基于數值模擬和風洞試驗的分流對沖式集沙儀結構優化設計

商曉彬，陳 智※，宋 濤，劉海洋，陳 燕，仇 義（. 內蒙古農業大學機電工程學院，呼和浩特 0008；. 泰山學院機械與建筑工程學院，泰安 7000）

基于數值模擬和風洞試驗的分流對沖式集沙儀結構優化設計

商曉彬1，陳 智1※，宋 濤2，劉海洋1，陳 燕1，仇 義1
（1. 內蒙古農業大學機電工程學院，呼和浩特 010018；2. 泰山學院機械與建筑工程學院，泰安 271000）

集沙儀是研究土壤風蝕必不可少的儀器之一，為提高集沙效率和自動采集數據的準確性，需要不斷地對集沙儀進行優化設計。該文以FLUENT軟件和微型風洞為試驗平臺，對分流對沖式集沙儀風沙分離器的排氣管直徑、排氣管長度、排沙口直徑、排沙口收縮高度進行了優化設計。數值模擬和風洞試驗的結果顯示：改進型風沙分離器排氣口和排沙口的降速性能與原風沙分離器相比有了明顯的提高，強風條件（13.8 m/s）下，排氣管直徑、長度均為25 mm，排沙口直徑、收縮高度分別為75、15 mm時，氣流對集沙儀自動采集傳感器的沖擊力最小，排氣口最高風速比原風沙分離器降低了7.47%，排沙口最高風速比原風沙分離器降低了35.59%，改進后的集沙儀集沙效率比原集沙儀提高了1.56%。

侵蝕；優化；有限元方法；分流對沖式集沙儀；風洞試驗

商曉彬，陳 智，宋 濤，劉海洋，陳 燕，仇 義. 基于數值模擬和風洞試驗的分流對沖式集沙儀結構優化設計[J]. 農業工程學報，2017，33(16)：80-87. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.011 http://www.tcsae.org

Shang Xiaobin, Chen Zhi, Song Tao, Liu Haiyang, Chen Yan, Qiu Yi. Optimization design of shunt-hedging sand sampler based on numerical simulation and wind tunnel experiment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 80-87. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.011 http://www.tcsae.org

0 引 言

農田土壤風蝕是中國干旱半干旱地區土地退化的主要原因之一[1]，是農田土壤在風力作用下剝蝕、分選、搬運的過程，可以引起土壤質地變粗，結構變壞，土壤肥力下降，可持續生產能力下降[2]，嚴重制約著農業的可持續發展。預防農田土壤風蝕需要搞清楚其發生的機理，因此需要一種可以采集農田土壤風蝕過程中土壤顆粒的農業設備[3]，即土壤風蝕集沙儀。土壤風蝕集沙儀可以觀測單寬輸沙率與風速之間的關系以及總輸沙率和風速之間的關系，對于農田土壤風蝕的治理有指導性作用。因此，對土壤風蝕集沙儀進行研究是很有必要的。

Shao等[4-6]在Bagnold集沙儀上設計了主動排氣裝置。Chepil[7]將Bagnold集沙儀設計了旋轉導向裝置，改進后的集沙儀可以隨風向自由轉動。Greeley等[8]的楔形集沙儀設計了被動式排氣裝置，但是沒有旋轉導向裝置。Fryrear[9]的BSNE集沙儀與Kuntze等[10]的SUSTRA集沙儀設計了排氣和旋轉導向裝置，可以較好地滿足野外風蝕觀測需求。顧正萌等[11]設計了一種新型主動式豎直集沙儀，該集沙儀能明顯降低集沙儀對氣流的阻礙作用，對不同風速具有很好的適應性。趙滿全[12]設計的布袋式集沙儀與范貴生等設計的旋風分離式集沙儀[13-14]可以在同一位置多點采集沙樣。宋濤等[15]設計了分流對沖與多級擴容組合式集沙儀，可實現數據的無線傳輸和自動采集。

蔣紅等[16-17]通過在坡面地表下風沙運動的風洞試驗，建立了坡面地表下的風場一沙粒相互耦合的風沙躍移運動模型，與野外實際情況下的風沙流運動更加接近。黃炎等[18]對旋風分離式集沙儀進行優化設計后在內蒙古農業大學機電工程學院自行設計制造的0FDY-1.2型移動式風蝕風洞[19]實驗室進行了試驗，對DEM模型的仿真結果進行了分析驗證。

風沙分離器是土壤風蝕集沙儀的重要組成部分，是收集農田土壤風蝕顆粒的核心部件，分流對沖式集沙儀在集沙盒下方設計的自動稱重裝置可自動實時記錄沙樣質量，但在強風天氣時，風速對傳感器的擾動較大，在一定程度上影響了數據的精確程度，由風沙分離器排沙口排出的氣流還會對集沙盒中的沙樣造成沖擊，使其散落在集沙盒以外的空間中無法被收集到，造成集沙儀的集沙效率降低。因此，降低風沙分離器排氣口和排沙口風速對于提高自動采集數據的準確性和集沙效率具有重要的意義。

該文利用FLUENT軟件平臺，對不同結構參數風沙分離器進行數值模擬，分析了風沙分離器內部氣流運動規律，通過對原風沙分離器排氣管直徑、排氣管長度、排沙口直徑、排沙口收縮高度進行優化設計，得到一個最佳結構參數組合的改進型風沙分離器，達到降低風沙分離器排氣口和排沙口的風速，提高分流對沖式集沙儀的測試精度和集沙效率的目的。

1 分流對沖式集沙儀數理模型

1.1 集沙儀整體結構及工作原理

分流對沖式集沙儀主要由旋轉導向裝置、風沙分離器、數據自動采集系統、集沙盒等部分組成，相比較其它類型的集沙儀，分流對沖式集沙儀突破了以往通過單一擴容降速的思路，提出了分流對沖以及多級擴容組合的設想，降速效果更明顯，提高了集沙效率。該集沙儀不僅可以自動導向，實時對準侵蝕風向，還能夠自動稱質量，并將采集到的數據進行無線傳輸，滿足了野外觀測的需求。

其工作原理：在風力作用下，導向板進行轉動，使集沙儀的進氣口對準來流方向，風沙流通過進氣口進入到風沙分離器內，在風沙分離器的作用下，氣體通過排氣口排出，沙塵則落入集沙盒內，集沙盒下方的稱重傳感器采集到沙塵質量信號后，通過數據自動采集系統對信號進行相應處理，再無線傳輸到遠處的上位機軟件，從而實現土壤風蝕量的遠距離無線采集。

1.2 風沙分離器設計原理

風沙分離器是基于分流對沖原理設計而成，就是在進氣管末端設計一個分流結構，迫使氣流分流與對沖，以實現氣流速度的大幅度降低，其結構模型如圖1所示。

圖1 氣流分流對沖示意圖Fig.1 Airflow shunt-hedging schematic

分流對沖原理為氣流于A處在楔形體的作用下分成兩股氣流，這兩股氣流在分流結構外表面和風沙分離器內表面之間形成邊界層內外流動，在B處附近發生對沖和渦旋[20]，相互對抗，從而實現氣流速度的大幅度降低。

1.3 風沙分離器結構模型及工作原理

風沙分離器結構模型如圖2所示，主要由進氣管、楔形體、排氣管、分流對沖腔擴容腔、上回流腔、分離腔、下回流腔等部分構成，降速原理為：當風沙流從進氣口進入風沙分離器后，在進氣管1的擴容條件影響下，實現初步降速；在楔形體2的作用下，氣流被分成兩股，在排氣管3的圓柱表面繞流，進入到分流對沖腔4，在兩股氣流的對沖作用下，實現氣流的第2次降速，此時，有極少部分的土壤顆粒會隨著氣流從排氣口排出，絕大多數風沙流會繼續向下流動；對沖后的氣流下行進入到擴容腔5，在擴容條件影響下，實現第3次降速；氣流繼續下行進入到上回流腔6，受回流條件影響，實現第4次降速；氣流從上回流腔出來后進入到分離腔7，在擴容條件影響下，實現第5次降速，此時大部分土壤顆粒在重力作用下會直接下落，通過排沙口降落到集沙盒被收集起來，實現風沙分離；氣流繼續下行至下回流腔8，在回流條件影響下，實現第6次降速。

圖2 風沙分離器結構模型Fig.2 Structure model of sand separator

1.4 數值計算模型

對于簡單的流動，通常是隨著方程數的增多，計算量增大，精度變高，收斂性變差；但是對于復雜的湍流運動，精度高、計算量小、收斂性好等計算特征卻與湍流模型的選擇有關[21]。

RNGkε-湍流模型能模擬射流撞擊、分離流、二次流、旋流等中等復雜流動，由于受到渦旋粘性各向同性假設的限制，除強旋流過程無法精確預測外，其他流動均可使用此模型。在風沙分離器內部，由于氣流繞流和錐形壁面的回流影響，在分離腔和回流腔內出現大量的渦旋，并在整個流場內占據一定比例，故選用RNGkε-湍流模型較為適合。

在RNGkε-湍流模型中，k為湍動能，ε為湍動耗散率，k和ε的方程[22]分別為：

式中u為x方向的速度，m/s；k為湍動能，m2/s2；ε為湍動耗散率，m2/s3；ρ為空氣密度，kg/m3；β為熱膨脹系數，無量綱；μ為層流黏度，kg/(m·s)；lμ為湍流黏度，kg/(m·s)；effμ為有效黏度，kg/(m·s)；kG為由于平均速度梯度引起的湍動能k的產生項，Pa/s；、、εα、kα為模型常數；ijE為反映主流的時均應變率；t為時間，s；η為湍流與平均流時間尺度的比值；0η為η在均勻剪切流中的典型值；KS為用戶定義源項，可根據不同情況定；MY為可壓湍流中脈動擴張項。

1.5 邊界條件設置

邊界條件對于模擬集沙儀中氣體流動有很重要的意義[23-26]，選擇設置邊界可以明確幾何模型中那些代表模型邊界的拓撲結構實體的物理特性和操作特性，選擇合適的邊界類型與適用場合。分流對沖式集沙儀內部是空氣和土壤顆粒兩相運動，而絕大多數土壤顆粒在集沙儀中的運動取決于氣相運動，因此，需要對集沙儀內部氣場流動做深入分析，邊界條件設置如下：

集沙儀內部氣體為空氣，因此其密度設置為ρ= 1.205 kg/m3，設置進氣口速度為13.8 m/s（強風條件），動力黏度μ=1.8×10–5Pa·s，水力直徑為:

式中管道截面積S=9.375×10-5m2（即進氣口處方形截面面積）；管道截面的濕周L=0.04 m（即進氣口處方形截面的周長）。

考慮到集沙儀工況為自由流風場，因此在進氣口選擇自由流速度入口類型的時候應該選擇（VELOCITY_ INLET），在選擇自由流出口的邊界類型時選擇（OUTFLOW）。風沙分離器中2個計算域之間的數據流通一般是通過排氣管下端口傳遞，因此將排氣管下端口選擇公用交界面類型（INTERFACE），其余邊界默認WALL類型。

雷諾數（Reynolds number）是一種用來表征流體流動狀態的無量綱數，氣流速度為13.8 m/s時氣流雷諾數是：

式中ρ為空氣密度，kg/m3；v為氣流速度，m/s；d為水力直徑，m；γ為空氣黏度，Pa/s

湍流的強弱通常采用湍流強度來衡量，是湍流脈動速度與平均速度的比值，氣流速度為13.8 m/s時湍流強度為：

圖3 風沙分離器邊界條件示意圖Fig.3 Boundary conditions diagram of sand separator

在氣固兩相流模型中，假設固相與氣相同時、等速進入風沙分離器，氣相為空氣，作為主相，密度取1.205 kg/m3；固相為土壤粒子，作為離散的第二相，密度取2 650 kg/m3，研究[27]認為，懸移的沙塵最細，粒徑一般小于0.05 mm，躍移的沙塵多為0.1～0.5 mm，是土壤風蝕研究的關鍵和重點,因此沙粒粒徑取0.1 mm，對改進后的風沙分離器進行沙粒運動軌跡的數值模擬。首先對氣相進行數值模擬，在計算域內固體壁面采用無滑移邊界條件，對于近壁面區域流動則采用滿足對數分布的標準壁面函數條件。氣相流場數值計算完畢后，再采用Injections來添加入口的粒子噴射流，固相的質量流率為0.0152 kg/s，初始速度按強風氣流的最大值13.8 m/s給出，沿x軸負方向進入，得出粒子的運動軌跡。

2 優化設計與數值模擬

2.1 設計方案

圖4所示的風沙分離器二維結構模型中，D1代表排氣管直徑，H1代表排氣管長度，D2代表排沙口直徑，H2代表排沙口收縮高度。原集沙儀所用風沙分離器的排氣管直徑為30 mm，排氣管長度為30 mm，排沙口直徑為15 mm，排沙口收縮高度為15 mm。該文以原風沙分離器結構為基礎，對排氣管直徑參數、排氣管長度參數、排沙口直徑參數、排沙口收縮高度參數進行改進。排氣管直徑分別取5、15、25、30、35、45 mm，排氣管長度分別取25、35、45 mm，排沙口直徑分別取20、35、50、65、75 mm，排沙口收縮高度分別取5、15、25、35 mm。對這4個不同的結構參數進行組合（例如D1=5 mm，H1= 25 mm，D2=20 mm，H2=5 mm為一個組合，D1=15 mm，H1=25 mm，D2=20 mm，H2=5 mm為另一個組合），得到360個不同的組合結果。利用GAMBIT軟件建模，導入FLUENT環境進行模擬，觀察不同組合參數下排氣口和排沙口的最低風速，通過比較360個不同結構參數模擬后的結果，研究土壤風蝕集沙儀風沙分離器內部的規律，得到一個最優的結構參數組合即改進型風沙分離器，從而降低排氣口和排沙口氣流的軸向速度，達到降低風沙流對傳感器的沖擊和提高集沙效率的目的。

圖4 風沙分離器二維結構示意圖Fig.4 Two-dimension structure of sand separator

2.2 仿真結果與分析

對360個不同結構參數模擬后的結果進行數據匯總排序，得到排氣口風速和排沙口風速都比較低的參數組合為：排氣管直徑25 mm、排氣管長度25 mm、排沙口直徑75 mm、排沙口收縮高度15 mm。原始風沙分離器和優化后的風沙分離器的對比仿真結果如圖5所示。

圖5 原風沙分離器和改進型風沙分離器云圖Fig.5 Simulation vector diagram of original and optimized sand separator

從FLUENT仿真結果中可以測出原風沙分離器排氣口最高風速為2.41 m/s，排沙口最高風速為2.25 m/s，優化后的風沙分離器排氣口最高風速為2.12 m/s，排沙口最高風速為1.42 m/s，對比仿真結果可以看出，優化后的風沙分離器排氣口以及排沙口最高風速比原風沙分離器分別降低了12.03%和36.89%。

從圖6可以看出沙粒的運動軌跡在進氣管和分流對沖腔內集中分布在中心軸線區域，且平滑有序，在反向對沖區域中有回流現象，并隨氣流進入擴容腔，振蕩時間在0.75 s以下，表明氣流對沙粒的影響仍是主要的，此時未發生氣固分離，沙粒隨氣流進入上回流腔，沙粒運動軌跡變得雜亂無章，但圓滑的運動軌跡還是很明顯的，而且振蕩時間不長，約1 s，說明此時粒子仍未脫離氣流。沙粒隨氣流繼續運動至分離腔內，其振蕩時間開始增加，有的沙粒振蕩時間長達7 s，表明此時的沙粒已經脫離氣流，發生氣固分離，沙粒的慣性力起主要作用，通過排沙口落入下方被收集到。

圖6 沙粒運動軌跡Fig.6 Sand particle trajectory

3 風洞試驗

3.1 試驗條件

對集沙儀進行風洞試驗至關重要，可以檢驗仿真結果的準確性。DEM模型對于風沙多相流的研究具有很大的幫助[28]，可以模擬自然界的環境條件進行仿真試驗，但是仿真結果是否能代表現實環境的試驗結果，還需在真實環境條件下進行試驗測試，結果才更有說服力。

風洞試驗無外界風力干擾，常壓，溫度20～23℃。試驗所采用的設備為：室內微型試驗風洞1臺，I2000數字電子稱1臺，Testo 425熱敏風速儀1部，刻度尺1把，膠布1捆，改進型風沙分離器1個、容積為1.5 kg的集沙盒1個，輸沙漏斗1個，稱沙容器1個，試驗架1個，調整板若干。

試驗土樣從內蒙古農業大學科技園試驗田挖取，使其自然狀態下干燥一段時間，然后從干燥的農田土壤樣本中稱取1 kg，利用農田土壤樣本在恒溫箱中烘干的方法，將試驗農田土壤樣本在105℃的恒溫箱中烘干6～8 h至質量不再變化為止，通過農田土壤樣本含水率公式（6）算出自然干燥后的農田土壤樣本含水率約為1.34%。

試驗前的混合農田土壤樣本經BT-2001激光粒度分布儀的濕法測試，粒徑分布于0.554～450.9μm之間，具體分布范圍如表1所示。

表1 試驗土樣的粒徑分布范圍Table 1 Particle size distribution range of test soil sample

用標準篩篩出粒徑小于0.5 mm的混合土樣，以50 g為基準，稱出24份。

室內微型試驗風洞分為擴散段、整流段、收縮段和實驗段4部分。擴散段、整流段和收縮段的制作材料為2 mm厚不銹鋼，試驗段制作材料為透明光滑的亞克力。內部蜂窩器采用六角形網格，該網格的損失系數小，氣流壓力損失小，對降低湍流度有顯著效果[29-30]。阻尼網位于蜂窩器與收縮段之間，可降低蜂窩器后面的氣流漩渦，以減小穩定段氣流的湍流強度，使穩定段徑向流場更均勻，邊界層厚度1 cm，風速1～18 m/s可調[31]。

圖7 室內微型風洞Fig.7 Interior miniature wind tunnel

3.2 降速性能測試

試驗前將改進分離器和原分離器分別放入殼體中，對殼體進行調整，使殼體中伸出的進氣管正對風洞試驗段中心軸線位置，調整后將殼體固定。在微型風洞試驗段留有6個測速孔，調整風速時將Testo 425熱敏風速儀探頭伸入到最外側的測速孔里，并且盡量保證風速儀探頭在中心軸線位置，正對風吹來的方向，將變頻器啟動，風機開始工作，逐漸調整變頻器的頻率，當風速達到試驗風速的時候，使變頻器的頻率穩定在某一值，將風速儀的探頭從實驗段測速孔中取出，用膠帶將測速孔密封。

試驗取6、9、12、13.8、15 m/s 5個試驗風速，當試驗風速達到這5個值的時候將Testo 425熱敏風速儀探頭伸入風沙分離器排氣口和排沙口測試其風速（圖8）。

圖8 氣流速度測試Fig.8 Test of air flow velocity

3.3 氣固分離效率測試

試驗前將改進分離器和原分離器分別放入殼體中，在改進型風沙分離器和原分離器的進氣管上部設計輸沙孔，輸沙漏斗固定在輸沙孔中，將輸沙孔處密封。排沙口下放有集沙盒，用來收集沙樣。依照降速性能測試的方法將微型風洞的實驗段風速調整到6、9、12、13.8、15 m/s 5個試驗風速。當試驗風速達到這5個值的時候開始往輸沙漏斗中加入沙樣，添加過程要緩慢些，避免沙樣在輸沙漏斗中堵塞。沙樣添加完畢后將集沙盒從殼體中取出，用I2000數字電子稱量集沙盒中的沙樣質量，每個風速值都要做3次試驗，最后取平均值，分析改進型分離器的氣固分離效率。

3.4 集沙效率測試

集沙效率測試在0FDY-1.2型移動式風蝕風洞中進行，以集沙儀最低處的風沙分離器的進氣口中心處為基準，通過調整集沙儀下面調整板的數量調整集沙儀的高度，使進氣口到風洞底部的距離為2 cm，則其他7個風沙分離器到風洞底部的距離為8、19、32、36、49、53、66 cm，這8個高度為集沙儀收集沙樣的試驗高度。

風洞風速在6、9、12、15、18 m/s 5個試驗風速下，調整風洞輸沙器制造挾沙風，得到不同風速下集沙儀的集沙量，最后進行數據匯總和處理分析。

3.5 試驗結果及分析

3.5.1 降速性能分析

當排氣管內氣流速度低于沙塵的懸浮速度時，沙塵就會在自身重力作用下脫離氣流，返回風沙分離器，所以排氣口氣流速度是影響沙塵收集粒徑的主要因素之一。將強風條件下排氣口的最高風速試驗值0V=2.23 m/s代入沙塵顆粒懸浮速度公式[32]

式中V0為沙塵的懸浮速度，即強風條件下改進型風沙分離器排氣口的最高風速，m/s；d*表示沙粒直徑，m；ρ*表示沙塵的密度，為2 650 kg/m3；ρ表示地表空氣密度，約為1.225 kg/m3；c為系數，取值為0.4；D表示當量直徑，在本文中即為分離腔的截面直徑，取值0.075 m；m表示沙塵質量，kg。

將公式（8）以及上述參數值代入公式（7）可算出沙粒直徑d*約為0.07 mm，故從經驗公式推算，改進后的風沙分離器可收集直徑大于0.07 mm的沙粒。

從表2中可以看出，相同條件下，無論是排氣口最高風速和平均風速還是排沙口最高風速和平均風速，改進后的分離器比原分離器都有所降低，當試驗條件在強風條件（13.8 m/s）以下時，改進型分離器排沙口95%以上的區域風速在0.2 m/s以下，也就是靜風條件。在強風條件時，排沙口大部分區域平均風速也非常低，與仿真過程中模擬的狀況接近。通過試驗數據可以得出，強風條件下，排氣口平均風速為0.68m/s，比原分離器降低了，8.11%，改進后的風沙分離器排氣口最高風速比原風沙分離器降低了7.47%；排沙口的最高風速為 1.52 m/s，比原風沙分離器降低了35.59%，排沙口平均風速為0.23 m/s，比原風沙分離器降低了28.13%。

表2 風沙分離器改進前后排氣口和排沙口風速對比Table 2 Comparison of velocity between air outlet and sand outlet before and after improvement of sand separator

3.5.2 氣固分離效率分析

氣固分離效率是指氣固分離后集沙盒收集到的固相質量m0與氣固分離前進入分離器的固相質量m之比，表示為：

氣固分離試驗每次所用農田土壤樣本質量為50 g，由表3和公式（9），可以計算出在6～15 m/s的風速條件下改進型風沙分離器的氣固分離效率分別為99.91%、99.85%、99.79%、99.76%。平均分離效率為99.82%。同理計算出在6～15 m/s的風速條件下原風沙分離器的氣固分離效率分別為99.88%、99.85%、99.77%、99.72%，平均分離效率為99.80%。從以上結果可以看出改進型風沙分離器的氣固分離效率與原風沙分離器的氣固分離效率相比，氣固分離效率沒有明顯提高。

表3 風沙分離器改進前后集沙盒收集土樣質量比較Table 3 Comparison of collecting soil amount between sandbox original and optimized sand separator g

3.5.3 集沙效率分析

在風蝕風洞中不同試驗風速下采集的不同高度上的集沙量數據如表4所示。

表4 不同風速下集沙儀8個高度上的集沙量Table 4 Sand amount in 8 height of sand samplerunder different wind speed g

用Matlab軟件對表中數據進行擬合，可計算出不同試驗風速下在66 cm高度上的實測輸沙量，如表5所示。

每份試驗土樣的總質量為10 kg，風洞實驗段寬度為1 000 mm，則6 mm寬度（進氣口寬度）上的實際輸沙量為60 g，通過計算可以得出6、9、12、15、18 m/s風速下的集沙效率分別為79.16%、91.72%、91.96%、92.05%和92.2%。而原集沙儀在相應風速下的集沙效率分別為77.18%、89.6%、90.29%、90.74%和91.05%。改進型集沙儀9～18 m/s時的平均集沙效率為91.98%，相對于原集沙儀的平均集沙效率90.42%提高了1.56%。

表5 冪函數分布下不同風速下的實測輸沙量Table 5 Actual measured sediment runoff amount of power function distribution under different wind speeds

4 結 論

1）通過GAMBIT軟件建模，利用FLUENT軟件進行仿真，對分流對沖式集沙儀風沙分離器的排氣管直徑、排氣管長度、排沙口直徑、排沙口距離不同參數排列組合成的不同的仿真結果進行總結分析，發現通過進一步優化參數，排氣口和排沙口風速仍然有降低的空間。

2）通過對FLUENT軟件仿真出的360個不同的仿真結果進行匯總排序，得出分流對沖式集沙儀風沙分離器排氣管直徑為25 mm、排氣管長度為25 mm、排沙口直徑為75 mm、排沙口收縮高度為15 mm時，風沙分離器的排氣口和排沙口的降速效果最佳。

3）在相同風洞試驗條件下，改進型風沙分離器降速效果更理想，雖然風沙分離效率沒有明顯提高，但集沙效率提高了1.56%。因此，采集的數據更加精確。

[1] 陳智，麻碩士. 干旱半干旱地區農田風蝕危害及其對策研究[J]. 內蒙古民族大學學報(自然科學版)，2006(2)：159-164. Chen Zhi, Ma Shuoshi. Research on hazards and control strategies of farming soil wind erosion in the arid and semi-arid region[J]. Journal of Inner Mongolia University for Nationalities (Natural Sciences), 2006(2): 159-164. (in Chinese with English abstract)

[2] 麻碩士，陳智. 土壤風蝕測試與控制技術[M]. 北京：科學出版社，2010.

[3] 王金蓮，趙滿全. 集沙儀的研究現狀與思考[J]. 農機化研究，2008(5)：216-218．Wang Jinlian, Zhao Manquan. Sand sampler research analysis and reflection[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2008, (5): 216-218. (in Chinese with English abstract)

[4] Shao Y P, Mikami M. Heterogeneous Saltation: Theroy, observation and comparision[J]. Boundary-Layer Meteorology, 2005, 115: 359-379.

[5] Shao Y P. The Affect of saltation bombardment on the entrainment of dust by wind[J]. J. Geophys. Res., 1993.

[6] Bagnold RA. The Physics of Blown Sand and Desert Dunes[M]. London: Methun, 1941．

[7] Chepil W S. Width of field strips to control wind erosion[J]. Kan. Agric. Exp. Sta. Tech. Bull., 1957: 92.

[8] Greeley R, Leach R.N, Williams S H, et al. Rate of wind sion on mars[J]. J. Geophys.Res, 1982, 87: 10009-10024.

[9] Fryrear D W. A field dust sampler[J].Journal of Soil and Water Conservation,1986, 41: 117-120.

[10] Kuntze H, Beinhauer R T, Tetzlaff G. Quantifizierung der bodenerosion durch wind[J].Mitt. Dt.Bodenkundl.Ges. 1989, 59(2): 1089-1094.

[11] 顧正萌，郭烈錦，張西民. 新型主動式豎直集沙儀研制[J].西安交通大學學報，2006，40(9)：1088-1089．Gu Zhengmeng, Guo Liejin, Zhang Ximin. Development of a new type of active vertical sand trap[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2006, 40(9): 1008-1089. (in Chinese with English abstract)

[12] 王金蓮. 布袋式集沙儀結構參數對集沙效率影響的試驗研究[D]. 呼和浩特：內蒙古農業大學，2008．Wang Jinlian. Experimental Study on Influence on Sand Collection Rate on Configuration Parameter of Sand Sampler[D]. Huhhot: Inner Mongolia Agricultural University, 2008. (in Chinese with English abstract)

[13] 范貴生，趙滿全，趙士杰，等. 旋風分離式集沙儀CN2828800[P].2006-10-18．

[14] 付麗宏，趙滿全. 旋風分離式集沙儀設計與試驗研究[J].農機化研究，2007(10)：102-105．Fu Lihong, Zhao Manquan. Testing and research on the performance test of single seed drills (precision drills)[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2007, (10): 102-105. (in Chinese with English abstract)

[15] 宋濤，陳智，麻乾，等. 分流對沖式集沙儀設計及性能試驗[J].農業機械學報, 2015，46(9)：173-177．Song Tao, Chen Zhi, Ma Qian, et al. Design and performance experiment of shunt-hedging sand sampler[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(9): 173-177.(in Chinese with English abstract)

[16] 蔣紅，佟鼎，黃寧. 坡面風沙運動的風洞實驗及數值模擬[J]. 工程力學，2011(12)：190-198．Jiang Hong, Tong Ding, Huang Ning. The numericall simulation and wind tunnel experiment on windblown sand movement over the slope surface[J]. Engineering Mechanics, 2011(12): 190-198. (in Chinese with English abstract)

[17] Sun W H. Huang N. Influence of slope gradient on the behavior of saltating sand particles in a wind tunnel[J]. Catena, 2016,148(1): 145-152

[18] 黃炎，趙滿全. 基于數值模擬與風洞試驗的旋風分離式集沙儀優化設計[J]. 農業工程學報，2015,31(16)：50-56．Huang Yan, Zhao Manquan. Optimization design of performance test of cyclone separator sand sampler based on numerical simulation and wind erosion tunnel[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015,31(16): 50-56. (in Chinese with English abstract)

[19] 段學友. 可移動式風蝕風洞流場空氣動力學特性的測試與評價[D]. 呼和浩特：內蒙古農業大學，2005．Duan Xueyou. The Test and Evaluation of Characteristic of Aerodynamics on Portable Erosion Wind Tunnel[D]. Huhhot: Inner Mongolia Agricultural University, 2005. (in Chinese with English abstract)

[20] 王亞玲，劉應中，繆國平. 圓柱繞流的三維數值模擬[J]. 上海交通大學學報，2001，35(10)：1464-1469．Wang Yaling, Liu Yingzhong, Miao Guoping. Threedimensional numerical simulation of viscous flow around circular cylinder[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2001, 35(10): 1464-1469. (in Chinese with English abstract)

[21] 李家春. 現代流體力學發展的回顧與展望[J]. 力學進展, 1995，25(4)：442-450．Li Jiachun. Retrospects and prospects of fluid mechanics[J]. Advances in Mechanic, 1995, 25(4): 442-450. (in Chinese with English abstract)

[22] 任志安，郝點，謝紅杰. 幾種湍流模型及其在FLUENT中的應用[J]. 化工裝備技術，2009，30(2)：38-40, 44．Ren Zhian, Hao Dian, Xie Hongjie. Several turbulence models and their application in FLUENT[J]. Chemical Equipment Technology , 2009, 30(2): 38-44. (in Chinese with English abstract)

[23] 谷噸. 旋風分離器內流場及性能參數影響研究[D]. 沈陽：東北大學，2008．Gu Dun. Study of Flow Field in Cyclone Separator and Influence of Performance Parameters[D]. Shenyang: Northeastern University, 2008. (in Chinese with English abstract)

[24] 汪林. 旋風分離器氣固兩相流數值模擬及性能分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007．Wang Lin. Numerical Simulation and Performance Analysis of Gas-solid Two Phase Flow in Cyclone Separator[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology University, 2007. (in Chinese with English abstract)

[25] 董玉平，董磊，強寧，等. 旋風分離器內生物質焦油湍流特性的數值模擬[J]. 農業工程學報，2010,26(9)：171-175,385．Dong Yuping, Dong Lei, Qiang Ning, et al. Numerical simulation of biomass gas and tar torrential flow characteristics in cyclone separator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010,26(9): 171-175,385. (in Chinese with English abstract)

[26] 周韜. 旋風分離器的氣固兩相特性研究與數值模擬[D].上海：上海交通大學，2007．Zhou Tao. Study and Numerical Simulation on Gas-solid Two-phase Characteristic of Cyclone Separator[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2007. (in Chinese with English abstract)

[27] 袁竹林，朱立平，耿凡，等. 氣固兩相流動與數值模擬[M].南京：東南大學出版社，2015．

[28] Huang N. Wang Z S. The formation of snow streamers in the turbulent atmosphere boundary layer[J]. Aeolian Research, 2016, 23(1): 1-10

[29] 李強，丁玨，翁培奮. 上海大學低湍流度低速風洞及氣動設計[J]. 上海大學學報(自然科學版)，2007，13(2)：203-207．Li Qiang, Ding Yu, Wong Peifen. Aerodynamic and structural design oflow-velocity and low-turbulence wind tunne[J]. Journal of Shanghai University (Natural Science Edition, 2007, 13(2): 203-207. (in Chinese with English abstract)

[30] 伍榮林. 風洞設計原理[M]. 北京：北京航空學院出版社, 1985．

[31] 劉海洋，孔麗麗，陳智，等. 可移動微型低速風洞的設計

與試驗[J]. 農機化研究，2016，38(9)：244-249．

Liu Haiyang, Kong Lili, Chen Zhi, et al. Design and experiment of portable mini low-speed wind tunnel[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2016, 38(9): 244-249. (in Chinese with English abstract)

[32] 呂子劍，曹文仲，劉今. 不同粒徑固體顆粒的懸浮速度計

算及測試[J]. 化學工業，1997，25(5)：42-4．

Lv Zijian, Cao Wenzhong, Liu Jin. Research of suspension of particle in reactor[J]. Chemical Engineering (China) , 1997, 25(5): 42-4. (in Chinese with English abstract)

Optimization design of shunt-hedging sand sampler based on numerical simulation and wind tunnel experiment

Shang Xiaobin1, Chen Zhi1※, Song Tao2, Liu Haiyang1, Chen Yan1, Qiu Yi1
(1. College of Machine and Electronics Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China; 2. College of Mechanical and Architectural Engineering, Taishan University, Taian 271000, China)

Soil erosion is a serious environmental problem in arid and semi-arid regions, which has aroused wide concern among the public. Soil erosion is the process of denudation, sorting and transportation of farmland soil under the action of wind. Soil erosion can cause soil texture coarse, structure deterioration, decline of soil fertility and decrease of sustainable productivity, seriously restricting the sustainable development of agriculture. Sand sampler is one of necessary devices to research soil erosion, which is a key equipment in the observation of sand flow structure and laws of wind and sand movement. In addition, it is necessary to optimize the design of sand sampler so that we can obtain a large and accurate erosion data to improve the sand collection efficiency. However, the core component of the shunt hedging sand sampler is a sand separator. In addition, according to the combination of shunt hedging and multistage expansion, the wind speed reduction effect is more obvious, and the sand collection efficiency can be higher. In this paper, the FLUENT software and the micro wind tunnel are used as experimental platform to optimize the exhaust pipe diameter, exhaust pipe length, sand outlet diameter, and sand outlet contraction height of the separator of the shunt hedging sand sampler. Furthermore, the finite element model of the sand separator for the shunt hedging sand sampler was established. Meanwhile, according to the RNG turbulence model, the numerical simulation analysis is carried out for sand sampler. Besides, the DEM model is used to calculate the trajectory of sand particles entering the sand separator so that we can easily obtain the sand collection efficiency. Besides, through the low speed performance test and gas-solid separation efficiency test, the simulation results of the original sand separator and the optimized sand separator in FLUENT are verified based on indoor micro wind tunnel. Moreover, the numerical simulation and wind tunnel test results show that the exhaust pipe and sand outlet deceleration performance of the optimized sand separator has been improved obviously compared with the original sand separator. When the exhaust pipe diameter is 25 mm, the exhaust pipe length is 25 mm, the contraction height is 15 mm and the sand outlet distance is 75 mm, the impact of the gas flow on the automatic acquisition sensor is minimal under strong wind condition (13.8 m/s), the maximum wind speed of the exhaust pipe is 2.23 m/s, which is decreased by 7.47% compared with the original sand separator, the average wind speed of the exhaust pipe is 0.68 m/s, 8.11% lower than that of the original sand separator, the maximum wind speed of the sand outlet is 1.52 m/s, 35.59% lower than that of the original sand separator, and the average wind speed of the sand outlet is 0.23 m/s, 28.13% lower than that of the original sand separator. Meanwhile, the average separation efficiency can reach 99.82%. Therefore, compared with the original sand separator, the sand collection efficiency of the optimized sand sampler is improved by 1.56%.

erosion; optimization; finite element method; shunt hedging sand sampler; wind tunnel test

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.011

S237

A

1002-6819(2017)-16-0080-08

2017-01-17

2017-04-12

國家自然科學基金資助項目“分流對沖式集沙儀結構參數及其內流場特性研究”（41661058）；國家自然科學基金資助項目“基于無線傳感網絡的土壤風蝕監測系統及其關鍵技術研究”（41361058）

商曉彬，主要從事機械測控及自動化技術研究。呼和浩特 內蒙古農業大學機電工程學院，010018。Email: shangxiaobin1113@163.com

※通信作者：陳智，教授，博士生導師，主要從事工程測試及其技術裝備研究。呼和浩特 內蒙古農業大學機電工程學院，010018。

Email:sgchenzhi@imau.edu.cn