基于Fluent的風篩式清選室氣流場的仿真

余波　王強　王霜

摘要：丘陵山區(qū)適用的小型半喂入聯(lián)合收割機結構緊湊，對清選效率的要求高，而氣流場對于風篩式清選裝置清選性能有重要影響，因此研究整個清選室的氣流場分布規(guī)律，有利于進一步提高收割機的清選效率。為獲得清選室氣流分布規(guī)律，采用正交試驗方法進行設計。針對4LBZ-105型半喂入聯(lián)合收割機風篩式清選室的特點，運用Creo軟件建立了清選室型腔計算域模型，利用ICEM CFD軟件進行了網(wǎng)格劃分，通過Fluent軟件對離心風機風速、吸引風機風速、離心風機傾角、百葉窗篩夾角4個參數(shù)變化時的清選室氣流場進行了三維數(shù)值仿真。根據(jù)仿真試驗結果，分析這4個參數(shù)對氣流場的影響規(guī)律，得到雜質(zhì)有效分離的參數(shù)：離心風機風速為12m/s，吸引風機風速為6m/s，離心風機傾角為25°，百葉窗篩夾角為40°。

關鍵詞：氣流場；風篩式清選室；數(shù)值仿真；聯(lián)合收割機；Fluent；湍流模型

中圖分類號： S226.5 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0358-03

氣流和篩子相配合的清選方式有較高的清選效率，在聯(lián)合收割機中被廣泛應用。風篩式清選裝置由風扇、篩子組成，篩子由桿件支撐或懸吊作往復運動，風扇多為吹出型。谷?；旌衔镉捎诤Y子振動被送至篩子前端，輕雜靠氣流場作用被吹走，大雜由尾篩排除，谷粒通過篩孔流入螺旋推運器（攪龍）進入糧倉[1]。清選室的氣流分布對整個清選過程有著重要影響，研究清選室的氣流場分布規(guī)律可以優(yōu)化清選結構、提升清選效率[2-4]。近年來，計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）軟件被運用于農(nóng)機設備的流場研究[5-7]，其可行性得到了國內(nèi)外學者的認可。為了提高適于丘陵山區(qū)的收割機清選效率，以4LBZ-105型半喂入聯(lián)合收割機為試驗樣機，采用正交試驗方法，利用Fluent進行清選室氣流場數(shù)值模擬，得到清選室氣流場分布，分析清選裝置的主要參數(shù)對氣流場的影響規(guī)律。

1 氣流場數(shù)學模型

氣體動力學微分控制方程如下。

連續(xù)方程：

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；u為流體流動速度，m/s；t為時間，s；μ為動力黏度，Pa·s；p為靜態(tài)壓力，N；ρui′uj′為Reynalds壓力，N；k為湍動能，Pa/s；ε為湍流耗散率，m2/s2；μt為湍流黏度，Pa·s；Gk為平均速度梯度引起的湍動能，Pa/s；Gb為浮力影響引起的湍動能，Pa/s；YM為可壓縮湍流擴張對總耗散率的影響，Pa/s；σk為湍動能對應的Prandtl數(shù)；σε為耗散率對應的Prandtl數(shù)；Cμ、C1ε、C2ε、C3ε為Fluent中的模型常數(shù)；Si、Sk、Sε為源項；gi為重力i的分量，N；Prt為湍動Prandtl數(shù)；β為熱膨脹系數(shù)；T為溫度，℃；Mt為馬赫數(shù)。

2 結構模型與計算模型

4LBZ-105型半喂入聯(lián)合收割機風篩式清選裝置的大致結構見圖1，整個清選室內(nèi)部的氣流由離心風機、吸引風機共同作用產(chǎn)生。

考慮到4LBZ-105型半喂入聯(lián)合收割機風篩式清選室結構的復雜性，以及生成網(wǎng)格對模擬精度的影響，在保證計算區(qū)域與實際流動區(qū)域一致性的情況下，對計算域模型進行適當?shù)暮喕Ｏ潞Y采用的是孔徑較大的編織篩，對流場的影響較小，因而進行了省略。利用Creo繪制清選室型腔計算域模型，如圖2所示。為了仿真分析，構建不同風機傾角（20°、25°、30°）、篩子夾角（26°、32°、40°）9種組合的三維模型。將建立好的三維模型導入到ICEM CFD中進行網(wǎng)格劃分，采用不同的網(wǎng)格尺寸劃分不同面域；體網(wǎng)格類型采用Tetra/Mixed，生成方式采用Robust（Octree）。

3 求解方法和邊界條件

在初始環(huán)境下，由于清選室內(nèi)氣流場分布狀態(tài)未知，求解方式采用基于壓力的SIMPLE非耦合隱式求解算法，離散格式為二階迎風格式，設置工作壓力為1個標準大氣壓[8]；邊界條件：離心風機進風口、吸引風機吸風口為速度入口，出風口設置為自由出口，其他設置保持為默認狀態(tài)。將各個試驗方案的mesh文件導入到Fluent軟件中進行迭代計算，設置收斂殘差為0.001，通過后處理得到監(jiān)控點的氣流速度。

4 清選室氣流場分析

4.1 試驗原理

要得到潔凈的籽粒就必須盡可能地排出雜質(zhì)，根據(jù)風選理論，篩孔處的上升氣流速度超過雜質(zhì)的漂浮速度，則雜質(zhì)不會從篩孔漏下；篩孔處的上升氣流速度過大，籽粒通過篩孔會受阻，甚至不能有效通過篩孔，反而會降低清選效率。出風口的氣流速度也應該在保證籽粒不被吹出的同時雜質(zhì)被有效吹離。如圖3所示，傾斜氣流以與篩面成θ角度的速度v作用于物料，垂直向上的氣流速度 需要克服物料漂浮速度，滿足：vy=vsinθ，vy>vl。

根據(jù)文獻[1，9]，如表1所示，要能夠有效分離雜質(zhì)，則篩面應滿足6 m/s

4.2 正交試驗方案及結果

為了分析離心風機風速、吸引風機風速、離心風機傾角及百葉窗篩夾角對清選室氣流場的影響規(guī)律，進行了4因素3水平的正交仿真試驗，因素水平設計見表2，分別考察篩面中心篩孔A點、出風口中心B點的風速。

根據(jù)L9（34）正交試驗表[10]，在Fluent中安排9組仿真試驗，試驗分組及計算結果見表3。

4.3 試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)仿真試驗結果，將各因素水平變化的情況通過散點趨勢圖表示，如圖4-a、圖4-b、圖4-c、圖4-d所示。由圖4-a可以看出，離心風機的風速變化對篩面上、出風口的風速影響較為明顯；隨著離心風機風速的逐漸加大，篩面上、出風口的風速均有較明顯增加的趨勢。由圖4-b可以看出，吸引風機的風速變化對篩面上、出風口的風速影響有所不同；隨著吸引風機的風速逐漸加大，篩面上的風速有所增加，出風口的風速則逐漸減小。過大的吸引風速會導致雜質(zhì)無法被吹出清選室。由圖4-c可以看出，當離心風機傾角增加時，篩面上的風速呈上升趨勢，出風口的風速呈下降趨勢；而當離心風機傾角大于25°時，出風口的風速有回升趨勢。由圖4-d可以看出，當百葉窗篩夾角增加時，篩面上的風速呈上升趨勢，出風口的風速變化平穩(wěn)。大的百葉窗篩夾角有利于篩面氣流對雜質(zhì)與顆粒的分層作用。

根據(jù)表3得到的試驗數(shù)據(jù)，4號試驗所得到的仿真試驗數(shù)據(jù)滿足清選要求。因此，得到滿足清選要求的試驗參數(shù)組合為W2X1Y2Z3。圖5為根據(jù)參數(shù)組合W2X1Y2Z3得到的清選室氣流場速度矢量，可以看出：在2個風機的共同作用下形成比較流暢的氣流場，在百葉窗篩孔處流場的方向、大小有所改變，最終流場向著出風口處流出，有利于將雜質(zhì)吹出清選室。

5 結論

利用ANSYS軟件中集成的Fluent對清選室氣流場進行數(shù)值模擬計算，得到了整個清選室的氣流場分布，計算出氣流場中篩面上中點、出風口氣流速度。

采用正交仿真試驗，分析離心風機風速、吸引風機風速、離心風機傾角及百葉窗篩夾角對清選室氣流場的影響，其中百葉窗篩夾角對清選室的篩面氣流場的分層影響較大。

通過仿真試驗得到籽粒與雜質(zhì)有效分離的參數(shù)組合：離心風機風速為12 m/s，吸引風機風速為6 m/s，離心風機傾角為25°，百葉窗篩夾角為40°。

參考文獻：

[1]李寶筏. 農(nóng)業(yè)機械學[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2003：169-170.

[2]鐘 挺，胡志超，顧峰瑋，等. 4LZ-1.0Q型稻麥聯(lián)合收獲機脫粒清選部件試驗與優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2012，43（10）：76-81.

[3]李耀明，趙 湛，陳 進，等. 風篩式清選裝置上物料的非線性運動規(guī)律[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2007，23（11）：142-147.

[4]李耀明，唐 忠，李洪昌，等. 風篩式清選裝置篩面氣流場試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2009，40（12）：80-83.

[5]李洪昌，李耀明，徐立章，等. 風篩式清選裝置氣流場的數(shù)值模擬與分析[J]. 江蘇大學學報：自然科學版，2010，31（4）：378-382.

[6]Panneerselvam R，Savithri S，Surender G D. CFD modeling of gas-liquid-solid mechanically agitated contactor[J]. Chemical Engineering Research & Design，2008，86（12A）：1331-1344.

[7]Gebrehiwot M G，De Baerdemaeker J A. Effect of a cross-flow opening on the performance of a centrifugal fan in a combine harvester：computational and experimental study[J]. Biosystems Engineering，2010，105（2）：247-256.

[8]李 方，李耀明. 切縱流清選室氣道氣流優(yōu)化與仿真研究[J]. 農(nóng)機化研究，2015，37（2）：75-78.

[9]吳守一. 農(nóng)業(yè)機械學[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1992：124-125.

[10]唐啟義，馮明光. DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：實驗設計、系統(tǒng)分析及數(shù)據(jù)挖掘[M]. 北京：科學出版社，2007：244-246.