Optimization of Aerodynamic Flow in a Stripping Header for the Reduction of Grain Losses

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The research was carried out in order to optimize the flows in the combing device for harvesting grain crops at different stages of ripeness, allowing to reduce grain losses and increase the proportion of threshing due to a higher air flow velocity in the ribbed deck area. The construction of the initial and upgraded geometry of the combing device and the study of flows in it were performed in the Ansys software package. The mathematical model is based on the Navier- Stokes equations of hydrodynamics. Numerical results were obtained by the volumetric element method in the Ansys CFD software package using RANS equations and turbulence models. With a constant rotation speed of the combing drum of 400 rpm, the highest air flow velocity is achieved in the area of the combing drum – from 7 to 18 m/s. Low air flow rates are observed in the milling and milling zones, which leads to grain losses of upto 4–5 % and a low proportion of free grains – 65–70 %. Increasing the rotation speed of the combing drum increases the proportion of injured grain from 0.7 % to 2.5 %. In order to reduce grain losses and optimize air flows, two casings were added – in the lower and upper parts of the working chamber of the combing device. The first one prevents air intake in the lower part of the combing drum, the second one increases the flow rate in the area of the ribbed deck. The upgraded design of the combing device distributes air flows more efficiently. The values of air flow velocities in the area of the hearth and in the area of the ribbed deck increased from 8.3 to 42 %, which helps to reduce grain losses from 0.5 to 2 % or more, as well as increase threshing in the working chamber of the device by at least 10 %.

About the authors

B. C. Meskhi

Don State Technical University

Email: tamaltseva.donstu@gmail.com
Doctor of Technical Sciences 344003, Rostov-na-Donu, pl. Gagarina, 1

V. I. Pakhomov

Don State Technical University

Email: tamaltseva.donstu@gmail.com
Doctor of Technical Sciences, Corresponding Member of RAS 344003, Rostov-na-Donu, pl. Gagarina, 1

I. A. Panfilov

Don State Technical University

Email: tamaltseva.donstu@gmail.com
Candidate of Physical and Mathematical Sciences 344003, Rostov-na-Donu, pl. Gagarina, 1

D. V. Rudoy

Don State Technical University

Email: tamaltseva.donstu@gmail.com
Doctor of Technical Sciences 344003, Rostov-na-Donu, pl. Gagarina, 1

T. A. Maltseva

Don State Technical University

Email: tamaltseva.donstu@gmail.com
Candidate of Technical Sciences 344003, Rostов-на-Дону, пл. Гагарина, 1

References

  1. FAO – официальный сайт. Электронный ресурс: https://www.fao.org (дата обращения 02.08.2025).
  2. Finite Element and Applied Models of the Stem with Spike Deformation / B. Meskhi, D. Rudoy, Y. Lachuga, et al. // Agriculture. 2021. Vol. 11. Article 1147. URL: https://www.mdpi.com/2077-0472/11/11/1147 (дата обращения: 10.08.2025). doi: 10.3390/agriculture11111147.
  3. Результаты производственной проверки прямого комбайнирования с высоким срезом зерновых культур / А. П. Ловчико, В. П. Ловчико, Ш. С. Иксанов и др. // Известия ОГАУ. 2017. Т. 1. № 63. С. 75–77.
  4. Аль-аббас А., Балабанов В. И. Исследование оптимальных показателей молотильного аппарата при обмолоте пшеницы // Известия ТСХА. 2011. № 3. С. 168–172.
  5. Drincha V. M., Tsench Yu. S. Fundamentals and prospects for the technologies development for post-harvest grain processing and seed preparation. Agricultural Machinery and Technologies. 2020. Vol. 14. No. 4. С. 17–25.
  6. Design and experiment of feed rate monitoring system based on the action force of grain combine harvester reel / X. Chen, S. Wu, C. Li, et al. // Computers and Electronics in Agriculture. 2025. Vol. 230. Article 109837. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0168169924012286?via%3Dihub (дата обращения: 10.08.2025). doi: 10.1016/j.compag.2024.109837.
  7. Sensor for monitoring rice grain sieve losses in combine harvesters / Z. Liang, Y. Li, L. Xu et al. // Biosystems Engineering. 2016. Vol. 147. P. 51–66. doi: 10.1016/j.biosystemseng.2016.03.008.
  8. Mokhtor Sh. A., Pebrian D. E., Johari N. A. A. Actual field speed of rice combine harvester and its influence on grain loss in Malaysian paddy field // Journal of the Saudi Society of Agricultural Sciences. 2020. Vol. 19. No. 6. P. 422–425. doi: 10.1016/j.jssas.2020.07.002.
  9. Сахаров В. А., Кувшинов А. А., Мазнев Д. С. Влияние режимных параметров работы очесывающей жатки на величину потерь при уборке сои // Дальневосточный аграрный вестник. 2020. Т. 4. № 56. С. 134–140. doi: 10.24411/1999-6837-2020-14060.
  10. Research on Energy Intensity of Wheat Harvesting at Different Ripeness Phases with a New Stripping-Threshing Unit / V. Pakhomov, D. Rudoy, S. Kambulov, et al. // AgriEngineering. 2024. Vol. 6. No. 3. P. 3159–3173. doi: 10.3390/agriengineering6030180.
  11. Сравнение показателей качества уборки озимой пшеницы комбайном с очесывающей и традиционной жаткой сплошного среза / Д. В. Рудой, В. И. Пахомов, С. И. Камбулов и др. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2024. № 201. С. 207–217. doi: 10.21515/1990-4665-201-018.
  12. Stripping mechanism and loss characteristics of a stripping-prior-to-cutting header for rice harvesting based on CFD-DEM simulations and bench experiments / H. Tang, Ch. Xu, J. Zhao, et al. // Biosystems Engineering. 2023. Vol. 229. P. 116–136. doi: 10.1016/j.biosystemseng.2023.03.023.
  13. Study on the throwing mechanism and loss characteristics of three-dimensional disturbance comb / J. Wang, Ch. Xu, L. Tian, et al. // Computers and Electronics in Agriculture. 2022. Vol. 201. Article 107283. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0168169922005956?via%3Dihub (дата обращения: 10.08.2025). doi: 10.1016/j.compag.2022.107283.
  14. Formation and steady state characteristics of flow field effect in the header of a stripping prior to cutting combine harvester with CFD / H. Tang, Ch. Xu, J. Zhao, et al. // Computers and Electronics in Agriculture. 2023. Vol. 211. Article 107959. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0168169923003472?via%3Dihub (дата обращения: 10.08.2025). doi: 10.1016/j.compag.2023.107959.
  15. Создание инновационной техники и ресурсосберегающих технологий производства кормов – основа развития животноводства / А. Ю. Измайлов, Я. П. Лобачевский, О. С. Марченко и др. // Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина». 2017. № 6 (82). С. 23–28.
  16. Очесывающее устройство для уборки зерновых культур: пат. № 233080 Рос. Федерация. / Б. Ч. Месхи, В. И. Пахомов, С. И. Камбулов и др.; № 2024136316; заявл. 04.12.2024; опубл. 03.04.2025 Бюл. № 10. 7 с.
  17. Ценч Ю. С., Годлевская Е. В. Математическое моделирование как инструмент проектирования сельскохозяйственных машин и агрегатов (применительно к истории развития научной школы Южного Урала). Сельскохозяйственные машины и технологии. 2023. Т. 17. № 2. С. 4–12.
  18. Жалнин Э. В., Ценч Ю. С., Пьянов В. С. Методика анализа технического уровня зерноуборочных комбайнов по функциональным и конструктивным параметрам // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2018. Т. 12. № 2. С. 4–8.
  19. Конкурентоспособный комплекс техники и технологии для производства зерна и кормов / Н. К. Мазитов, Р. Л. Сахапов, Ю. Х. Шогенов и др. // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2019. Т. 20. № 3. С. 299–308.
  20. Beskopylny A., Panfilov I., Meskhi B. Modeling of Flow Heat Transfer Processes and Aerodynamics in the Cabins of Vehicles // Fluids. 2022. Vol. 7. Article 226. URL: https://www.mdpi.com/2311-5521/7/7/226 (дата обращения: 10.08.2025). doi: 10.3390/fluids7070226.
  21. Couto N., Bergada J. M. Aerodynamic Efficiency Improvement on a NACA-8412 Airfoil via Active Flow Control Implementation // Applied Sciences. 2022. Vol. 12. No. 9. Article 4269. URL: https://www.mdpi.com/2076-3417/12/9/4269 (дата обращения: 10.08.2025). doi: 10.3390/app12094269.
  22. Panfilov I., Beskopylny A., Meskhi B. Numerical Simulation of Heat Transfer and Spread of Virus Particles in the Car Interior // Mathematics. 2023. Vol. 11. Article 784. URL: https://www.mdpi.com/2227-7390/11/3/784 (дата обращения: 10.08.2025). doi: 10.3390/math11030784.
  23. Panfilov I., Beskopylny A., Meskhi B. Improving the Fuel Economy and Energy Efficiency of Train Cab Climate Systems, Considering Air Recirculation Modes // Energies. 2024. Vol. 17. Article 2224. URL: https://www.mdpi.com/1996-1073/17/9/2224 (дата обращения: 10.08.2025). doi: 10.3390/en17092224.
  24. Panfilov I., Beskopylny A. N., Meskhi B. Improving the Energy Efficiency of Vehicles by Ensuring the Optimal Value of Excess Pressure in the Cabin Depending on the Travel Speed // Fluids. 2024. Vol. 9. No. 6. Article 130. URL: https://www.mdpi.com/2311-5521/9/6/130 (дата обращения: 10.08.2025). doi: 10.3390/fluids9060130.
  25. Bauer J., Tyacke J. Comparison of low Reynolds number turbulence and conjugate heat transfer modelling for pin-fin roughness elements. Applied Mathematical Modelling // Model. 2022. Vol. 103. P. 696–713. doi: 10.1016/j.apm.2021.10.044.
  26. Fluent User’s Guide: Release 2022 R1 January 2022; ANSYS Inc.: Canonsburg, PA, USA, 2022. URL: https://innovationspace.ansys.com/forum/forums/topic/ansysfluent-2020-r1-theory-guide-user-guide-full-pdf/ (дата обращения: 05.09.2025).
  27. Pope S. Turbulent Flows. Cambridge; New York: Cambridge University Press, 2000. 273 p.
  28. Erb A., Hosder S. Analysis and comparison of turbulence model coefficient uncertainty for canonical flow problems // Comput. Fluids. 2021. Vol. 227. Article 105027. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0045793021001936?via%3Dihub (дата обращения: 10.08.2025). doi: 10.1016/j.compfluid.2021.105027.
  29. Савин В. Ю. Зависимость степени дробления зерна пшеницы от частоты вращения очесывающего устройства // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. 2018. Т. 3. № 58. С. 98–102. doi: 0.17238/issn2071-2243.2018.3.98.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).