復雜摘棉氣力輸送系統流固耦合數值建模與流場分析

夏先偉，買買提明·艾尼,2，古麗巴哈爾·托乎提，張全忠

(1.新疆大學機械工程學院，新疆烏魯木齊 830047；2.烏魯木齊佰博機電科技有限公司，新疆烏魯木齊 830002)

0 前言

我國棉花無論是種植面積還是產量都位于世界前列。但是與先進植棉大國相比，我們的棉花生產方式落后、經營規模小、勞動生產率低、生產成本比較高[1]。因此，研制出國產采棉機顯得尤為重要。采棉機中采棉頭是采摘工作中重要的部分，由吸力輸棉裝置、采棉裝置、傳動裝置等組成，直接關系到機器的采摘效率和采凈率等系列問題。由于采棉頭結構復雜并伴隨著采摘與脫棉等復雜的運動以及籽棉的輸送功能，在工作過程中難免存在堵塞以及輸送不流暢的情況。研究者針對這些問題對采棉頭在結構、運動方式和材料等方面進行研究，對其進行優化與改進。馬清亮等[2]對軟摘錠采棉機采摘頭三維流場進行數值模擬及試驗研究，探究物料在分離過程中受到流體不同風速、滾筒轉速等影響因素下的運動規律；張智明等[3]就水平摘錠時采棉機的采摘結構進行虛擬設計與運動仿真，探討摘錠運動軌跡的合理性；高廣娣等[4]通過三維掃描的方法對水平式采摘頭的結構進行分析，避免因撞落造成落地棉的產生；張宏文等[5]以膠棒滾筒作為棉花采摘工作部件，可以有效減少和避免打斷棉枝和采摘未成熟的棉鈴；楊紅杰[6]對統收式采棉機氣力輸送系統內部流場動力學進行研究，根據物料特性確定風速風壓，并在輸送管道內設計一種除雜裝置；田虎楠[7]將各種不同類型的物料輸送系統進行比較，對梳齒式采棉機輸送管道內部進行優化與改進；木合塔爾·克力木等[8]對垂直摘錠式采棉機風機內部流場和輸送管道彎曲程度與輸送風量的關系進行研究。

目前，并沒有對采棉裝置內部的復雜運動和吸力輸棉裝置對采棉裝置內部流場影響的研究。文中針對這一問題，對采棉裝置及吸力輸棉裝置進行數值建模，并通過使用Fluent中的滑移網格和UDF(User-Defined Function)來模擬采棉裝置內部各部分運動；對產生的內部流場進行分析，探討在吸力輸棉裝置中不同進口速度對采棉裝置內部流場的影響，以找到在采棉裝置中輸送籽棉較為理想的速度，也為之后的采棉裝置的設計和優化提供相應的參考。

1 采棉頭工作原理與數值建模

垂直摘錠式采棉機由3組滾筒式采棉頭組成(見圖1)，每一組采棉頭分為左、右兩組采摘頭，每組采摘頭由棉花采摘系統和負壓式吸力輸棉系統組成。棉花采摘系統由兩組串聯采棉滾筒和柔性摘錠、3組脫棉刷、動力系統、機架和引導板等關鍵部件組成，而負壓式吸力輸棉系統由負壓入口(集棉筒)輔助實現。

圖1 滾筒式采棉頭結構及工作原理

為了方便對采棉頭內部流場的分析，根據簡單的對稱原理，選取一組采摘頭進行分析，并根據采摘頭工作要求建立復雜摘棉氣力輸送系統示意圖，如圖2所示。在采棉機運行過程中，液壓馬達驅動完成采棉滾筒自轉(順時針)和柔性摘錠的公轉(順時針)運動。柔性摘錠的自轉則需要通過皮帶來完成，不同的區域摘錠的旋轉方向不同，所需要完成的工作任務也不同。當柔性摘錠運動到區域A時，通過皮帶作用使自身反轉(逆時針)將棉花從棉株上采摘下來；當柔性摘錠運動到區域B中，通過皮帶使自身正轉(順時針)和滾筒一起到脫棉輸棉區域C中與脫棉刷自轉(順時針)相互運動，使得棉花脫落進入輸棉通道。通過氣力的作用下將棉花送入輸送到集棉筒中，完成對棉花的采摘與輸送。

圖2 復雜摘棉氣力系統示意

2 數值計算及邊界條件設置

2.1 湍流模型的選擇

連續性方程、動量方程和能量方程是研究流體力學重要的三大理論方程[9]。

連續性方程：

(1)

動量方程：

(2)

流體在采棉裝置中的流動可以認為是定常湍流流動，采用κ-ε湍流模型，采棉裝置內部的密度變化較小，對流場分析基本沒有影響，不考慮能量方程。

文中研究選用YAKHOT及ORZAG提出的RNGκ-ε模型。在RNGκ-ε模型中，通過大尺度運動和修正后的黏度項來體現小尺度的影響，而使這些尺度運動有系統地從控制方程中去除，所得到的κ方程和ε方程與標準κ-ε模型非常相似[9]：

ρε-Ym+Sκ

(3)

(4)

與標準κ-ε模型對比，克服了標準κ-ε模型在強旋流和流線彎曲流動時產生的失真現象。RNGκ-ε模型是通過修正黏性項的方法，去除了小尺度的運動。由RNG理論可得：C1g=1.42，C2g=1.68。其他參數Gκ=0.084 5。

2.2 柔性摘錠的運動建模

在采棉裝置中柔性摘錠的工作主要由自轉、公轉和正反轉運動等組成。在采摘過程中，采棉滾筒自轉帶著摘錠公轉，同時摘錠在自己的位置上通過皮帶接觸實現自轉。當摘錠反轉到采摘區域時采摘棉花；當摘錠正轉到脫棉輸棉區域時，摘錠進行與采摘時候相反的旋轉方式，與脫棉刷接觸運動，將棉花脫下來進入輸棉通道。

采棉裝置中柔性摘錠在采棉滾筒邊緣上進行公轉和自轉運動，在自轉運動過程中伴隨著不同區域上的正反轉，摘錠上面某一點的運動方式[10]即為摘錠進行采摘時的運動軌跡。設柔性摘錠公轉、自轉運動的軌跡為圓上點A到點B所形成的運動軌跡，如圖3所示，其軌跡方程為

圖3 摘錠上點A到點B的運動軌跡

(5)

式中：R為采摘滾筒的半徑；r為柔性摘錠的半徑；θ為滾筒和摘錠公轉的角度；α為摘錠自轉的角度，其中θ=ω1t，當0≤θ≤180°時，α=ω2t，摘錠反轉實現采摘功能；當180°<θ<360°時，α=-ω2t，摘錠正轉實現脫棉功能。

2.3 網格運動

在Fluent中網格瞬態的運動方式有針對區域運動的滑移網格和針對邊界及區域運動的動網格[11]。對比這兩種運動方式，動網格的運動指的是邊界的運動，更接近物體實際的運動方式，但在運動過程中容易出現負體積現象。在處理自轉和公轉問題時，容易在運行過程中出現偏離公轉軌道的情況。滑移網格的運動是區域的運動，它不涉及網格的更替，因此不會產生負體積。由于采棉裝置內部各部分的運動比較復雜，針對這一問題，對運動描述采用的方式為滑移網格和UDF來指定某一個區域的特定運動。采用UDF中的DEFINE_ZONE_MOTION宏來指定摘錠的運動，其中的origin參數表示摘錠的圓心坐標變化，omega參數實現摘錠的公轉、自轉和正反轉的運動。脫棉刷和采摘滾筒的運動則采用滑移網格的方式來實現自轉運動。在運動過程對網格進行動態調整，模擬柔性摘錠運動過程中既存在跟隨采棉滾筒的公轉運動，也存在自轉運動，同時實現摘棉和脫棉正反轉運動方向的轉換。

2.4 邊界條件設置

買買提明·艾尼團隊針對采棉機的吸力裝置(集棉筒)的氣力輸送特性進行研究。通過對集棉筒的深入研究，風機的轉速對集棉筒入口處的速度影響較大。在風機轉速平穩時，集棉筒在風機的作用下吸力入口處的速度與集棉筒的高度有關且速度在0～35 m/s之間。實際工作中隨著風機轉速的增加，相應的吸力入口的速度也增大。采棉機運行過程中，采棉滾筒的公轉與摘錠的自轉和公轉以及脫棉刷的自轉運動等合理地配合是影響采棉效率的重要因素。文中所研究的采摘系統內部中各部分的轉速參數如表1所示。

表1 采摘系統內部各部分參數

以JX-013型棉花品種作為測試對象，推導棉團直徑、密度、質量與漂浮速度之間的關系，得到不同的密度狀態下的懸浮臨界速度為4.63(松散狀態、密度為30 kg/m3)～8.59 m/s(半壓實狀態，密度為110 kg/m3)，在機采棉過程中籽棉基本屬于松散狀態，偶爾有半壓實狀態。但是通過測定最大的密度是60 kg/m3，其對應的懸浮速度為6.45 m/s 。因此，確定懸浮速度為4.63～6.45 m/s。

在氣力輸送過程中，滿足物料正常輸送的條件下，由下列公式求得[12]：

vG=cvt

(6)

式中：vG為氣流的速度，m/s；c為速度增大系數，其取值范圍為1.9～2倍；vt為物料懸浮速度，m/s。

由上式選取速度增大系數為2，計算得到的籽棉氣力輸送速度為9.26～12.9 m/s。其中在自由進口處的速度為0.1 m/s。

3 計算過程與分析

3.1 采棉裝置的建模與網格劃分

考慮到采棉裝置內部結構較多且復雜，并且流體域的網格數量較大，對計算機性能要求較高以及引導板處可能存在湍流現象，研究采用二維平面模型代替三維模型簡化計算并對外部的引導板處進行優化。

根據滑移網格的特點對采棉裝置內部流場區域進行網格劃分。采用三角形網格，網格大小為1 mm。單元總計40萬，平均質量0.97。其中，在采棉裝置內部各區域中，采棉滾筒和脫棉刷區域只有單獨的自轉運動，而摘錠存在多種運動，當0≤θ≤180°時，摘錠反轉；當180°<θ<360°時，摘錠正轉。在脫棉刷區域中心轉動。每個區域之間的交接面用interface連接，解決不同區域之間數據無法交流的問題如圖4所示。

圖4 采棉裝置區域網格劃分

3.2 采棉裝置內部流場分析

運動中的采棉裝置中的流場在每一個時刻的變化都比較大。因此，選擇t=2.5 s時內部流場比較穩定的時間進行分析。在出口速度為30 m/s時，通過圖5可以觀察出：引導板優化后的采棉裝置內部的湍流現象較少，將有利于氣力對籽棉的輸送，減少堵塞情況的發生。由于采棉裝置采用二維圖形進行仿真模擬，所以根據集棉筒自由進口處的速度范圍，設定采棉裝置的出口速度為10、20、25、30 m/s，分析采棉裝置內部的流場分布(見圖6)及壓力分布情況(見圖7)。為了分析輸棉通道區域內的速度，通過分析采棉裝置出口速度30 m/s時內部流線圖，根據流線與脫棉刷旋轉方向的不同將輸棉通道區域分為順流區域和逆流區域。其中，順流區域為流線與脫棉刷的旋轉方向相同的A～F平面，逆流區域為流線與脫棉刷的旋轉方向相反的G～L平面，如圖8所示，通過測量順、逆流區域中各個平面平均速度大小來對采棉裝置內部的流場進行分析，如圖9所示。

圖5 2.5 s時出口速度30 m/s時采棉裝置內部流線

圖6 2.5 s時不同速度出口下的內部速度云圖

圖7 2.5 s時不同速度出口下的內部壓力云圖

圖8 順逆流區域各個平面的位置圖

通過對不同出口速度的采棉裝置內部的流場、壓力云圖以及在輸棉區域中逆、順流區域中不同平面的速度變化大小的分析：

(1)對比圖6，吸力輸棉裝置的速度對采棉裝置內部流場的變化影響很大。因此，通過自身的復雜旋轉運動產生的速度比較小，不能滿足輸送籽棉的要求，需要通過合理控制吸力輸棉裝置速度大小才能將籽棉輸送出去。

(2)對比圖6、7、9中的速度、壓力云圖以及順、逆流區域中不同平面的速度，滿足籽棉氣力輸送速度范圍為9.26～12.9 m/s，運動到2.5 s時出口速度為25 m/s時，采棉裝置內部的速度和壓力云圖分布較為均勻，同時在輸棉區域達到氣力輸送要求，相對輸送效果較好。

(3)在相同的出口速度下，對比圖9中順流區域平面與逆流區域平面的速度大小，順流區域平面的速度比較大，更加有利于籽棉的輸送。

圖9 2.5 s時順逆流區域不同位置平面速度大小

4 結論

通過使用滑移網格與UDF來模擬采棉裝置中復雜的運動，并對不同出口速度下的內部流場進行研究。研究發現：采棉裝置自身的運動不能滿足輸送要求，需要合理地控制吸力輸棉裝置速度大小才能把籽棉成功輸送；在運動到2.5 s時，出口速度為25 m/s時輸送籽棉的效果較好；同時也發現在輸棉區域中流線與脫棉刷旋向相同的時候速度更大，有利于籽棉輸送。對采棉裝置的數值建模和流場分析方法能夠為之后的設計與優化提供相應的參考。