軟摘錠采棉機(jī)采摘頭三維流場的數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究

馬清亮，王維新，劉克毅，葉偉，瞿端陽

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子832003）

軟摘錠采棉機(jī)采摘頭三維流場的數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究

馬清亮，王維新，劉克毅，葉偉，瞿端陽

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子832003）

針對(duì)統(tǒng)收式采棉機(jī)采摘頭內(nèi)物料在氣力輸送過程中造成的堵塞問題，需研究物料在分離過程中受到流體在不同風(fēng)速、滾筒轉(zhuǎn)速等影響因素下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。本文利用流體力學(xué)軟件Fluent對(duì)4MBR－2型統(tǒng)收式軟摘錠采棉機(jī)采摘頭的內(nèi)部流場進(jìn)行三維模擬，分析了采摘頭內(nèi)部在不同風(fēng)速及滾筒轉(zhuǎn)速下的流場特性，并對(duì)計(jì)算得出的風(fēng)速與試驗(yàn)測得的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明二者的最大相對(duì)誤差小于7%，同時(shí)得出了風(fēng)速在20m／s和25m／s時(shí)采摘頭內(nèi)流場的速度分布和壓力分布。模擬分析表明，入口風(fēng)速在20m／s時(shí)，在出料口附近有明顯的湍流成型，是造成物料堵塞的主要原因。

采棉機(jī)；采摘頭；三維流場；數(shù)值模擬

新疆作為優(yōu)質(zhì)棉的主產(chǎn)區(qū)，隨著種植面積的增加以及勞動(dòng)力的短缺，采用采棉機(jī)采收不僅可以提高采收效率，而且可以降低采收成本。2011年初，新疆兵團(tuán)提出要用5年左右時(shí)間全面實(shí)現(xiàn)采棉機(jī)械化，計(jì)劃2011年種植機(jī)采棉23.3萬hm2，約占棉花播種總面積的一半［1］。然而目前新疆采棉機(jī)主要依賴于進(jìn)口，其中最具有代表性的是美國DEERER／CASE的水平摘錠采棉機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是工作效率高，穩(wěn)定性能好。該機(jī)的水平摘錠結(jié)構(gòu)復(fù)雜，雖然對(duì)此已經(jīng)有一定的研究［2］，但是由于其購置和使用費(fèi)高，維修不方便，實(shí)現(xiàn)全面推廣仍有一定的難度，因此，在當(dāng)前形式下大力發(fā)展本土采棉機(jī)，不僅可以作為現(xiàn)行采棉機(jī)種類的一種補(bǔ)充，而且在自主研制過程中也具有了極大的潛力和動(dòng)力。

近年來，石河子勝凱公司與石河子大學(xué)機(jī)電學(xué)院等相關(guān)科研單位合作研制成功了FS4M－2R和4MBR－3型滾筒式軟摘錠采棉機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡易，造價(jià)低廉，符合新疆棉花采收的需要。近3年的田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該機(jī)存在以下問題：采摘物（主要包括籽棉、鈴殼、棉桃、棉葉，棉稈等）在采摘后，會(huì)出現(xiàn)混雜在一起的現(xiàn)象，而且在輸送過程中，由于籽棉屬纖維物質(zhì)，很容易粘附在其它采摘物上，這樣不僅會(huì)造成輸送系統(tǒng)不通暢，運(yùn)行工作效率偏低，而且在清雜系統(tǒng)中也不易分離，降低了棉花品質(zhì)［3］。因此，要實(shí)現(xiàn)該采棉機(jī)的順利投產(chǎn)，其輸送易堵塞的問題急需解決。張宏文等［4］通過對(duì)在膠棒滾筒棉花采摘頭的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)中對(duì)棉花采摘率等相關(guān)影響因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，證明了滾筒轉(zhuǎn)速、風(fēng)速等因素對(duì)物料輸送會(huì)有較大影響；葉偉［5］和劉克毅［6］通過軟摘錠采棉機(jī)氣力輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真的研究，對(duì)風(fēng)機(jī)出口至分流管的流場進(jìn)行模擬，得出了通過設(shè)置幾種不同角度的導(dǎo)向板、曲率彎管的方法使得流場分布更加均勻。但是，從目前田間的勞作經(jīng)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)研究角度以及考慮管道流場分布來對(duì)物料輸送的影響因素進(jìn)行的研究來看，采摘頭內(nèi)由正壓風(fēng)輸送物料的堵塞依然存在。因此，本文利用流體軟件Fluent對(duì)采摘頭內(nèi)部流場分析進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對(duì)流場的分析，得出物料產(chǎn)生堵塞的原因，為減少堵塞、提高輸送效率提供研究基礎(chǔ)。

1 采摘頭結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 簡化的采摘頭結(jié)構(gòu)［7－8］

研究對(duì)象以FS4M－2R型滾筒式軟摘錠采棉機(jī)改進(jìn)的試驗(yàn)臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。在采收過程中，棉株從進(jìn)棉口經(jīng)過導(dǎo)棉器向內(nèi)壓縮，由2根對(duì)稱滾筒上的摘錠擊打使籽棉脫落，在摘錠作用力及風(fēng)力的共同作用下，進(jìn)入到側(cè)面的輸送區(qū)內(nèi)，經(jīng)過出料口進(jìn)入到后續(xù)的輸送裝置中。

圖1 采摘頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Schematic diagram of the Brush－roll Stripper

1.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

1.2.1 采摘頭結(jié)構(gòu)及配套動(dòng)力

建立的采摘頭模型結(jié)構(gòu)尺寸與實(shí)際尺寸均比例為1∶1，外廓尺寸為1385mm×690mm×905mm；滾筒長度為1150mm，直徑105mm；進(jìn)風(fēng)口直徑100mm；出料口直徑260mm；風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)為：葉輪外徑400mm，內(nèi)徑270mm；配套動(dòng)力為4 kW，額定轉(zhuǎn)速2800r／min。

1.2.2 進(jìn)出口風(fēng)速測試結(jié)果分析

由于需要采摘頭在短時(shí)間內(nèi)通過氣力把采收的定量的棉花輸送到出料口，在此過程中，由于受到相關(guān)阻力等因素的影響，會(huì)使風(fēng)速逐漸降低?？篆嚕?］對(duì)氣體－固體顆粒兩相流在管內(nèi)流型的研究表明，當(dāng)通過管道的空管氣流速度v由高到低變化時(shí)，會(huì)出現(xiàn)以下情況：

（1）均勻流，即v大于經(jīng)濟(jì)氣流v1許多時(shí)，顆粒群在氣流中跳躍懸浮輸送；

（2）疏密流，即v速度降低，但仍大于v1時(shí)，重力的影響變得顯著起來，大部分顆粒仍懸浮輸送，但管底顆粒則是滾動(dòng)前進(jìn)；

（3）沙丘流及柱狀流則是v小于v1并降到沉積速度時(shí)，顆粒群開始沉降，氣流速度遇到阻力不斷降低，顆粒會(huì)繼續(xù)沉降，直至堵塞。

在棉廠中對(duì)籽棉的實(shí)際風(fēng)速測定值分別為：沉降速度6～12m／s，起步速度10～15m／s，懸浮速度18～22m／s。為滿足籽棉的輸送通暢，須要保證空管速度不得低于經(jīng)濟(jì)氣流速度并降低到沉積速度，并且要滿足把籽棉從其他物料中相分離的標(biāo)準(zhǔn)，這要求采摘頭內(nèi)入口風(fēng)速要大于懸浮速度。結(jié)合采收實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及顆粒懸浮理論值等因素，考慮對(duì)風(fēng)速分別在20m／s和25m／s及滾筒轉(zhuǎn)速在350～400r／min采棉機(jī)的采凈率較高時(shí)的流場變化進(jìn)行分析。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格生成

數(shù)值模擬計(jì)算采取FS4M－2R型采摘頭內(nèi)部流場流動(dòng)空間作為計(jì)算區(qū)域，氣流從采摘頭進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，經(jīng)過側(cè)面的輸送槽，最后從出料口吹出。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，采用Solidworks建立的采摘頭內(nèi)部滾筒及風(fēng)道模型，將其保存為ACIS格式，然后導(dǎo)入前處理軟件GAMBIT軟件對(duì)流場區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于將整機(jī)作為計(jì)算區(qū)域，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此采取非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格來劃分，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)復(fù)雜邊界模型作用明顯，適應(yīng)性較強(qiáng)。網(wǎng)格總數(shù)為1294670，經(jīng)過質(zhì)量Grid Quality檢查，網(wǎng)格的等角斜率和等尺斜率都小于0.8，說明網(wǎng)格質(zhì)量良好，設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)收斂精度。

計(jì)算域及網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格單元圖Fig.2Computational domain and unstructured mesh

2.2 計(jì)算模型

由于計(jì)算區(qū)域?qū)儆谝环N高雷諾數(shù)模型區(qū)域，因此選用標(biāo)準(zhǔn)κ－ε雙方程湍流模型求解，其中包括κ－湍流動(dòng)能方程（J）和ε－耗散率方程（%）［10］：

式（1）、（2）中：Gκ是湍流動(dòng)能；YM是過渡擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)；C1、C2、C3是常數(shù)，C1＝1.44，C2＝1.92，C3＝0.09；σκ

－是κ方程湍流Prandtl數(shù)；σκ－是ε方程湍流Prandtl數(shù)；Sκ和Se用戶定義。

2.3 計(jì)算方法

求解器選用三維定常流場隱式分離求解器，采用有限積分法離散控制方程，選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)為近壁面流動(dòng)模擬，其中連續(xù)性方程和動(dòng)量方程采用二階迎風(fēng)格式，松弛因子選取參數(shù)采取軟件中的默認(rèn)值，壓力－速度耦合選擇SIMPLE算法，這樣可以提高收斂精度，使計(jì)算更加精確。

2.4 邊界條件

在Fluent計(jì)算中，首先對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，保證最小體積是正值。設(shè)置進(jìn)口邊界條件為速度進(jìn)口（v為流體速度），對(duì)滾筒轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置（ω為滾筒轉(zhuǎn)速）時(shí)，采用MRF方法求解，設(shè)置滾筒WALL在Fluent中改為interface，這樣2個(gè)區(qū)域中的數(shù)據(jù)才能交流。然后給定初始條件v1＝20m／s，v2＝25 m／s，ω1＝5.5r／s，ω2＝6.5r／s；設(shè)置出口邊界條件為壓力出口，給定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件作為邊界值；流動(dòng)邊界采用軟件默認(rèn)的無滑移壁面條件。

3 模擬結(jié)果與分析

通過Fluent的計(jì)算與分析，分別得出了采摘頭內(nèi)流場流速在20m／s、25m／s及滾筒轉(zhuǎn)速在5.5r／s、6.5r／s時(shí)的壓力、速度分布及各自矢量圖，由此可以分析出流體在流動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)形式，為進(jìn)一步優(yōu)化影響因子提供了研究依據(jù)。

圖3是進(jìn)口速度在20m／s時(shí)的速度矢量圖和壓力分布圖，圖4是進(jìn)口速度在25m／s時(shí)的速度矢量圖和壓力分布圖，圖5是在入口風(fēng)速為20m／s，滾筒轉(zhuǎn)速分別為5.5r／s和6.5r／s時(shí)的速度矢量圖。

圖3 20m／s時(shí)的截面（Y＝100）速度矢量圖（a）及壓力分布圖（b）Fig.3The velocity vectors and static pressure of the 20m／s section（Y＝100）

圖4 25m／s時(shí)的截面（Y＝100）速度矢量圖（a）及壓力分布圖（b）Fig.4The velocity vectors and static pressure of the 25m／s section（Y＝100）

圖5 20m／s時(shí) W＝5.5r／s（a）、W＝6.5r／s（b）時(shí)的截面（Y＝100）速度矢量圖Fig.5The roller rotary speed in 5.5r／s and 6.5r／s vectors of the 20m／s section（Y＝100）

從圖3a可見：隨著流體的行進(jìn)，速度在逐漸衰減，且流道中氣流出現(xiàn)了回流現(xiàn)象，這對(duì)物料的正常輸送會(huì)造成影響；隨著氣流速度的增加，回流對(duì)物料輸送過程的影響在逐漸降低，并且流體主要還是集中在側(cè)面輸送槽道中，滿足籽棉的輸送要求。

從圖3b可以看出：由于回流出現(xiàn)在出料口附近，因此出料口處所受的壓力較之圖4b回流遠(yuǎn)離出料口處要大，而圖4b中顯示流道內(nèi)壓力沒有太大突變，整體壓力分布較均勻，對(duì)物料的輸送影響較低。

從圖5可知：在速度一定的情況下，隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加，流體對(duì)物料在受到氣力等共同作用下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了很大的影響。

4 模擬結(jié)果與試驗(yàn)值比較

入風(fēng)口速在20m／s和25m／s時(shí)的出口氣流速度數(shù)值模擬及試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析如圖6a和圖6b所示。根據(jù)測試的方法采取等面積法［11］，結(jié)合軟件分析結(jié)果，選取離出料口方向截面（X＝250～550 mm）為測試位置，將流體通過的截面等距離劃分，在截面Z軸上取3個(gè)點(diǎn)，X軸上取4點(diǎn)，以入口風(fēng)速20m／s（Y＝100mm）為例，將測試結(jié)果同軟件分析的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)比結(jié)果如圖6c所示。

由圖6a和圖6b可知：實(shí)測值與理論值的最大誤差率分別在5%和7%左右，且模擬值與測量值曲線大致相同。

圖6c顯示了入口速度在20m／s時(shí)，在離出料口處250mm～550mm處氣流的變化，其趨勢(shì)基本一致，流體速度從左到右經(jīng)歷了由大變小，再逐漸變大的過程。這說明在此處有湍流存在，致使氣流回旋，同時(shí)造成高速氣流沖擊出料口壁面，使得壓力也變大。氣流在此回繞，就易會(huì)引起物料堵塞。

圖6 20m／s時(shí)的出口風(fēng)速模擬值與測量值的對(duì)比Fig.6Comparison of simulated velocities with values in the outlet of 20m／s，25m／s and in the position of Y＝100mm of 20m／s

5 結(jié)論

（1）采用流體軟件Fluent對(duì)采摘頭的數(shù)值模擬分析，直觀地得到了不同風(fēng)速下采摘頭內(nèi)部壓力場和速度場的分布情況，清晰地分析出物料輸送過程中所受到的影響因子，通過改變輸送風(fēng)速與轉(zhuǎn)速達(dá)到物料通暢的要求，這樣不僅降低了成本，也節(jié)約了時(shí)間。

（2）通過數(shù)值模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證，得出實(shí)測值與模擬值的最大誤差率在7%以內(nèi)，并且對(duì)回流現(xiàn)象做出驗(yàn)證，證明了軟件模擬的正確性與可行性，并因此得了可靠的風(fēng)速范圍在20～25m／s之間。

（3）研究得出了采摘頭內(nèi)物料受正壓風(fēng)和滾筒轉(zhuǎn)速影響時(shí)流體的速度及壓力分布情況，為進(jìn)一步提高研究準(zhǔn)確性，還需要對(duì)在兩相流體運(yùn)動(dòng)中物料顆粒的分布形態(tài)建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程并進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

［1］http：／／info.textile.hc360.com／2011／05／101005405085.shtml.

［2］畢新勝，王維新，吳傳宇，等.采棉機(jī)水平摘錠的工作原理及力學(xué)分析［J］.石河子大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，25（6）786－789.

［3］Wanjura D F，Brashears A D.Factors influencing cotton stripper performance［J］.Trans ASAE，1983，26：54－58.

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［5］葉偉.軟摘錠采棉機(jī)氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真［D］.石河子：石河子大學(xué)，2010：57－66.

［6］劉克毅.統(tǒng)收式采棉機(jī)風(fēng)送系統(tǒng)設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)模型研究［D］.石河子：石河子大學(xué)，2011：44－46.

［7］趙巖，王維新.FS4M－2R滾筒式軟摘錠采棉機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.新疆農(nóng)機(jī)化，2008（5）：13－14.

［8］馬娟，王維新，趙巖.滾筒式采棉機(jī)采摘頭的設(shè)計(jì)與研究［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2010，32（2）：120－122.

［9］孔瓏.兩相流體力學(xué) ［M］.北京：高等教育出版社，2004：107－109.

［10］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［11］王娟，王春光，王芳.基于Fluent的9R－40型揉碎機(jī)三維流場數(shù)值模擬［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（2）：165－169.

Experiment and Numerical Simulation on Three－dimensional Turbulence Air flow of the Brush－roll Stripper

MA Qingliang，WANG Weixin，LIU Keyi，YE Wei，QU Duanyang
（College of Machinery and Electricity Engineering，Shihezi University，Shihezi 832003，China）

According to the congestion problem of the materials in the transportation process caused by fluid in the Brush－roll Stripper，it is essential to study the movement law of fluid under different wind speed and roller rotary speed，which are the main influencing factors.In this essay，the three dimensional inner flow fields of 4MBR－2brush－roll stripper will be simulated with Fluent software.The simulated results show its properties under different wind speed and roller rotary speed of the flow fields.By comparing numerical simulation curves with experiment data，the outcome shows that the relative error of two sets of data is less than 7%，and the distributions of pressure and velocity of flow fields were obtained from the simulated results under the wind speed of 20m／s and 25m／s.By analyzing the simulated results of flow field，when the wind speed reach the 20m／s，a reversed flow is formed in the outlet，which could cause a block.Therefore，it is found more superior conveying wind speed range could save more time and labor costs.

brush－roll Stripper；flow fields；computer simulation

S225.911

A

1007－7383（2011）06－0762－05

2011－09－03

石河子大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（YJCX2010－Y16）

馬清亮（1987－），男，碩士生，專業(yè)方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化工程；e－mail：maqingliang.2008＠163.com。

王維新（1958－），男，教授，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)及機(jī)器系統(tǒng)研究；e－mail：wwx＿mac＠shzu.edu.cn。