基于Fluent的氣流式集糧箱數(shù)值流場(chǎng)的仿真

陳思旭，王 霜,b,廖 敏,b，李青濤，盧勁竹

(西華大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院;b.流體與動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610039)

基于Fluent的氣流式集糧箱數(shù)值流場(chǎng)的仿真

陳思旭a，王 霜a,b,廖 敏a,b，李青濤a，盧勁竹a

(西華大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院;b.流體與動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610039)

為了改善小區(qū)收割機(jī)上麥粒在集糧箱中流化堆積的狀況，提高糧食輸送能力，深入研究了集糧箱中氣流場(chǎng)的分布規(guī)律。利用Adams動(dòng)力學(xué)軟件建立工作時(shí)的振動(dòng)模型，得到振動(dòng)響應(yīng)，在Fluent 15.0軟件中對(duì)集糧箱進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，并通過(guò)對(duì)其喉管高度、落粒出風(fēng)管高度、落?？诠苠F角及進(jìn)風(fēng)口壁面內(nèi)半徑4個(gè)參數(shù)的變化做正交試驗(yàn)，分析對(duì)比得出結(jié)果。試驗(yàn)表明：有效結(jié)構(gòu)參數(shù)為喉管高度為25mm，落粒出風(fēng)管高度為60mm，落粒口管錐角為30°，進(jìn)風(fēng)管壁面內(nèi)半徑為1 800mm，有利于集糧箱對(duì)糧食顆粒的有效風(fēng)送運(yùn)輸。

集糧箱；振動(dòng)；CFD；氣流場(chǎng)；收割機(jī)

0 引言

育種機(jī)械化可以成倍地提高育種工作效率，節(jié)省投資，縮短育種周期，但田間育種的小區(qū)種子收獲一直是個(gè)難題[1]。在現(xiàn)代小區(qū)收割機(jī)上，對(duì)振動(dòng)風(fēng)篩式清選后的麥粒運(yùn)輸廣泛采用的是氣體輸送[2]。結(jié)合小區(qū)收割機(jī)實(shí)際工作情況，糧食脫出物在風(fēng)力作用下流化沸騰于集糧箱中，嚴(yán)重影響收割機(jī)清潔率和殘留率。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外普遍運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)CFD(Computational Fluid Dynamics)來(lái)對(duì)空間復(fù)雜幾何區(qū)域流體進(jìn)行數(shù)值模擬。因此,以4LZX-1.5型農(nóng)業(yè)育種自清理式小麥小區(qū)收割機(jī)為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，運(yùn)用Fluent軟件分析集糧箱內(nèi)部的氣流流動(dòng)特性，優(yōu)化其幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)提高糧食輸送質(zhì)量和效率具有重要意義。

1 集糧箱工作原理及運(yùn)動(dòng)分析

麥粒混合物通過(guò)清選振動(dòng)篩后下落至入料口，集攏于入料箱中經(jīng)過(guò)落粒口進(jìn)入風(fēng)管，并在一側(cè)高壓風(fēng)機(jī)作用下，風(fēng)送到另側(cè)的出風(fēng)口至相同入口截面的旋風(fēng)分離器里，屬于正壓氣力輸送裝置[3]。在小區(qū)收割機(jī)中，為了使麥粒由自身重力及風(fēng)力作用下順利下落和防止風(fēng)送途中的堵塞，集糧箱與振動(dòng)篩同時(shí)進(jìn)行反向振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。實(shí)際工作中,入料箱內(nèi)部氣流場(chǎng)形成的紊流導(dǎo)致顆粒出現(xiàn)流態(tài)化的沸騰狀，雜殼及籽粒混合物在入料箱內(nèi)受風(fēng)力回旋不能及時(shí)經(jīng)過(guò)落?？谙侣涞斤L(fēng)管中，無(wú)法保證小區(qū)收割機(jī)收獲質(zhì)量。以4LZX-1.5型農(nóng)業(yè)育種自清理式小麥小區(qū)收割機(jī)為樣機(jī)，利用creo2.0三維建模軟件繪制出集糧箱三維結(jié)構(gòu)模型,如圖1所示。

1.出風(fēng)口 2.入料口 3.入料箱 4.入風(fēng)口 5.進(jìn)風(fēng)管壁面內(nèi)半徑 6.落?？诠苠F角 7.喉管高度 8.落粒口 9落粒出風(fēng)管高度

圖1 集糧箱三維結(jié)構(gòu)模型

為了便于觀察分析，將振動(dòng)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，圖2為集糧箱的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理簡(jiǎn)圖。根據(jù)小區(qū)收割機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，曲柄工作轉(zhuǎn)速為300r/min。整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)由曲柄提供動(dòng)力，使集糧箱做具有阻尼的單自由度受迫振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。集糧箱在y、z方向上都存在隨時(shí)間變化的位移，原動(dòng)件曲柄存在極位夾角，因此具有急回運(yùn)動(dòng)特性。集糧箱擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)微分方程[4]為

(1)

1.曲柄 2.機(jī)架 3～5.連桿 6.短搖桿 7.集糧箱 8.短搖桿圖2 振動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理簡(jiǎn)圖

為了較好地研究集糧箱的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以曲柄在最左側(cè)為位移和時(shí)間初始的零點(diǎn)位置。利用Adams動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)動(dòng)力學(xué)微分代數(shù)方程求解并模擬計(jì)算出集糧箱隨時(shí)間在y、z方向上的速度圖像，如圖3、圖4所示。

圖3 集糧箱在y方向速度變化

圖4 集糧箱在z方向速度變化

由速度變化圖可知：集糧箱振幅達(dá)到6.126 1mm，在y方向上速度最大值為186.578mm/s，運(yùn)動(dòng)周期為0.2s；集糧箱在z方向上速度最大值為36.831mm/s，運(yùn)動(dòng)周期為0.2s。

2 氣流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型及動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)

2.1 氣體動(dòng)力學(xué)控制方程

在模擬集糧箱內(nèi)部的氣體流動(dòng)中，設(shè)定氣流為連續(xù)介質(zhì)模型，內(nèi)部空氣的壓縮率較[5]，因此忽略空氣的壓縮對(duì)流場(chǎng)分布特性的影響，可認(rèn)定氣流為不可壓縮牛頓流體。氣體動(dòng)力學(xué)控制微分方程為如下：

根據(jù)質(zhì)量守恒原理，通用連續(xù)性方程為

(2)

對(duì)于不可壓縮流體，有

(3)

氣相Navier-Stokes方程為

(4)

湍流本身是極其復(fù)雜的三維非定常物理現(xiàn)象，對(duì)氣流的流體模型通常選為湍流模型[6]，將未知量與平均速度梯度結(jié)合起來(lái)，使基本控制方程組(1)～(3)封閉。對(duì)于射流擴(kuò)張，更好的適應(yīng)流動(dòng)分離和二次流，所以本文選用Realizablek-ε湍流模型，氣體的湍流動(dòng)能k和耗散率ε的公式如下：

1)雷諾應(yīng)力的渦粘性模型為

(5)

其中，μt為湍流粘度；ρ為氣流的密度；Sij為平均速度應(yīng)變率張量；k為湍流動(dòng)能；δij為克羅內(nèi)克因子；Snn為速度方向應(yīng)變率。

2)湍流粘度為湍流動(dòng)能k和耗散率ε的函數(shù)為

μt=cμfuρk2/ε

(6)

3)湍流動(dòng)能k運(yùn)輸方程為

(7)

4)耗散率ε運(yùn)輸方程為

(8)

其中

2.2 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)

由于集糧箱的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，屬于變化的計(jì)算流域，采用基于動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)來(lái)對(duì)箱體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。運(yùn)用彈簧近似光滑模型(Smoothing)和局部網(wǎng)格重構(gòu)(Remeshing)，使其網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)在相互之間連接模型彈簧，采用胡克定律迭代，得到移動(dòng)后的新節(jié)點(diǎn)位置。對(duì)不滿足網(wǎng)格尺寸的邊界動(dòng)網(wǎng)格，會(huì)被重新劃分，使之滿足畸變率和網(wǎng)格尺寸要求。對(duì)于任意廣義標(biāo)量φ，積分守恒方程為[7]

(9)

其中，Vs為單元體體積；Ls為單元體邊界；u為流體平均速度(m/s)；ug為動(dòng)網(wǎng)格邊界運(yùn)動(dòng)速度(m/s)；Γ為擴(kuò)散系數(shù)；qφ為源項(xiàng)；n為邊界外法線單位向量。

3 Fluent模型建立及參數(shù)設(shè)置

3.1 模型網(wǎng)格劃分及前處理設(shè)置

全局體網(wǎng)格類型為四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格如圖5所示。同時(shí)，對(duì)流體域變化較大處進(jìn)行局部加密，利用光順化迭代對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行處理，提高其生成質(zhì)量。

圖5 集糧箱流域網(wǎng)格劃分

由于集糧箱的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間而變化，為非定常狀態(tài)，模型的求解采用對(duì)于瞬態(tài)具有明顯優(yōu)勢(shì)的基于壓力的PISO分離式求解器[8]。離散化方法采用三階精度截差的QUICK格式。工作壓力設(shè)置為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓。入風(fēng)口根據(jù)風(fēng)機(jī)提供的參數(shù)速度入口取23.2m/s[2]，入料口為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓力入口，出風(fēng)口

設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓壓力出口。

3.2 流體域動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置

動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)可以模擬邊界運(yùn)動(dòng)引起的流域隨時(shí)間的變化，根據(jù)Adams對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的求解結(jié)果，得到集糧箱的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，運(yùn)用MicrosoftVisualStudio軟件編寫UDF(UserDefinedFunction)編譯型振動(dòng)運(yùn)動(dòng)函數(shù)見(jiàn)式[(10)、(11)]，移動(dòng)邊界設(shè)置為剛體運(yùn)動(dòng)，MeshMethods中選彈簧近似光滑法(Smoothing)和局部網(wǎng)格重構(gòu)(Remeshing)，在每個(gè)時(shí)間步(time)的迭代后同步更新其網(wǎng)格。

0.185sin(31.4×time)

(10)

0.03589sin(31.4×time)

(11)

4 集糧箱氣流場(chǎng)優(yōu)化

4.1 氣流場(chǎng)優(yōu)化目標(biāo)

由于脫出物輕浮且密度大，對(duì)集糧箱結(jié)構(gòu)有較高的要求。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，利用流體力學(xué)原理計(jì)算，使其內(nèi)部有較穩(wěn)定變化的氣流場(chǎng)，避免強(qiáng)旋流導(dǎo)致的清潔率下降和殘留率上升。在小區(qū)收割機(jī)上雜質(zhì)篩清選效率一般在80%[9]，所以在集糧箱入料箱體中氣流速度變化均勻，反向氣流流動(dòng)速度小于脫出物混合物最小懸浮速度，并且回流流速越小，入料口正向風(fēng)速越大有利于麥粒的運(yùn)輸，使其能迅速下落并風(fēng)送至出風(fēng)口。根據(jù)脫出物的懸浮速度測(cè)量統(tǒng)計(jì)，麥粒的懸浮速度在5.53～11.6m/s，莖稈為5.1～8.1m/s，輕雜質(zhì)0.74～6.4m/s[2]。所以，在集糧箱中得到相對(duì)均勻的氣流場(chǎng)和回流風(fēng)速不高0.74m/s及出口管內(nèi)避免回旋風(fēng)且出風(fēng)口風(fēng)速高于11.6m/s，有利于糧食脫出物的氣流運(yùn)輸。

4.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

本實(shí)驗(yàn)采用多因素多水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以固定的風(fēng)機(jī)風(fēng)速分別對(duì)喉管高度、落粒出風(fēng)管高度、落?？诠苠F角及進(jìn)風(fēng)管壁面內(nèi)半徑4個(gè)對(duì)氣流場(chǎng)影響較大的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[10]，以得到優(yōu)化流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。

根據(jù)L9(34)正交試驗(yàn)表，實(shí)驗(yàn)分為9組試驗(yàn)如表1所示。利用Fluent15.0分別對(duì)集糧箱進(jìn)行四因素三水平的數(shù)值模擬,并監(jiān)測(cè)出風(fēng)口、入料口及最大氣流速度，觀察入料箱及出風(fēng)管是否有旋流現(xiàn)象。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

4.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

通過(guò)對(duì)集糧箱的9組正交試驗(yàn)，在相同流體時(shí)間下計(jì)算結(jié)果如表2所示。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，出風(fēng)口風(fēng)速均高于11.6m/s，入料箱內(nèi)部存在回旋風(fēng)無(wú)法避免，用散點(diǎn)趨勢(shì)圖來(lái)表示4因素影響因子對(duì)風(fēng)速的影響。由圖6可知：隨喉管高度的增加，箱內(nèi)A、B、C3點(diǎn)風(fēng)速均呈下降趨勢(shì)，在喉管高度大于30mm后，最大風(fēng)速下降最為明顯。由圖7可知：當(dāng)落粒出風(fēng)管高度增加時(shí)，風(fēng)速有下降的趨勢(shì)，但在高度大于65mm后，場(chǎng)內(nèi)風(fēng)速變化有所減緩。由圖8可知：落?？诠苠F角對(duì)3點(diǎn)處風(fēng)速的影響各不相同，其中對(duì)于出風(fēng)口風(fēng)速影響較小，隨著錐角增大，場(chǎng)內(nèi)最大風(fēng)速呈同向變化，入料口出風(fēng)速在錐角大于30°后變化平穩(wěn)。由圖9可知：進(jìn)風(fēng)管壁面內(nèi)半徑對(duì)3點(diǎn)處風(fēng)速的影響最小，在進(jìn)風(fēng)管壁面內(nèi)半徑大于1 400mm時(shí)，入料口及最大風(fēng)速均呈回升趨勢(shì)。在9組試驗(yàn)中，入料箱內(nèi)部始終會(huì)伴隨回旋風(fēng)，并部分沿箱體斜壁面吹至入料口。

表2 正交試驗(yàn)分組及結(jié)果表

圖6 喉管高度對(duì)風(fēng)速的影響

圖7 落粒出風(fēng)管高度對(duì)風(fēng)速的影響

圖8 落?？诠苠F角對(duì)風(fēng)速的影響

圖9 進(jìn)風(fēng)管壁面內(nèi)半徑對(duì)風(fēng)速的影響

4.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)主要目標(biāo)箱內(nèi)回旋風(fēng)速進(jìn)行極差直觀分析，如表3所示。

表3 箱內(nèi)回旋風(fēng)速極差分析結(jié)果

表4 入料口風(fēng)速極差分析結(jié)果

由極差分析結(jié)果看出：影響回旋風(fēng)速的重要順序?yàn)閆、W、Y、X。目標(biāo)回旋風(fēng)速要取極小值，減小糧食脫出物在運(yùn)輸途中的干擾，所以對(duì)于影響因子較大的Z因素選取Z2,W因素選取W3。由于對(duì)集糧箱流場(chǎng)分析進(jìn)行的是多目標(biāo)優(yōu)化的正交試驗(yàn)，因此采用綜合平衡分析的原則。結(jié)合表4的結(jié)果，影響入料口風(fēng)速的重要順序?yàn)閄、Y、W、Z，對(duì)于入料口風(fēng)速影響因子較大的是X、Y?？紤]到入料口正向風(fēng)速越大，越利于脫出物的吸附歸攏，避免懸浮雜粒的沸騰影響糧食顆粒的下落，因此X因素選取X1,Y因素選取Y1，所以最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)為X1Y1Z2W3。優(yōu)化后集糧箱內(nèi)部氣流場(chǎng)的壓力分布云圖、等長(zhǎng)速度矢量圖及速度云圖如圖10～圖12所示。

圖10 集糧箱氣流場(chǎng)壓力分布云圖

圖11 集糧箱氣流場(chǎng)等長(zhǎng)速度矢量圖

圖12 集糧箱氣流場(chǎng)速度云圖

數(shù)值模擬表明：氣流從入口處開始，隨著彎曲管道截面積的減小，風(fēng)速逐漸增大，直至喉管后部達(dá)到最大值；而靜壓力值逐步下降，在出風(fēng)管道內(nèi)形成局部負(fù)壓，遠(yuǎn)低于其余各處的靜壓值，宜于速度方向匯聚，造成入料箱向出口管內(nèi)補(bǔ)風(fēng)，有利于顆粒的吸入。在隨后的出風(fēng)管內(nèi)風(fēng)速緩慢下降，靜壓值有所回升，負(fù)壓特征消除。由此得到出風(fēng)口風(fēng)速36.20m/s，入料口平均風(fēng)速0.53m/s，在入料口處存在部分回流氣流，回流速度通過(guò)監(jiān)測(cè)最高速度達(dá)到1.53m/s，出風(fēng)管內(nèi)無(wú)明顯的旋流，綜合數(shù)據(jù)優(yōu)于正交試驗(yàn)中所得的結(jié)果。

5 結(jié)論

1)運(yùn)用Fluent 15.0對(duì)集糧箱進(jìn)行9組正交試驗(yàn)?zāi)M計(jì)算，分析四因素對(duì)風(fēng)速的影響大小，監(jiān)測(cè)當(dāng)入口風(fēng)速為23.2m/s時(shí)，出風(fēng)口處和入料口處的風(fēng)速大小。結(jié)果表明：落?？诠苠F角和進(jìn)風(fēng)管壁面內(nèi)半徑對(duì)回流流速影響明顯，入料口風(fēng)速對(duì)喉管高度及落粒出風(fēng)管高度變化敏感。

2)通過(guò)仿真試驗(yàn)得到集糧箱有效結(jié)構(gòu)參數(shù)組合：喉管高度25mm，落粒出風(fēng)管高度60mm，落?？诠苠F角30°，進(jìn)風(fēng)管壁面內(nèi)半徑1 800mm。入料箱內(nèi)風(fēng)速及壓強(qiáng)變化均勻，大大減少了箱體內(nèi)部籽粒雜質(zhì)的沸騰對(duì)糧食顆粒下落受阻的影響，滿足集糧箱糧食氣力輸送的要求，對(duì)于提高小區(qū)收割機(jī)的清潔率和降低殘留率有重要的意義。

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Grain Collecting Bin Based on Fluent

Chen Sixua, Wang Shuanga.b, Liao Mina,b, Li Qingtaoa, Lu Jinzhua

(a.School of Mechanical Engineering; b.Key Laboratory of Fluid and Power Machinery of Ministry of Education, Xihua University，Chengdu 610039，China)

In order to improve the condition of wheat grain fluidized particle deposition in grain collecting bin on plot harvester and enhance the grain transmission capacity, the distribution regularity of the air flow field in the grain collecting bin was studied in depth. The vibration response was obtained according to the operating vibration model based on the dynamics software ADAMS. The numerical simulation on the grain collecting bin was conducted in software Fluent 15.0, and orthogonal experiments were carried out by changing four parameters: the height of the throat, the height of particle air outlet pipe, the cone angle of the dropping mouth, and the inner radius of the air inlet pipe. The results were obtained by means of analysis and comparison. Experiments showed that the effective structural parameters were as follows: the height of the throat was 25mm, the height of particle air outlet pipe was 60mm, the cone angle of the dropping mouth was 30°, and the inner radius of the inlet pipe was 1800mm, the parameters of which were favorable to the wind transportation in grain collecting bin.

grain collecting bin； vibration； CFD； air flow field

2016-11-07

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0700400)；四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2014JY0055)；流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西華大學(xué))研究課題(szjj2016-011, JYBFX-YQ-1)

陳思旭(1991- )，男，四川遂寧人，碩士研究生，(E-mail)517145249@qq.com。

王 霜(1974- )，男，四川彭山人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)wsh@mail.xhu.edu.cn。

S225；S220.39

A

1003-188X(2018)01-0034-06