場地膜稈分離裝置的數值模擬研究

張姚斌，王春耀，劉夢霞，羅建清

(新疆大學 機械工程學院，烏魯木齊 830047)

0 引言

地膜覆蓋技術可以提高地溫，加快根系生長，適合微生物的增殖，使無機鹽的轉化速度大大提高，使農作物產量提高，具有諸多優勢，因此廣泛被農業生產者使用[1-3]。然而，地膜技術的應用為農業生產帶來巨大經濟效益的同時也產生了很大的負作用，即殘留的地膜破壞土壤結構，影響耕地質量與透氣性，不同程度地抑制了農作物的生長發育，造成減產。殘留地膜降低了土壤微生物的活性，阻礙了土壤礦化釋放及肥力提高，所以對地膜的回收和分離迫在眉睫[4]。本文采用了數值模擬的研究方法，對不同工況下的膜稈分離裝置進行模擬仿真，分析腔體內流場的壓力及速度分布，從而為膜稈分離裝置選擇了合適的風選參數范圍。

1 方法

1.1 風選過程的工作原理

膜稈分離裝置的基本原理是根據不同密度的物料所具有的懸浮速度差來進行分離。質量較大、密度較大、懸浮速度較大的粗細棉稈在自身重力作用下依次下落，而密度小、質量輕、懸浮速度較小的地膜隨著水平向前的氣流輸送到較遠的物料出口，從而地膜與粗細棉稈進行了分離，其風選原理如圖1所示。本文采用懸浮實驗臺測量膜雜的懸浮速度，得到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。由此可見，地膜與棉稈的懸浮速度相差較大，因此利用其懸浮速度差分離出地膜[5-7]。其懸浮試驗臺如圖2所示。

圖1 膜稈分離裝置氣流分選原理示意圖

圖2 懸浮試驗臺

1.2 數學模型

本文通過改變送風速度、送風角度和進料口的位置來分析其流場內部的速度和壓力分布，找到一種較佳的風選參數范圍。

流體在腔體內的流動為湍流流動[8-9]，膜稈分離裝置內部流場遵守質量守恒定律及牛頓第二定律，定義腔體內部的流場是不可壓縮流場，湍流流動采用k-ε模型，在直角坐標條件下的各個控制方程如下：

1)質量守恒方程為

(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)動量守恒方程(即N-S方程)為

(4)

(5)

3)k-ε湍流方程為

模型中的常數按照文獻[10]選取C1ε=1.44,C2ε=1.92,σk=1.0,σε=1.3，建立完整的數學模型，進一步進行數值模擬分析。

1.3 網格劃分和邊界條件

1.3.1 網格劃分

對膜稈分離裝置風選流場進行數值模擬研究，求解的幾何區域為膜稈分離裝置的幾何空間體。筒體的前側面設置有進料口和送風口，筒體的后側面和筒體上的孔洞設置為出風口，采用UG建模其簡化圖如圖3所示。模型的尺寸參數設置如下：

滾筒直徑/mm： 1 200

滾筒長度/mm:4 000

送風口尺寸/mm：600×150

進料口尺寸/mm：400×200

膜稈分離裝置幾何模型的網格劃分類型采用適用性很好的Tgrid混合網格。Sizing的設置中，Relevance Center設置為Fine，Interval size Seed 設置為 Active Assembly，Smoothing 設置為Medium ,Transition 設置為Slow ，Span Angle Center設置為Fine ，共劃分了 15 890個節點、79 622 個單元、164 291個面。劃分后的網格如圖4所示。

圖3 膜桿分離裝置簡化圖

圖4 場地膜稈分離裝置的網格劃分

1.3.2 邊界條件

根據地膜分離裝置腔體的特點，設置送風口為Velocity-inlet，送風速度為10m/s，出風口為Outflow，Flow Rate Weighting為 1；物料是連續送入模型，忽略氣流的散失，因此進料口設置為Wall；其余壁面的邊界條件設置為Wall。

2 數值模擬與結果分析

2.1 初始模型的模擬分析

運用ANSYS的Fluent模塊對膜稈分離裝置進行流場分析，得到整個內部的壓力和速度分布。圖5的橫坐標代表腔體的長度，單位為mm；縱坐標代表流場壓力，單位為Pa。圖6的橫坐標代表腔體的長度，單位為mm；縱坐標代表流場速度，單位為m/s。

分析圖5和圖6可以看出：模型內部的壓力先減小然后逐漸增大，在送風口下端及模型前端頂部存在低壓區，且壓力值變化較大;在模型長度X<0.25m范圍內，壓力值減小，最小壓力為2.12Pa；在模型長度X>0.25m范圍內，壓力值逐漸增大，最大值為15.30Pa。流場壓力在模型后端逐漸穩定，利于膜雜分離。即模型內部的壓力呈現先減小后增大的趨勢，且壓力值在模型后端變化不大;腔體內的流體速度逐漸減小，且流體的速度在腔體的前半部分分布不均勻，各點的速度比較分散，不夠密集，在后半部分速度分布較為均勻。在X>350mm范圍內，速度基本保持在2m/s以下。

圖5 流場的壓力分布

圖6 流場的速度分布

2.2 送風速度的模擬分析

初始設備的送風速度為10m/s，不足以合理地分離粗細棉稈和地膜，因此增加送風速度為12、14、16、18、20m/s，分析送風速度的改變對膜稈分離裝置內部流場和風選效率的影響。在膜稈分離裝置的腔體水平方向上每隔100mm選出一個截面，共計選出40個截面，計算得到每個截面的壓力及速度平均值，并繪制曲線。分析送風速度的改變對腔體內部流場的壓力和速度分布的影響。圖7為當送風速度改變時流場內部壓力沿著腔體的改變，圖8為當送風速度改變時流體速度沿著腔體的改變。

圖7 送風速度改變壓力的模擬分析

圖8 送風速度改變速度的模擬分析

分析圖7可知：隨著送風速度的增加，模型內部流場壓力均值變大；送風速度大于14m/s時，流場壓力均值明顯增加；送風速度大于18m/s，流場壓力均值過大，且隨著模型水平方向一直增加，其壓力不穩定，不利于地膜的分離。

綜上所述，當送風速度為14～16m/s時，模型內部流場壓力穩定增加，且流場壓力變化平緩，是較為適宜的風選速度。

分析圖8可知：初始設備中，模型內部流場速度過小，模型內部基本無大于8m/s的區域；流場速度6m/s8m/s的范圍增大，氣流可以帶著物料向前運行更長距離；流場速度6m/s

綜上所述，送風速度為16m/s較為合理。

2.3 送風角度改變的模擬分析

初始設備模型的送風方向為水平送風(即無偏角度送風)，通過改變送風上偏角度，將送風角度分別設置為送風角度上偏5°、10°、15°、20°，分析送風角度的改變對流場的影響。取截面方法與前面相同，計算得到的每個截面的壓力及速度平均值，并繪制曲線，分析送風角度改變時對流場的壓力和速度分布的影響。圖9為當送風角度改變時流場壓力沿著腔體長度的改變，圖10為當送風角度改變時流體速度沿著腔體長度的改變。

圖9 送風角度改變壓力的模擬分析

圖10 送風角度改變速度的模擬分析

分析圖9可知：初始模型內各個截面的壓力均值為正壓；當送風角度上偏時，模腔體內部出現負壓區，且隨著送風角度的增加，負壓值增大，負壓區范圍增大；送風角度為上偏5°時，負壓區范圍占整個模型的80%；當送風角度大于5°，模型內的流場壓力均值為負值；送風口上偏15°時，流場負壓值較其他工況條件為最大，最大負壓為-25Pa；送風角度為20°時，模型內部的壓力均值減小。

分析圖10可知：隨著送風上偏角度的變大，腔體內部的流體速度最大值變大；當送風角度上偏5°時，流場速度6m/s2m/s的范圍明顯增加，膜雜聚集在一起，且模型內部的氣流在模型前端很不穩定，波動性很大。

綜上所述，當送風角度為5°時，流場壓力分布及速度分布較優。

2.4 進料口位置改變的模擬分析

設置模型的初始進料口位置為距離模型中心為400mm的位置，通過改變進料口的位置，即進料口上移30mm、進料口上移50mm、進料口下移40mm、進料口下移60mm，分析膜稈分離裝置內部流場和風選效率的影響。取點方式不變，計算得到每個截面的壓力及速度平均值，并繪制曲線，分析進料口位置的不同對流場的壓力和速度分布的影響。圖11為當進料口位置改變時流場壓力沿著腔體的改變，圖12為當進料口位置改變時流體速度沿著腔體的改變。

圖11 進料口位置改變壓力的模擬分析

圖12 進料口位置改變速度的模擬分析

分析圖11可知：進料口位置上移30mm時，流場內壓力從負壓區過渡到正壓區，負壓區范圍較其他進料口位置為最大，約占整個模型的42.5%;進料口位置繼續上移50mm時，流場壓力從負壓區過渡到正壓區，負壓區范圍占整個模型的40%，負壓值減小，進入正壓區后，壓力變大；隨著進料口位置的上移，負壓區范圍減小且負壓值變??；進料口位置下移40mm時和進料口位置繼續下移60mm時，其腔體內部的正壓區壓力值小于初始模型的壓力值。

分析圖12可知：進料口位置上移30mm時，流體速度波動性很大，且流場速度V>6m/s的范圍很小; 進料口位置上移50mm時，流場速度波動性大，流場不穩定，其流場速度V>6m/s的范圍變化不大，流場速度2m/s

綜上所述，當進料口位置下移60mm(進料口中心位置距離模型中心位置為340mm)時，為相對合理的進料口位置。

3 結論

1)分析不同送風速度對膜稈分離裝置內部流場和風選效率的影響，結果證明：送風速度為16m/s時為適宜風選膜雜的條件。

2)分析不同送風角度對膜稈分離裝置內部流場和風選效率的影響，結果表明：送風角度上偏5°時，其風選效率較好。

3)分析不同進料口位置對膜稈分離裝置內部流場和風選效率的影響，結果表明：當進料口中心位置距離模型中心位置為340mm時為合理的進料口位置。