集沙儀內二次流對沙塵收集范圍的影響分析

摘要：二次流動是工程實際中普遍存在的物理現象，是一種相對于主流的次要流動。為研究集沙儀內二次流對氣流速度、不同粒徑的沙塵粒子的影響規律，利用數值模擬和試驗驗證相結合的方法，以分流對沖與多級擴容式集沙儀的風沙分離器為研究對象，對二次流被削弱前后的流場特性進行分析。研究結果表明：在二次流被削弱前，粒徑大于0.083mm的沙塵被完全收集，粒徑小于0.083 mm的沙塵被大部分收集；在二次流被削弱后，高速氣流分布范圍更大，流場似乎變得不穩定，排氣管內氣流速度明顯增高，粒徑大于0.12 mm的沙塵才被完全收集，沙塵被完全收集的范圍明顯縮小。

關鍵詞：集沙儀；二次流；數值模擬；風沙分離器

中圖分類號：S15； P414.7

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 05-0253-05

收稿日期：2022年8月22日" 修回日期：2023年2月20日*基金項目：山東省自然科學基金資助項目（ZR2021QE217）；山東省科技型中小企業創新能力提升工程項目（2023TSGC0678）；泰安市科技發展計劃項目（2021NS087）

第一作者：宋濤，男，1979年生，山東泰安人，博士，副教授；研究方向為土壤風蝕粒子收集方法及機制。E-mail： stsong925@163.com

通訊作者：劉洪豪，男，1992年生，濟南人，博士，講師；研究方向為數字圖像處理等。E-mail： mobeikehan@126.com

Analysis of influence of secondary flow in sand sampler on the collecting range of sand

Song Tao， Xie Xuehu， Zhang Liang， Liu Honghao， Ni Yuquan

（College of Mechanical Engineering， Taishan University， Tai’an， 271000， China）

Abstract：

Secondary flow is a common physical phenomenon in engineering practice， which is a secondary flow relative to the mainstream. In order to study the influence of secondary flow on airflow velocity and different particle sizes of sand particles in a sand sampler， this paper uses a combination of numerical simulation and experimental verification to analyze the flow field characteristics before and after secondary flow is weakened， taking the wind-sand separator of the shunt-hedging and multi-stage expansion sand sampler as the research object. The research results indicate that before secondary flow is weakened， sand with a particle size greater than 0.083 mm are completely collected， while sand with a particle size less than 0.083 mm are mostly collected. After secondary flow is weakened， the distribution range of high-speed airflow becomes larger， and the flow field seems to become unstable. The airflow velocity inside the exhaust pipe significantly increases， and only sand with a particle size greater than 0.12 mm are completely collected， and the range of sand being completely collected is significantly reduced.

Keywords：

sand sampler; secondary flow; numerical simulation; the wind-sand separator

0 引言

土壤風蝕是影響干旱、半干旱地區土地退化的主要因素之一［1］。開展土壤風蝕研究必須借助于先進的研究手段與方法，以獲得大量而精確的風蝕數據［2］。集沙儀能夠采集土壤風蝕過程中隨風搬運的可蝕性顆粒，是獲取土壤風蝕數據的關鍵儀器，對研究風沙運動的物理機制，揭示土壤風蝕的發生、發展和演化規律，有效防治土壤風蝕具有十分重要的作用［3-5］。

二次流動是工程實際中普遍存在的物理現象，是由主流引起的伴隨流動，也遵循著物理學普遍定律。二次流是流動損失的一個重要組成部分，會引起壓力損失而降低流動效率［6］。二次流和主流相比，雖然量級較小，但其對氣流流動的影響卻不可忽略，它不僅可以加速微細顆粒的沉降，而且也能夠增加流動的穩定性［7-9］。2002年，湛含輝等［10］從理論上論證了二次流的流場特性，指出二次流存在于有離心力場的流體運動中。2005年，劉建文等［11］研究認為二次流技術在增加熱傳遞與傳質、提高膜過濾滲透通量和減少濃差極化與膜污染阻塞等方面是成功的。2013年，王丹［12］在定量描述二次流強度參數的基礎上建立了二次流強度和強化傳熱程度之間的定量關系。2020年，郭安寧［13］研究了扭轉通道內二次流強化傳熱機理，認為二次流可以增大速度和速度梯度對熱通量的傳輸。2021年，蘇梅［14］研究了形狀阻力與二次流強度之間存在的對應關系，認為扁管通道內的形狀阻力可以由二次流強度確定。由此可見，集沙儀的內部流場也會產生二次流。但是，現有文獻對集沙儀內二次流的研究卻鮮有報道。

基于此，本文以分流對沖與多級擴容式集沙儀的關鍵部件——風沙分離器為研究對象，分析風沙分離器內二次流對沙塵收集范圍的影響規律，探究提高集沙儀集沙效率的有效方法。

1 分流對沖與多級擴容式集沙儀

分流對沖與多級擴容式集沙儀由導向裝置、風沙分離器、旋轉裝置、集沙盒、數據采集與傳輸系統等組成，如圖1所示。其工作原理是：當該集沙儀工作于風蝕地域的試驗場時，導向裝置在風力作用下帶動旋轉裝置發生旋轉，保證風沙分離器的進氣口正對風向，風沙流進入風沙分離器之后，在風沙分離器內部結構的影響下，風沙流速度大幅度降低，風沙開始分離，尾氣從風沙分離器的排氣口排出，沙塵落入集沙盒，集沙盒下面的稱重傳感器獲取沙塵的質量信號，并通過數據采集與傳輸系統傳送至工作站的計算機上［15， 16］。在整個工作中，風沙分離器起到采集風沙和分離風沙的主要作用，所以風沙分離器是分流對沖與多級擴容式集沙儀的關鍵部件。

風沙分離器是基于氣流的分流對沖降速與多級擴容降速的組合原理設計，如圖2所示。

風沙分離器設計了進氣口、排氣口和排沙口。其中，排氣口起到排出尾氣的作用，但是當排氣管內尾氣的速度很高時，會攜帶一部分較小粒徑的沙塵從排氣口排出，集沙效率降低。因此，排氣管內氣流應具有較低的速度。

2 數值模擬

2.1 網格劃分與邊界條件設置

利用GAMBIT軟件建立風沙分離器的三維模型，將進氣管、分流對沖腔、擴容腔和上回流腔合并為網格體1，考慮到網格體1的形狀不規則，可以采用先劃分面后劃分體的方法，網格體1劃分網格數為647 180個；將風沙分離腔和下回流腔合并為網格體2，也采用先劃分面后劃分體的方法，網格體2劃分網格數為897 666個；將排氣管和分流器合并為網格體3，采用同樣的劃分方法，網格體3劃分網格數為391 273個。網格劃分完成后，再將進氣口設置為速度入口（即velocity_inlet），排沙口和排氣口均設置為自由流出口（即outflow），排氣管的下端口和上回流腔的下端口均設置為流通交界面（即interface）。設置完成后，將風沙分離器模型以msh格式導入ANSYS FLUENT軟件。考慮到風沙分離器內部結構復雜，容易產生旋流，故計算模型采用RNG K-ω湍流模型。設置入口速度為13.8m/s（即強風級別的最大風速值），迭代計算500步，得出風沙分離器內氣流速度云圖（圖3）。

從圖3可知，氣流以速度8.26 m/s分為兩股，這兩股氣流在分流對沖腔中部降為7.08 m/s，在分流對沖腔后部降為2.36 m/s。當氣流下行至分流對沖腔下方時，局部區域的氣流速度增至4.72 m/s，周圍是速度3.54m/s的氣流，并一直延伸至風沙分離腔。排氣管內氣流速度為2.36m/s。

2.2 二次流的影響分析

在距離排沙口z=157.5 mm、z=135 mm、z=130 mm、z=122.5 mm、z=110 mm和z=80 mm的高度上分別取6個水平截面的氣流速度云圖，如圖4所示。從圖4（a）、圖4（b）可知，氣流分為兩股后，氣流速度由8.26 m/s降至7.08 m/s，且以速度7.08 m/s往右下方延伸，呈現出往右下方偏移的現象。

從圖4（c）～圖4（f）可知，氣流下行至分流對沖腔下方時，在局部區域出現了速度4.72 m/s的高速氣流，并往右下方延伸至上回流腔，速度3.54 m/s的氣流分布在其周圍，分布范圍更廣，一直延伸至風沙分離腔，也呈現出往右下方偏移的現象。二次流理論認為，在流體流動過程中，只要有使流體流動產生偏離其主流方向的力（如離心力、重力、沖擊力等）或邊界條件（如彎曲管道、流體沿凹凸不平的邊壁流動等）存在，就會產生偏離流體主流方向的二次流。由此可見，氣流在風沙分離器內產生了二次流。

將上述氣流速度值代入沙塵的懸浮運動公式（2），可得出二次流影響下的風沙分離規律。

1）" 在分流對沖腔中部，粒徑大于0.75 mm的沙塵脫離氣流而發生風沙分離；在分流對沖腔后部，粒徑大于0.083 mm的沙塵也發生風沙分離。

2）" 當下行至擴容腔時，粒徑在0.083～0.33 mm之間的沙塵又重新跟隨速度4.72 m/s的氣流繼續運動；粒徑在0.083～0.19 mm之間的沙塵則跟隨速度3.54 m/s的氣流繼續運動；還有一部分粒徑小于0.083 mm的沙塵從排氣管排出。

3）" 當氣流下行至上回流腔時，粒徑大于0.19 mm的沙塵脫離氣流而發生風沙分離，粒徑小于0.19 mm沙塵繼續跟隨氣流運動。

4）" 當氣流下行至風沙分離腔時，粒徑小于0.19 mm的沙塵在局部區域內受速度3.54 m/s的氣流影響，時而跟隨氣流，時而脫離氣流，但最終會脫離氣流而落入集沙盒。

可見，在二次流的影響下，粒徑大于0.083 mm的沙塵被完全收集，粒徑小于0.083 mm的沙塵大部分被收集。

2.3 二次流被削弱時的影響分析

在二次流的影響下，局部區域出現了高速氣流，導致對沖后的氣流以速度3.54 m/s從擴容腔一直延伸至風沙分離腔，排氣管內氣流也受到了影響。為此，在分流對沖腔前半部分的底部設計一個半環形擋板，讓氣流在分流對沖腔內充分對沖，以削弱二次流，如圖5所示。

利用GAMBIT軟件將設計擋板的風沙分離器進行網格劃分，進氣管和分流對沖腔合并成網格體1，劃分網格數為239 396個；擴容腔和上回流腔合并成網格體2，劃分網格數為349 423個；風沙分離腔和下回流腔合并成網格體3，劃分網格數為897 666個；排氣管和分流器合并成網格體4，劃分網格數為391 273個。在ANSYS FLUENT軟件里迭代計算500步，得出設計擋板的風沙分離器內氣流速度云圖（圖6）。

從圖6看出，在分流對沖腔底部設計一個半圓環擋板后，在進氣管末端以速度8.54 m/s分為兩股，在分流對沖腔中部降至7.12 m/s，在分流對沖腔后部對沖后降至2.85 m/s。在分流對沖腔下方，仍然有高速氣流分布，但是這部分氣流中心區域的氣流速度卻只有4.27 m/s，周圍分布著速度3.56 m/s的氣流，并一直延伸至風沙分離腔。排氣管內氣流速度為2.85 m/s。

從圖7看出，在分流對沖腔底部設計半圓環擋板后，高度氣流的速度只有4.27m/s，氣流得到了充分的對沖，氣流的主流分布也更加明顯，這說明二次流被大幅削弱了。二次流被削弱之后，流場出現了如下變化：（1）高速氣流分布范圍更大，流場似乎變得不穩定。（2）排氣管內氣流速度明顯增高，粒徑大于0.12 mm的沙塵才被完全收集，相比二次流被削弱前，沙塵被完全收集的范圍明顯縮小。

可見，二次流不僅能夠穩定流場，而且對氣流速度的降低起到了促進作用，有利于風沙的有效分離。

3 試驗驗證

3.1 試驗方法

在未設計半圓環擋板的風沙分離器樣機上設計12個測孔，測孔中心均對準風沙分離器中心軸線，測孔布置如圖8所示。

如圖9所示，試驗時，將風沙分離器固定在微型風洞試驗段的支架上，進氣口對準微型風洞中心軸線，開啟風機，穩定風速在13.8 m/s。Testo 425熱敏風速儀探頭從測孔入口開始行進，每隔5 mm取一個測點，并記錄風速數據。測孔1～測孔6位于分流對沖腔中部和底部，均取3個測點；測孔7～測孔9位于擴容腔中部，測孔10～測孔12從風沙分離腔穿過，位于上回流腔中部，均取10個測點。

3.2 結果分析

圖10給出了12個測孔內78個測點的氣流速度，從不同測點的速度波動可以看出：（1）在分流對沖腔內，測孔5內測點13～測點15的氣流速度分別高于測孔2內測點4～測點6；孔6內測點16～測點18的氣流速度分別高于測孔3內測點7～測點9，這說明氣流在分流對沖腔繞流時發生了偏移，形成了1→5和2→6兩條流線。（2）當氣流進入擴容腔后，測孔內的氣流均出現大幅度降低，這說明擴容腔的降速效果還是很明顯的。從分布情況看，測孔7內氣流速度均低于1.48 m/s（測點22），而測孔8內的部分氣流卻高達2.59 m/s（測點34），測孔9內氣流也達到了2.29 m/s（測點42）。可見，高速氣流集中在分流對沖腔的右半部分，是分流對沖腔的偏移氣流所致。

綜上可知，氣流在分流對沖腔中部開始出現偏移，偏移趨勢與圖4的數值模擬結果基本一致，這說明數值模擬結果是可靠的，在未設計半圓環擋板的風沙分離器內部是存在二次流的。

4 結論

1）" 數值模擬和試驗結果表明，二次流動是由主流引起的伴隨流動，它可以損耗主流的能量，既可以穩定流場，又可以促進氣流速度的降低。

2）" 沙塵的懸浮運動計算結果表明，對于分流對沖與多級擴容式集沙儀，在二次流的影響下，粒徑大于0.083 mm的沙塵可被完全收集，粒徑小于0.083 mm的沙塵被大部分收集；當二次流被大幅削弱時，粒徑大于0.12 mm的沙塵可被完全收集，沙塵被完全收集的范圍明顯縮小。

二次流對促進風沙分離有積極作用，通過優化結構來產生大范圍的二次流是提高集沙效率的一個有效方法，可為設計更高集沙效率的集沙儀提供理論參考。

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