《Agriculture》：Rapid Calibration of DEM Parameters for Corn Straw–Pig Manure Mixtures Under Variable Moisture Content for Composting Applications
Lingqiang Kong,
Jun Du,
Liqiong Yang,
Xiaofu Yao,
Xuan Hu,
Hongjie Yin and
Xiaoyu Tang
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本综述为解决好氧堆肥过程中物料含水量连续变化导致离散元法（DEM）参数校准困难的问题，提出了一个创新的预测框架。研究针对玉米秸秆-猪粪多组分混合物，建立了一套快速参数校准工作流程。该工作结合了改进的休止角（AoR）图像处理、实验设计筛选关键参数，并最终构建了含水量与关键DEM接触参数的直接预测模型。验证结果表明，该方法具有高精度，为变湿度堆肥原料的DEM模拟提供了实用的动态参数输入策略，支撑堆肥相关机械的数值分析与结构优化。
1. 引言
好氧堆肥是一种经济、可持续的农业固体废弃物处理方式。然而，在堆肥过程中，微生物活性及环境条件会导致混合物料（如畜禽粪便与作物秸秆）的含水量持续变化，从而显著改变其流动性、粘聚性和力学行为。随着现代农业装备数字化设计的发展，离散元法已成为模拟散粒物料及其与农业机械相互作用的重要工具。DEM仿真的精度高度依赖于参数的选择，因此参数校准确保仿真可靠性的关键步骤。
尽管近年来针对有机肥、畜禽粪便、土壤等农业材料的DEM参数校准已取得诸多进展，但多数研究集中于单一材料或固定含水率条件。然而，实际的堆肥原料是含水量持续变化的多组分混合物。此外，玉米秸秆等纤维生物质具有显著的几何不规则性，导致料堆表面不平整，这降低了基于简单线性拟合的休止角测量方法的精度。本研究旨在建立一个快速的预测框架，将含水量映射到宏观行为，并进一步关联到关键的微观接触参数，以应对实际堆肥体系中多变湿度带来的校准挑战。
2. 材料与方法
2.1. 试验材料
试验材料为玉米秸秆与猪粪的混合物。玉米秸秆经粉碎至0-7毫米，猪粪经过固液分离。二者按干重1:2的比例混合，初始含水量为79.36%。为研究含水量对休止角的影响，从初始混合物出发，通过风干制备了总计六个梯度的不同含水量样品，湿基含水量范围覆盖29%-80%。
2.2. 仿真实验参数测定
2.2.1. 本征参数测定
通过测量计算确定了混合物各组分的密度、粒径分布、泊松比、弹性模量和剪切模量等本征参数。例如，猪粪的密度采用环刀法测定，其泊松比和剪切模量则通过对制备的圆柱形试样进行压缩试验，并依据相关公式计算得出。玉米秸秆和猪粪的本征参数被汇总成表，用于后续的DEM仿真输入。
2.2.2. 碰撞恢复系数测定
采用自由落体法，使用高速相机记录了材料颗粒与钢板、玉米秸秆板、猪粪板碰撞后的最大回弹高度，据此计算了玉米秸秆-猪粪、玉米秸秆-玉米秸秆、玉米秸秆-钢、猪粪-猪粪、猪粪-钢等多对接触组合的碰撞恢复系数。
2.2.3. 摩擦系数测量
采用斜面法测定了材料与钢板之间以及不同材料之间的静摩擦系数。当样品在倾斜的接触板上开始滑动时，记录其静摩擦角并计算摩擦系数。滚动摩擦系数也通过类似的斜面-平面组合装置进行测量，通过记录样品在固定倾角斜面上释放后，在水平钢板上的滚动距离来计算。
2.3. 物理休止角试验
休止角是表征散体物料流动行为的重要参数。本研究采用圆筒提升法获取玉米秸秆-猪粪混合物的休止角图像。将一定质量的物料装入钢制圆筒，然后以恒定速度垂直提升，物料下落至底板形成料堆。待料堆稳定后，从两个垂直方向（X和Y）拍摄高分辨率图像。为进行独立验证，还采用了挡板提升法进行了试验。
2.4. 仿真休止角试验
2.4.1. 颗粒接触模型
由于玉米秸秆和猪粪均具有吸湿性和强粘聚性，仿真中采用了Hertz-Mindlin with JKR粘附接触模型。该模型将表面能引入颗粒相互作用，能够模拟粘性团聚体和潮湿粘性颗粒的行为。在EDEM 2024软件中建立了对应的仿真模型。
2.4.2. 仿真模型与参数校准流程
基于物理试验测定的本征、碰撞和摩擦参数，在DEM软件中建立了圆筒提升试验的仿真模型。为筛选出显著影响休止角的DEM接触参数并建立其与休止角的关系，研究采用了系统性的实验设计方法：首先，使用Plackett-Burman设计从多个候选参数中筛选出关键参数；其次，通过最陡爬坡试验细化关键参数的有效范围；最后，应用Box-Behnken响应面法建立关键接触参数与休止角之间的响应曲面模型。
2.5. 休止角提取方法
针对纤维性混合物形成的料堆轮廓不规则的特点，提出了一种结合LOESS平滑与最小二乘直线拟合的改进型休止角图像提取方法，以提高测量的鲁棒性和准确性。
3. 结果
3.1. 含水量与休止角的关系
物理试验结果表明，玉米秸秆-猪粪混合物的休止角随含水量增加呈现先减小后增大的趋势。在中等含水量范围内，物料的流动性相对较好，休止角较小；当含水量过高时，颗粒间粘聚力显著增强，导致休止角增大。基于试验数据，拟合出了含水量与休止角之间的多项式关系。
3.2. 关键DEM参数的筛选与校准
通过Plackett-Burman设计，筛选出对休止角影响最为显著的关键DEM参数，主要包括滚动摩擦系数和有效的JKR表面能。随后的最陡爬坡试验确定了这些关键参数的合理取值范围。在此基础上，利用Box-Behnken设计建立了这些关键参数与休止角之间的二次回归模型（响应曲面），该模型能有效预测不同参数组合下的休止角。
3.3. 含水量至DEM参数的耦合预测模型
研究核心贡献在于将上述两部分模型耦合：将“含水量-休止角”关系式代入“休止角-关键参数”响应曲面模型中，从而建立了一个能够直接根据含水量预测关键DEM接触参数（滚动摩擦系数、JKR表面能）的最终模型。这使得无需对每个湿度水平重复进行完整的参数校准流程，即可获得对应的仿真参数。
3.4. 模型验证
对建立的预测模型进行了验证。首先，将不同含水量下预测的休止角与物理试验测得的休止角进行对比，相对误差低于10%。然后，作为独立验证，使用通过耦合模型预测得到的参数，进行挡板提升试验的DEM仿真，并将仿真得到的休止角与物理挡板试验结果对比，相对误差低于5%。这两项验证均表明，所提出的预测框架和校准参数具有很高的可靠性。
4. 讨论
本研究成功地针对玉米秸秆-猪粪这一具有代表性的堆肥原料混合物，开发了一套覆盖宽湿度范围（29%-80%）的DEM参数快速校准工作流程。与以往针对单一、固定湿度材料的研究相比，本工作的优势在于直接应对了多组分、变湿度这一实际堆肥场景的核心挑战。提出的耦合预测模型，实现了从含水量到仿真参数的直接映射，为动态变化湿度条件下的堆肥过程DEM模拟提供了一种实用、高效的参数输入策略。改进的休止角图像处理方法提升了对不规则料堆轮廓的测量精度。研究成果可广泛应用于堆肥翻抛、肥料输送与施用等环节的机械设备数值分析与结构优化，对促进农业废弃物资源化利用装备的现代化设计具有积极意义。
5. 结论
本研究建立了一个高效的预测框架，用于快速校准变含水量条件下玉米秸秆-猪粪混合物的离散元法仿真参数。该框架整合了改进的休止角测量、实验设计筛选与响应面建模方法，最终通过耦合含水量-休止角关系与休止角-参数响应面，实现了由含水量直接预测关键DEM接触参数。验证结果表明该框架预测精度高，实用性强。这为模拟湿度连续变化的堆肥原料力学行为提供了动态的参数设定方案，有助于支持基于DEM的堆肥相关机械的数值分析与优化设计。
