場(chǎng)地膜稈分離裝置的數(shù)值模擬研究

張姚斌，王春耀，劉夢(mèng)霞，羅建清

(新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

0 引言

地膜覆蓋技術(shù)可以提高地溫，加快根系生長(zhǎng)，適合微生物的增殖，使無(wú)機(jī)鹽的轉(zhuǎn)化速度大大提高，使農(nóng)作物產(chǎn)量提高，具有諸多優(yōu)勢(shì)，因此廣泛被農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者使用[1-3]。然而，地膜技術(shù)的應(yīng)用為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也產(chǎn)生了很大的負(fù)作用，即殘留的地膜破壞土壤結(jié)構(gòu)，影響耕地質(zhì)量與透氣性，不同程度地抑制了農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育，造成減產(chǎn)。殘留地膜降低了土壤微生物的活性，阻礙了土壤礦化釋放及肥力提高，所以對(duì)地膜的回收和分離迫在眉睫[4]。本文采用了數(shù)值模擬的研究方法，對(duì)不同工況下的膜稈分離裝置進(jìn)行模擬仿真，分析腔體內(nèi)流場(chǎng)的壓力及速度分布，從而為膜稈分離裝置選擇了合適的風(fēng)選參數(shù)范圍。

1 方法

1.1 風(fēng)選過(guò)程的工作原理

膜稈分離裝置的基本原理是根據(jù)不同密度的物料所具有的懸浮速度差來(lái)進(jìn)行分離。質(zhì)量較大、密度較大、懸浮速度較大的粗細(xì)棉稈在自身重力作用下依次下落，而密度小、質(zhì)量輕、懸浮速度較小的地膜隨著水平向前的氣流輸送到較遠(yuǎn)的物料出口，從而地膜與粗細(xì)棉稈進(jìn)行了分離，其風(fēng)選原理如圖1所示。本文采用懸浮實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)量膜雜的懸浮速度，得到粗棉稈的懸浮速度為8～10m/s，細(xì)棉稈的懸浮速度為6～8m/s，地膜的懸浮速度為2m/s。由此可見(jiàn)，地膜與棉稈的懸浮速度相差較大，因此利用其懸浮速度差分離出地膜[5-7]。其懸浮試驗(yàn)臺(tái)如圖2所示。

圖1 膜稈分離裝置氣流分選原理示意圖

圖2 懸浮試驗(yàn)臺(tái)

1.2 數(shù)學(xué)模型

本文通過(guò)改變送風(fēng)速度、送風(fēng)角度和進(jìn)料口的位置來(lái)分析其流場(chǎng)內(nèi)部的速度和壓力分布，找到一種較佳的風(fēng)選參數(shù)范圍。

流體在腔體內(nèi)的流動(dòng)為湍流流動(dòng)[8-9]，膜稈分離裝置內(nèi)部流場(chǎng)遵守質(zhì)量守恒定律及牛頓第二定律，定義腔體內(nèi)部的流場(chǎng)是不可壓縮流場(chǎng)，湍流流動(dòng)采用k-ε模型，在直角坐標(biāo)條件下的各個(gè)控制方程如下：

1)質(zhì)量守恒方程為

(1)

對(duì)于不可壓縮的流體，密度ρ設(shè)定為常數(shù)，那么式(1)可化簡(jiǎn)為

(2)

2)動(dòng)量守恒方程(即N-S方程)為

(4)

(5)

3)k-ε湍流方程為

模型中的常數(shù)按照文獻(xiàn)[10]選取C1ε=1.44,C2ε=1.92,σk=1.0,σε=1.3，建立完整的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1.3 網(wǎng)格劃分和邊界條件

1.3.1 網(wǎng)格劃分

對(duì)膜稈分離裝置風(fēng)選流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，求解的幾何區(qū)域?yàn)槟ざ挿蛛x裝置的幾何空間體。筒體的前側(cè)面設(shè)置有進(jìn)料口和送風(fēng)口，筒體的后側(cè)面和筒體上的孔洞設(shè)置為出風(fēng)口，采用UG建模其簡(jiǎn)化圖如圖3所示。模型的尺寸參數(shù)設(shè)置如下：

滾筒直徑/mm： 1 200

滾筒長(zhǎng)度/mm:4 000

送風(fēng)口尺寸/mm：600×150

進(jìn)料口尺寸/mm：400×200

膜稈分離裝置幾何模型的網(wǎng)格劃分類(lèi)型采用適用性很好的Tgrid混合網(wǎng)格。Sizing的設(shè)置中，Relevance Center設(shè)置為Fine，Interval size Seed 設(shè)置為 Active Assembly，Smoothing 設(shè)置為Medium ,Transition 設(shè)置為Slow ，Span Angle Center設(shè)置為Fine ，共劃分了 15 890個(gè)節(jié)點(diǎn)、79 622 個(gè)單元、164 291個(gè)面。劃分后的網(wǎng)格如圖4所示。

圖3 膜桿分離裝置簡(jiǎn)化圖

圖4 場(chǎng)地膜稈分離裝置的網(wǎng)格劃分

1.3.2 邊界條件

根據(jù)地膜分離裝置腔體的特點(diǎn)，設(shè)置送風(fēng)口為Velocity-inlet，送風(fēng)速度為10m/s，出風(fēng)口為Outflow，F(xiàn)low Rate Weighting為 1；物料是連續(xù)送入模型，忽略氣流的散失，因此進(jìn)料口設(shè)置為Wall；其余壁面的邊界條件設(shè)置為Wall。

2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

2.1 初始模型的模擬分析

運(yùn)用ANSYS的Fluent模塊對(duì)膜稈分離裝置進(jìn)行流場(chǎng)分析，得到整個(gè)內(nèi)部的壓力和速度分布。圖5的橫坐標(biāo)代表腔體的長(zhǎng)度，單位為mm；縱坐標(biāo)代表流場(chǎng)壓力，單位為Pa。圖6的橫坐標(biāo)代表腔體的長(zhǎng)度，單位為mm；縱坐標(biāo)代表流場(chǎng)速度，單位為m/s。

分析圖5和圖6可以看出：模型內(nèi)部的壓力先減小然后逐漸增大，在送風(fēng)口下端及模型前端頂部存在低壓區(qū)，且壓力值變化較大;在模型長(zhǎng)度X<0.25m范圍內(nèi)，壓力值減小，最小壓力為2.12Pa；在模型長(zhǎng)度X>0.25m范圍內(nèi)，壓力值逐漸增大，最大值為15.30Pa。流場(chǎng)壓力在模型后端逐漸穩(wěn)定，利于膜雜分離。即模型內(nèi)部的壓力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且壓力值在模型后端變化不大;腔體內(nèi)的流體速度逐漸減小，且流體的速度在腔體的前半部分分布不均勻，各點(diǎn)的速度比較分散，不夠密集，在后半部分速度分布較為均勻。在X>350mm范圍內(nèi)，速度基本保持在2m/s以下。

圖5 流場(chǎng)的壓力分布

圖6 流場(chǎng)的速度分布

2.2 送風(fēng)速度的模擬分析

初始設(shè)備的送風(fēng)速度為10m/s，不足以合理地分離粗細(xì)棉稈和地膜，因此增加送風(fēng)速度為12、14、16、18、20m/s，分析送風(fēng)速度的改變對(duì)膜稈分離裝置內(nèi)部流場(chǎng)和風(fēng)選效率的影響。在膜稈分離裝置的腔體水平方向上每隔100mm選出一個(gè)截面，共計(jì)選出40個(gè)截面，計(jì)算得到每個(gè)截面的壓力及速度平均值，并繪制曲線(xiàn)。分析送風(fēng)速度的改變對(duì)腔體內(nèi)部流場(chǎng)的壓力和速度分布的影響。圖7為當(dāng)送風(fēng)速度改變時(shí)流場(chǎng)內(nèi)部壓力沿著腔體的改變，圖8為當(dāng)送風(fēng)速度改變時(shí)流體速度沿著腔體的改變。

圖7 送風(fēng)速度改變壓力的模擬分析

圖8 送風(fēng)速度改變速度的模擬分析

分析圖7可知：隨著送風(fēng)速度的增加，模型內(nèi)部流場(chǎng)壓力均值變大；送風(fēng)速度大于14m/s時(shí)，流場(chǎng)壓力均值明顯增加；送風(fēng)速度大于18m/s，流場(chǎng)壓力均值過(guò)大，且隨著模型水平方向一直增加，其壓力不穩(wěn)定，不利于地膜的分離。

綜上所述，當(dāng)送風(fēng)速度為14～16m/s時(shí)，模型內(nèi)部流場(chǎng)壓力穩(wěn)定增加，且流場(chǎng)壓力變化平緩，是較為適宜的風(fēng)選速度。

分析圖8可知：初始設(shè)備中，模型內(nèi)部流場(chǎng)速度過(guò)小，模型內(nèi)部基本無(wú)大于8m/s的區(qū)域；流場(chǎng)速度6m/s8m/s的范圍增大，氣流可以帶著物料向前運(yùn)行更長(zhǎng)距離；流場(chǎng)速度6m/s

綜上所述，送風(fēng)速度為16m/s較為合理。

2.3 送風(fēng)角度改變的模擬分析

初始設(shè)備模型的送風(fēng)方向?yàn)樗剿惋L(fēng)(即無(wú)偏角度送風(fēng))，通過(guò)改變送風(fēng)上偏角度，將送風(fēng)角度分別設(shè)置為送風(fēng)角度上偏5°、10°、15°、20°，分析送風(fēng)角度的改變對(duì)流場(chǎng)的影響。取截面方法與前面相同，計(jì)算得到的每個(gè)截面的壓力及速度平均值，并繪制曲線(xiàn)，分析送風(fēng)角度改變時(shí)對(duì)流場(chǎng)的壓力和速度分布的影響。圖9為當(dāng)送風(fēng)角度改變時(shí)流場(chǎng)壓力沿著腔體長(zhǎng)度的改變，圖10為當(dāng)送風(fēng)角度改變時(shí)流體速度沿著腔體長(zhǎng)度的改變。

圖9 送風(fēng)角度改變壓力的模擬分析

圖10 送風(fēng)角度改變速度的模擬分析

分析圖9可知：初始模型內(nèi)各個(gè)截面的壓力均值為正壓；當(dāng)送風(fēng)角度上偏時(shí)，模腔體內(nèi)部出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，且隨著送風(fēng)角度的增加，負(fù)壓值增大，負(fù)壓區(qū)范圍增大；送風(fēng)角度為上偏5°時(shí)，負(fù)壓區(qū)范圍占整個(gè)模型的80%；當(dāng)送風(fēng)角度大于5°，模型內(nèi)的流場(chǎng)壓力均值為負(fù)值；送風(fēng)口上偏15°時(shí)，流場(chǎng)負(fù)壓值較其他工況條件為最大，最大負(fù)壓為-25Pa；送風(fēng)角度為20°時(shí)，模型內(nèi)部的壓力均值減小。

分析圖10可知：隨著送風(fēng)上偏角度的變大，腔體內(nèi)部的流體速度最大值變大；當(dāng)送風(fēng)角度上偏5°時(shí)，流場(chǎng)速度6m/s2m/s的范圍明顯增加，膜雜聚集在一起，且模型內(nèi)部的氣流在模型前端很不穩(wěn)定，波動(dòng)性很大。

綜上所述，當(dāng)送風(fēng)角度為5°時(shí)，流場(chǎng)壓力分布及速度分布較優(yōu)。

2.4 進(jìn)料口位置改變的模擬分析

設(shè)置模型的初始進(jìn)料口位置為距離模型中心為400mm的位置，通過(guò)改變進(jìn)料口的位置，即進(jìn)料口上移30mm、進(jìn)料口上移50mm、進(jìn)料口下移40mm、進(jìn)料口下移60mm，分析膜稈分離裝置內(nèi)部流場(chǎng)和風(fēng)選效率的影響。取點(diǎn)方式不變，計(jì)算得到每個(gè)截面的壓力及速度平均值，并繪制曲線(xiàn)，分析進(jìn)料口位置的不同對(duì)流場(chǎng)的壓力和速度分布的影響。圖11為當(dāng)進(jìn)料口位置改變時(shí)流場(chǎng)壓力沿著腔體的改變，圖12為當(dāng)進(jìn)料口位置改變時(shí)流體速度沿著腔體的改變。

圖11 進(jìn)料口位置改變壓力的模擬分析

圖12 進(jìn)料口位置改變速度的模擬分析

分析圖11可知：進(jìn)料口位置上移30mm時(shí)，流場(chǎng)內(nèi)壓力從負(fù)壓區(qū)過(guò)渡到正壓區(qū)，負(fù)壓區(qū)范圍較其他進(jìn)料口位置為最大，約占整個(gè)模型的42.5%;進(jìn)料口位置繼續(xù)上移50mm時(shí)，流場(chǎng)壓力從負(fù)壓區(qū)過(guò)渡到正壓區(qū)，負(fù)壓區(qū)范圍占整個(gè)模型的40%，負(fù)壓值減小，進(jìn)入正壓區(qū)后，壓力變大；隨著進(jìn)料口位置的上移，負(fù)壓區(qū)范圍減小且負(fù)壓值變??；進(jìn)料口位置下移40mm時(shí)和進(jìn)料口位置繼續(xù)下移60mm時(shí)，其腔體內(nèi)部的正壓區(qū)壓力值小于初始模型的壓力值。

分析圖12可知：進(jìn)料口位置上移30mm時(shí)，流體速度波動(dòng)性很大，且流場(chǎng)速度V>6m/s的范圍很小; 進(jìn)料口位置上移50mm時(shí)，流場(chǎng)速度波動(dòng)性大，流場(chǎng)不穩(wěn)定，其流場(chǎng)速度V>6m/s的范圍變化不大，流場(chǎng)速度2m/s

綜上所述，當(dāng)進(jìn)料口位置下移60mm(進(jìn)料口中心位置距離模型中心位置為340mm)時(shí)，為相對(duì)合理的進(jìn)料口位置。

3 結(jié)論

1)分析不同送風(fēng)速度對(duì)膜稈分離裝置內(nèi)部流場(chǎng)和風(fēng)選效率的影響，結(jié)果證明：送風(fēng)速度為16m/s時(shí)為適宜風(fēng)選膜雜的條件。

2)分析不同送風(fēng)角度對(duì)膜稈分離裝置內(nèi)部流場(chǎng)和風(fēng)選效率的影響，結(jié)果表明：送風(fēng)角度上偏5°時(shí)，其風(fēng)選效率較好。

3)分析不同進(jìn)料口位置對(duì)膜稈分離裝置內(nèi)部流場(chǎng)和風(fēng)選效率的影響，結(jié)果表明：當(dāng)進(jìn)料口中心位置距離模型中心位置為340mm時(shí)為合理的進(jìn)料口位置。