Численное моделирование поля течения в одноголовочном винтовом экструзионном канале обезвоживания с прерывающимися лопастями

Превращение навоза в удобный ресурс

На крупных фермах горы влажного навоза создают ежедневные проблемы: он воняет, плохо транспортируется и при неправильной утилизации может загрязнять воду. Одно из перспективных решений — винтовые машины, которые выдавливают воду, оставляя более сухое, удобное для обращения твердое вещество. В этом исследовании с помощью продвинутых компьютерных симуляций детально рассматривают одну такую машину и задают практический вопрос с большим значением для ферм: какая форма винта и какое расстояние между «зубцами» дают наилучшее и наиболее стабильное обезвоживание?

Как прессующий винт очищает суспензию

Изучаемое устройство — винтовой экструзионный сепаратор. Жидкий навоз подается в один конец цилиндрической камеры с вращающимся металлическим винтом. По мере вращения лопасти винта продвигают смесь вперед, прижимая её к перфорированному экрану. Вода просачивается через экран и собирается, а уплотненные твердые частицы вынуждены двигаться к выпускному отверстию. Изменяя конструктивные параметры — насколько сильно прессуется материал, с какой скоростью он перемещается и как часто лопасти прерываются зазорами — инженеры могут настраивать степень сухости выходного продукта и стабильность работы машины.

Почему важны прерывающиеся «зубцы» и конический вал

Вместо простого непрерывного спиралевидного профиля исследователи сосредотачиваются на конструкции с «прерывающимися зубцами», где короткие секции винта разделены малыми зазорами. Эти прерывания меняют то, как навоз слипается, замедляется и разгоняется, что, в свою очередь, влияет на отжим воды. Сравнивают две главные формы вала: прямой цилиндр и плавно сужающийся конус, обе с одинаковым рисунком прерывающихся лопастей. Для каждой из них протестированы несколько расстояний между секциями. Отслеживая движение частиц, плотность их упаковки и рост давления вдоль канала, авторы показывают, как тонкие геометрические решения влияют на реальную эффективность разделения.

Заглядывая внутрь с помощью виртуальных экспериментов

Заглянуть внутрь работающего пресса практически невозможно, поэтому команда использует численное моделирование. Навоз рассматривается как смесь воды и мелких твердых частиц, применяют эвлеровскую модель многокомпонентного течения — стандартный инструмент вычислительной гидродинамики. С детализированной 3D-моделью машины моделируют течение навоза для различных конструкций винта и отслеживают, как меняются местное содержание твердой фазы, скорость частиц и давление вдоль выбранных линий и сечений. Для проверки реалистичности виртуальной модели её предсказания сопоставляют с измерениями на реальном винтовом прессе. Смоделированная сухость на выходе отличается менее чем на 10 % от эксперимента, что считается хорошим совпадением для столь сложной смеси.

Поиск оптимума в конструкции

Симуляции показывают, что форма вала и шаг прерывания совместно определяют равномерность движения материала и степень его высушивания. В прямых цилиндрических валах концентрация твердых частиц в зоне прессования растет скачкообразно, волнообразно, с заметным накоплением и риском засорения у экрана. Зазор в 40 миллиметров между прерывающимися секциями обеспечивает наилучший баланс: на выходе доля твердых частиц достигает примерно 48 % по объему, а поток стабильнее, чем при меньших или больших зазорах. В коническом валу, постепенно сужающемся к выходу, ситуация улучшается: содержание твердых частиц возрастает более плавно, давление остается выше и стабильнее, и частицы реже накапливаются. Здесь снова выделяется зазор в 40 миллиметров — он обеспечивает около 55 % твердых веществ на выходе и относительно равномерную подачу, в то время как слишком малые зазоры не дают материалу достаточного времени под давлением для полного обезвоживания.

Практические выводы для чистых ферм

Для фермеров и производителей оборудования посыл ясен и практичен: применение плавно конического винта с прерывающимися лопастями и шагом прерывания около 40 миллиметров может существенно повысить сухость и стабильность обезвоживания по сравнению с прямым валом. Более сухие твердые отходы легче хранить, транспортировать и использовать как удобрение, а более ровное внутреннее течение снижает риск засоров и износа. Показав, как небольшие геометрические изменения меняют скрытое течение внутри машины, это исследование дает дорожную карту для проектирования более эффективных и надежных сепараторов, которые помогают превратить проблему грязных отходов в управляемый ресурс.

Цитирование: Na, R., Wang, N., Ma, S. et al. Numerical simulation of flow field in single-head broken-tooth spiral extrusion dewatering channel. Sci Rep 16, 5011 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36029-9

Ключевые слова: обезвоживание навоза, винтовой пресс-сепаратор, моделирование многокомпонентного течения, цилиндрический против конического винта, управление сельскохозяйственными отходами