基于FLUENT割前脫粒聯收機慣性分離室內流場模擬

2011-03-07 04:55:48嚴森泉蔣恩臣

東北農業大學學報 2011年5期

嚴森泉，蔣恩臣,2*

（1.華南農業大學工程學院，廣州 510642；2.東北農業大學工程學院，哈爾濱 150030）

本文運用FLUENT軟件對慣性分離室內部流場特性進行了數值模擬和演示，從計算流體力學角度研究分離室內部流場情況，研究結果為進一步進行參數的優化實驗奠定了基礎。

1 控制方程與數值模擬

1.1 分離室結構和網格劃分

慣性分離室由入口、分離室、導流板、出口等部分組成，如下圖1所示，氣流和谷物由入口進入慣性分離室并向后運動，到達隔板末端時，氣流攜帶部分穎殼、碎葉等輕雜物急轉180°后，從出口排出，而谷物則在分離室尾部沉積下來，實現了谷物與氣流的分離。本文采用PTO/E野火版2.0建立慣性分離室物理模型，并將慣性分離室的物理模型導入GAMBIT2.22軟件進行網格的劃分。

圖1 分離室結構Fig.1 Structure of the chamber

本文將慣性分離室的物理模型劃分為非結構化網格計算模型，得到的網格如圖2所示，同時創建邊界層并對局部加密。

圖2 分離室的物理模型Fig.2 Physical model of the chamber

1.2 氣體控制方程

本文忽略氣體的質量力和熱運動，氣相的質量守恒方程與動量守恒方程的矢量形式[1-4]為:

式中: ρp-籽粒的密度（kg·m-3）；

p-氣體的壓力（Pa）；

低年級的小學生抽象思維能力較差。而如果教師只是單純地憑借“粉筆+黑板+口授”的傳統教學方式教學，其不僅會嚴重挫傷學生學習數學的積極性，而且還會使整個課堂的教學效果大打折扣。而實踐教學法可以讓學生通過親自動手實踐，動腦思考，從而感受到數學教學的趣味性，進而提升小學數學教學的有效性。

αg-氣體的體積分數；

1.3 邊界條件:

氣相:采用標準狀態下大氣密度:1.225 kg·m-3，運動粘度為1.57e-05m2·s-1

入口邊界條件:速度入口。

根據慣性分離室的實際工作狀態，對模型入口的速度場分布規律進行了實際測量，并將其作為進一步模擬分析計算的初始邊界條件輸入。

根據實際工作狀態，慣性分離室入口斷面氣體平均速度為17 m·s-1，入口斷面的實際測量結果見彩版Ⅰ。測量結果表明，入口斷面上氣體速度方向具有較好的一致性和穩定性，氣流方向為斷面的法線方向，而氣體的壓力和速度則分布不均勻。通過實驗測量獲得了氣體在該斷面上的速度梯度。應用Spss軟件中參數回歸擬合方法，獲得速度場函數，再用C語言編輯入口的UDF文件，導入FLUENT中作為流場初始條件并進行計算。

計算模型的出口條件:壓力出口。

計算模型的壁面條件。

模型中，對所有壁面附近的流動區域，應用修正的壁面函數，計算流體流動特性。采用WALL無滑移邊界條件。

2 模擬結果

2.1 氣體速度和渦流分析

在慣性分離室入口氣體平均速度為17 m·s-1時，對慣性分離室內部流場進行數值計算模擬計算，得到分離室XY截面的速度矢量圖見彩版Ⅱ～Ⅳ所示。

彩版Ⅱ表明，氣流由入口進入分離室后，在導流板的下方，流速在水平和高度兩個方向上均逐漸降低，這主要是由于慣性分離室入口段為漸擴結構，截面在高度和寬度兩個方向上逐漸增大，氣體逐步擴散，流速逐漸降低，但在截面的下部氣流速度較小，上部氣流速度相對較大。而在導流板上方區域則表現出與下方相反的流場變化規律，即越靠近出口，氣流流速在水平和高度兩個方向上均逐漸增大，且上部氣流速度明顯大于下方。

彩版Ⅱ表明，在慣性分離室底部靠近后壁處存在一個較大的渦流區，該渦流區的存在有利于顆粒的分離與沉降。但是，由于氣流方向的突然改變，在導流板尾部的上方區域也明顯存在一個渦流區，由于該渦流區的存在，會造成谷粒在該區域的導流板尾部上沉降和旋轉，造成籽粒的堆積和損失，這一現象在后續進行的籽粒沉降分離試驗中得到證實。

彩版Ⅲ、Ⅳ表明，靠近側面，流場速度在z方向上逐漸降低，氣流方向也發生了改變，紊流現象加劇，除在對稱面上的兩個渦流區外，在其他多個區域也有渦流產生，這些渦流現象，不僅造成了壓力和能量的損失，還造成顆粒的堆積，嚴重時可能會使裝置無法正常工作，應盡量消除。顆粒在靠近側壁的堆積現象也在后續進行的籽粒沉降分離試驗中得到證實。

2.2 氣體軌跡分析

幾組不同入口位置氣體軌跡線如圖3所示，其中Y表示在入口斷面的不同位置高度。

圖3 氣相軌跡Fig.3 Trajectory of airflow

從圖3a可以看出靠近底板的氣體從入口進入分離室后，在分離室的中后部有一個強烈的漩渦，軌跡打結，致使物料在此區域堆積和打轉，而從圖3b、3c、3d三圖看到，該漩渦隨著高度的提升逐漸消除。

由圖3a、3b可知，在分離室尾部存在大面積的渦流。渦流的存在增加了能耗，這些渦流來源于入口下層氣體。而入口上層氣體沒達到后壁就向上運動，并轉過180°，向出口端運動。

同時，從圖3可知，在入口截面上下兩端進入分離室的氣體，在隔板尾部存在一個渦流低速區，籽粒經過此區域時會沉降并堆積，而中部進入的氣體由于受到壁面等因素的影響比較少，氣體軌跡比較平穩，因此籽粒進入慣性分離室應盡可能的從入口中部空間進入。

2.3 氣體壓力湍流分布

慣性分離室的氣體湍流強度分布見彩版Ⅴ，氣流的湍流強度和湍流動能在慣性分離室內的變化基本一致，在有渦流的地方湍流強度比較大，在沿隔板的湍流強度特別的大，這有利于減少顆粒的損失，有利于顆粒的沉降，但是能量損失也相應加大。

數值模擬結果表明，后壁參數對慣性分離室現象影響顯著，為了改善慣性分離室內氣流的流動狀態，簡化結構，減少慣性分離室的壓力損失，提高分離效率，使沉降效果更加的明顯，對后壁結構作更深入的研究，通過改變后壁上下板的傾角，配置不同的入口風速對分離室進行進一步的數值模擬，經數值計算表明，后壁上板與水平面夾角分別為60°，慣性分離室的湍流動能和擴散率相對較低，分離效率較高，改進后慣性分離室結構和流場見圖4，漩渦減少了，除在隔板上方有一小漩渦外，其它只發生在分離室尾部，這樣有利谷物的沉降，大部分顆粒都沉降在分離室的底部減少籽粒損失。