法

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

對(duì)照組：傳統(tǒng)清洗機(jī)（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(chǎng)模擬優(yōu)化的清洗機(jī)（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(yàn)均采用相同操作參數(shù)（進(jìn)水流量15m3/h，攪拌槳轉(zhuǎn)速90r/min，進(jìn)料速率500kg/h），分別測(cè)試以下指標(biāo)：

清洗效果：采用“稱重法”計(jì)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(kāi)裂、籽粒外露），計(jì)算破損率（破損數(shù)量/總數(shù)量）；

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

（二）驗(yàn)證結(jié)果與效益

試驗(yàn)結(jié)果顯示，優(yōu)化組各項(xiàng)指標(biāo)均顯著優(yōu)于對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)照組10.5kW・h/t，能耗降低22%；單位時(shí)間處理量從500kg/h提升至600kg/h，生產(chǎn)效率提升 20%。

從經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看，按年產(chǎn)1萬(wàn)噸毛豆加工生產(chǎn)線計(jì)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(jì)算，毛豆市場(chǎng)價(jià)8元/kg），節(jié)省能耗約2.3萬(wàn)kW・h（工業(yè)電價(jià)1元/kW・h），減少污水處理成本約1.5萬(wàn)元（按廢水含雜率降低0.6%計(jì)算），綜合年收益增加約52萬(wàn)元，投資回收期僅需6個(gè)月。

五、結(jié)論與展望

基于流體力學(xué)的CFD流場(chǎng)模擬，成功定位了全自動(dòng)毛豆清洗機(jī)的流場(chǎng)缺陷（低速盲區(qū)、局部高速?zèng)_擊、固液分離不足），通過(guò)“攪拌槳加密+噴嘴角度優(yōu)化”“導(dǎo)流板減沖”“階梯式濾網(wǎng)+反沖洗” 等針對(duì)性策略，實(shí)現(xiàn)了清洗效果、破損率與能耗的協(xié)同優(yōu)化。試驗(yàn)驗(yàn)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。