土壤風(fēng)蝕集沙儀數(shù)值模擬與降速性能分析

商曉彬，陳 智，宋 濤，常佳麗，仇 義，陳利杰

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

土壤風(fēng)蝕集沙儀數(shù)值模擬與降速性能分析

商曉彬，陳 智，宋 濤，常佳麗，仇 義，陳利杰

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

土壤風(fēng)蝕；分流對沖式集沙儀；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計

集沙儀是研究土壤風(fēng)蝕的一種重要裝置，是觀測風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)和研究風(fēng)沙運動規(guī)律的關(guān)鍵設(shè)備。為獲得大量而精確的風(fēng)蝕數(shù)據(jù)，需要不斷地對集沙儀進行創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計。通過GAMBIT軟件建模，以排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速和排沙口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化設(shè)計了排氣管長度參數(shù)、排氣管直徑參數(shù)、排沙口距離參數(shù)、排沙口直徑參數(shù)等，利用FLUENT軟件對分流對沖式集沙儀進行仿真模擬，基于RNGk-ε湍流模型對分流對沖式集沙儀進行數(shù)值分析，得到結(jié)論：排氣口最高風(fēng)速受排氣管長度影響很大，平均風(fēng)速基本不受排氣管長度影響；排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速基本不受排沙口直徑影響；排沙口最高風(fēng)速與排沙口直徑有關(guān)，隨排沙口直徑的增大逐漸降低，當(dāng)排沙口直徑增大到一定值時，排沙口最高風(fēng)速不再下降，在某個值附近波動。

土壤風(fēng)蝕是土壤在風(fēng)力作用下剝蝕、分選、搬運的過程，不僅可以引起土壤質(zhì)地變粗、結(jié)構(gòu)變壞、肥力下降，而且會導(dǎo)致沙塵暴、揚沙等災(zāi)害，污染空氣和水質(zhì)[1]。在土壤風(fēng)蝕治理研究中，認(rèn)識并掌握土壤風(fēng)蝕顆粒的運動規(guī)律，及時制定和采取有效的防治措施，對于提高土壤抗風(fēng)蝕能力、有效控制土壤風(fēng)蝕至關(guān)重要。土壤風(fēng)蝕集沙儀能夠采集風(fēng)蝕過程中隨風(fēng)搬運的沙塵顆粒，可以觀測單寬輸沙率、總輸沙率[2]與風(fēng)速之間的關(guān)系，是觀測風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)和研究風(fēng)沙移動規(guī)律的必備儀器,其結(jié)構(gòu)的差異對于輸沙率的測定和風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的研究有很大的影響[3]。因此，在宋濤等[4]設(shè)計的分流對沖式集沙儀基礎(chǔ)上，利用FLUENT軟件平臺，對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)集沙儀進行數(shù)值模擬，分析風(fēng)沙分離器內(nèi)部氣流運動規(guī)律，以排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速和排沙口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速為目標(biāo)函數(shù)，對集沙儀風(fēng)沙分離器排氣管直徑、排氣管長度、排沙口直徑、排沙口距離等參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，以期改良集沙儀設(shè)計，使風(fēng)蝕量測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

1 分流對沖式集沙儀數(shù)理模型

1.1 分流對沖式集沙儀工作原理

當(dāng)氣流作用于分流對沖式集沙儀的風(fēng)向標(biāo)時，進氣口便正對風(fēng)沙分離器，在風(fēng)沙分離器分流對沖影響下，氣流速度大幅度降低，當(dāng)氣流速度低于沙塵懸浮速度時，風(fēng)沙開始分離，氣體從排氣口排出，沙塵則落入集沙盒?？梢?，風(fēng)沙分離器是該集沙儀的關(guān)鍵部件，起到快速分離風(fēng)沙的作用。

風(fēng)沙分離器是基于分流對沖原理設(shè)計而成的，它是在進氣管末端設(shè)計一個分流結(jié)構(gòu)，迫使氣流分流與對沖，以實現(xiàn)氣流速度的大幅度降低，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。風(fēng)沙分離器分流對沖原理為氣流于圖2的A處在楔形體的作用下分成兩股氣流，這兩股氣流在分流結(jié)構(gòu)外表面和風(fēng)沙分離器內(nèi)表面之間形成邊界層內(nèi)外流動，在B處附近發(fā)生對沖和渦旋[5]，相互對抗，從而實現(xiàn)氣流速度的大幅度降低。

圖1 分流對沖式集沙儀三維結(jié)構(gòu)示意

1—進氣管；2—楔形體；3—圓柱體；4—外殼

1.2 數(shù)值計算模型

RNGk-ε湍流模型對于中等以下的復(fù)雜流動，比如分離流、二次流、旋流等流動問題，精度較高[6]。在風(fēng)沙分離器內(nèi)部，受氣流繞流和錐形壁面的回流影響，在分離腔和回流腔內(nèi)出現(xiàn)大量的渦旋，并在整個流場內(nèi)占據(jù)一定比例，故選用RNGk-ε湍流模型較為適合。

1.3 FLUENT軟件邊界類型選擇

選擇設(shè)置邊界可以明確幾何模型中那些代表模型邊界的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實體的物理特性和操作特性，選擇合適的邊界類型與適用場合?？紤]到集沙儀工況為自由流風(fēng)場，因此在進氣口選擇自由流速度入口類型的時候應(yīng)該選擇VELOCITY_INLET；集沙盒下面放置稱量傳感器，這就會使風(fēng)沙分離器排沙口與集沙盒之間存在間隙，因此風(fēng)沙分離器存在2個自由流出口(排沙口和排氣口)，在選擇自由流出口的邊界類型時應(yīng)選擇OUTFLOW。風(fēng)沙分離器中2個計算域之間的數(shù)據(jù)流通一般是通過排氣管下端口傳遞，因此將排氣管下端口選擇公用交界面類型INTERFACE，其余邊界默認(rèn)WALL類型。設(shè)置進氣口速度為13.8 m/s(強風(fēng)條件)，水力直徑為0.09 m，湍流強度為5%，然后對氣流流通交界面(INTERFACE面)進行配對。

2 優(yōu)化設(shè)計與數(shù)值模擬

2.1 設(shè)計方案

現(xiàn)用分流對沖式集沙儀排氣管長度(H1)為30 mm、排氣管直徑(D1)為30 mm、排沙口距離(H2)為15 mm、排沙口直徑(D2)為45 mm，結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 分流對沖式集沙儀二維結(jié)構(gòu)示意

對風(fēng)沙分離器排氣管長度、排氣管直徑、排沙口距離、排沙口直徑等參數(shù)進行數(shù)值模擬。排氣管長度分別取25、35、45 mm，排氣管直徑分別取5、15、25、30、35、45 mm，排沙口距離分別取5、15、25、35 mm，排沙口直徑分別取20、35、50、65、75 mm。對這4個結(jié)構(gòu)參數(shù)進行組合，利用GAMBIT軟件建模，導(dǎo)入FLUENT環(huán)境進行模擬，觀察不同組合參數(shù)下排氣口和排沙口的最低風(fēng)速，通過比較360個不同結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬后的結(jié)果，研究分流對沖式集沙儀內(nèi)部氣流的降速規(guī)律，得到一個最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而降低排氣口和排沙口的軸向速度，達到提高風(fēng)沙分離效率的目的。

2.2 結(jié)果與分析

從360個仿真結(jié)果中選取了具有代表性的幾組圖進行對比，揭示風(fēng)沙分離器內(nèi)部氣流的降速規(guī)律。

保持H1=45 mm、H2=25 mm、D2=20 mm不變，改變D1。從圖4可以看出：D1=5 mm時，排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速分別為41.401、36.695 m/s；D1=15 mm時，分別為4.969、3.766 m/s；D1=25 mm時，分別為2.905、1.292 m/s；D1=30 mm時，分別為2.909、1.040 m/s；D1=35 mm時，分別為2.855、0.969 m/s；D1=45mm時，分別為2.943、0.685 m/s。對比可以看出：排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速受排氣管直徑影響很大；隨著排氣管直徑逐漸增大，排氣口風(fēng)速逐漸降低；當(dāng)排氣管直徑增大到25 mm時，排氣口風(fēng)速不再降低，最高風(fēng)速在2.90 m/s附近波動。

圖4 分流對沖式集沙儀排氣口風(fēng)速隨排氣管直徑變化

保持D1=35 mm、H2=25 mm、D2=20 mm不變，只改變H1。從圖5可以看出：H1=25 mm時，排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速分別為1.450、1.044 m/s；H1=35 mm時，分別為2.180、0.806 m/s；H1=45 mm時，分別為2.850、0.969 m/s。對比可以看出，排氣口最高風(fēng)速受到排氣管長度影響很大，而平均風(fēng)速受到的影響不大。

圖5 分流對沖式集沙儀排氣口風(fēng)速隨排氣管長度變化

保持H1=25 mm、D1=25 mm、H2=25 mm不變，只改變D2。D2=20 mm時，排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速分別為2.131、1.517 m/s；D2=35 mm時，分別為2.130、1.517 m/s；D2=50 mm時，分別為2.130、1.519 m/s；D2=65 mm時，分別為2.130、1.518 m/s；D2=75 mm時，分別為2.130、1.514 m/s。對比可以看出，排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速基本不受排沙口直徑影響。

保持H1=35 mm、D1=25 mm、D2=75 mm不變，只改變H2。H2=5 mm時，排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速分別為2.910、1.320 m/s；H2=15 mm時，分別為2.910、1.322 m/s；H2=25 mm時，分別為2.900、1.321 m/s；H2=35 mm時，分別為2.900、1.321 m/s。對比可以看出,排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速基本不受排沙口距離的影響。

保持H1=35 mm、D2=35 mm、H2=25 mm不變，只改變D1。通過圖6可以看出：D1=5 mm時， 排沙口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速分別為2.331、0.864 m/s；D1=15 mm時，分別為1.454、0.840 m/s；D1=25 mm時，分別為2.179、0.836 m/s；D1=30 mm時，分別為2.180、0.837 m/s；D1=35 mm時，分別為1.455、0.809 m/s；D1=45 mm時，分別為2.906、1.039 m/s。對比可以看出，排沙口最高風(fēng)速受排氣管直徑影響較大，排沙口平均風(fēng)速受排氣管直徑影響較小。

圖6 分流對沖式集沙儀排沙口風(fēng)速隨排氣管直徑變化

保持D1=30 mm、D2=35 mm、H2=25 mm不變，只改變H1。通過圖7可以看出，H1=25 mm時，排沙口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速分別為0.454、0.849 m/s；H1=35 mm時，分別為2.180、0.837 m/s；H1=45 mm時，分別為2.184、0.853 m/s。對比可以看出，排沙口最高風(fēng)速受排氣管長度影響較大，排沙口平均風(fēng)速受排氣管長度影響較小。

圖7 分流對沖式集沙儀排沙口風(fēng)速隨排氣管長度變化

保持D1=25 mm、H1=25 mm、H2=25 mm不變，只改變D2。通過圖8可以看出：D2=20 mm時，排沙口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速分別為2.840、2.257 m/s；D2=35 mm時，分別為2.130、0.835 m/s；D2=50 mm時，分別為2.130、0.581 m/s；D2=65 mm時，分別為2.130、0.472 m/s；D2=75 mm時，分別為2.130、0.389 m/s。對比可以看出：排沙口最高風(fēng)速隨排沙口直徑的增大有所降低，但排沙口直徑增大到35 mm的時候，排沙口的最高風(fēng)速不再繼續(xù)下降，而是在速度2.13 m/s附近波動；排沙口平均風(fēng)速受排沙口直徑影響較大， 隨著排沙口直徑增大，平均風(fēng)速逐漸降低。

圖8 分流對沖式集沙儀排沙口風(fēng)速隨排沙口直徑變化

保持D1=25 mm、H1=45 mm、D2=75 mm不變，只改變H2。通過圖9可以看出：H2=5 mm時，排沙口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速分別為2.180、0.583 m/s；H2=15 mm時，分別為1.452、0.520 m/s；H2=25 mm時，分別為1.454、0.442 m/s；H2=35 mm時，分別為2.178、0.346 m/s。對比可以看出：排沙口最高風(fēng)速受排沙口距離影響較大，排沙口平均風(fēng)速受排沙口距離影響較小。

圖9 分流對沖式集沙儀排沙口風(fēng)速隨排沙口距離變化

2.3 優(yōu)化方案

將仿真結(jié)果進行整理，可得到有關(guān)排氣口風(fēng)速和排沙口風(fēng)速的數(shù)據(jù)，以排氣口風(fēng)速、排沙口風(fēng)速為縱坐標(biāo)，以結(jié)構(gòu)參數(shù)為橫坐標(biāo)，規(guī)定橫坐標(biāo)為1的點對應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為D1=5 mm、H1=25 mm、D2=20 mm、H2=5 mm，橫坐標(biāo)為2的點對應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為D1=5 mm、H1=25 mm、D2=20 mm、H2=15 mm，依此類推，并將變化不明顯的數(shù)據(jù)去掉，繪制成如圖10的折線圖。從圖10中找到排氣口風(fēng)速、排沙口風(fēng)速都較低的參數(shù)為D1=25 mm、H1=25 mm、D2=75 mm、H2=15 mm。

圖10 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的排氣口風(fēng)速和排沙口風(fēng)速

3 結(jié) 論

通過GAMBIT軟件建模，利用FLUENT軟件進行仿真模擬，改進了分流對沖式集沙儀排氣管直徑、排氣管長度、排沙口直徑、排沙口距離四部分的參數(shù)，對360個不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的集沙儀進行數(shù)值模擬，對比后得出的主要結(jié)論如下：①排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速與排氣管直徑有關(guān)，隨著排氣管直徑逐漸增大，排氣口風(fēng)速逐漸降低，當(dāng)排氣管增大到一定值時，排氣口風(fēng)速不再降低，在某個值附近波動。②排氣口最高風(fēng)速受排氣管長度影響很大，平均風(fēng)速基本不受排氣管長度影響。③排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速基本不受排沙口直徑影響。④排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速受排沙口距離的影響很小。⑤排沙口最高風(fēng)速受排氣管直徑影響較大，平均風(fēng)速受排氣管直徑影響較小。⑥排沙口最高風(fēng)速與排氣管長度有較大關(guān)系，平均風(fēng)速與排氣管長度關(guān)系不大。⑦排沙口最高風(fēng)速與排沙口直徑有關(guān)，隨排沙口直徑的增大逐漸降低，當(dāng)排沙口增大到一定值時，排沙口最高風(fēng)速不再下降，在某個值附近波動;排沙口平均風(fēng)速受排沙口直徑影響較大，隨著排沙口直徑增大，平均風(fēng)速逐漸降低。⑧排沙口最高風(fēng)速受排沙口距離影響較大，平均風(fēng)速受排沙口距離影響較小。⑨以排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速和排沙口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速為目標(biāo)函數(shù)，對分流對沖式集沙儀進行有限元分析，優(yōu)化設(shè)計了排氣管長度參數(shù)、排氣管直徑參數(shù)、排沙口距離參數(shù)、排沙口直徑參數(shù)，當(dāng)D1=25 mm、H1=25 mm、D2=75 mm、H2=15 mm時，排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速和排沙口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速都較低，集沙儀集沙效率較高。

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(責(zé)任編輯 李楊楊)

國家自然科學(xué)基金資助項目(41361058，41161045)

S157

A

1000-0941(2017)02-0038-04

商曉彬(1991—)，男，河北邢臺市人，碩士研究生，主要從事機械測控及自動化技術(shù)研究；通信作者陳智(1962—)，男，內(nèi)蒙古察右前旗人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事工程測試及其技術(shù)裝備研究。

2016-06-25