(一)技术领域
[0001] 本
发明涉及
水产品加工技术领域，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)背景技术
[0002] 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。
[0003] 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发明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。该发明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，以及发明适用于船载均匀干制的加工方法。
[0004] 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，发明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耦合技术发明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)发明内容
[0005] 为了克服上述
现有技术的
缺陷和不足，本发明提供了一种基于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。
[0006] 本发明采用的技术方案是：
[0007] 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：
[0008] (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；
[0009] (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Ansys Workbench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；
[0010] (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；
[0011] 采用的气流场动力学模型为：
[0012]
[0013]
[0014]
[0015] 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；
[0016] (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；
[0017] (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；
[0018] (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；
[0019] (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。
[0020]
[0021] 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/3
m)，F为风机速度(即风速，m/s)，θ为导流板旋转角度。
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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：
[0027] |m实-m仿|/m实＜10％ 公式③
[0028] |Q左/右/平-Q均|/Q均＜10％ 公式④
[0029] Q均＝(Q左+Q右+Q平)/3 公式⑤
[0030] 本发明还涉及基于所述海产品船载抗风浪摇摆送料纠偏系统的均匀干制方法，所述方法包括：在
温度50～70℃下，以3～30m/min速率在传送带上输送待干制的海产品物料，通过风机对传送带上的海产品进行热风干燥，传送带上方设置有可旋转的导流板，通过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，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。
[0031] 所述海产品为丁香鱼，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时，经纠偏系统优化后的参数如下：导流板旋转角度θ左倾＝20°、θ右倾＝15°，风速F左倾＝2m/s、F右倾＝3m/s。
[0032] 所述海产品为南极磷虾，质量为2±0.5g其长轴为6±0.5cm，短轴为0.6±0.1cm时，经纠偏系统优化后的参数如下：导流板旋转角度θ左倾＝23°、θ右倾＝17°，风速F左倾＝1.5m/s、F右倾＝2.6m/s。
[0033] 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时，经纠偏系统优化后的参数如下：导流板旋转角度θ左倾＝25°、θ右倾＝20°，风速F左倾＝
2.5m/s、F右倾＝3m/s。
[0034] 本发明的有益效果主要体现在：
[0035] (1)本发明针对船体左右摇摆导致船载海产品干制不充分的情况，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。
[0036] (2)本发明建立了导流板旋转角度、风机速度与船体摇摆运动间自动控制系统，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，能够实现导流板旋转角度及风机速度的
自动调节，从而具有经济化、可控化的优点。(四)
附图说明
[0037] 图1为基于一种基于CFD-DEM耦合的海产品船载抗风浪摇摆送料纠偏系统的优化
流程图。
[0038] 图2为海产品船载均匀干制系统装置结构图。
[0039] 图3为离散元计算设备几何体导入参数设置图。
[0040] 图4为离散元计算物料颗粒模板导入参数设置图。
[0041] 图5为有限元流体分析网格与参数设置图。
[0042] 图6为平稳
时空气
流线图(a)和空气速度分布与矢量图(b)。
[0043] 图7为右倾时空气流线图(a)和空气速度分布与矢量图(b)。
[0044] 图8为左倾时空气流线图(a)和空气速度分布与矢量图(b)。(五)具体实施方式
[0045] 下面结合具体
实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
[0046] 实施例1：一种基于CFD-DEM耦合的丁香鱼船载抗风浪摇摆送料纠偏系统的均匀干制方法
[0047] 1)定义模型边界参数：导流板旋转角度定义为导流板与传送带平面间的夹角(纠偏系统流程图参见图1，系统装置结构图参见图2)。船体平稳状态下，导流板达到最小旋转角度(0°)；船体达到最大倾斜角度时，即为导流板最大旋转角度 或最低风机速度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(风力七级)，船体达到倾斜(左倾或右倾)最大角度时的风机速度为最大风机速度，分别记为F左倾，F右倾。通过可编程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与变频器、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连接。
[0048] 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(图3)，采用Ansys Workbench的Mesh模块对模型进行网格划分为四面体网格，网格单元大小设为4mm(图4)。
[0049] 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。
[0050] 气流场动力学模型为：
[0051]
[0052]
[0053]
[0054] 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。
[0055] 4)物料颗粒模型构建：通过三维软件构建丁香鱼的颗粒模型(图5)，丁香鱼呈椭球形，质量为0.5±0.1g，其长轴为2.5±0.5cm，短轴为0.3±0.05cm，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。并将所述三维模型导入离散元模型软件EDEM。
[0056] 5)设置仿真参数：通过计算丁香鱼颗粒运动的剧烈程度确定相应的仿真时间步长为10-4s。
[0057] 6)Fluent-EDEM联合仿真：确定离散单元法的基本接触模型为Hertz-Mindlin无滑移模型，在EDEM软件中建立物料颗粒的力学模型，计算流体动力学与离散单元通过Lagrangian模型进行耦合，仿真船体在一定摇摆幅度下，不同导流板旋转角度及风机速度作用时物料的运动状态(图6～图8)。
[0058] 7)气固两相流模型准确性及实用性验证：以船体左右摇摆角度5°为例，通过仿真模拟得到最优导流板旋转角度θ左倾＝20°、θ右倾＝15°及风速F左倾＝2m/s、F右倾＝3m/s。比较丁香鱼在实际及仿真条件下船体不同部位的分布比例，结果如表1所示。其偏差均小于10％，验证了模型准确性。进一步地，在温度为60℃，以10m/min的速率在传送带上运输物料，连续干燥30min后，丁香鱼在船体左侧、中间及右侧的水分含量分别为28.3％，26.7％，23.9％，其与平均值的偏差均小于10％(表2)，表明丁香鱼干燥均匀，从而验证了模型的实用性。
[0059] 表1:丁香鱼实际及仿真条件下在船体不同部位的分布比例
[0060]
[0061] 表2:丁香鱼、南极磷虾和中国毛虾在船体左侧、中间及右侧的水分含量分布[0062]
[0063] 实施例2：一种基于CFD-DEM耦合的南极磷虾船载抗风浪摇摆送料纠偏系统的均匀干制方法
[0064] 1)定义模型边界参数：导流板旋转角度定义为导流板与传送带平面间的夹角。船体平稳状态下，导流板达到最小旋转角度(0°)；船体达到最大倾斜角度时，即为导流板最大旋转角度 或 最低风机速度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(风力七级)，船体达到倾斜(左倾或右倾)最大角度时的风机速度为最大风机速度，分别记为F左倾，F右倾。通过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与变频器、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连接。
[0065] 2)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Ansys Workbench的Mesh模块对模型进行网格划分，主要网格采用四面体网格元素，在
指定的地方采用三角形网格元素，网格单元大小设为8mm。
[0066] 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。
[0067] 气流场动力学模型为：
[0068]
[0069]
[0070]
[0071] 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。
[0072] 4)物料颗粒模型构建：通过三维软件构建南极磷虾的颗粒模型，质量为2±0.5g其长轴为6±0.5cm，短轴为0.6±0.1cm，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。并将所述三维模型导入离散元模型软件EDEM。
[0073] 5)设置仿真参数：通过计算南极磷虾颗粒运动的剧烈程度确定相应的仿真时间步长为2×10-4s。
[0074] 6)Fluent-EDEM联合仿真：确定离散单元法的基本接触模型为Hertz-Mindlin无滑移模型，在EDEM软件中建立物料颗粒的力学模型，计算流体动力学与离散单元通过Lagrangian模型进行耦合，仿真船体在一定摇摆幅度下，不同导流板旋转角度及风机速度作用时物料的运动状态。
[0075] 7)南极磷虾干燥均匀性测定：以船体左右摇摆角度9°为例，通过模型仿真模拟得到最优导流板旋转角度θ左倾＝23°、θ右倾＝17°及风速F左倾＝1.5m/s、F右倾＝2.6m/s。进一步地，在此导流板角度及风速条件下，在温度为70℃，以30m/min的速率在传送带上运输物料，连续干燥28min后，南极磷虾在船体左侧、中间及右侧的水分含量分别为38.8％，35.7％，37.5％，其与平均值的偏差均小于10％(表2)，表明南极磷虾干燥均匀，验证了模型的实用性。
[0076] 实施例3：一种基于CFD-DEM耦合的中国毛虾船载抗风浪摇摆送料纠偏系统的均匀干制方法
[0077] 1)定义模型边界参数：导流板旋转角度定义为导流板与传送带平面间的夹角。船体平稳状态下，导流板达到最小旋转角度(0°)；船体达到最大倾斜角度时，即为导流板最大旋转角度 或 最低风机速度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(风力七级)，船体达到倾斜(左倾或右倾)最大角度时的风机速度为最大风机速度，分别记为F左倾，F右倾。通过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与变频器、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连接。
[0078] 2)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Ansys Workbench的Mesh模块对模型进行网格划分，主要网格采用四面体网格元素，网格单元大小设为3mm。
[0079] 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。
[0080] 气流场动力学模型为：
[0081]
[0082]
[0083]
[0084] 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。
[0085] 4)物料颗粒模型构建：通过三维软件构建中国毛虾的颗粒模型，质量为0.6±0.1g，其长轴为3±0.1cm，短轴为0.4±0.1cm，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。并将所述三维模型导入离散元模型软件EDEM。
[0086] 5)设置仿真参数：通过计算中国毛虾颗粒运动的剧烈程度确定相应的仿真时间步长为10-5s。
[0087] 6)Fluent-EDEM联合仿真：确定离散单元法的基本接触模型为Hertz-Mindlin无滑移模型，在EDEM软件中建立物料颗粒的力学模型，计算流体动力学与离散单元通过Lagrangian模型进行耦合，仿真船体在一定摇摆幅度下，不同导流板旋转角度及风机速度作用时物料的运动状态。
[0088] 7)中国毛虾干燥均匀性测定：以船体左右摇摆角度7°为例，通过模型仿真模拟得到最优导流板旋转角度θ左倾＝25°、θ右倾＝20°及风速F左倾＝2.5m/s、F右倾＝3m/s。进一步地，在此导流板角度及风速条件下，在温度为55℃以3m/min的速率在传送带上运输物料，连续干燥40min后，中国毛虾在船体左侧、中间及右侧的水分含量分别为23.9％，21.3％，20.6％，其与平均值的偏差均小于10％(表2)，表明中国毛虾干燥均匀，验证了模型的实用性。
