種子風(fēng)力篩選機(jī)分離室內(nèi)氣固兩相流仿真與優(yōu)化

李　騰，高浩天，趙春宇，朱成剛，黃震宇

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海　200240)

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種子風(fēng)力篩選機(jī)分離室內(nèi)氣固兩相流仿真與優(yōu)化

李騰，高浩天，趙春宇，朱成剛，黃震宇

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240)

摘要：分離室是種子風(fēng)力篩選機(jī)的重要組成部分，對(duì)其室內(nèi)氣流和種子進(jìn)行氣固兩相流仿真研究具有重要的工程意義。為此，利用Fluent軟件中RNG k-ε湍流模型計(jì)算分離室內(nèi)的氣流場(chǎng)分布，在此基礎(chǔ)上采用DPM(Discrete Phase Model)模型模擬分離室內(nèi)飽滿種子和輕質(zhì)雜質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。基于該分離室兩相流模型，分析不同的種子喂入量、風(fēng)門開(kāi)度和離心風(fēng)機(jī)頻率對(duì)清選分級(jí)效果的影響，并通過(guò)正交仿真試驗(yàn)，計(jì)算最優(yōu)工作參數(shù)。該研究可為基于氣體動(dòng)力學(xué)工作原理的農(nóng)用機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：分離室；兩相流仿真；分離效率；優(yōu)化；種子

0引言

由于分離室內(nèi)部的流場(chǎng)是復(fù)雜的三維兩相湍流運(yùn)動(dòng)，很難使用解析法對(duì)其進(jìn)行研究；而試驗(yàn)法成本高昂、研究周期較長(zhǎng)、檢測(cè)難度高，限制了其應(yīng)用范圍。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)性能提高和CFD(Computational Fluid Dynamics)軟件的發(fā)展，使仿真技術(shù)成為各種流場(chǎng)研究的重要工具和手段[1]。

目前，風(fēng)力篩選機(jī)仿真模型根據(jù)其結(jié)構(gòu)及工作原理，主要可以分為風(fēng)篩式和旋風(fēng)分離式兩種，研究也以氣體單相流居多。而本文所研究風(fēng)力篩選機(jī)分離室的結(jié)構(gòu)及工作原理與二者均不相同，主要進(jìn)行了氣固兩相流研究，模擬了物料在氣流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和分離效果。為獲得最佳的分離效果，采用三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，分析了物料喂入量、風(fēng)門開(kāi)度和離心風(fēng)機(jī)頻率對(duì)分離效率的影響。據(jù)此優(yōu)化工作參數(shù)，為完善種子風(fēng)力篩選機(jī)清選系統(tǒng)提供理論參考。

1風(fēng)力篩選機(jī)結(jié)構(gòu)和分離室建模

1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

FLX-150A型蔬菜種子風(fēng)力篩選機(jī)是一種智能化的雜質(zhì)清選去除和種子精選分級(jí)的加工設(shè)備，主要由進(jìn)料裝置、分離室、離心風(fēng)機(jī)和運(yùn)動(dòng)篩網(wǎng)等機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。其中，虛線圈住部分為本文所研究的分離室。

1.進(jìn)料裝置　2.分離室　3.離心風(fēng)機(jī)　4.精選風(fēng)室

蔬菜種子風(fēng)力篩選機(jī)工作時(shí)由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生負(fù)壓，將物料從進(jìn)料裝置吸入分離室內(nèi)，利用物料中各成分漂浮特性不同[2]，調(diào)整適當(dāng)?shù)墓ぷ鲄?shù)，首先從物料中分離出大部分輕質(zhì)雜質(zhì)，并從吸風(fēng)口排出；飽滿物料在出料口處沉積后會(huì)從分離室排除，落到篩網(wǎng)上進(jìn)行更加精細(xì)的分級(jí)。所以，分離室作為系統(tǒng)的第一道工序，其分離效果的優(yōu)劣，對(duì)最終的清潔率和損失率有重要影響。

1.2仿真建模及網(wǎng)格劃分

使用Workbench集成的DesignMolder軟件建模。分離室結(jié)構(gòu)如圖2所示。工作時(shí)，離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生負(fù)壓，將物料從入料口吸入，擋板防止物料因高速而直接逸出，輕質(zhì)雜質(zhì)由吸風(fēng)口被排除；飽滿物料在分離室底部沉積一定量后，由于其重力大于負(fù)壓吸力，出料口自動(dòng)打開(kāi)使得飽滿物料排除進(jìn)行進(jìn)一步精密篩選。

將建模好的三維模型導(dǎo)入到ICEM CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。使用分塊的非均勻六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，既能夠加快運(yùn)算速度，又能夠提高網(wǎng)格質(zhì)量，還可避免因網(wǎng)格過(guò)度扭曲引起的數(shù)值擴(kuò)散問(wèn)題，使計(jì)算精度提高[3]。特別需要注意兩點(diǎn)：一是分離室內(nèi)擋板和入料口處的網(wǎng)格要加密；二是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的區(qū)域網(wǎng)格密度變稀。這樣既可以保證計(jì)算精度，又可以提高運(yùn)算速度。生成的網(wǎng)格模型包含391 778個(gè)節(jié)點(diǎn)和371 269個(gè)單元。

1．入風(fēng)口　2．入料口　3．擋板　4．吸風(fēng)口　5．出料口

2單相流仿真與分析

2.1單相流模型

由于分離室內(nèi)的氣流為非穩(wěn)態(tài)的三維強(qiáng)旋湍流，根據(jù)Ma等人[4]采用3種紊流模型(標(biāo)準(zhǔn)k-ε、RNG k-ε模型和RSM模型)對(duì)同一旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)的研究作為參考，綜合考慮計(jì)算精度和運(yùn)算規(guī)模，最終采用RNG k-ε模型作為氣流場(chǎng)模擬的計(jì)算模型[5-6]。

2.2邊界條件

由于空氣從吸風(fēng)口和進(jìn)料口被吸入分離室，故吸風(fēng)口和進(jìn)料口處的邊界條件設(shè)為速度入口；因?yàn)槲L(fēng)口與離心風(fēng)機(jī)相連接，所以該處邊界條件設(shè)置為壓力出口，表壓強(qiáng)設(shè)為負(fù)壓；出料口一般情況下關(guān)閉，仿真時(shí)簡(jiǎn)化作壁面處理。其余邊界也都設(shè)置為靜止壁面，具體數(shù)值如表1所示。

2.3氣流場(chǎng)分布規(guī)律

設(shè)置好以上各項(xiàng)參數(shù)后，進(jìn)行迭代計(jì)算，當(dāng)殘差數(shù)量級(jí)下降到10-3級(jí)別，并且殘差曲線基本穩(wěn)定后，可以認(rèn)為計(jì)算收斂。使用后處理軟件CFD-Post對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理分析。因?yàn)榉蛛x室為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以選擇具有代表性的中心對(duì)稱面進(jìn)行分析，圖3為分離室的中心平面流速等值線圖。

從圖3中可看出：根據(jù)流速大小和方向，氣流分布狀況主要可以分成4個(gè)部分來(lái)分析。

表1　氣體相邊界條件

圖3　分離室中心平面的流速等值線圖

1)長(zhǎng)直的提升管道部分。入料口以上區(qū)域流速高于入料口以下區(qū)域流速，說(shuō)明在入料口也有部分氣體被吸入，使得流量增大，而在橫截面積不變的情況下，流速加快。整個(gè)提升管道流場(chǎng)分布均勻，流速高，有利于把物料提升至主腔體。

2)擋板以下部分。由于擋板阻攔的作用，導(dǎo)致高速的氣流在沖擊擋板后沿四周發(fā)散開(kāi)來(lái)，一部分沿?fù)醢逑路胶妥笥覂蓚?cè)運(yùn)動(dòng)，直至擋板邊緣，又被吸向吸風(fēng)口方向；另一部分沿?fù)醢逑蛏希趽醢迮c壁面的夾角間形成一個(gè)強(qiáng)旋流，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)該部分氣流并再次往下運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明這部分氣流最后是沿著垂直于等值線圖的兩個(gè)法向方向運(yùn)動(dòng)。這兩部分氣流的運(yùn)動(dòng)方向都有利于攜帶輕質(zhì)雜質(zhì)從分離室離開(kāi)。

3)出料口部分。這一區(qū)域流場(chǎng)分布非常均勻穩(wěn)定，流速也非常低，非常有利于那些碰撞擋板而落下的飽滿物料的收集，而不會(huì)因?yàn)闅饬鬏^大而把沉積的飽滿物料吸出分離室。

4)擋板以上部分。該區(qū)域流場(chǎng)分布較為均勻，流速也適中，既能夠使進(jìn)入該區(qū)域的輕質(zhì)雜質(zhì)被順利吸出分離室，又能夠?qū)⒛切┻M(jìn)入該區(qū)域卻又不希望被吸出的飽滿物料留下，而使它們能夠落入下方的出料口區(qū)域。

3氣固兩相流仿真與分析

3.1兩相流模型

由于分離室內(nèi)顆粒相濃度很小，其體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于連續(xù)相，即氣相體積的10%～12%，因而可以忽略固相顆粒對(duì)氣相流場(chǎng)的影響[7]。故分離室內(nèi)種子和雜質(zhì)的運(yùn)動(dòng)可以選用DPM離散相模型來(lái)模擬。DPM模型把流體相當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)處理，而把顆粒相作為離散介質(zhì)，利用已知的氣體流場(chǎng)信息，迭代求解顆粒的運(yùn)動(dòng)方程，進(jìn)而得到顆粒相的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

3.2邊界條件與顆粒相設(shè)置

邊界條件設(shè)置與單相流仿真類似，但還需要設(shè)置各個(gè)邊界對(duì)于顆粒的作用效果。顆粒由進(jìn)料口截面均勻分布進(jìn)入分離室內(nèi)，假設(shè)顆粒運(yùn)動(dòng)始終未離開(kāi)分離室，則認(rèn)為顆粒被收集；從吸風(fēng)口、入風(fēng)口和入料口隨著氣流而離開(kāi)分離室的顆粒，認(rèn)為是被篩選分離出的顆粒。當(dāng)顆粒碰到這3個(gè)邊界時(shí)，將停止對(duì)其的追蹤，故將DPM邊界類型設(shè)為“escape”；顆粒運(yùn)動(dòng)到其余壁面會(huì)反彈，則將其余壁面處的邊界類型設(shè)為“reflect”[8]。

顆粒相設(shè)置主要是針對(duì)仿真環(huán)境特性和仿真顆粒屬性的設(shè)置。環(huán)境特性包括顆粒進(jìn)入分離室的初始速度和顆粒物與壁面的反射系數(shù)，這些參數(shù)影響了顆粒在分離室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特性；顆粒屬性包括兩種顆粒各自的物理屬性和喂入量，具體參數(shù)如表2和表3所示。

表2　仿真環(huán)境的特性

表3　仿真顆粒的屬性

3.3物料運(yùn)動(dòng)規(guī)律

DPM兩相流仿真是在獲得單相流仿真的流場(chǎng)信息基礎(chǔ)上，通過(guò)添加離散的顆粒相進(jìn)行迭代計(jì)算，進(jìn)而得到顆粒在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡。研究中同時(shí)設(shè)置了空心顆粒和實(shí)心顆粒，分別代表輕質(zhì)雜質(zhì)和飽滿物料，用以仿真模擬分離過(guò)程，兩種顆粒群運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示。

空心顆粒從入料口進(jìn)入分離室后，被氣流高速地提升至主腔體內(nèi)，碰到擋板后，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律類似上一章中分析的氣流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，絕大部分沿?fù)醢暹\(yùn)動(dòng)，到達(dá)擋板邊緣后，被吸至上方吸風(fēng)口處，而排出分離室；但也有一小分部空心顆粒在擋板和壁面間碰撞后，最后落到出料口區(qū)域沉積而不能被排除。

圖4　顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

實(shí)心顆粒進(jìn)入分離室后，同樣被提升至主腔體內(nèi)，不過(guò)不同于空心顆粒的是，實(shí)心顆粒由于密度、慣性較大，所以上升的速度較空心顆粒慢，因此在提升管道的上方會(huì)和壁面發(fā)生碰撞、摩擦，導(dǎo)致實(shí)心顆粒進(jìn)入主腔體的速度進(jìn)一步降低，這有利于實(shí)心顆粒落入下方的出料口區(qū)域。從圖4中可以看出：在擋板的作用下，所有實(shí)心顆粒都最終都落在出料口區(qū)域，并且都靜止沉積。在實(shí)際工作中，當(dāng)沉積的物料的重力大于內(nèi)外壓強(qiáng)差的對(duì)出料口造成的壓力時(shí)，出料口自動(dòng)打開(kāi)，排除收集的物料。

4工作參數(shù)的優(yōu)化

4.1分離效率的定義

清潔率和損失率的定義均采用顆粒跟蹤法[9]。當(dāng)顆粒進(jìn)入分離室時(shí)便開(kāi)始跟蹤。經(jīng)過(guò)分析粒子在分離室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，設(shè)置跟蹤的步長(zhǎng)為 5 000步，使得可以被分離的粒子有足夠的時(shí)間(長(zhǎng)度)離開(kāi)分離室。如果顆粒在所設(shè)定的步長(zhǎng)內(nèi)離開(kāi)了分離室，便停止跟蹤；若在所設(shè)定的步長(zhǎng)內(nèi)仍未從分離室被吸出，便認(rèn)為此顆粒無(wú)法被分離，也停止跟蹤。將保留在分離室的顆粒看作是被收集；從分離室上方兩個(gè)吸風(fēng)口被吸走的顆粒被認(rèn)為是被分離的顆粒。這樣，根據(jù)統(tǒng)計(jì)保留在分離室內(nèi)和被吸出分離室的顆粒種類和數(shù)目，即可到清潔率和損失率為

(1)

(2)

4.2試驗(yàn)方案與結(jié)果

為了獲得風(fēng)力篩選機(jī)工作參數(shù)的最佳組合，進(jìn)行三因素三水平正交仿真試驗(yàn)，參數(shù)選擇如表4所示，并分別考察篩選的清潔率和損失率。根據(jù)正交試驗(yàn)表，在Fluent中安排9組數(shù)值模擬計(jì)算。風(fēng)機(jī)頻率影響的參數(shù)是吸風(fēng)口處的風(fēng)壓大小，所以不同風(fēng)機(jī)頻率下的仿真結(jié)果是通過(guò)設(shè)置對(duì)應(yīng)頻率下的吸風(fēng)口處風(fēng)壓實(shí)現(xiàn)的。試驗(yàn)分組及計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表4　正交試驗(yàn)因素水平

表5　仿真試驗(yàn)分組及試驗(yàn)結(jié)果

4.3數(shù)據(jù)處理與分析

極差是一個(gè)因素各水平均值的最大值與最小值的差，反映了該因素的水平變動(dòng)對(duì)指標(biāo)影響的大小，極差越大，說(shuō)明此因素的水平改變時(shí)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，極差最大的那一列，那個(gè)因素就是考慮的主要因素。對(duì)正交試驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行極差分析。分析結(jié)果如表6和表7所示。

表6　清潔率極差分析結(jié)果

表7　損失率極差分析結(jié)果

由于本試驗(yàn)包括兩個(gè)衡量指標(biāo)—清潔率和損失率，所以本試驗(yàn)結(jié)果采用綜合平衡法來(lái)進(jìn)行處理[10]。所謂的綜合平衡法是指：先把各指標(biāo)按單一指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算分析，然后再把對(duì)各指標(biāo)的分析結(jié)果進(jìn)行綜合比較，從而得出最佳的方案。對(duì)各試驗(yàn)指標(biāo)分別計(jì)算出各因素水平的平均值，并畫(huà)出各試驗(yàn)因素與清選指標(biāo)關(guān)系圖，如圖5和圖6所示。為了方便查看，將各點(diǎn)用直線連起來(lái)，實(shí)際上并不一定是直線。

圖5　試驗(yàn)因素與清潔率的關(guān)系圖

圖6　試驗(yàn)因素與損失率的關(guān)系圖

根據(jù)極差的大小排出的3個(gè)因素分別對(duì)兩個(gè)指標(biāo)影響的顯著性的主次順序?yàn)榍鍧嵚剩篊 B A；損失率：C B A。

由此可以看出，3個(gè)因素分別對(duì)2個(gè)指標(biāo)影響的重要性的主次順序剛好是一致的；但是從極差的大小來(lái)看，3個(gè)因素對(duì)清潔率影響的顯著性明顯高于對(duì)損失率影響的顯著性。根據(jù)圖5知：各試驗(yàn)因素與指標(biāo)關(guān)系圖，確定各試驗(yàn)因素的最佳組合：清選清潔率指標(biāo)：A2 B1 C3，清選損失率指標(biāo)：A1 B3 C1。

通過(guò)綜合平衡以確定最優(yōu)的方案：

1)因素A：雖然取A2時(shí)能夠獲得最高的清潔率，但損失率偏高。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，要盡量先保證低的損失率。而取A1時(shí)能夠保重獲得較高清潔率的同時(shí)，得到最低的損失率，故選取A1。

2)因素B：不管對(duì)于清潔率還是損失率，均是從B1到B3遞減的。而本文目標(biāo)是要在獲得較高清潔率的情況下，盡量降低損失率。觀察圖表可以發(fā)現(xiàn)從B1到B2清潔率下降較少，但是損失率降低較多；而從B2到B3清潔率下降較多，損失率卻降低較少，故選取B2。

3)因素C：無(wú)論對(duì)于清潔率還是損失率，都是從C1到C3遞增的。與因素B的選取標(biāo)準(zhǔn)相同,取C2時(shí)能夠獲得較理想清潔率的同時(shí)，有效控制損失率，故選取C2。

根據(jù)以上綜合平衡法的分析，得到的最優(yōu)方案為A1B2C2。這正好與上述試驗(yàn)表中最為理想的第2組試驗(yàn)相吻合，故將方案A1B2C2作為最優(yōu)的試驗(yàn)組合。但考慮到無(wú)論對(duì)于清潔率還是損失率，因素A都是最次要的因素，對(duì)指標(biāo)的影響的顯著性不高；所以在需要提高工作效率的情況下，可以選擇方案A2B2C2作為理想的試驗(yàn)組合。在該組合下，清潔率為86.03%，損失率為1.52%。

由以上的試驗(yàn)和結(jié)果分析，獲得了最優(yōu)的工作參數(shù)組合，即喂入量為1.5kg/min、吸風(fēng)口開(kāi)度75%、風(fēng)機(jī)頻率為40Hz時(shí)，清選效果最好。當(dāng)需要提高工作效率和產(chǎn)量時(shí)，可以將喂入量提高至3kg/min，吸風(fēng)口開(kāi)度和風(fēng)機(jī)頻率不變。

5結(jié)論

利用Fluent軟件中RNG k-ε湍流模型和DPM離散相模型進(jìn)行仿真模擬，得到分離室內(nèi)氣相分布規(guī)律以及顆粒相運(yùn)動(dòng)狀況，并對(duì)其進(jìn)行了分析，從而掌握了分離室內(nèi)氣固兩相運(yùn)動(dòng)規(guī)律。同時(shí)，通過(guò)仿真研究不同工作參數(shù)下的篩選分離效果，發(fā)現(xiàn)不同喂入量、不同風(fēng)門開(kāi)度和不同風(fēng)機(jī)頻率對(duì)分離效果有不同影響，因而設(shè)計(jì)三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行工作參數(shù)優(yōu)化。上述研究結(jié)果為今后進(jìn)一步完善種子風(fēng)力篩選機(jī)提供了理論依據(jù)。

但由于分離室內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，同時(shí)受外界很多因素的影響，在未來(lái)研究工作中，還需建立更精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)模型，并要綜合考慮其他因素進(jìn)行全面分析研究，優(yōu)化種子風(fēng)力篩選機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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Simulation and Optimization of Airflow Field in Separation Chamber of Air-screening Machine

Li Teng, Gao Haotian, Zhao Chunyu, Zhu Chenggang, Huang Zhenyu

(School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Abstract：Separation chamber is an important part of the seed air-screening machine, it has great engineering significance of studying on gas-solid two phase flows of airflow and seed.Using RNG k-ε turbulence model of soft Fluent to simulate airflow field distribution in the separation chamber.On the basis，the DPM(discrete phase model) was used to simulate the motion state of full seed and light impurity in the separation chamber.On the basis of two phase flow model of this separation chamber, analyzing the effects of different feeding speed，air outlet magnitude and fan frequency on seed cleaning.Calculating the optimal working parameters by simulating orthogonal experiment. The study provides reference for design and optimization of agricultural machine which bases on air dynamics theory.

Key words：separation chamber; two phase simulation; separation efficiency; optimization； seed

文章編號(hào)：1003-188X(2016)07-0085-05

中圖分類號(hào)：S226.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：李騰(1990-)，男(回族)，昆明人，碩士研究生，(E-mail)lt_liteng@qq.com。通訊作者：趙春宇(1971-)，男，哈爾濱人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)zhaocy@sjtu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)家“863計(jì)劃”項(xiàng)目(2012AA10A505)

收稿日期：2015-06-06