新型農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀排沙口降速問題研究

宋　濤，陳　智，司志民，宣傳忠

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，呼和浩特　010018)

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新型農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀排沙口降速問題研究

宋濤，陳智，司志民，宣傳忠

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，呼和浩特010018)

摘要：農(nóng)田土壤風(fēng)蝕會導(dǎo)致土壤質(zhì)量退化，甚至出現(xiàn)荒漠化。防止農(nóng)田土壤退化，研究其風(fēng)蝕機理是關(guān)鍵，而集沙儀是研究土壤風(fēng)蝕的必需儀器。隨著自動控制理論在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用，為集沙儀配備自動采集系統(tǒng)是一個發(fā)展趨勢。由于集沙儀排沙口氣流對稱重天平的沖擊是引起數(shù)據(jù)波動的主要來源，所以降低集沙儀排沙口氣流速度是很關(guān)鍵的。為此，提出了設(shè)計一臺新型農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀以解決排沙口降速問題的新思路。首先，闡述了新型農(nóng)田集沙儀的設(shè)計原理；隨后，通過數(shù)值模擬方法對其關(guān)鍵部件風(fēng)沙分離器進行了數(shù)值模擬，得出了其內(nèi)部速度矢量場模擬圖；最后，通過煙流試驗和風(fēng)洞試驗對數(shù)值模擬結(jié)果進行了驗證。結(jié)果表明：數(shù)值模擬結(jié)果是可靠的；當(dāng)新型農(nóng)田集沙儀受強風(fēng)環(huán)境影響時，其排沙口氣流的降速幅度達84%，可較好地緩解排沙口氣流對稱重天平的沖擊。該研究也可為新型農(nóng)田集沙儀的后續(xù)研究提供理論支持。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀；數(shù)值模擬；煙流試驗；風(fēng)洞試驗

0引言

農(nóng)田土壤風(fēng)蝕是農(nóng)田土壤中細粒物質(zhì)、土壤養(yǎng)分和有機質(zhì)在風(fēng)力作用下發(fā)生吹蝕、搬運與沉積的過程，是我國北方旱作農(nóng)業(yè)區(qū)所面臨的嚴重問題[1]。我國每年因風(fēng)蝕造成的地表土壤流失量相當(dāng)于全國耕地每年被剝?nèi)?cm厚的肥土層，損失的氮、磷、鉀養(yǎng)分相當(dāng)于4 400萬t的化肥，超過了我國化肥1年的施用量[2]。當(dāng)吹蝕風(fēng)速大于農(nóng)田土壤可蝕性顆粒的起動風(fēng)速時，可蝕性顆粒便會脫離地表而隨風(fēng)移動，以懸移、躍移和蠕移3種形式進行輸送，不僅造成地表細粒物質(zhì)、土壤養(yǎng)分和有機質(zhì)的大量流失，而且也影響農(nóng)作物的正常生長，產(chǎn)生大范圍的粉塵污染，影響人類身體健康和社會經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展[3]。農(nóng)田土壤風(fēng)蝕緣于氣候、土壤和植被等多個風(fēng)蝕影響因子的綜合作用，但不同的耕作方式和種植模式對農(nóng)田風(fēng)蝕的影響也很大[4]。研究農(nóng)田土壤風(fēng)蝕機理，闡釋風(fēng)蝕氣候侵蝕力的特點和對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的主要危害，可以對農(nóng)田進行有針對性的保護性耕作，進而減輕農(nóng)田土壤侵蝕和沙塵暴的發(fā)生。

風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)表征了土壤可蝕性顆粒在搬運層內(nèi)隨垂直高度的分布特征及變化規(guī)律，而研究風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)可以認識土壤可風(fēng)蝕性顆粒運動的起動機制和運動特征，對農(nóng)田土壤風(fēng)蝕的防治工作有著重要的指導(dǎo)意義[1]。農(nóng)田土壤風(fēng)蝕集沙儀是一種能夠采集農(nóng)田土壤風(fēng)蝕過程中隨風(fēng)搬運的沙塵顆粒的設(shè)備，是觀測風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)所必需的儀器。

傳統(tǒng)的農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀在采集沙塵數(shù)據(jù)時，通常是先讓風(fēng)沙流撞擊擋板或壁面，再依靠重力作用實現(xiàn)沙塵的收集；然后拆卸集沙盒，進行稱重。隨著自動控制理論的廣泛應(yīng)用，自動采集系統(tǒng)將會不斷完善，風(fēng)蝕觀測活動將變得寬時空、大尺度，數(shù)據(jù)采集工作更會具備較高的準(zhǔn)確性和時效性。近幾年，德國UGT公司在SUSTRA集沙儀上安裝了一套沙塵數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)，使得沙塵數(shù)據(jù)采集工作變得實時、便捷。然而，當(dāng)這套SUSTRA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作在強風(fēng)環(huán)境(風(fēng)速大約為10.8～13.8m/s)時，排沙口氣流對稱重天平的沖擊卻是無法避免的，這也是引起數(shù)據(jù)波動的主要來源，所以降低集沙儀排沙口氣流速度是非常關(guān)鍵的。

為此，本文提出了設(shè)計一臺新型農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀以解決排沙口降速問題的新思路：在集沙儀內(nèi)部安裝一個風(fēng)沙分離器，并在風(fēng)沙分離內(nèi)部設(shè)計一個分流結(jié)構(gòu)，在分流結(jié)構(gòu)和壁面結(jié)構(gòu)的影響下，排沙口氣流可以實現(xiàn)大幅度降速，進而緩解排沙口氣流對稱重天平的沖擊。

1新型農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀設(shè)計原理

1.1總體結(jié)構(gòu)及工作原理

新型農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀主要由風(fēng)向標(biāo)、防護罩、固定塊、61828深溝球軸承、底座、風(fēng)沙分離器、旋轉(zhuǎn)座、集沙盒和自動采集系統(tǒng)(含稱重天平)等組成，如圖1所示。其工作原理是：將新型集沙儀放置在已發(fā)生風(fēng)蝕或即將發(fā)生風(fēng)蝕的耕作農(nóng)田上，當(dāng)風(fēng)力作用于風(fēng)向標(biāo)時，采集口就會正對侵蝕風(fēng)向，在風(fēng)沙分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響下，進入集沙儀的風(fēng)沙發(fā)生分離，氣體從排氣管排出，沙塵則落入集沙盒，自動采集系統(tǒng)記錄沙塵質(zhì)量和采集時間。稱重天平是自動采集系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，除了稱重沙塵外，不能受到風(fēng)沙分離器排沙口氣流的沖擊，否則會引起數(shù)據(jù)的較大波動。尤其是受強風(fēng)環(huán)境影響時，排沙口氣流速度隨之上升，對稱重天平的沖擊也會增大。因此，降低風(fēng)沙分離器排沙口氣流速度是很有必要的。

1.風(fēng)向標(biāo)　2.采集口　3.風(fēng)沙分離器　4.排沙口

1.2設(shè)計理論

當(dāng)新型農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀工作在強風(fēng)環(huán)境的農(nóng)田(風(fēng)速約10.8～13.8m/s)時，工作條件設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、溫度20℃。若集沙儀進氣管道的水力直徑為0.028m，則氣流的雷諾數(shù)可達30 000。

氣流在如此高的雷諾數(shù)下進入集沙儀風(fēng)沙分離器，勢必會處于完全湍流狀態(tài)；當(dāng)發(fā)生圓柱繞流時，圓柱后面的“渦街”就會變得更加無規(guī)則性和非周期性，同時出現(xiàn)大量渦旋。如圖2所示，在邊界層內(nèi)，附著流動是主要流動形式，越靠近壁面，速度越小，當(dāng)氣流在邊界層尾部發(fā)生分離時，則會出現(xiàn)渦旋；在邊界層外，自由繞流是主要流動形式，在繞流尾部也會出現(xiàn)渦旋。當(dāng)渦旋發(fā)生時，一部分氣流在逆壓梯度的作用下形成逆流，與后續(xù)來流相互作用。設(shè)作用力為F，在時間Δt>0內(nèi)，存在沖量F·Δt>0，又由動量守恒定律F·Δt=m·Δv可知，存在動量m·Δv>0，這說明氣流在相互作用時產(chǎn)生了動量損耗，氣流速度降低。

圖2　繞流現(xiàn)象

圖3　繞流示意圖

由圓柱繞流的壓強系數(shù)公式得

cp=1-4sin2θ

由此可知：在繞流過程中，隨著坐標(biāo)θ從0°～180°，氣流的壓強p會出現(xiàn)先減后增現(xiàn)象。如圖3所示，存在p2

其中，c為常數(shù)；壓強p與流速v成反比，即當(dāng)壓強p增加時，氣流速度則會減少。這就是說，當(dāng)θ從90°～180°(即繞流至圓柱后面)時，氣流的速度就會降低。

可見，只要結(jié)構(gòu)體符合圓柱繞流條件，氣流就會在結(jié)構(gòu)體后面發(fā)生降速?；谶@個圓柱繞流理論，本文在集沙儀的風(fēng)沙分離器內(nèi)部設(shè)計了一個分流結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由楔形體和排氣管組成，如圖4所示。

1.3錐形壁面結(jié)構(gòu)對氣流的降速影響

氣流在分流結(jié)構(gòu)后面發(fā)生對沖后，由于受到分流結(jié)構(gòu)外表面和風(fēng)沙分離器外殼的約束，勢必會被迫下行。然而，當(dāng)氣流在下行過程中遭遇錐形壁面結(jié)構(gòu)時，就會對錐形壁面產(chǎn)生剪切力影響，同時也會受到錐形壁面的反作用力，進而迫使氣流改變流動方向，甚至逆流而回(見圖5)，與下行中的后續(xù)氣流相互作用，從而引起氣流速度再次降低。

圖4　分流結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理圖

圖5　錐形壁面與氣流的相互作用

因此，從上述的理論分析看，該新型農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀的風(fēng)沙分離器采用分流結(jié)構(gòu)和錐形壁面結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)氣流速度的兩次降低。

2速度矢量場數(shù)值模擬

GAMBIT是為FLUENT、POLYFLOW、 FIDAP、ANSYS等解算器生成和導(dǎo)出所需要的網(wǎng)格的前處理軟件，可以保證在復(fù)雜的幾何區(qū)域內(nèi)直接劃分出高質(zhì)量的四面體、六面體網(wǎng)格或混合網(wǎng)格。本文利用該軟件建立風(fēng)沙分離器的三維模型，并進行網(wǎng)格劃分，進氣口設(shè)置為velocity_inlet類型(即自由流入口)，排氣口和排沙口設(shè)置為outflow類型(即自由流出口)，排氣管下端口與上筒體連接處設(shè)置為interface類型(即流通交界面)。邊界條件設(shè)置完畢后，保存成msh格式文件。

打開ANSYS FLUENT軟件，通過import指令讀取msh文件，統(tǒng)一單位成毫米，并進行網(wǎng)格尺寸檢查，防止最小網(wǎng)格小于0；選擇k-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，進行流通交界面interface配對；設(shè)置inlet時，取入口速度為13.5m/s(強風(fēng)條件)，湍流強度為4.2%，水力直徑為0.028m。由于氣流相對速度遠遠小于音速，故將其按不可壓縮流體進行處理，其余設(shè)置默認。初始化賦值后進行計算，得出其速度適量場分布圖如圖6所示。由圖6看出：氣流以13.5 m/s速度進入風(fēng)沙分離器，經(jīng)分流對沖后，其流速大幅度降低且沿側(cè)壁面下移，在錐筒部位再次出現(xiàn)大幅度降低；一部分氣流以約1.72m/s的速度從排氣口排出，另一部分氣流則在排沙口降至2.11m/s以下，降速幅度約84.3%。

圖6　風(fēng)沙分離器流場的數(shù)值模擬

3煙流試驗

3.1 試驗?zāi)康?/p>

根據(jù)煙流的運動軌跡和濃度變化，驗證煙流在對沖之后的運動方式和衰減情況與數(shù)值模擬的結(jié)果是否一致。

3.2試驗方法及結(jié)果分析

由于煙霧機噴出的煙霧為白色，所以煙流試驗選在無外界風(fēng)力干擾、夜晚無光照的環(huán)境下進行，將13.5m/s(強風(fēng))和3.5m/s(微風(fēng))作為煙流的入口速度。試驗前，將白色光源朝上放置在透明風(fēng)沙分離器下端，調(diào)整光線透過風(fēng)沙分離器，保證能清晰地看到風(fēng)沙分離器內(nèi)部；塑料導(dǎo)氣管一端連接煙霧機的出煙口，另一端連接Testo 425熱敏風(fēng)速儀；緩慢調(diào)整煙霧機的出煙量，待煙流達到預(yù)定試驗速度后，關(guān)閉煙霧機，將連接風(fēng)速儀的一端接到風(fēng)沙分離器的進氣口；再將GB2450C高速攝像機固定在實驗臺上，對準(zhǔn)風(fēng)沙分離器的側(cè)面。試驗時，依次開啟高速攝像機和煙霧機，錄制煙流流動的動態(tài)過程，待煙流充滿風(fēng)沙分離器之后，立即關(guān)閉煙霧機和高速攝像機。兩個試驗風(fēng)速的操作方法一致，待煙流試驗完畢后，從兩個煙流試驗視頻中分別截取4個畫面。

圖7顯示，煙流在分流結(jié)構(gòu)后面發(fā)生對沖后，沿側(cè)壁面下行，其流動情形與圖6的數(shù)值模擬結(jié)果是一致的。

圖7　煙流速度13.5m/s

圖8顯示：煙流在分流對沖后，下行速度明顯減緩，未到達錐筒部位便開始向右側(cè)散開，并逐步變淡。這說明，對沖后的煙流速度出現(xiàn)了大幅度衰減，其衰減幅度與圖6的數(shù)值模擬結(jié)果是一致的。

圖8　煙流速度3.5m/s

4風(fēng)洞驗證試驗

4.1試驗?zāi)康?/p>

根據(jù)風(fēng)洞流場試驗結(jié)果，驗證新型農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀排沙口降速情況與數(shù)值模擬結(jié)果是否一致。

4.2試驗方法及結(jié)果分析

風(fēng)洞試驗選在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)自制的0FDY-1.2移動式風(fēng)蝕風(fēng)洞實驗室。該風(fēng)洞能較好地模擬農(nóng)田自然風(fēng)，風(fēng)速由0～18m/s連續(xù)可調(diào)，軸向幾乎沒有壓力損失，壁面對風(fēng)洞流場性能影響很小[5]。

試驗前，在風(fēng)沙分離器上設(shè)計8個測點，其位置與圖6標(biāo)記的8個位置點一致。這8個測點預(yù)先密封，試驗過程中必須始終保持2個自由出口(即排氣口和排沙口)，放置于楔形試驗罩內(nèi)；再將楔形試驗罩放置于距風(fēng)洞口150cm處的實驗段(見圖9)，進氣口對準(zhǔn)來流方向和風(fēng)洞中心軸線。試驗時，將Testo 425熱敏風(fēng)速儀探頭放置于風(fēng)沙分離器1號測點，探頭傳感器正對來流方向，并將探桿和孔之間的空隙密封，開啟風(fēng)機，穩(wěn)定風(fēng)速在13.5m/s左右(強風(fēng)條件)，待風(fēng)速儀數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定后，隨機讀取10個瞬態(tài)值；采用同樣的試驗方法測定2～8號測點的風(fēng)速，每個測點隨機讀取10個瞬態(tài)值，取其均值。將上述8個位置點風(fēng)速的試驗均值和數(shù)值模擬結(jié)果進行對比(見圖10)可知：兩種結(jié)果都是先增后減，變化趨勢是一致的，降速幅度也是相近的，均達到84%以上。

1.風(fēng)機　2.蜂窩器　3.裝有風(fēng)沙分離器的楔形試驗罩

圖10　試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對比

5結(jié)論

1)通過煙流試驗和風(fēng)洞流場驗證，說明新型農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀的風(fēng)沙分離器內(nèi)部速度矢量場的數(shù)值模擬結(jié)果是可靠的。

2)針對強風(fēng)環(huán)境，傳統(tǒng)農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀一般采用擴大通路法實現(xiàn)集沙儀內(nèi)部風(fēng)速的大幅度降低；而本文設(shè)計的新型農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀則采用分流對沖法和錐形壁面結(jié)構(gòu)相結(jié)合，進而實現(xiàn)了排沙口氣流速度的大幅度降低，降速幅度達84%以上，較好地減緩了排沙口氣流對稱重天平的沖擊。

此外，新型農(nóng)田風(fēng)蝕集沙儀的大幅度降速性能對集沙儀的集沙效率是否有較大影響，以及能收集到多大粒徑，都需要作進一步的試驗驗證。

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Study on the Deceleration Issue of a New Sand Sampler for Farmland Erosion

Song Tao, Chen Zhi, Si Zhimin,Xuan Chuanzhong

(College of Machine and Electronics Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：Farmland soil erosion would lead to degradation of soil quality, even desertification, preventing degradation of farmland soil, the key was to study the erosion mechanism,a sand sampler was the essential equipment. With the automatic control theory was widely used in various industries,Equiping a sand sampler with automatic collection system was a trend, Due to the attacking of flushing-port flow on weighing scales was the main source of data fluctuations caused,so it was the critical to reduce flushing-port flow rate. For this reason, this paper proposed a new way to resolve a flushing-port deceleration problem though designing a new sand sampler for farmland erosion. First,expounding the design principles of a new sand sampler for farmland erosion,then carryed out a numerical simulation on a wind-sand separator that was its key part, obtained a drawing simulation of its internal velocity vector, Finally,carried out a test verify on the simulation results though a smoke flow test and a wind tunnel test. The conclusion was that the simulation results were reliable.When a new sand sampler for farmland erosion affected by windy conditions, spin-down rate of flushing-port flow was up to 84%,could better alleviate the attacking of flushing-port flow on weighing scales,This study also provided theoretical support for the new follow-up study on a new sand sampler for farmland erosion.

Key words：a new sand sampler for farmland erosion;a numerical simulation; a smoke flow test;a wind tunnel test

文章編號：1003-188X(2016)06-0230-05

中圖分類號：S288

文獻標(biāo)識碼：A

作者簡介：宋濤(1979-)，男，山東泰安人，博士研究生，(E-mail)stsong925@163.com。通訊作者：陳智(1962-)，男，內(nèi)蒙古察右前旗人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)sgchenzhi@imau.edu.cn。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(41361058，41161045)

收稿日期：2015-05-07