適用于免耕播種的葉片式拋送裝置的數(shù)值模擬

林德志，吳　努，陸永光，游兆延，徐弘博，胡志超

(1.農(nóng)業(yè)部 南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京　210014；2. 南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通　226019)

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適用于免耕播種的葉片式拋送裝置的數(shù)值模擬

林德志1，2，吳努2，陸永光1，2，游兆延1，徐弘博1，胡志超1

(1.農(nóng)業(yè)部 南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京210014；2. 南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通226019)

摘要：為了揭示全秸稈覆蓋地免耕播種機(jī)中葉片式拋送裝置流場(chǎng)分布情況及出料直管處氣流速度的影響因素，應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)拋送裝置進(jìn)行了數(shù)值模擬，在原模型的基礎(chǔ)上，對(duì)不同的葉片數(shù)、葉片直徑、葉片傾角和葉輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行對(duì)比模擬。模擬結(jié)果表明：殼體內(nèi)氣流速度沿葉輪徑向方向由內(nèi)向外逐漸升高，圓形殼體出料口處左側(cè)的氣流速度較右側(cè)高；4葉片內(nèi)部速度矢量及A截面的氣流速度分布較葉片數(shù)3和5均勻；拋送葉輪轉(zhuǎn)速越高、葉片直徑越大，A截面氣流速度越高；葉片后傾10°，更有利于秸稈物料拋送。

關(guān)鍵詞：全秸稈覆蓋；免耕播種機(jī)；葉片式拋送裝置；數(shù)值模擬

0引言

目前，我國(guó)面臨著重大的空氣污染問題，每逢秋末冬初，全國(guó)多個(gè)省份將會(huì)被持續(xù)的霧霾天氣籠罩著，不僅給人們的生產(chǎn)生活造成了影響而且極大地危害了人們的身體健康。農(nóng)田廢棄秸稈焚燒是造成空氣污染的主要原因之一。由于農(nóng)作物收獲后的農(nóng)田，地表會(huì)留有大量碎秸、殘茬，對(duì)于現(xiàn)行的免耕播種機(jī)來說，大量的碎秸、殘茬會(huì)引起機(jī)具入土部件掛草、壅堵和架種、晾種等問題，既影響作業(yè)質(zhì)量又影響作業(yè)順暢性[1]。農(nóng)民往往會(huì)就地焚燒秸稈以保證免耕播種機(jī)的正常作業(yè)。農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制出的全秸稈覆蓋地免耕播種機(jī)，能夠很好地解決以上問題，該機(jī)可一次性完成碎秸、清秸、播種、施肥，以及播種后覆秸等作業(yè)工序。葉片式拋送裝置是播種后覆秸的重要機(jī)構(gòu)，其高速旋轉(zhuǎn)的拋送葉輪產(chǎn)生的氣流是影響碎秸能否順利拋撒及功率消耗的重要因素。為此，利用CFD軟件中的FLUENT對(duì)拋送裝置進(jìn)行三維數(shù)值模擬，獲得其流場(chǎng)的基本特征，并分析研究拋送葉輪的葉片數(shù)、葉片直徑及葉片傾角對(duì)出料直管處的氣流速度的影響。

1數(shù)學(xué)模型與計(jì)算模型

1.1數(shù)學(xué)模型

拋送裝置的介質(zhì)為空氣，且氣體的流速也不是很高，因此可以把介質(zhì)看作是不可壓縮流體。同時(shí)，由于計(jì)算的拋送裝置進(jìn)出口溫升很小，熱交換量很小以至可以忽略，所以控制方程選用質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程，不考慮能量守恒方程。守恒方程可表示如下[2-3]：

質(zhì)量守恒方程，常稱連續(xù)性方程為

(1)

式中ρ—流體密度(kg/m3)；

t—時(shí)間(s)；

u、v、w—速度矢量在x、y和z方向的分量(m/s)。

動(dòng)量守恒方程(Navier-Stokes方程)為

(2)

(3)

(4)

式中g(shù)rad()=?()/?x+?()/?y+?()/?z；

p—流體微元上的壓力(Pa)；

μ—?jiǎng)恿φ扯?Pa·s)；

Su、Sv、Sw—?jiǎng)恿渴睾惴匠痰膹V義源項(xiàng)。

葉片式拋送裝置的氣流流場(chǎng)屬于湍流，計(jì)算時(shí)選用標(biāo)準(zhǔn)的κ-ε湍流模型，其方程可表示為

(5)

式中?！ㄓ玫臄U(kuò)散系數(shù)；

φ—通變量；

Sφ—通用的源項(xiàng)。

1.2計(jì)算模型

該機(jī)(全秸稈覆蓋地免耕播種機(jī))中的葉片式拋送裝置部分參數(shù)如表1所示。其計(jì)算區(qū)域?yàn)榻橘|(zhì)在拋送裝置的流動(dòng)空間，如圖1(a)所示。氣流從進(jìn)口開始，流經(jīng)拋送葉輪、圓形蝸殼出口及出料管道。首先在三維建模軟件UG中建立拋送葉輪、蝸殼和管道的實(shí)體模型，然后將UG所生成的葉輪、蝸殼和管道三維實(shí)體模型導(dǎo)入到CFD的前處理軟件GAMBIT中，通過GAMBIT中的移動(dòng)與旋轉(zhuǎn)命令、布爾減命令得到計(jì)算區(qū)域的實(shí)體模型。在建立出料管道時(shí)，增大了出口的計(jì)算區(qū)域，可以減少出料口處的氣流回流。

表1　葉片式拋送裝置部分參數(shù)

圖1葉片式拋送裝置計(jì)算區(qū)域與A截面平面圖

Fig.1The computing area of impeller blouer and the plan of section

2網(wǎng)格生成與計(jì)算方法

2.1網(wǎng)格生成

由于拋送裝置計(jì)算區(qū)域的復(fù)雜性，劃分網(wǎng)格時(shí)將其分成4個(gè)部分，分別是進(jìn)口區(qū)、葉輪拋送區(qū)、圓形殼體區(qū)和出料管道區(qū)。網(wǎng)格劃分采用CFD前處理軟件GAMBIT，劃分網(wǎng)格時(shí)采用適應(yīng)性相對(duì)較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和混合網(wǎng)格[4-5]，并根據(jù)計(jì)算區(qū)域的大小以及重要性采用大小不同的網(wǎng)格尺寸，整個(gè)計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)為564 473個(gè)。

2.2計(jì)算方法

拋送裝置的計(jì)算模型包含旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域，計(jì)算時(shí)采用多重參考坐標(biāo)系(MRF)模型[5-6]，將拋送葉輪區(qū)域設(shè)置在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，給定其旋轉(zhuǎn)速度為2 000r/min，其余的區(qū)域處于靜止?fàn)顟B(tài)，設(shè)置在固定坐標(biāo)系，且動(dòng)、靜2個(gè)區(qū)域之間設(shè)置為interface條件。由于拋送裝置的氣流入口和出口都是直接與大氣相通，所以將氣流入口設(shè)為壓力入口，出口設(shè)為壓力出口，初始?jí)毫ο鄬?duì)大氣壓力為0，參考?jí)毫?大氣壓力)設(shè)定為101 325Pa[5]。

采用有限體積法離散控制方程，對(duì)該拋送裝置的流場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)隱式、非耦合求解?？紤]到分子粘性對(duì)壁面附近區(qū)域的影響，因此近壁區(qū)域的流動(dòng)模擬運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，動(dòng)量、耗散率和湍動(dòng)能的離散格式均設(shè)置為精度較高的二階迎風(fēng)格式，對(duì)壓力-速度耦合運(yùn)用SIMPLE算法求解[7-8]。

3計(jì)算結(jié)果與分析

3.1計(jì)算方案的設(shè)計(jì)

葉片式拋送裝置中A截面如圖1(a)所示。其氣流速度的大小對(duì)物料能否順利拋撒及對(duì)整個(gè)裝置所消耗的功率的大小有著重要的影響。葉輪的結(jié)構(gòu)形式及其轉(zhuǎn)速的大小直接影響著A截面的氣流速度，所以模擬從葉輪結(jié)構(gòu)形式及其轉(zhuǎn)速著手，在原模型的基礎(chǔ)上分別又做了葉輪直徑為530mm和450mm，葉片數(shù)為4和5，葉片傾角為-15°、-10°、-5°、5°、10°、15°(負(fù)數(shù)表示傾角為前傾)，葉輪轉(zhuǎn)速為2 200、1 800、1 600r/min的計(jì)算模型。每個(gè)模型的網(wǎng)格生成方法與原模型的相同，F(xiàn)LUENT中邊界條件的設(shè)置也一樣，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

3.2葉片數(shù)的影響

(a)3葉片 (b)4葉片 (c)5葉片

圖2不同葉片數(shù)時(shí)葉輪殼體內(nèi)中間截面的速度矢量圖

Fig.2The velocity vectorin the middle sector of impeller shell for different blade number

在其他條件不變的情況下，分別做了葉片數(shù)為3、4、5的3種模型的數(shù)值模擬，分析葉片數(shù)對(duì)A截面氣流速度的影響及拋送裝置內(nèi)部流場(chǎng)的分布情況，結(jié)果如圖2和圖3所示，圖2為圓形殼體內(nèi)中間(Z=0mm)的速度矢量圖，圖3為原模型出料直管處A截面E線位置的氣流速度分布散點(diǎn)圖。圖4是不同葉片數(shù)出料直管處A截面E線位置的氣流速度散點(diǎn)圖。

從圖2可以看出：殼體內(nèi)氣流速度沿葉輪徑向方向由內(nèi)向外逐漸升高，主要原因是由于氣體分子在離心力作用下獲得動(dòng)能。另外，圓形殼體出料口處左側(cè)的氣流速度較右側(cè)高，這是因?yàn)楦咚傩D(zhuǎn)的葉片末端靠近圓形殼體出料口左側(cè)。由于葉片數(shù)量有限的緣故，氣流進(jìn)口附近存在著少量的渦流，且4葉片的氣流速度分布較3及5葉片均勻一些。這是由于4葉片的軸對(duì)稱性較好的緣故，所以4葉片更有利于秸稈的拋送。

由圖3可知：D和F線的氣流速度較E線的高，即A截面兩側(cè)的氣流速度較中間的高，符合實(shí)際工況；且F線的最高，這是因?yàn)槠淇拷M(jìn)風(fēng)口一側(cè)的原因。

由圖4可知：采用5葉片時(shí)E線的氣流速度較4和3葉片高，4葉片較3葉片高。這是由于進(jìn)口流量會(huì)隨著葉片數(shù)的增加而增大，而A截面的截面積一定， 所以氣流速度會(huì)隨著增大； 但當(dāng)葉片增加到一定的數(shù)量時(shí)，進(jìn)口流量反而降低[9]。4葉片的氣流速度相比于5和3葉片分布更為均勻一些，因此也更有利于秸稈的拋送。

圖3　A截面D、E、F線的氣流速度散點(diǎn)圖

圖4　不同葉片數(shù)A截面E線氣流速度散點(diǎn)圖

3.3葉片直徑和轉(zhuǎn)速的影響

在原拋送裝置計(jì)算模型不變的情況下，改變拋送葉輪的轉(zhuǎn)速，分別做了拋送葉輪轉(zhuǎn)速為2 200、2 000、1 800、1 600r/min的4種數(shù)值模擬，結(jié)果如圖5所示。且又在不改變拋送裝置其他尺寸的前提下，做了葉片直徑為600、530、450mm的數(shù)值模型，結(jié)果如圖6所示。

圖5　不同轉(zhuǎn)速A截面E線氣流速度散點(diǎn)圖

圖6　不同葉片直徑A截面E線的氣流速度散點(diǎn)圖

由圖5可見：葉輪的旋轉(zhuǎn)速度越高，A截面E線的氣流速度越大。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速越高，氣體分子所受到的離心力越大，獲得的動(dòng)能也就越大，進(jìn)而氣流速度也就越大。

由圖6可知：雖然采用葉片直徑為530mm與450mm時(shí)出料直管處右側(cè)氣流速度較葉片直徑為600mm高，分布也相對(duì)均勻，但葉片直徑為530mm及450mm的平均氣流速度較低，不利于秸稈物料的拋送。

3.4葉片傾角的影響

葉片式拋送裝置中拋送葉輪的葉片傾角分為前傾、徑向、后傾3種。在不改變拋送裝置其它尺寸的前提下，分別對(duì)傾角為-15°、-10°、-5°、0、5°、10°、15°(負(fù)數(shù)表示傾角為前傾)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，分別得到了各傾角的出料管道A截面E線的氣流速度散點(diǎn)圖，如圖7～圖9所示。

圖7　3種前傾葉片A截面E線氣流速度對(duì)照?qǐng)D

圖8　3種后傾葉片A截面E線氣流速度對(duì)照?qǐng)D

由圖7可知：葉片傾角為前傾5°時(shí)的A截面E線的平均氣流速度較其他兩種前傾葉片的氣流速度稍高一些，有利于秸稈物料的拋送。由圖8可知：后傾葉片中，葉片傾角為后傾10°時(shí)A截面E線的平均氣流速度較其它兩種后傾葉片的稍高一些，有利于秸稈物料的拋送。圖9中，對(duì)前傾5°、徑向以及后傾10°葉片相比較可知：后傾角為10°的葉片氣流速度稍高一些，更有利于秸稈物料的拋送。

圖9　前傾、后傾及徑向葉片A截面E線氣流速度對(duì)照?qǐng)D

4結(jié)論

1)Z=0平面中，拋送葉輪外側(cè)的速度高于內(nèi)側(cè)，圓形殼體出料口處左側(cè)的氣流速度較右側(cè)高；4葉片殼體內(nèi)部速度矢量以及A截面的氣流速度分布較為均勻，更有利于秸稈物料的拋送。

2)拋送葉輪的轉(zhuǎn)速越高、葉片直徑越大，A截面的氣流速度越高，越有利于秸稈物料的拋送。

3)當(dāng)葉片傾角為后傾10°時(shí)，A截面的氣流速度最高，更有利于拋送秸稈物料。

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Numerical Simulation and Analysis on Impeller Blower Apply to No-till Seeding

Lin Dezhi1，2, Wu Nu2, Lu Yongguang1，2, You Zaoyan1, Xu Hongbo1, Hu Zhichao1

(1.Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture, Nanjing 210014,China; 2.China Nantong University, Nantong 226019, China)

Abstract：Impeller blower had been simulated with FLUENT to reveal the distribution of fluid field and the influence factors of air velocity on straight pipe of the impeller blower in the straw mulching no-till planter, and some contrast simulations of different blade number, blade diameter, blade tilt angle and rotational speed had been did on the basis of the original model.The results showed that the air velocity of inner-shell increased along the radial direction of the impeller and the air velocity of the left side was higher than the right side on the circular shell discharging mouth; The internal velocity vector and the air velocity of a section of 4 blades were more uniformity than 3 blades and 5 blades;The air velocity of a section was higher when the rotational speed of the impeller was higher and the blade diameter was larger and it is more conductive to toss straw material when the blade angle was caster angle 10°.

Key words：whole stalk cover; no-till planter; impeller blower; numerical simulation

文章編號(hào)：1003-188X(2016)07-0090-05

中圖分類號(hào)：S223.2+6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：林德志(1989-)，男，安徽六安人，碩士研究生，(E-mail)961369927@qq.com。通訊作者：胡志超(1963-)，男，陜西藍(lán)田人，研究員，博士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)zchu369@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)花生產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系“機(jī)械化裝備崗位”項(xiàng)目(CARS-14-機(jī)械化裝備)；中國(guó)農(nóng)科院創(chuàng)新工程項(xiàng)目(2013-)；江蘇省農(nóng)機(jī)三新工程項(xiàng)目(NJ2013-13)

收稿日期：2015-06-16