場地膜稈分離裝置送風口尺寸改變的數值模擬
2016-03-23 07:21:45劉夢霞王春耀范雷剛羅建清
農機化研究 2016年10期
劉夢霞，王春耀，范雷剛，羅建清
(新疆大學 機械工程學院，烏魯木齊 830047)
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場地膜稈分離裝置送風口尺寸改變的數值模擬
劉夢霞，王春耀，范雷剛，羅建清
(新疆大學 機械工程學院，烏魯木齊830047)
摘要：為達到有效分離地膜的目的，建立了場地膜稈分離裝置的三維計算流體力學模型，采用Fluent軟件對場地膜稈分離裝置內的流場進行數值模擬分析，改變分離裝置送風口的幾何尺寸，分析比較其內部流場的壓力分布速度分布。結果表明：在送風口和進料口的相對位置為100mm、送風口寬度為200mm和送風口長度為600mm時最為合理，為場地膜稈分離裝置的結構設計和性能改進提供了參考。
關鍵詞：場地膜稈分離裝置；Fluent；流場分析；數值模擬
0引言
地膜的應用使得農作物的產量得到大幅度提高，且獲得了顯著的經濟效益，被人們稱譽為農業上的“白色革命”[1-2]。然而，地膜的應用在為農業生產帶來了巨大經濟效益的同時產生了負作用，即殘留地膜可以引起作物減產，殘留地膜量越多，作物減產的幅度就越大，所以地膜的回收和分離迫在眉睫[3]。回收地膜過程中，往往摻雜著粗棉稈和細棉稈等雜質，分離裝置尤為重要。分離后的地膜經過再加工可以回收再利用。目前，國內外關于場地膜桿分離裝置的文獻較少。本文采用了流場的數值模擬技術，對不同工況下的場地膜稈分離裝置進行模擬仿真，對其內部流場的壓力分布及速度分布進行研究，為場地膜稈分離裝置的設計和性能改進提供必要依據。
1方法
1.1 場地膜稈分離裝置的工作原理
水平氣力輸送的場地膜稈分離裝置的工作原理主要是根據物料的懸浮速度的不同，最后分離出地膜。具體如下：從風機吹出的正壓氣流和從進料口下落的物料混合后一起進入腔體，在腔體負壓的作用下進行輸送，腔體內部逐漸由負壓輸送轉化為正壓輸送，最終輸送出了物料。經過實地測量，粗棉稈的懸浮速度為8～10m/s，細棉稈的懸浮速度為6～8m/s，地膜的懸浮速度為2m/s，地膜與粗細棉桿的懸浮速度相差較大，因此利用其較大的速度差，物料依次下落，最后分離出地膜。
1.2 數學模型
本文通過比較送風口和進料口的相對位置、送風口寬度和送風口長度來分析比較其流場內部的速度分布和壓力分布，找到一種最佳的工作狀態。
流體在管道內的流動為湍流流動[4-6]，定義管道內部的流場為不可壓縮、定常等溫流場。湍流流動采用k-ε模型[7-8]，在直角坐標下的各個控制方程為
1)質量守恒方程。
(1)
對于不可壓縮的流體，密度ρ設定為常數，那么式(1)可化簡為
(2)
2)守恒方程(即N-S方程)。
(3)
(4)
(5)
3)k-ε湍流方程。
(6)
模型中的常數按照文獻[9]選取C1ε=1.44,C2ε=1.92,σk=1.0,σε=1.3，將這一數學模型進行數值模擬分析。
1.3 網格劃分和邊界條件
1.3.1網格劃分
用UG軟件對實體進行建模，然后使用適用性很好的Tgrid混合網格對模型進行網格劃分，生成的網格數大約為52 340。
1.3.2邊界條件
根據腔體的特點，設置送風口的類型設為velocity-inlet,速度為10m/s，出口處類型設為outflow；進料口的類型設為velocity-inlet，速度為0m/s；管道的其他固定邊界設為wall。
2數值模擬過程及結果分析
2.1 初始模型的模擬分析
采用Ansys的Fluent模塊對場地膜桿分離裝置進行流場分析，經過實地測量，得到模型的尺寸參數如下：
外形尺寸/mm：6 000×1 000×1 300
送風口尺寸/mm：600×150
進料口尺寸/mm：400×200
經過Fluent軟件模擬分析裝置內的流場，可以得到流場在整個腔體內的速度分布(見圖1)和壓力分布(見圖2)。圖1中的橫坐標為腔體的長度，縱坐標為流場速度；圖2中的橫坐標為腔體的長度，縱坐標為流場壓力。
圖1 流場的速度分布
圖2 流場的壓力分布
通過分析圖1和圖2可以看出：流體在腔體內的速度逐漸減小，且腔體的前半部分速度分布不均勻，各點的速度分散，不夠密集；在腔體的后半部分，速度分布較均勻，在X>400mm范圍內，速度基本保持在2m/s以下；流體在腔體前1/3處的壓力為負值，即負壓區，在腔體1/3位置往后，壓力為正值(即正壓區)，說明管道內部確實是從負壓輸送到正壓輸送的；在X>400mm范圍內，壓力基本保持不變。也就是說，送風口和進料口的相對位置為275mm、送風口寬度為150mm、送風口長度為600mm的初始模型不太合理，不能有效利用腔體空間。
2.2 送風口和進料口的相對位置改變的模擬分析
送風口和進料口在腔體的側面，且進料口在送風口的上面。初始模型送風口和進料口的相對位置為100mm，保持送風口位置不變，改變送風口和進料口的相對位置，分別設置其相對位置為50mm和150mm，在腔體的中心線上每隔100mm選出一個點，共計選出60個點，計算得到每個點所在面的壓力以及速度平均值，繪制出曲線。所繪制出的曲線圖的橫坐標為腔體長度，單位為dm；縱坐標為相對大氣壓，單位為Pa。圖3為送風口和進料口的相對位置改變時流場壓力沿著腔體長度的改變，圖4為送風口和進料口的相對位置改變時流場速度沿著腔體長度的改變。
分析圖3可知：初始模型負壓區范圍占整個腔體的32%(1 900/6 000)。當送風口和進料口的相對位置為150mm時，負壓區的范圍與初始模型負壓區的范圍基本一致，負壓值大小明顯變大；相較于其他兩種工況，負壓值較大，進入正壓區后，壓力小于初始模型的壓力。當送風口和進料口的相對位置為50mm時，負壓區的范圍減小，但其負壓值大于初始模型的負壓值；進入正壓區后，壓力小于初始模型的壓力。也就是說，隨著送風口和進料口的相對位置的增加或減小，負壓區的范圍基本保持不變，負壓值變大，正壓區內，壓力小于初始模型的壓力。
分析圖4可知：當送風口和進料口的相對位置為150mm時，流場速度幾乎沒有大于6m/s的，即無法分離出粗棉稈，最終達不到分離地膜的目的。當送風口和進料口的相對位置為50mm時，V>6m/s的范圍減小了，減小到整個腔體的23%(1 400/6 000)；2m/s 綜上所述，送風口和進料口的相對位置為100mm時最為合適。 圖3 送風口和進料口的相對位置改變的壓力的模擬分析 圖4 送風口和進料口的相對位置改變的速度的模擬分析 初始模型送風口寬度為150mm，在送風口長度不變的前提下，改變送風口的寬度，分別設置為130、200、220、240mm，取點方法與前面相同，計算得到每個點所在面的壓力及速度平均值，繪制出曲線，分析比較送風口寬度的改變對流場的壓力分布和速度分布有什么影響。圖5為送風口寬度改變時流場壓力沿著腔體長度的改變，圖6為送風口寬度改變時流場速度沿著腔體長度的改變。 圖5 送風口寬度改變壓力的模擬分析 圖6 送風口寬度改變速度的模擬分析 分析圖5可知：當送風口的寬度為130mm時，負壓區的范圍明顯減小了，較其他工況，負壓區范圍較小，且負壓值小于初始模型的負壓值，負壓值波動性大；進入正壓區后，壓力大于初始模型的壓力。當送風口的寬度為200mm時，負壓區范圍基本與初始模型的負壓區范圍一致，其負壓值相較于其他工況較大；進入正壓區后，在1 900mm 分析圖6可知：當送風口寬度為130mm時，流場速度大于6m/s的范圍基本沒有，不能分離出粗棉桿，不符合分離地膜的目的。當送風口寬度為200mm時，V>6m/s的范圍基本上與初始模型的范圍一致，且2m/s 綜合考慮送風口寬度對流場壓力分布和速度分布的影響，當送風口寬度為200mm時最為合理。 初始模型送風口長度為600mm，在送風口寬度不變的情況下，改變送風口的長度，分別設置為580、620、650mm，取點方法與前面相同，計算得到每個點所在面的壓力及速度平均值，繪制出曲線，分析比較送風口長度的改變對流場的壓力分布和速度分布的影響。圖7為送風口長度改變時流場壓力沿著腔體長度的改變，圖8為送風口長度改變時流場速度沿著腔體長度的改變。 分析圖7可知：當送風口長度為580mm時，負壓區范圍明顯增大，占整個腔體的57%(3 400/6 000)。在X<800mm范圍內，負壓值小于初始模型的壓力，但在X>800mm的負壓區范圍內，負壓值明顯大于初始模型的壓力；進入正壓區后，壓力值小于初始模型的壓力值。當送風口長度為620mm時，負壓區范圍明顯增大，占整個腔體的52%(3 100/6 000)，相較于其他工況，負壓值較大；進入正壓區后，壓力明顯減小，相較于其他工況，壓力值較小。當送風口長度為620mm時，負壓區范圍明顯增大，負壓區范圍較大，占整個腔體的72%(4 300/6 000)，但負壓值波動性很大，很不穩定；進入正壓區后，壓力小于初始模型的壓力。也就是說，隨著送風口長度的增加或減小，負壓區范圍明顯增大，且其負壓值穩定性變差。 分析圖8可知：當送風口長度為580mm時，流場速度基本上沒有大于6m/s的，不能分離粗棉稈，不符合分離地膜的要求。當送風口長度為620mm時，V>6m/s的范圍減小，2m/s 綜上所述，送風口長度為600mm最為合理。 圖7 送風口長度改變壓力的模擬分析 圖8 送風口長度改變速度的模擬分析 3結論 1)隨著送風口和進料口的相對位置的增加或減小，負壓區的范圍基本保持不變，負壓值變大，正壓區內，壓力小于初始模型的壓力。隨著送風口和進料口的相對位置的增加或減小，V>6m/s的范圍和2m/s 2)隨著送風口寬度的增加，負壓區范圍增大，負壓值變大，且進入正壓區后，壓力先小于初始模型的壓力，一段距離后，壓力大于初始模型的壓力。隨著送風口寬度的減小，負壓區范圍減小，負壓值減小；隨著送風口寬度的增加，V>6m/s的范圍基本上與初始模型的范圍一致，2m/s 3)隨著送風口長度的增加或減小，負壓區范圍明顯增大，且其負壓值穩定性變差。隨著送風口長度的增加，V>6m/s的范圍減小，2m/s 參考文獻： [1]申麗霞,王璞,張麗麗.可降解地膜對土壤、溫度水分及玉米生長發育的影響[J].農業工程學報,2011,27(6):25-30. [2]何文清,嚴昌榮,趙彩霞,等.我國地膜應用污染現狀及其防治途徑研究[J].農業環境科學學報,2009,28(3):533-538. [3]許香春,王朝云.國內外地膜覆蓋栽培現狀及展望[J].中國麻業,2006,28(1):6-11. [4]宋廣哲.氣力輸送噴射器內部流動特性的數值模擬分析[D].沈陽：東北大學,2011. [5]謝灼利.密相懸浮氣力輸送過程及其數值模擬研究[D].北京：北京化工大學,2001. [6]黎明. 用離散單元法對密相栓流氣力輸送的數值模擬研究[D].北京：北京化工大學,2001. [7]周國民.高濃度粉體氣力輸送特性試驗研究及其數值模擬[D]. 杭州：浙江大學,2005. [8]王銳,王建軍,趙艷,等.催化裂化裝置四旋分離系統內氣相流場的數值研究[J].石油煉制與化工,2014,45(10):77-83. [9]田虎楠. 梳齒式采棉機氣力輸棉系統的研究[D].烏魯木齊:新疆大學,2012. A Membrane Separation Device Size Change of the Numerical Simulation of Air Supply Outlet Liu Mengxia, Wang Chunyao, Fan Leigang， Luo Jianqing Abstract：In order to reach the goal of effective separation membrane, the establishment of a membrane separation device of three-dimensional computational fluid dynamics model, the fluent software is adopted to a membrane separation device within the flow field numerical simulation analysis, the change of geometry size, air supply outlet of comparative analysis of its internal stress distribution of the flow field velocity distribution, concludes that the relative position of air supply outlet and inlet is 100 mm, the width of air supply outlet is 200 mm, and the most reasonable air diffuser length is 600 mm. For a membrane separation device for the structure design and performance improvement. Key words：a membrane separation device； fluent； the flow field analysis； the numerical simulation 中圖分類號：S223.5 文獻標識碼：A 文章編號：1003-188X(2016)10-0017-05 作者簡介：劉夢霞(1991- )，女，石家莊人，碩士研究生，(E-mail)1229230892@qq.com。通訊作者：王春耀(1956- )，男，四川萬源人，教授，碩士生導師，(E-mail)wangchun_yao@126.com。 基金項目：國家自然科學基金項目(51465054) 收稿日期：2015-11-18
2.3 送風口寬度改變的模擬分析
2.4 送風口長度改變的模擬分析
