基于數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)的分流對(duì)沖式集沙儀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

商曉彬，陳 智※，宋 濤，劉海洋，陳 燕，仇 義（. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 0008；. 泰山學(xué)院機(jī)械與建筑工程學(xué)院，泰安 7000）

基于數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)的分流對(duì)沖式集沙儀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

商曉彬1，陳 智1※，宋 濤2，劉海洋1，陳 燕1，仇 義1
（1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018；2. 泰山學(xué)院機(jī)械與建筑工程學(xué)院，泰安 271000）

集沙儀是研究土壤風(fēng)蝕必不可少的儀器之一，為提高集沙效率和自動(dòng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要不斷地對(duì)集沙儀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該文以FLUENT軟件和微型風(fēng)洞為試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)分流對(duì)沖式集沙儀風(fēng)沙分離器的排氣管直徑、排氣管長(zhǎng)度、排沙口直徑、排沙口收縮高度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果顯示：改進(jìn)型風(fēng)沙分離器排氣口和排沙口的降速性能與原風(fēng)沙分離器相比有了明顯的提高，強(qiáng)風(fēng)條件（13.8 m/s）下，排氣管直徑、長(zhǎng)度均為25 mm，排沙口直徑、收縮高度分別為75、15 mm時(shí)，氣流對(duì)集沙儀自動(dòng)采集傳感器的沖擊力最小，排氣口最高風(fēng)速比原風(fēng)沙分離器降低了7.47%，排沙口最高風(fēng)速比原風(fēng)沙分離器降低了35.59%，改進(jìn)后的集沙儀集沙效率比原集沙儀提高了1.56%。

侵蝕；優(yōu)化；有限元方法；分流對(duì)沖式集沙儀；風(fēng)洞試驗(yàn)

商曉彬，陳 智，宋 濤，劉海洋，陳 燕，仇 義. 基于數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)的分流對(duì)沖式集沙儀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(16)：80-87. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.011 http://www.tcsae.org

Shang Xiaobin, Chen Zhi, Song Tao, Liu Haiyang, Chen Yan, Qiu Yi. Optimization design of shunt-hedging sand sampler based on numerical simulation and wind tunnel experiment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 80-87. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.011 http://www.tcsae.org

0 引 言

農(nóng)田土壤風(fēng)蝕是中國(guó)干旱半干旱地區(qū)土地退化的主要原因之一[1]，是農(nóng)田土壤在風(fēng)力作用下剝蝕、分選、搬運(yùn)的過程，可以引起土壤質(zhì)地變粗，結(jié)構(gòu)變壞，土壤肥力下降，可持續(xù)生產(chǎn)能力下降[2]，嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。預(yù)防農(nóng)田土壤風(fēng)蝕需要搞清楚其發(fā)生的機(jī)理，因此需要一種可以采集農(nóng)田土壤風(fēng)蝕過程中土壤顆粒的農(nóng)業(yè)設(shè)備[3]，即土壤風(fēng)蝕集沙儀。土壤風(fēng)蝕集沙儀可以觀測(cè)單寬輸沙率與風(fēng)速之間的關(guān)系以及總輸沙率和風(fēng)速之間的關(guān)系，對(duì)于農(nóng)田土壤風(fēng)蝕的治理有指導(dǎo)性作用。因此，對(duì)土壤風(fēng)蝕集沙儀進(jìn)行研究是很有必要的。

Shao等[4-6]在Bagnold集沙儀上設(shè)計(jì)了主動(dòng)排氣裝置。Chepil[7]將Bagnold集沙儀設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置，改進(jìn)后的集沙儀可以隨風(fēng)向自由轉(zhuǎn)動(dòng)。Greeley等[8]的楔形集沙儀設(shè)計(jì)了被動(dòng)式排氣裝置，但是沒有旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置。Fryrear[9]的BSNE集沙儀與Kuntze等[10]的SUSTRA集沙儀設(shè)計(jì)了排氣和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置，可以較好地滿足野外風(fēng)蝕觀測(cè)需求。顧正萌等[11]設(shè)計(jì)了一種新型主動(dòng)式豎直集沙儀，該集沙儀能明顯降低集沙儀對(duì)氣流的阻礙作用，對(duì)不同風(fēng)速具有很好的適應(yīng)性。趙滿全[12]設(shè)計(jì)的布袋式集沙儀與范貴生等設(shè)計(jì)的旋風(fēng)分離式集沙儀[13-14]可以在同一位置多點(diǎn)采集沙樣。宋濤等[15]設(shè)計(jì)了分流對(duì)沖與多級(jí)擴(kuò)容組合式集沙儀，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸和自動(dòng)采集。

蔣紅等[16-17]通過在坡面地表下風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的風(fēng)洞試驗(yàn)，建立了坡面地表下的風(fēng)場(chǎng)一沙粒相互耦合的風(fēng)沙躍移運(yùn)動(dòng)模型，與野外實(shí)際情況下的風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)更加接近。黃炎等[18]對(duì)旋風(fēng)分離式集沙儀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院自行設(shè)計(jì)制造的0FDY-1.2型移動(dòng)式風(fēng)蝕風(fēng)洞[19]實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了試驗(yàn)，對(duì)DEM模型的仿真結(jié)果進(jìn)行了分析驗(yàn)證。

風(fēng)沙分離器是土壤風(fēng)蝕集沙儀的重要組成部分，是收集農(nóng)田土壤風(fēng)蝕顆粒的核心部件，分流對(duì)沖式集沙儀在集沙盒下方設(shè)計(jì)的自動(dòng)稱重裝置可自動(dòng)實(shí)時(shí)記錄沙樣質(zhì)量，但在強(qiáng)風(fēng)天氣時(shí)，風(fēng)速對(duì)傳感器的擾動(dòng)較大，在一定程度上影響了數(shù)據(jù)的精確程度，由風(fēng)沙分離器排沙口排出的氣流還會(huì)對(duì)集沙盒中的沙樣造成沖擊，使其散落在集沙盒以外的空間中無法被收集到，造成集沙儀的集沙效率降低。因此，降低風(fēng)沙分離器排氣口和排沙口風(fēng)速對(duì)于提高自動(dòng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和集沙效率具有重要的意義。

該文利用FLUENT軟件平臺(tái)，對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)風(fēng)沙分離器進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了風(fēng)沙分離器內(nèi)部氣流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通過對(duì)原風(fēng)沙分離器排氣管直徑、排氣管長(zhǎng)度、排沙口直徑、排沙口收縮高度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到一個(gè)最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合的改進(jìn)型風(fēng)沙分離器，達(dá)到降低風(fēng)沙分離器排氣口和排沙口的風(fēng)速，提高分流對(duì)沖式集沙儀的測(cè)試精度和集沙效率的目的。

1 分流對(duì)沖式集沙儀數(shù)理模型

1.1 集沙儀整體結(jié)構(gòu)及工作原理

分流對(duì)沖式集沙儀主要由旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置、風(fēng)沙分離器、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)、集沙盒等部分組成，相比較其它類型的集沙儀，分流對(duì)沖式集沙儀突破了以往通過單一擴(kuò)容降速的思路，提出了分流對(duì)沖以及多級(jí)擴(kuò)容組合的設(shè)想，降速效果更明顯，提高了集沙效率。該集沙儀不僅可以自動(dòng)導(dǎo)向，實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)侵蝕風(fēng)向，還能夠自動(dòng)稱質(zhì)量，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸，滿足了野外觀測(cè)的需求。

其工作原理：在風(fēng)力作用下，導(dǎo)向板進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，使集沙儀的進(jìn)氣口對(duì)準(zhǔn)來流方向，風(fēng)沙流通過進(jìn)氣口進(jìn)入到風(fēng)沙分離器內(nèi)，在風(fēng)沙分離器的作用下，氣體通過排氣口排出，沙塵則落入集沙盒內(nèi)，集沙盒下方的稱重傳感器采集到沙塵質(zhì)量信號(hào)后，通過數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理，再無線傳輸?shù)竭h(yuǎn)處的上位機(jī)軟件，從而實(shí)現(xiàn)土壤風(fēng)蝕量的遠(yuǎn)距離無線采集。

1.2 風(fēng)沙分離器設(shè)計(jì)原理

風(fēng)沙分離器是基于分流對(duì)沖原理設(shè)計(jì)而成，就是在進(jìn)氣管末端設(shè)計(jì)一個(gè)分流結(jié)構(gòu)，迫使氣流分流與對(duì)沖，以實(shí)現(xiàn)氣流速度的大幅度降低，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 氣流分流對(duì)沖示意圖Fig.1 Airflow shunt-hedging schematic

分流對(duì)沖原理為氣流于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(dòng)，在B處附近發(fā)生對(duì)沖和渦旋[20]，相互對(duì)抗，從而實(shí)現(xiàn)氣流速度的大幅度降低。

1.3 風(fēng)沙分離器結(jié)構(gòu)模型及工作原理

風(fēng)沙分離器結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，主要由進(jìn)氣管、楔形體、排氣管、分流對(duì)沖腔擴(kuò)容腔、上回流腔、分離腔、下回流腔等部分構(gòu)成，降速原理為：當(dāng)風(fēng)沙流從進(jìn)氣口進(jìn)入風(fēng)沙分離器后，在進(jìn)氣管1的擴(kuò)容條件影響下，實(shí)現(xiàn)初步降速；在楔形體2的作用下，氣流被分成兩股，在排氣管3的圓柱表面繞流，進(jìn)入到分流對(duì)沖腔4，在兩股氣流的對(duì)沖作用下，實(shí)現(xiàn)氣流的第2次降速，此時(shí)，有極少部分的土壤顆粒會(huì)隨著氣流從排氣口排出，絕大多數(shù)風(fēng)沙流會(huì)繼續(xù)向下流動(dòng)；對(duì)沖后的氣流下行進(jìn)入到擴(kuò)容腔5，在擴(kuò)容條件影響下，實(shí)現(xiàn)第3次降速；氣流繼續(xù)下行進(jìn)入到上回流腔6，受回流條件影響，實(shí)現(xiàn)第4次降速；氣流從上回流腔出來后進(jìn)入到分離腔7，在擴(kuò)容條件影響下，實(shí)現(xiàn)第5次降速，此時(shí)大部分土壤顆粒在重力作用下會(huì)直接下落，通過排沙口降落到集沙盒被收集起來，實(shí)現(xiàn)風(fēng)沙分離；氣流繼續(xù)下行至下回流腔8，在回流條件影響下，實(shí)現(xiàn)第6次降速。

圖2 風(fēng)沙分離器結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structure model of sand separator

1.4 數(shù)值計(jì)算模型

對(duì)于簡(jiǎn)單的流動(dòng)，通常是隨著方程數(shù)的增多，計(jì)算量增大，精度變高，收斂性變差；但是對(duì)于復(fù)雜的湍流運(yùn)動(dòng)，精度高、計(jì)算量小、收斂性好等計(jì)算特征卻與湍流模型的選擇有關(guān)[21]。

RNGkε-湍流模型能模擬射流撞擊、分離流、二次流、旋流等中等復(fù)雜流動(dòng)，由于受到渦旋粘性各向同性假設(shè)的限制，除強(qiáng)旋流過程無法精確預(yù)測(cè)外，其他流動(dòng)均可使用此模型。在風(fēng)沙分離器內(nèi)部，由于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(gè)流場(chǎng)內(nèi)占據(jù)一定比例，故選用RNGkε-湍流模型較為適合。

在RNGkε-湍流模型中，k為湍動(dòng)能，ε為湍動(dòng)耗散率，k和ε的方程[22]分別為：

式中u為x方向的速度，m/s；k為湍動(dòng)能，m2/s2；ε為湍動(dòng)耗散率，m2/s3；ρ為空氣密度，kg/m3；β為熱膨脹系數(shù)，無量綱；μ為層流黏度，kg/(m·s)；lμ為湍流黏度，kg/(m·s)；effμ為有效黏度，kg/(m·s)；kG為由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，Pa/s；、、εα、kα為模型常數(shù)；ijE為反映主流的時(shí)均應(yīng)變率；t為時(shí)間，s；η為湍流與平均流時(shí)間尺度的比值；0η為η在均勻剪切流中的典型值；KS為用戶定義源項(xiàng)，可根據(jù)不同情況定；MY為可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張項(xiàng)。

1.5 邊界條件設(shè)置

邊界條件對(duì)于模擬集沙儀中氣體流動(dòng)有很重要的意義[23-26]，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(shí)體的物理特性和操作特性，選擇合適的邊界類型與適用場(chǎng)合。分流對(duì)沖式集沙儀內(nèi)部是空氣和土壤顆粒兩相運(yùn)動(dòng)，而絕大多數(shù)土壤顆粒在集沙儀中的運(yùn)動(dòng)取決于氣相運(yùn)動(dòng)，因此，需要對(duì)集沙儀內(nèi)部氣場(chǎng)流動(dòng)做深入分析，邊界條件設(shè)置如下：

集沙儀內(nèi)部氣體為空氣，因此其密度設(shè)置為ρ= 1.205 kg/m3，設(shè)置進(jìn)氣口速度為13.8 m/s（強(qiáng)風(fēng)條件），動(dòng)力黏度μ=1.8×10–5Pa·s，水力直徑為:

式中管道截面積S=9.375×10-5m2（即進(jìn)氣口處方形截面面積）；管道截面的濕周L=0.04 m（即進(jìn)氣口處方形截面的周長(zhǎng)）。

考慮到集沙儀工況為自由流風(fēng)場(chǎng)，因此在進(jìn)氣口選擇自由流速度入口類型的時(shí)候應(yīng)該選擇（VELOCITY_ INLET），在選擇自由流出口的邊界類型時(shí)選擇（OUTFLOW）。風(fēng)沙分離器中2個(gè)計(jì)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。

雷諾數(shù)（Reynolds number）是一種用來表征流體流動(dòng)狀態(tài)的無量綱數(shù)，氣流速度為13.8 m/s時(shí)氣流雷諾數(shù)是：

式中ρ為空氣密度，kg/m3；v為氣流速度，m/s；d為水力直徑，m；γ為空氣黏度，Pa/s

湍流的強(qiáng)弱通常采用湍流強(qiáng)度來衡量，是湍流脈動(dòng)速度與平均速度的比值，氣流速度為13.8 m/s時(shí)湍流強(qiáng)度為：

圖3 風(fēng)沙分離器邊界條件示意圖Fig.3 Boundary conditions diagram of sand separator

在氣固兩相流模型中，假設(shè)固相與氣相同時(shí)、等速進(jìn)入風(fēng)沙分離器，氣相為空氣，作為主相，密度取1.205 kg/m3；固相為土壤粒子，作為離散的第二相，密度取2 650 kg/m3，研究[27]認(rèn)為，懸移的沙塵最細(xì)，粒徑一般小于0.05 mm，躍移的沙塵多為0.1～0.5 mm，是土壤風(fēng)蝕研究的關(guān)鍵和重點(diǎn),因此沙粒粒徑取0.1 mm，對(duì)改進(jìn)后的風(fēng)沙分離器進(jìn)行沙粒運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)值模擬。首先對(duì)氣相進(jìn)行數(shù)值模擬，在計(jì)算域內(nèi)固體壁面采用無滑移邊界條件，對(duì)于近壁面區(qū)域流動(dòng)則采用滿足對(duì)數(shù)分布的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)條件。氣相流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算完畢后，再采用Injections來添加入口的粒子噴射流，固相的質(zhì)量流率為0.0152 kg/s，初始速度按強(qiáng)風(fēng)氣流的最大值13.8 m/s給出，沿x軸負(fù)方向進(jìn)入，得出粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬

2.1 設(shè)計(jì)方案

圖4所示的風(fēng)沙分離器二維結(jié)構(gòu)模型中，D1代表排氣管直徑，H1代表排氣管長(zhǎng)度，D2代表排沙口直徑，H2代表排沙口收縮高度。原集沙儀所用風(fēng)沙分離器的排氣管直徑為30 mm，排氣管長(zhǎng)度為30 mm，排沙口直徑為15 mm，排沙口收縮高度為15 mm。該文以原風(fēng)沙分離器結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對(duì)排氣管直徑參數(shù)、排氣管長(zhǎng)度參數(shù)、排沙口直徑參數(shù)、排沙口收縮高度參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。排氣管直徑分別取5、15、25、30、35、45 mm，排氣管長(zhǎng)度分別取25、35、45 mm，排沙口直徑分別取20、35、50、65、75 mm，排沙口收縮高度分別取5、15、25、35 mm。對(duì)這4個(gè)不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行組合（例如D1=5 mm，H1= 25 mm，D2=20 mm，H2=5 mm為一個(gè)組合，D1=15 mm，H1=25 mm，D2=20 mm，H2=5 mm為另一個(gè)組合），得到360個(gè)不同的組合結(jié)果。利用GAMBIT軟件建模，導(dǎo)入FLUENT環(huán)境進(jìn)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(gè)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬后的結(jié)果，研究土壤風(fēng)蝕集沙儀風(fēng)沙分離器內(nèi)部的規(guī)律，得到一個(gè)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合即改進(jìn)型風(fēng)沙分離器，從而降低排氣口和排沙口氣流的軸向速度，達(dá)到降低風(fēng)沙流對(duì)傳感器的沖擊和提高集沙效率的目的。

圖4 風(fēng)沙分離器二維結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Two-dimension structure of sand separator

2.2 仿真結(jié)果與分析

對(duì)360個(gè)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬后的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總排序，得到排氣口風(fēng)速和排沙口風(fēng)速都比較低的參數(shù)組合為：排氣管直徑25 mm、排氣管長(zhǎng)度25 mm、排沙口直徑75 mm、排沙口收縮高度15 mm。原始風(fēng)沙分離器和優(yōu)化后的風(fēng)沙分離器的對(duì)比仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 原風(fēng)沙分離器和改進(jìn)型風(fēng)沙分離器云圖Fig.5 Simulation vector diagram of original and optimized sand separator

從FLUENT仿真結(jié)果中可以測(cè)出原風(fēng)沙分離器排氣口最高風(fēng)速為2.41 m/s，排沙口最高風(fēng)速為2.25 m/s，優(yōu)化后的風(fēng)沙分離器排氣口最高風(fēng)速為2.12 m/s，排沙口最高風(fēng)速為1.42 m/s，對(duì)比仿真結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的風(fēng)沙分離器排氣口以及排沙口最高風(fēng)速比原風(fēng)沙分離器分別降低了12.03%和36.89%。

從圖6可以看出沙粒的運(yùn)動(dòng)軌跡在進(jìn)氣管和分流對(duì)沖腔內(nèi)集中分布在中心軸線區(qū)域，且平滑有序，在反向?qū)_區(qū)域中有回流現(xiàn)象，并隨氣流進(jìn)入擴(kuò)容腔，振蕩時(shí)間在0.75 s以下，表明氣流對(duì)沙粒的影響仍是主要的，此時(shí)未發(fā)生氣固分離，沙粒隨氣流進(jìn)入上回流腔，沙粒運(yùn)動(dòng)軌跡變得雜亂無章，但圓滑的運(yùn)動(dòng)軌跡還是很明顯的，而且振蕩時(shí)間不長(zhǎng)，約1 s，說明此時(shí)粒子仍未脫離氣流。沙粒隨氣流繼續(xù)運(yùn)動(dòng)至分離腔內(nèi)，其振蕩時(shí)間開始增加，有的沙粒振蕩時(shí)間長(zhǎng)達(dá)7 s，表明此時(shí)的沙粒已經(jīng)脫離氣流，發(fā)生氣固分離，沙粒的慣性力起主要作用，通過排沙口落入下方被收集到。

圖6 沙粒運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.6 Sand particle trajectory

3 風(fēng)洞試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

對(duì)集沙儀進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)至關(guān)重要，可以檢驗(yàn)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。DEM模型對(duì)于風(fēng)沙多相流的研究具有很大的幫助[28]，可以模擬自然界的環(huán)境條件進(jìn)行仿真試驗(yàn)，但是仿真結(jié)果是否能代表現(xiàn)實(shí)環(huán)境的試驗(yàn)結(jié)果，還需在真實(shí)環(huán)境條件下進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果才更有說服力。

風(fēng)洞試驗(yàn)無外界風(fēng)力干擾，常壓，溫度20～23℃。試驗(yàn)所采用的設(shè)備為：室內(nèi)微型試驗(yàn)風(fēng)洞1臺(tái)，I2000數(shù)字電子稱1臺(tái)，Testo 425熱敏風(fēng)速儀1部，刻度尺1把，膠布1捆，改進(jìn)型風(fēng)沙分離器1個(gè)、容積為1.5 kg的集沙盒1個(gè)，輸沙漏斗1個(gè)，稱沙容器1個(gè)，試驗(yàn)架1個(gè)，調(diào)整板若干。

試驗(yàn)土樣從內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)科技園試驗(yàn)田挖取，使其自然狀態(tài)下干燥一段時(shí)間，然后從干燥的農(nóng)田土壤樣本中稱取1 kg，利用農(nóng)田土壤樣本在恒溫箱中烘干的方法，將試驗(yàn)農(nóng)田土壤樣本在105℃的恒溫箱中烘干6～8 h至質(zhì)量不再變化為止，通過農(nóng)田土壤樣本含水率公式（6）算出自然干燥后的農(nóng)田土壤樣本含水率約為1.34%。

試驗(yàn)前的混合農(nóng)田土壤樣本經(jīng)BT-2001激光粒度分布儀的濕法測(cè)試，粒徑分布于0.554～450.9μm之間，具體分布范圍如表1所示。

表1 試驗(yàn)土樣的粒徑分布范圍Table 1 Particle size distribution range of test soil sample

用標(biāo)準(zhǔn)篩篩出粒徑小于0.5 mm的混合土樣，以50 g為基準(zhǔn)，稱出24份。

室內(nèi)微型試驗(yàn)風(fēng)洞分為擴(kuò)散段、整流段、收縮段和實(shí)驗(yàn)段4部分。擴(kuò)散段、整流段和收縮段的制作材料為2 mm厚不銹鋼，試驗(yàn)段制作材料為透明光滑的亞克力。內(nèi)部蜂窩器采用六角形網(wǎng)格，該網(wǎng)格的損失系數(shù)小，氣流壓力損失小，對(duì)降低湍流度有顯著效果[29-30]。阻尼網(wǎng)位于蜂窩器與收縮段之間，可降低蜂窩器后面的氣流漩渦，以減小穩(wěn)定段氣流的湍流強(qiáng)度，使穩(wěn)定段徑向流場(chǎng)更均勻，邊界層厚度1 cm，風(fēng)速1～18 m/s可調(diào)[31]。

圖7 室內(nèi)微型風(fēng)洞Fig.7 Interior miniature wind tunnel

3.2 降速性能測(cè)試

試驗(yàn)前將改進(jìn)分離器和原分離器分別放入殼體中，對(duì)殼體進(jìn)行調(diào)整，使殼體中伸出的進(jìn)氣管正對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)段中心軸線位置，調(diào)整后將殼體固定。在微型風(fēng)洞試驗(yàn)段留有6個(gè)測(cè)速孔，調(diào)整風(fēng)速時(shí)將Testo 425熱敏風(fēng)速儀探頭伸入到最外側(cè)的測(cè)速孔里，并且盡量保證風(fēng)速儀探頭在中心軸線位置，正對(duì)風(fēng)吹來的方向，將變頻器啟動(dòng)，風(fēng)機(jī)開始工作，逐漸調(diào)整變頻器的頻率，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到試驗(yàn)風(fēng)速的時(shí)候，使變頻器的頻率穩(wěn)定在某一值，將風(fēng)速儀的探頭從實(shí)驗(yàn)段測(cè)速孔中取出，用膠帶將測(cè)速孔密封。

試驗(yàn)取6、9、12、13.8、15 m/s 5個(gè)試驗(yàn)風(fēng)速，當(dāng)試驗(yàn)風(fēng)速達(dá)到這5個(gè)值的時(shí)候?qū)esto 425熱敏風(fēng)速儀探頭伸入風(fēng)沙分離器排氣口和排沙口測(cè)試其風(fēng)速（圖8）。

圖8 氣流速度測(cè)試Fig.8 Test of air flow velocity

3.3 氣固分離效率測(cè)試

試驗(yàn)前將改進(jìn)分離器和原分離器分別放入殼體中，在改進(jìn)型風(fēng)沙分離器和原分離器的進(jìn)氣管上部設(shè)計(jì)輸沙孔，輸沙漏斗固定在輸沙孔中，將輸沙孔處密封。排沙口下放有集沙盒，用來收集沙樣。依照降速性能測(cè)試的方法將微型風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速調(diào)整到6、9、12、13.8、15 m/s 5個(gè)試驗(yàn)風(fēng)速。當(dāng)試驗(yàn)風(fēng)速達(dá)到這5個(gè)值的時(shí)候開始往輸沙漏斗中加入沙樣，添加過程要緩慢些，避免沙樣在輸沙漏斗中堵塞。沙樣添加完畢后將集沙盒從殼體中取出，用I2000數(shù)字電子稱量集沙盒中的沙樣質(zhì)量，每個(gè)風(fēng)速值都要做3次試驗(yàn)，最后取平均值，分析改進(jìn)型分離器的氣固分離效率。

3.4 集沙效率測(cè)試

集沙效率測(cè)試在0FDY-1.2型移動(dòng)式風(fēng)蝕風(fēng)洞中進(jìn)行，以集沙儀最低處的風(fēng)沙分離器的進(jìn)氣口中心處為基準(zhǔn)，通過調(diào)整集沙儀下面調(diào)整板的數(shù)量調(diào)整集沙儀的高度，使進(jìn)氣口到風(fēng)洞底部的距離為2 cm，則其他7個(gè)風(fēng)沙分離器到風(fēng)洞底部的距離為8、19、32、36、49、53、66 cm，這8個(gè)高度為集沙儀收集沙樣的試驗(yàn)高度。

風(fēng)洞風(fēng)速在6、9、12、15、18 m/s 5個(gè)試驗(yàn)風(fēng)速下，調(diào)整風(fēng)洞輸沙器制造挾沙風(fēng)，得到不同風(fēng)速下集沙儀的集沙量，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總和處理分析。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.5.1 降速性能分析

當(dāng)排氣管內(nèi)氣流速度低于沙塵的懸浮速度時(shí)，沙塵就會(huì)在自身重力作用下脫離氣流，返回風(fēng)沙分離器，所以排氣口氣流速度是影響沙塵收集粒徑的主要因素之一。將強(qiáng)風(fēng)條件下排氣口的最高風(fēng)速試驗(yàn)值0V=2.23 m/s代入沙塵顆粒懸浮速度公式[32]

式中V0為沙塵的懸浮速度，即強(qiáng)風(fēng)條件下改進(jìn)型風(fēng)沙分離器排氣口的最高風(fēng)速，m/s；d*表示沙粒直徑，m；ρ*表示沙塵的密度，為2 650 kg/m3；ρ表示地表空氣密度，約為1.225 kg/m3；c為系數(shù)，取值為0.4；D表示當(dāng)量直徑，在本文中即為分離腔的截面直徑，取值0.075 m；m表示沙塵質(zhì)量，kg。

將公式（8）以及上述參數(shù)值代入公式（7）可算出沙粒直徑d*約為0.07 mm，故從經(jīng)驗(yàn)公式推算，改進(jìn)后的風(fēng)沙分離器可收集直徑大于0.07 mm的沙粒。

從表2中可以看出，相同條件下，無論是排氣口最高風(fēng)速和平均風(fēng)速還是排沙口最高風(fēng)速和平均風(fēng)速，改進(jìn)后的分離器比原分離器都有所降低，當(dāng)試驗(yàn)條件在強(qiáng)風(fēng)條件（13.8 m/s）以下時(shí)，改進(jìn)型分離器排沙口95%以上的區(qū)域風(fēng)速在0.2 m/s以下，也就是靜風(fēng)條件。在強(qiáng)風(fēng)條件時(shí)，排沙口大部分區(qū)域平均風(fēng)速也非常低，與仿真過程中模擬的狀況接近。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，強(qiáng)風(fēng)條件下，排氣口平均風(fēng)速為0.68m/s，比原分離器降低了，8.11%，改進(jìn)后的風(fēng)沙分離器排氣口最高風(fēng)速比原風(fēng)沙分離器降低了7.47%；排沙口的最高風(fēng)速為 1.52 m/s，比原風(fēng)沙分離器降低了35.59%，排沙口平均風(fēng)速為0.23 m/s，比原風(fēng)沙分離器降低了28.13%。

表2 風(fēng)沙分離器改進(jìn)前后排氣口和排沙口風(fēng)速對(duì)比Table 2 Comparison of velocity between air outlet and sand outlet before and after improvement of sand separator

3.5.2 氣固分離效率分析

氣固分離效率是指氣固分離后集沙盒收集到的固相質(zhì)量m0與氣固分離前進(jìn)入分離器的固相質(zhì)量m之比，表示為：

氣固分離試驗(yàn)每次所用農(nóng)田土壤樣本質(zhì)量為50 g，由表3和公式（9），可以計(jì)算出在6～15 m/s的風(fēng)速條件下改進(jìn)型風(fēng)沙分離器的氣固分離效率分別為99.91%、99.85%、99.79%、99.76%。平均分離效率為99.82%。同理計(jì)算出在6～15 m/s的風(fēng)速條件下原風(fēng)沙分離器的氣固分離效率分別為99.88%、99.85%、99.77%、99.72%，平均分離效率為99.80%。從以上結(jié)果可以看出改進(jìn)型風(fēng)沙分離器的氣固分離效率與原風(fēng)沙分離器的氣固分離效率相比，氣固分離效率沒有明顯提高。

表3 風(fēng)沙分離器改進(jìn)前后集沙盒收集土樣質(zhì)量比較Table 3 Comparison of collecting soil amount between sandbox original and optimized sand separator g

3.5.3 集沙效率分析

在風(fēng)蝕風(fēng)洞中不同試驗(yàn)風(fēng)速下采集的不同高度上的集沙量數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 不同風(fēng)速下集沙儀8個(gè)高度上的集沙量Table 4 Sand amount in 8 height of sand samplerunder different wind speed g

用Matlab軟件對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可計(jì)算出不同試驗(yàn)風(fēng)速下在66 cm高度上的實(shí)測(cè)輸沙量，如表5所示。

每份試驗(yàn)土樣的總質(zhì)量為10 kg，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段寬度為1 000 mm，則6 mm寬度（進(jìn)氣口寬度）上的實(shí)際輸沙量為60 g，通過計(jì)算可以得出6、9、12、15、18 m/s風(fēng)速下的集沙效率分別為79.16%、91.72%、91.96%、92.05%和92.2%。而原集沙儀在相應(yīng)風(fēng)速下的集沙效率分別為77.18%、89.6%、90.29%、90.74%和91.05%。改進(jìn)型集沙儀9～18 m/s時(shí)的平均集沙效率為91.98%，相對(duì)于原集沙儀的平均集沙效率90.42%提高了1.56%。

表5 冪函數(shù)分布下不同風(fēng)速下的實(shí)測(cè)輸沙量Table 5 Actual measured sediment runoff amount of power function distribution under different wind speeds

4 結(jié) 論

1）通過GAMBIT軟件建模，利用FLUENT軟件進(jìn)行仿真，對(duì)分流對(duì)沖式集沙儀風(fēng)沙分離器的排氣管直徑、排氣管長(zhǎng)度、排沙口直徑、排沙口距離不同參數(shù)排列組合成的不同的仿真結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)通過進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)，排氣口和排沙口風(fēng)速仍然有降低的空間。

2）通過對(duì)FLUENT軟件仿真出的360個(gè)不同的仿真結(jié)果進(jìn)行匯總排序，得出分流對(duì)沖式集沙儀風(fēng)沙分離器排氣管直徑為25 mm、排氣管長(zhǎng)度為25 mm、排沙口直徑為75 mm、排沙口收縮高度為15 mm時(shí)，風(fēng)沙分離器的排氣口和排沙口的降速效果最佳。

3）在相同風(fēng)洞試驗(yàn)條件下，改進(jìn)型風(fēng)沙分離器降速效果更理想，雖然風(fēng)沙分離效率沒有明顯提高，但集沙效率提高了1.56%。因此，采集的數(shù)據(jù)更加精確。

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Optimization design of shunt-hedging sand sampler based on numerical simulation and wind tunnel experiment

Shang Xiaobin1, Chen Zhi1※, Song Tao2, Liu Haiyang1, Chen Yan1, Qiu Yi1
(1. College of Machine and Electronics Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China; 2. College of Mechanical and Architectural Engineering, Taishan University, Taian 271000, China)

Soil erosion is a serious environmental problem in arid and semi-arid regions, which has aroused wide concern among the public. Soil erosion is the process of denudation, sorting and transportation of farmland soil under the action of wind. Soil erosion can cause soil texture coarse, structure deterioration, decline of soil fertility and decrease of sustainable productivity, seriously restricting the sustainable development of agriculture. Sand sampler is one of necessary devices to research soil erosion, which is a key equipment in the observation of sand flow structure and laws of wind and sand movement. In addition, it is necessary to optimize the design of sand sampler so that we can obtain a large and accurate erosion data to improve the sand collection efficiency. However, the core component of the shunt hedging sand sampler is a sand separator. In addition, according to the combination of shunt hedging and multistage expansion, the wind speed reduction effect is more obvious, and the sand collection efficiency can be higher. In this paper, the FLUENT software and the micro wind tunnel are used as experimental platform to optimize the exhaust pipe diameter, exhaust pipe length, sand outlet diameter, and sand outlet contraction height of the separator of the shunt hedging sand sampler. Furthermore, the finite element model of the sand separator for the shunt hedging sand sampler was established. Meanwhile, according to the RNG turbulence model, the numerical simulation analysis is carried out for sand sampler. Besides, the DEM model is used to calculate the trajectory of sand particles entering the sand separator so that we can easily obtain the sand collection efficiency. Besides, through the low speed performance test and gas-solid separation efficiency test, the simulation results of the original sand separator and the optimized sand separator in FLUENT are verified based on indoor micro wind tunnel. Moreover, the numerical simulation and wind tunnel test results show that the exhaust pipe and sand outlet deceleration performance of the optimized sand separator has been improved obviously compared with the original sand separator. When the exhaust pipe diameter is 25 mm, the exhaust pipe length is 25 mm, the contraction height is 15 mm and the sand outlet distance is 75 mm, the impact of the gas flow on the automatic acquisition sensor is minimal under strong wind condition (13.8 m/s), the maximum wind speed of the exhaust pipe is 2.23 m/s, which is decreased by 7.47% compared with the original sand separator, the average wind speed of the exhaust pipe is 0.68 m/s, 8.11% lower than that of the original sand separator, the maximum wind speed of the sand outlet is 1.52 m/s, 35.59% lower than that of the original sand separator, and the average wind speed of the sand outlet is 0.23 m/s, 28.13% lower than that of the original sand separator. Meanwhile, the average separation efficiency can reach 99.82%. Therefore, compared with the original sand separator, the sand collection efficiency of the optimized sand sampler is improved by 1.56%.

erosion; optimization; finite element method; shunt hedging sand sampler; wind tunnel test

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.011

S237

A

1002-6819(2017)-16-0080-08

2017-01-17

2017-04-12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“分流對(duì)沖式集沙儀結(jié)構(gòu)參數(shù)及其內(nèi)流場(chǎng)特性研究”（41661058）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的土壤風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究”（41361058）

商曉彬，主要從事機(jī)械測(cè)控及自動(dòng)化技術(shù)研究。呼和浩特 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，010018。Email: shangxiaobin1113@163.com

※通信作者：陳智，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事工程測(cè)試及其技術(shù)裝備研究。呼和浩特 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，010018。

Email:sgchenzhi@imau.edu.cn