傳統清洗機常存在 “清洗盲區”（局部水流薄弱導致雜質殘留）、“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。基于計算流體力學（CFD）的水流場模擬，可通過數值仿真直觀呈現流場特征，精準定位問題區域，進而通過結構優化實現“高效清洗”與“低破損”的平衡，為設備升級提供科學依據。
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，需經過“幾何建模-網格劃分-邊界條件設置-數值求解-結果后處理”五個步驟，確保模型與實際設備的一致性：
（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”“清洗區”“出料區”三部分：
進料區：設置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；
清洗區：底部安裝 3 組旋轉攪拌槳（槳葉直徑300mm，轉速60-120r/min），側壁布置4個高壓噴嘴（噴射角度45°，孔徑 6mm），是核心清洗區域；
出料區：設置傾斜式濾網（孔徑5mm），實現毛豆與廢水分離，廢水經槽底排水口排出。
建模時，采用SolidWorks等軟件構建三維幾何模型，對非關鍵結構（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）網格劃分與獨立性驗證
網格質量直接影響模擬精度，采用“結構化網格+非結構化網格”混合劃分策略：
對清洗槽槽體、布水管等規則區域，采用六面體結構化網格（網格尺寸20mm），確保計算效率；
對攪拌槳、噴嘴等復雜區域（流場變化劇烈），采用四面體非結構化網格（網格尺寸5-10mm），捕捉局部流場細節；
在水流與毛豆接觸的近壁面（如槽體側壁、攪拌槳表面），設置邊界層網格（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域）。
完成網格劃分后，進行網格獨立性驗證：分別構建網格數量為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，攪拌槳轉速90r/min），對比清洗區中心截面的平均流速。結果顯示，180萬與240萬網格模型的流速偏差＜3%，說明180萬網格已能滿足精度要求，最終選擇180萬網格進行后續模擬，兼顧精度與計算效率。
（三）邊界條件與數值求解設置
根據實際工作狀態設置邊界條件：
進水邊界（布水管入口、噴嘴入口）：采用“質量流量入口”（mass flow inlet），設定布水管進水流量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），設定出口壓力為大氣壓（101325Pa）；
固體壁面（槽體、攪拌槳、輸送網帶）：采用“無滑移邊界條件”（no-slip condition），即壁面處水流速度為0；攪拌槳壁面設置“運動邊界”（moving wall），按實際轉速（90r/min）設定旋轉速度；
毛豆顆粒離散相：設定顆粒直徑15-25mm（對應毛豆帶莢尺寸），顆粒密度1.08g/cm3，進料速率500kg/h（匹配生產線速度），顆粒與壁面的碰撞恢復系數0.8（彈性碰撞為主，避免過度破損）。
數值求解時，選用“有限體積法” 離散控制方程，時間項采用一階隱式格式（適用于非穩態流場），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，設定殘差收斂標準為10⁻⁴（連續相）與10⁻3（離散相），同時監測清洗區平均流速與顆粒運動軌跡，確保流場達到穩定狀態（迭代500步后，流速變化＜1%）。
（四）模擬結果后處理與關鍵指標提取
通過 CFD 軟件的后處理模塊，提取流場關鍵特征參數，量化分析清洗效果：
速度分布：提取清洗區沿長度方向的截面流速云圖，識別“高速區”（流速＞1.5m/s，可能導致豆莢破損）與“低速區”（流速＜0.3m/s，可能形成清洗盲區）；
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的運動路徑，分析顆粒是否存在“滯留區”（停留時間＞120s，易導致過度沖刷）或“快速通過區”（停留時間＜30s，清洗不充分）；
雜質去除效率：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回收率（回收率=排出雜質質量 總投入雜質質量），評估固液分離效果。
二、基于模擬結果的流場問題定位與優化策略
通過流場模擬，發現傳統清洗機存在三大核心問題，針對性提出結構與參數優化方案：
（一）問題1：清洗區存在低速盲區，雜質殘留率高
模擬結果：清洗區中部（第二組與第三組攪拌槳之間）出現流速＜0.3m/s 的低速區，占清洗區總面積的15%；該區域湍流強度＜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，雜質殘留率高達12%（遠超行業要求的5%以內）。問題根源：攪拌槳布置間距過大（兩組攪拌槳間距500mm），槳葉旋轉形成的漩渦無法覆蓋中間區域，導致水流動力不足；同時，側壁噴嘴噴射角度為45°，射流僅作用于清洗區兩側，無法覆蓋中部區域。
優化方案：
調整攪拌槳布置：將攪拌槳間距從500mm縮短至350mm，增加1組攪拌槳（總數量從3組增至4組），確保漩渦相互疊加，消除中部低速區；
優化噴嘴參數：將側壁噴嘴噴射角度從45°調整為30°（向下傾斜），同時在清洗區中部增設2個垂直向下的噴嘴（孔徑6mm，流量2m3/h），使射流覆蓋中部區域；
驗證效果：優化后模擬顯示，清洗區低速區面積占比降至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，雜質殘留率降至4.2%，滿足清洗要求。
（二）問題2：進料區水流紊亂，毛豆破損率高
模擬結果：進料區布水管出水孔水流直接沖擊輸送網帶，形成局部高速區（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帶、槽體側壁劇烈碰撞，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（正對網帶），水流動能集中于局部；進料區未設置導流結構，水流擴散不均勻，形成“射流沖擊死角”。
優化方案：
改進布水管出水結構：將出水孔朝向從垂直向下調整為45°傾斜（朝向清洗區中部），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）；
增設進料區導流板：在進料區兩側安裝傾斜式導流板（與槽體夾角60°，高度150mm），引導水流向清洗區平穩過渡，避免水流紊亂；
驗證效果：優化后模擬顯示，進料區流速上限值降至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：出料區固液分離不徹底，廢水含雜率高
模擬結果：出料區濾網傾斜角度為15°，水流流經濾網時流速驟降（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，附著于濾網表面或隨毛豆顆粒進入出料口，導致廢水含雜率（泥沙質量/廢水質量）高達0.8%，后續污水處理成本增加；同時，濾網堵塞導致排水不暢，清洗槽內水位波動＞100mm，影響流場穩定性。問題根源：濾網傾斜角度過小，水流在濾網表面的停留時間不足，細小雜質無法充分沉降；濾網孔徑均一（5mm），僅能攔截毛豆，無法分級過濾不同粒徑的雜質。
優化方案：
調整濾網結構與角度：將濾網傾斜角度從15°增大至30°，延長水流在濾網表面的停留時間（從 2s 增至 4s），提升細小雜質沉降效率；同時，采用“階梯式濾網”設計，前段（靠近清洗區）濾網孔徑 3mm（攔截細小泥沙），后段（靠近出料口）濾網孔徑5mm（攔截毛豆），實現“分級過濾”；
增設濾網反沖洗裝置：在濾網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（與生產線間歇時間匹配），清除濾網表面附著的雜質，避免堵塞；
驗證效果：優化后模擬顯示，出料區廢水含雜率降至0.2%，濾網堵塞頻率從每小時2次降至每小時0.5次，清洗槽內水位波動＜30mm，流場穩定性顯著提升。
三、優化方案的試驗驗證與效益分析
為確保模擬結果的可靠性，將優化后的設備參數應用于實際樣機，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，設置兩組對比試驗：
對照組：傳統清洗機（未優化，攪拌槳3組，噴嘴角度45°，濾網角度15°）；
優化組：基于流場模擬優化的清洗機（攪拌槳4組，噴嘴角度30°+中部垂直噴嘴，階梯式濾網+反沖洗）。
兩組試驗均采用相同操作參數（進水流量15m3/h，攪拌槳轉速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”計算雜質殘留率（殘留雜質質量/物料總質量）；
破損率：人工分揀破損豆莢（表皮開裂、籽粒外露），計算破損率（破損數量/總數量）；
能耗與效率：記錄設備運行功率（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）驗證結果與效益
試驗結果顯示，優化組各項指標均顯著優于對照組，且與模擬結果高度吻合：
清洗效果：優化組雜質殘留率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，生產效率提升 20%。
從經濟效益來看，按年產1萬噸毛豆加工生產線計算，優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），節省能耗約2.3萬kW・h（工業電價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、局部高速沖擊、固液分離不足），通過“攪拌槳加密+噴嘴角度優化”“導流板減沖”“階梯式濾網+反沖洗” 等針對性策略，實現了清洗效果、破損率與能耗的協同優化。試驗驗證表明，優化后的設備雜質殘留率＜5%、破損率＜4%、能耗降低22%，滿足農產品加工的高效、低損、節能要求。
