場地膜稈分離裝置送風(fēng)方式改變下的流場模擬

劉夢霞 王春耀 羅建清

摘要：建立場地膜稈分離裝置初始模型，采用ansys軟件的“Fluent”模塊對其腔體內(nèi)流場壓力分布、速度分布進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：當(dāng)送風(fēng)速度為14 m/s，水平送風(fēng)，送風(fēng)口中心與腔體中心距離為125 mm時，腔體流場的壓力分布總體均勻，腔體內(nèi)下落粗棉稈和細(xì)棉稈的范圍相對較大，該工況下最合理，有利于地膜分離。

關(guān)鍵詞：場地膜稈；分離裝置；流場；送風(fēng)

中圖分類號： S225.91文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0432-03

地膜在我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用，但是如不解決好廢舊地膜回收問題，則會污染農(nóng)田和生活環(huán)境，對我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成威脅[1-3]。廢舊地膜中往往摻雜著粗棉稈、細(xì)棉稈等雜質(zhì)，所以廢舊地膜分離工作尤為重要，分離出的地膜可以回收再利用，從而有效節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境[4-7]。目前國內(nèi)外有關(guān)場地膜稈分離裝置的研究尚不完全。本研究采用流場數(shù)值模擬技術(shù)，對不同送風(fēng)方式下場地膜稈分離裝置進(jìn)行仿真，對其內(nèi)部流場的壓力分布和速度分布進(jìn)行研究，以期為場地膜稈分離裝置設(shè)計提供依據(jù)。

1場地膜稈分離裝置的工作原理

[JP3]從風(fēng)機(jī)吹出的正壓氣流與從進(jìn)料口下落的物料混合后一起進(jìn)入腔體，在腔體負(fù)壓的作用下進(jìn)行輸送，腔體內(nèi)部逐漸由負(fù)壓輸送轉(zhuǎn)化為正壓輸送，最終輸送出物料。經(jīng)實地測量，粗棉稈的懸浮速度為8～10 m/s，細(xì)棉稈的懸浮速度為6～8 m/s，地膜的懸浮速度為2 m/s，地膜與棉稈的懸浮速度相差較大，因此利用其較大的速度差，物料依次落下，最后分離出地膜。

2基本參數(shù)和控制方程

通過改變送風(fēng)速度、送風(fēng)角度、送風(fēng)口位置，比較其流場內(nèi)部的速度分布、壓力分布，找到其最佳工作狀態(tài)。

流體在管道內(nèi)的流動為湍流流動[8-10]，定義管道內(nèi)部的流場是不可壓縮、定常等溫流場，湍流流動采用k-ε模型[11-14]，在直角坐標(biāo)下的各控制方程如下。

3.1邊界條件

根據(jù)腔體特點，將送風(fēng)口類型設(shè)為“velocity-inlet”，送風(fēng)速度設(shè)為10 m/s，出口處類型設(shè)為“outflow”，進(jìn)料口類型設(shè)為“velocity-inlet”，送風(fēng)速度設(shè)為0 m/s。假設(shè)在平衡狀態(tài)下送料，物料和送風(fēng)氣流混合后進(jìn)入管道，管道的其他固定邊界設(shè)為“wall”。

3.2網(wǎng)格劃分

用UG軟件對實體進(jìn)行建模，然后使用適用性很好的Tgrid混合網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成的網(wǎng)格數(shù)約為 52 340 個，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示。

4結(jié)果與分析

4.1初始模型的模擬分析

[CM（24]采用ansys軟件的“Fluent”模塊對場地膜稈分離裝置進(jìn)[CM）]

[FK（W10][TPLMX1.tif][FK）]

行流場分析，經(jīng)過實地測量得到相關(guān)尺寸參數(shù)：外形尺寸 6 000 mm×1 000 mm×1 300 mm，送風(fēng)口尺寸600 mm×150 mm，進(jìn)料口尺寸400 mm×200 mm。

經(jīng)過“Fluent”模塊模擬分析裝置內(nèi)的流場，可以得到流場在整個腔體內(nèi)的壓力分布（圖2）和速度分布（圖3）。

由圖2可見，流體在腔體前1/3處的壓力為負(fù)值，即負(fù)壓區(qū)；從腔體1/3位置往后，壓力為正值，即正壓區(qū)。說明管道內(nèi)部是從負(fù)壓輸送到正壓，在腔體長度X>4 000 mm 范圍內(nèi)，壓力基本保持不變。由圖3可見，流場在腔體內(nèi)的速度從前往后逐漸減小，且腔體前半部分速度分布不均勻，各點速度分散，不夠密集，腔體后半部分速度分布較均勻，在X>4 000 mm 范圍內(nèi)，速度基本保持在2 m/s以下。也就是說，初始模型不太合理，不能有效利用腔體空間。

4.2送風(fēng)速度改變的模擬分析

在腔體中心線上每隔100 mm選1個點，共選出60個點，計算每個點所在面的壓力和速度平均值，繪制成曲線。將送風(fēng)速度分別提高為12、14、16 m/s，比較送風(fēng)速度改變對流場壓力分布和速度的影響。

由圖4可見，當(dāng)送風(fēng)速度提高到12 m/s時，負(fù)壓值變大，但是負(fù)壓區(qū)范圍減小，氣體進(jìn)入正壓區(qū)后，壓力大于初始模型的壓力，變化較平穩(wěn)；當(dāng)送風(fēng)速度提高到14 m/s時，負(fù)壓區(qū)范圍明顯擴(kuò)大，且負(fù)壓值大于其他工況的負(fù)壓值；當(dāng)送風(fēng)速度提高到16 m/s時，負(fù)壓區(qū)范圍擴(kuò)大，且負(fù)壓值增大，但是其增加范圍和幅度小于送風(fēng)速度為14 m/s的工況。

由圖5可見，當(dāng)送風(fēng)速度提高到12 m/s時，在送風(fēng)速度v≥6 m/s的范圍內(nèi)，流場速度大于初始模型速度；在v≤6 m/s 的范圍內(nèi)，流場速度小于初始模型速度，且v≥6 m/s的范圍和2 m/s≤v≤6 m/s的范圍都比初始模型小，沒有達(dá)到優(yōu)化目的；當(dāng)送風(fēng)速度提高到14 m/s時，只有在 1 900 mm≤X≤2 500 mm范圍內(nèi)，流場速度小于初始模型速度（v≤2 m/s忽略不計），有利于棉稈下落，且v≥6 m/s 的范圍和2 m/s≤v≤6 m/s 的范圍都比初始模型大，達(dá)到了優(yōu)化目的；當(dāng)送風(fēng)速度提高到16 m/s時，v≥6 m/s的范圍和 2 m/s≤v≤6 m/s的范圍明顯比初始模型大，但是流場速度在腔體前1/3處波動十分劇烈，不利于棉稈分離。即隨著送風(fēng)速度加快，v≥6 m/s 的范圍和2 m/s≤v≤6 m/s 的范圍與初始模型相比流場速度增大（送風(fēng)速度12 m/s情況下例外）。

[FK（W10][TPLMX5.tif][FK）]

綜合考慮送風(fēng)速度加快對腔體內(nèi)流場壓力、速度的影響，可知當(dāng)送風(fēng)速度提高到14 m/s時，負(fù)壓區(qū)范圍明顯增大，且負(fù)壓值大于其他工況的負(fù)壓值，有利于物料進(jìn)入，v≥6 m/s的范圍和2 m/s≤v≤6 m/s的范圍都比初始模型大，達(dá)到了優(yōu)化目的。

4.3送風(fēng)角度改變的模擬分析

初始模型的送風(fēng)角度為0，即水平送風(fēng)。改變送風(fēng)角度，將送風(fēng)角度向上偏5°和向下偏5°，取點方法與前面相同，計算每個點所在面的壓力及速度平均值，繪制成曲線，比較改變送風(fēng)角度對流場壓力分布和速度分布的影響。

由圖6可見，當(dāng)送風(fēng)角度向上偏移5°時，負(fù)壓區(qū)范圍明顯增大，約占整個腔體的72%，且負(fù)壓值相較于其他2種工況變大；正壓區(qū)范圍相對很小，約占整個腔體的28%。當(dāng)送風(fēng)角度向下偏移5°時，負(fù)壓區(qū)范圍減小，且負(fù)壓值小于初始模型的負(fù)壓值；進(jìn)入正壓區(qū)后，壓力大于初始模型的壓力。即送風(fēng)角度上偏，負(fù)壓區(qū)范圍明顯增大，負(fù)壓值變大，正壓區(qū)范圍縮小，正壓值變?。凰惋L(fēng)角度下偏，負(fù)壓區(qū)范圍減小，負(fù)壓值變大，正壓區(qū)范圍增大，正壓值變大。

由圖7可見，當(dāng)送風(fēng)角度向上偏移5°時，流場速度基本上不高于6 m/s，即分離不出粗棉稈；2 m/s≤v≤6 m/s的范圍在腔體前端13%處，腔體剩余部分v≤2 m/s，沒有充分利用腔體，這種工況不合理；當(dāng)送風(fēng)角度向下偏移5°時，v≥6 m/s 的范圍明顯減小，且只有在腔體長度X≤800 mm范圍內(nèi)，流場速度大于初始模型速度，其他范圍流場速度小于初始模型的流場速度，2 m/s≤v≤6 m/s的范圍也減小，整體情況不如水平送風(fēng)的工況好。

綜上，隨著送風(fēng)角度增加，流場速度減小，且送風(fēng)角度向上偏的流場速度小于送風(fēng)角度向下偏的流場速度，水平送風(fēng)為最合理工況。

4.4送風(fēng)口位置改變的模擬分析

按照上述方法取點，計算每個點所在面的壓力和速度平均值，繪制成曲線，比較改變送風(fēng)口位置對流場壓力分布和速度分布的影響。初始模型送風(fēng)口中心距離腔體中心275 mm，改變送風(fēng)口中心與腔體中心的距離分別為200、125、50、0 mm（即送風(fēng)口在腔體中心位置）。

由圖8可見，當(dāng)送風(fēng)口中心與腔體中心距離為200 mm時，負(fù)壓區(qū)范圍較其他工況更大，進(jìn)入正壓區(qū)后，1 900 mm≤X≤2 500 mm范圍內(nèi)，壓力小于初始模型壓力，在X≥2 500 mm 范圍內(nèi)，壓力值大于初始模型壓力。當(dāng)送風(fēng)口中心與腔體中心距離為125 mm時，負(fù)壓區(qū)范圍較初始模型增大，且負(fù)壓區(qū)壓力值大于初始模型壓力值，有利于物料進(jìn)入腔體，進(jìn)入正壓區(qū)后，1 900 mm≤X≤2 800 mm范圍內(nèi)，壓力值小于初始模型壓力值，在X≥2 800 mm范圍內(nèi)，壓力值大于初始模型壓力。當(dāng)送風(fēng)口中心與腔體中心距離為50 mm時，負(fù)壓值范圍基本保持不變，但是負(fù)壓值明顯增大，且波動性大，很不穩(wěn)定，進(jìn)入正壓區(qū)后，壓力值與初始模型壓力值相差不大。當(dāng)送風(fēng)口中心與腔體中心距離為0 mm時，負(fù)壓區(qū)范圍明顯減小，且負(fù)壓值小于初始模型負(fù)壓值，不利于物料進(jìn)入，進(jìn)入正壓區(qū)后，壓力大于初始模型壓力。即送風(fēng)口位置越往下，負(fù)壓區(qū)范圍偏小。

由圖9可見，當(dāng)送風(fēng)口中心與腔體中心距離為200 mm時，在X≤1 300 mm范圍內(nèi)，流場速度明顯加快，即靠近腔體前端，流場速度明顯加快，v≥6 m/s的范圍稍減小，2 m/s≤v≤6 m/s的范圍基本與初始模型一致。當(dāng)送風(fēng)口中心與腔體中心距離為125 mm時，v≥6 m/s的范圍基本與初始模型一致，2 m/s≤v≤6 m/s的范圍較其他工況更大，有利于分離出細(xì)棉稈，v≤2 m/s的范圍較小，提高了腔體利用率。當(dāng)送風(fēng)口中心與腔體中心距離為50 mm時，流場內(nèi)速度明顯降低，幾乎沒有v≥6 m/s的范圍，達(dá)不到分離棉稈的目的。送風(fēng)口中心與腔體中心距離為0 mm時，流場內(nèi)速度相較于其他工況更低，沒有v≥6 m/s的范圍，達(dá)不到分離棉稈的目的。即送風(fēng)口位置靠上，v≥6 m/s的范圍偏大。

綜上，當(dāng)送風(fēng)口中心與腔體中心距離為125 mm時，負(fù)壓區(qū)范圍較初始模型增大，且負(fù)壓區(qū)壓力值大于初始模型壓力值，有利于物料進(jìn)入腔體，在大部分正壓區(qū)范圍內(nèi)，壓力值大于初始模型壓力，有利于物料輸送，且2 m/s≤v≤6 m/s的范圍較其他工況更大，有利于分離出細(xì)棉稈，v≤2 m/s的范圍較小，提高了腔體利用效率。

5結(jié)論

隨著送風(fēng)速度加快，v≥6 m/s的范圍和2 m/s≤v≤6 m/s 的范圍流場速度與初始模型相比增大（送風(fēng)速度 12 m/s 情況下例外）；當(dāng)送風(fēng)速度提高到14 m/s時，負(fù)壓區(qū)范圍明顯增大，且負(fù)壓值大于其他工況的負(fù)壓值，有利于物料進(jìn)入，v≥6 m/s 的范圍和2 m/s≤v≤6 m/s的范圍流場速度與初始模型相比都比初始模型大。

送風(fēng)角度上偏，負(fù)壓區(qū)范圍明顯增大，負(fù)壓值變大，正壓區(qū)范圍縮小，正壓值變?。凰惋L(fēng)角度下偏，負(fù)壓區(qū)范圍減小，負(fù)壓值變大，正壓區(qū)范圍增大，正壓值變大；隨著送風(fēng)角度增加，流場速度減小，且送風(fēng)角度向上偏的流場速度小于送風(fēng)角度向下偏的流場速度，水平送風(fēng)為最合理工況。

送風(fēng)口位置越往下，負(fù)壓區(qū)范圍越小，送風(fēng)口位置靠上，v≥6 m/s 的范圍偏大。當(dāng)送風(fēng)口中心與腔體中心距離為 125 mm 時，負(fù)壓區(qū)范圍較初始模型增大，且在負(fù)壓區(qū)壓力值大于初始模型壓力值，大部分正壓區(qū)壓力值大于初始模型壓力，有利于物料輸送，且2 m/s≤v≤6 m/s的范圍流場速度較其他工況更大，有利于分離出細(xì)棉稈，v≤2 m/s的范圍流場速度較小，提高了腔體利用效率。

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