原糧風(fēng)選機(jī)氣固兩相流數(shù)值模擬的研究

許愛(ài)榮　馬帥

摘 要：目前，用于原糧初清的設(shè)備，除雜效果不好并且效率低，所以研究專門用于原糧初清的風(fēng)選設(shè)備顯得很重要。本文采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD方法，運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)市場(chǎng)上主流的原糧風(fēng)選機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬。對(duì)于原糧風(fēng)選機(jī)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有參考價(jià)值，具有相當(dāng)重要的現(xiàn)實(shí)和工程意義。

關(guān)鍵詞：原糧風(fēng)選機(jī)；數(shù)值模擬；氣固兩相流；DPM

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.269

1 前言

風(fēng)選設(shè)備的種類雖多，但基本組成都大體相同，主要包括風(fēng)選室、風(fēng)機(jī)、除塵裝置、進(jìn)料裝置、機(jī)架。風(fēng)選室是整個(gè)設(shè)備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，一般風(fēng)選室分為有風(fēng)區(qū)和無(wú)風(fēng)區(qū)，其結(jié)構(gòu)會(huì)決定風(fēng)的走向，對(duì)風(fēng)選機(jī)的除雜效果有很大影響[1-2]。所以本文使用 SOLIDWORKS 軟件建立風(fēng)選室流體分析模型；利用專業(yè)的前處理軟件 ANSYS ICEM CFD 來(lái)劃分網(wǎng)格；把網(wǎng)格導(dǎo)入 FLUENT 軟件中，定義求解模型、定義邊界條件、初始化流場(chǎng)、定義監(jiān)視器；最后迭代計(jì)算、后處理。

2 流體分析模型的建立

模型建立：原糧顆粒從物料入口進(jìn)入風(fēng)選室內(nèi)，經(jīng)過(guò)水平氣流后，原糧和雜質(zhì)分離，落入不同的物料出口，含塵氣流經(jīng)氣流出口排出風(fēng)選室。

網(wǎng)格劃分：本文將整個(gè)三維計(jì)算域劃分為27萬(wàn)左右的網(wǎng)格單元數(shù)目，包含接近5萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，經(jīng)檢查，網(wǎng)格質(zhì)量都大于0.38，滿足計(jì)算要求。

設(shè)置邊界條件：

（1）對(duì)于沒(méi)有定義的邊界都默認(rèn)為壁面條件（wall），默認(rèn)為無(wú)滑移邊界條件。

（2）輸入湍流參數(shù)Intensity and Hydraulic Diameter（湍流強(qiáng)度 I 和水力直徑DH）。

本文選用湍流強(qiáng)度和水力直徑，湍流強(qiáng)度按下式計(jì)算：

（1）

式中，—分別為湍流脈動(dòng)速度與平均速度（m/s）

—按當(dāng)量直徑DH計(jì)算得到的雷諾數(shù)，無(wú)量綱，按下式計(jì)算：

（2）

式中u—空氣運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)（m2/s）。

最后選擇 FLUENT_V6 作為求解器進(jìn)行求解。

3 風(fēng)選參數(shù)對(duì)氣相流場(chǎng)的影響

影響風(fēng)選室內(nèi)流場(chǎng)分布的因素很多，而數(shù)值模擬要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，很難在有限的時(shí)間內(nèi)對(duì)所有因素都進(jìn)行一一研究，本文在風(fēng)選室總高度、氣流入口位置的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，只分別考察氣流方向、氣流入口形狀及氣流出口位置對(duì)風(fēng)選室內(nèi)流場(chǎng)分布的影響。

3.1 氣流方向?qū)庀嗔鲌?chǎng)的影響

風(fēng)速選取較優(yōu)速度 8m/s 時(shí)，分析不同氣流傾角對(duì)氣相流場(chǎng)分布的影響。得到各種氣流方向時(shí)流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置上速度、壓力的分布以及流場(chǎng)的湍流結(jié)構(gòu)。

隨著氣流傾角的增大，整個(gè)流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度有逐漸減小的趨勢(shì)；當(dāng)進(jìn)風(fēng)角度為20°、25°時(shí)，隨著進(jìn)風(fēng)角度的增大，氣流速度的水平分量逐漸減小，對(duì)原糧顆粒的水平作用力也在不斷減小，因此物料中的輕雜水平運(yùn)動(dòng)距離減小，分選效果逐漸降低。

3.2 氣流入口形狀對(duì)氣相流場(chǎng)的影響

綜合分析，采用矩形截面的氣流入口，流場(chǎng)內(nèi)部氣壓大小、氣壓梯度、流場(chǎng)的速度大小和方向以及整個(gè)流場(chǎng)的湍流結(jié)構(gòu)較其他方案都有一定優(yōu)勢(shì)，所以選擇矩形入風(fēng)口是科學(xué)合理的。

3.3 氣流出口位置對(duì)其影響

當(dāng)氣流出口方向水平或是 45°斜向上時(shí)，流場(chǎng)壓力分布較氣流出口豎直向上時(shí)合理得多，尤其是氣流出口 45°斜向上時(shí)，流場(chǎng)的壓力變化范圍為-26.28～23.77Pa，整個(gè)流場(chǎng)包括氣流出口附近在內(nèi)，壓力變化梯度很小，更重要的這種結(jié)構(gòu)避免了氣流出口附近壓力過(guò)小而產(chǎn)生回流的現(xiàn)象。

3.4 改進(jìn)后氣相流場(chǎng)的模擬結(jié)果與分析

通過(guò)前面的模擬分析，我們找到了最佳的氣流傾角、氣流入口形狀及氣流出口位置，通過(guò)分析得出這種結(jié)構(gòu)的改進(jìn)可以得到更理想的分選流場(chǎng)，本節(jié)將用跟前面相同的參數(shù)設(shè)置，采用相同的模擬方法進(jìn)行重新模擬。

流場(chǎng)內(nèi)部的氣流流動(dòng)狀態(tài)很順暢，整個(gè)流場(chǎng)的壓力分布較合理，并且流場(chǎng)的壓力梯度變化變小，壓力的變化范圍為-33.91～13.37Pa，最小值-33.91Pa出現(xiàn)在氣流出口附近，避免了氣流出口附近壓力過(guò)小而產(chǎn)生回流的現(xiàn)象；流場(chǎng)的速度分布也有所改進(jìn)，氣流出口處氣流速度穩(wěn)定在 8.5m/s 左右，為后續(xù)處理創(chuàng)造了條件。總之，改進(jìn)結(jié)構(gòu)后，流場(chǎng)的各物理量的分布較改進(jìn)之前合理，可以得到較理想的風(fēng)選流場(chǎng)。

4 結(jié)論

在風(fēng)選室總高度、氣流入口位置的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，只分別考察氣流方向、氣流入口形狀及氣流出口位置對(duì)風(fēng)選室內(nèi)流場(chǎng)分布的影響。從模擬結(jié)果中可以得到：

（1）分析了氣流傾角為10°、15°、20°、25°時(shí)的流場(chǎng)模擬結(jié)果，得出氣流傾角β在15°～20°時(shí)可以得到比較理想的風(fēng)選流場(chǎng)。

（2）分析不同氣流入口形狀（截面分別是直角梯形、外大內(nèi)小錐形、外小內(nèi)大錐形）對(duì)流場(chǎng)分布的影響，得出采用矩形截面的氣流入口，流場(chǎng)內(nèi)部氣壓大小、氣壓梯度、流場(chǎng)的速度大小和方向以及整個(gè)流場(chǎng)的湍流結(jié)構(gòu)較其他方案都有一定優(yōu)勢(shì)，所以選擇矩形入風(fēng)口是科學(xué)合理的。

（3）分析氣流出口不同位置時(shí)對(duì)流場(chǎng)分布的影響，得出當(dāng)氣流出口 45°斜向上時(shí)可以得到較理想的分選流場(chǎng)。

（4）分析改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的流場(chǎng)模擬結(jié)果，得出改進(jìn)結(jié)構(gòu)后流場(chǎng)的各物理量的分布較改進(jìn)之前合理，可以得到較理想的分選流場(chǎng)

顆粒粒徑越小，流場(chǎng)湍流擴(kuò)散對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡的影響越大。經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)驗(yàn)算和數(shù)值模擬，得到適合小麥顆粒風(fēng)選的最佳風(fēng)速為 6m/s，適合玉米顆粒風(fēng)選的最佳風(fēng)速為 9m/s，適合稻谷顆粒風(fēng)選的最佳風(fēng)速為 7m/s。

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