復(fù)雜摘棉氣力輸送系統(tǒng)流固耦合數(shù)值建模與流場分析

夏先偉，買買提明·艾尼,2，古麗巴哈爾·托乎提，張全忠

(1.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047；2.烏魯木齊佰博機(jī)電科技有限公司，新疆烏魯木齊 830002)

0 前言

我國棉花無論是種植面積還是產(chǎn)量都位于世界前列。但是與先進(jìn)植棉大國相比，我們的棉花生產(chǎn)方式落后、經(jīng)營規(guī)模小、勞動生產(chǎn)率低、生產(chǎn)成本比較高[1]。因此，研制出國產(chǎn)采棉機(jī)顯得尤為重要。采棉機(jī)中采棉頭是采摘工作中重要的部分，由吸力輸棉裝置、采棉裝置、傳動裝置等組成，直接關(guān)系到機(jī)器的采摘效率和采凈率等系列問題。由于采棉頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜并伴隨著采摘與脫棉等復(fù)雜的運(yùn)動以及籽棉的輸送功能，在工作過程中難免存在堵塞以及輸送不流暢的情況。研究者針對這些問題對采棉頭在結(jié)構(gòu)、運(yùn)動方式和材料等方面進(jìn)行研究，對其進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。馬清亮等[2]對軟摘錠采棉機(jī)采摘頭三維流場進(jìn)行數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究，探究物料在分離過程中受到流體不同風(fēng)速、滾筒轉(zhuǎn)速等影響因素下的運(yùn)動規(guī)律；張智明等[3]就水平摘錠時(shí)采棉機(jī)的采摘結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)與運(yùn)動仿真，探討摘錠運(yùn)動軌跡的合理性；高廣娣等[4]通過三維掃描的方法對水平式采摘頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，避免因撞落造成落地棉的產(chǎn)生；張宏文等[5]以膠棒滾筒作為棉花采摘工作部件，可以有效減少和避免打斷棉枝和采摘未成熟的棉鈴；楊紅杰[6]對統(tǒng)收式采棉機(jī)氣力輸送系統(tǒng)內(nèi)部流場動力學(xué)進(jìn)行研究，根據(jù)物料特性確定風(fēng)速風(fēng)壓，并在輸送管道內(nèi)設(shè)計(jì)一種除雜裝置；田虎楠[7]將各種不同類型的物料輸送系統(tǒng)進(jìn)行比較，對梳齒式采棉機(jī)輸送管道內(nèi)部進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)；木合塔爾·克力木等[8]對垂直摘錠式采棉機(jī)風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場和輸送管道彎曲程度與輸送風(fēng)量的關(guān)系進(jìn)行研究。

目前，并沒有對采棉裝置內(nèi)部的復(fù)雜運(yùn)動和吸力輸棉裝置對采棉裝置內(nèi)部流場影響的研究。文中針對這一問題，對采棉裝置及吸力輸棉裝置進(jìn)行數(shù)值建模，并通過使用Fluent中的滑移網(wǎng)格和UDF(User-Defined Function)來模擬采棉裝置內(nèi)部各部分運(yùn)動；對產(chǎn)生的內(nèi)部流場進(jìn)行分析，探討在吸力輸棉裝置中不同進(jìn)口速度對采棉裝置內(nèi)部流場的影響，以找到在采棉裝置中輸送籽棉較為理想的速度，也為之后的采棉裝置的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供相應(yīng)的參考。

1 采棉頭工作原理與數(shù)值建模

垂直摘錠式采棉機(jī)由3組滾筒式采棉頭組成(見圖1)，每一組采棉頭分為左、右兩組采摘頭，每組采摘頭由棉花采摘系統(tǒng)和負(fù)壓式吸力輸棉系統(tǒng)組成。棉花采摘系統(tǒng)由兩組串聯(lián)采棉滾筒和柔性摘錠、3組脫棉刷、動力系統(tǒng)、機(jī)架和引導(dǎo)板等關(guān)鍵部件組成，而負(fù)壓式吸力輸棉系統(tǒng)由負(fù)壓入口(集棉筒)輔助實(shí)現(xiàn)。

圖1 滾筒式采棉頭結(jié)構(gòu)及工作原理

為了方便對采棉頭內(nèi)部流場的分析，根據(jù)簡單的對稱原理，選取一組采摘頭進(jìn)行分析，并根據(jù)采摘頭工作要求建立復(fù)雜摘棉氣力輸送系統(tǒng)示意圖，如圖2所示。在采棉機(jī)運(yùn)行過程中，液壓馬達(dá)驅(qū)動完成采棉滾筒自轉(zhuǎn)(順時(shí)針)和柔性摘錠的公轉(zhuǎn)(順時(shí)針)運(yùn)動。柔性摘錠的自轉(zhuǎn)則需要通過皮帶來完成，不同的區(qū)域摘錠的旋轉(zhuǎn)方向不同，所需要完成的工作任務(wù)也不同。當(dāng)柔性摘錠運(yùn)動到區(qū)域A時(shí)，通過皮帶作用使自身反轉(zhuǎn)(逆時(shí)針)將棉花從棉株上采摘下來；當(dāng)柔性摘錠運(yùn)動到區(qū)域B中，通過皮帶使自身正轉(zhuǎn)(順時(shí)針)和滾筒一起到脫棉輸棉區(qū)域C中與脫棉刷自轉(zhuǎn)(順時(shí)針)相互運(yùn)動，使得棉花脫落進(jìn)入輸棉通道。通過氣力的作用下將棉花送入輸送到集棉筒中，完成對棉花的采摘與輸送。

圖2 復(fù)雜摘棉氣力系統(tǒng)示意

2 數(shù)值計(jì)算及邊界條件設(shè)置

2.1 湍流模型的選擇

連續(xù)性方程、動量方程和能量方程是研究流體力學(xué)重要的三大理論方程[9]。

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

(2)

流體在采棉裝置中的流動可以認(rèn)為是定常湍流流動，采用κ-ε湍流模型，采棉裝置內(nèi)部的密度變化較小，對流場分析基本沒有影響，不考慮能量方程。

文中研究選用YAKHOT及ORZAG提出的RNGκ-ε模型。在RNGκ-ε模型中，通過大尺度運(yùn)動和修正后的黏度項(xiàng)來體現(xiàn)小尺度的影響，而使這些尺度運(yùn)動有系統(tǒng)地從控制方程中去除，所得到的κ方程和ε方程與標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型非常相似[9]：

ρε-Ym+Sκ

(3)

(4)

與標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型對比，克服了標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型在強(qiáng)旋流和流線彎曲流動時(shí)產(chǎn)生的失真現(xiàn)象。RNGκ-ε模型是通過修正黏性項(xiàng)的方法，去除了小尺度的運(yùn)動。由RNG理論可得：C1g=1.42，C2g=1.68。其他參數(shù)Gκ=0.084 5。

2.2 柔性摘錠的運(yùn)動建模

在采棉裝置中柔性摘錠的工作主要由自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)和正反轉(zhuǎn)運(yùn)動等組成。在采摘過程中，采棉滾筒自轉(zhuǎn)帶著摘錠公轉(zhuǎn)，同時(shí)摘錠在自己的位置上通過皮帶接觸實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)。當(dāng)摘錠反轉(zhuǎn)到采摘區(qū)域時(shí)采摘棉花；當(dāng)摘錠正轉(zhuǎn)到脫棉輸棉區(qū)域時(shí)，摘錠進(jìn)行與采摘時(shí)候相反的旋轉(zhuǎn)方式，與脫棉刷接觸運(yùn)動，將棉花脫下來進(jìn)入輸棉通道。

采棉裝置中柔性摘錠在采棉滾筒邊緣上進(jìn)行公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)運(yùn)動，在自轉(zhuǎn)運(yùn)動過程中伴隨著不同區(qū)域上的正反轉(zhuǎn)，摘錠上面某一點(diǎn)的運(yùn)動方式[10]即為摘錠進(jìn)行采摘時(shí)的運(yùn)動軌跡。設(shè)柔性摘錠公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)運(yùn)動的軌跡為圓上點(diǎn)A到點(diǎn)B所形成的運(yùn)動軌跡，如圖3所示，其軌跡方程為

圖3 摘錠上點(diǎn)A到點(diǎn)B的運(yùn)動軌跡

(5)

式中：R為采摘滾筒的半徑；r為柔性摘錠的半徑；θ為滾筒和摘錠公轉(zhuǎn)的角度；α為摘錠自轉(zhuǎn)的角度，其中θ=ω1t，當(dāng)0≤θ≤180°時(shí)，α=ω2t，摘錠反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)采摘功能；當(dāng)180°<θ<360°時(shí)，α=-ω2t，摘錠正轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)脫棉功能。

2.3 網(wǎng)格運(yùn)動

在Fluent中網(wǎng)格瞬態(tài)的運(yùn)動方式有針對區(qū)域運(yùn)動的滑移網(wǎng)格和針對邊界及區(qū)域運(yùn)動的動網(wǎng)格[11]。對比這兩種運(yùn)動方式，動網(wǎng)格的運(yùn)動指的是邊界的運(yùn)動，更接近物體實(shí)際的運(yùn)動方式，但在運(yùn)動過程中容易出現(xiàn)負(fù)體積現(xiàn)象。在處理自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)問題時(shí)，容易在運(yùn)行過程中出現(xiàn)偏離公轉(zhuǎn)軌道的情況?；凭W(wǎng)格的運(yùn)動是區(qū)域的運(yùn)動，它不涉及網(wǎng)格的更替，因此不會產(chǎn)生負(fù)體積。由于采棉裝置內(nèi)部各部分的運(yùn)動比較復(fù)雜，針對這一問題，對運(yùn)動描述采用的方式為滑移網(wǎng)格和UDF來指定某一個(gè)區(qū)域的特定運(yùn)動。采用UDF中的DEFINE_ZONE_MOTION宏來指定摘錠的運(yùn)動，其中的origin參數(shù)表示摘錠的圓心坐標(biāo)變化，omega參數(shù)實(shí)現(xiàn)摘錠的公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)和正反轉(zhuǎn)的運(yùn)動。脫棉刷和采摘滾筒的運(yùn)動則采用滑移網(wǎng)格的方式來實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)運(yùn)動。在運(yùn)動過程對網(wǎng)格進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，模擬柔性摘錠運(yùn)動過程中既存在跟隨采棉滾筒的公轉(zhuǎn)運(yùn)動，也存在自轉(zhuǎn)運(yùn)動，同時(shí)實(shí)現(xiàn)摘棉和脫棉正反轉(zhuǎn)運(yùn)動方向的轉(zhuǎn)換。

2.4 邊界條件設(shè)置

買買提明·艾尼團(tuán)隊(duì)針對采棉機(jī)的吸力裝置(集棉筒)的氣力輸送特性進(jìn)行研究。通過對集棉筒的深入研究，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速對集棉筒入口處的速度影響較大。在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)時(shí)，集棉筒在風(fēng)機(jī)的作用下吸力入口處的速度與集棉筒的高度有關(guān)且速度在0～35 m/s之間。實(shí)際工作中隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，相應(yīng)的吸力入口的速度也增大。采棉機(jī)運(yùn)行過程中，采棉滾筒的公轉(zhuǎn)與摘錠的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)以及脫棉刷的自轉(zhuǎn)運(yùn)動等合理地配合是影響采棉效率的重要因素。文中所研究的采摘系統(tǒng)內(nèi)部中各部分的轉(zhuǎn)速參數(shù)如表1所示。

表1 采摘系統(tǒng)內(nèi)部各部分參數(shù)

以JX-013型棉花品種作為測試對象，推導(dǎo)棉團(tuán)直徑、密度、質(zhì)量與漂浮速度之間的關(guān)系，得到不同的密度狀態(tài)下的懸浮臨界速度為4.63(松散狀態(tài)、密度為30 kg/m3)～8.59 m/s(半壓實(shí)狀態(tài)，密度為110 kg/m3)，在機(jī)采棉過程中籽棉基本屬于松散狀態(tài)，偶爾有半壓實(shí)狀態(tài)。但是通過測定最大的密度是60 kg/m3，其對應(yīng)的懸浮速度為6.45 m/s 。因此，確定懸浮速度為4.63～6.45 m/s。

在氣力輸送過程中，滿足物料正常輸送的條件下，由下列公式求得[12]：

vG=cvt

(6)

式中：vG為氣流的速度，m/s；c為速度增大系數(shù)，其取值范圍為1.9～2倍；vt為物料懸浮速度，m/s。

由上式選取速度增大系數(shù)為2，計(jì)算得到的籽棉氣力輸送速度為9.26～12.9 m/s。其中在自由進(jìn)口處的速度為0.1 m/s。

3 計(jì)算過程與分析

3.1 采棉裝置的建模與網(wǎng)格劃分

考慮到采棉裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)較多且復(fù)雜，并且流體域的網(wǎng)格數(shù)量較大，對計(jì)算機(jī)性能要求較高以及引導(dǎo)板處可能存在湍流現(xiàn)象，研究采用二維平面模型代替三維模型簡化計(jì)算并對外部的引導(dǎo)板處進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)滑移網(wǎng)格的特點(diǎn)對采棉裝置內(nèi)部流場區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為1 mm。單元總計(jì)40萬，平均質(zhì)量0.97。其中，在采棉裝置內(nèi)部各區(qū)域中，采棉滾筒和脫棉刷區(qū)域只有單獨(dú)的自轉(zhuǎn)運(yùn)動，而摘錠存在多種運(yùn)動，當(dāng)0≤θ≤180°時(shí)，摘錠反轉(zhuǎn)；當(dāng)180°<θ<360°時(shí)，摘錠正轉(zhuǎn)。在脫棉刷區(qū)域中心轉(zhuǎn)動。每個(gè)區(qū)域之間的交接面用interface連接，解決不同區(qū)域之間數(shù)據(jù)無法交流的問題如圖4所示。

圖4 采棉裝置區(qū)域網(wǎng)格劃分

3.2 采棉裝置內(nèi)部流場分析

運(yùn)動中的采棉裝置中的流場在每一個(gè)時(shí)刻的變化都比較大。因此，選擇t=2.5 s時(shí)內(nèi)部流場比較穩(wěn)定的時(shí)間進(jìn)行分析。在出口速度為30 m/s時(shí)，通過圖5可以觀察出：引導(dǎo)板優(yōu)化后的采棉裝置內(nèi)部的湍流現(xiàn)象較少，將有利于氣力對籽棉的輸送，減少堵塞情況的發(fā)生。由于采棉裝置采用二維圖形進(jìn)行仿真模擬，所以根據(jù)集棉筒自由進(jìn)口處的速度范圍，設(shè)定采棉裝置的出口速度為10、20、25、30 m/s，分析采棉裝置內(nèi)部的流場分布(見圖6)及壓力分布情況(見圖7)。為了分析輸棉通道區(qū)域內(nèi)的速度，通過分析采棉裝置出口速度30 m/s時(shí)內(nèi)部流線圖，根據(jù)流線與脫棉刷旋轉(zhuǎn)方向的不同將輸棉通道區(qū)域分為順流區(qū)域和逆流區(qū)域。其中，順流區(qū)域?yàn)榱骶€與脫棉刷的旋轉(zhuǎn)方向相同的A～F平面，逆流區(qū)域?yàn)榱骶€與脫棉刷的旋轉(zhuǎn)方向相反的G～L平面，如圖8所示，通過測量順、逆流區(qū)域中各個(gè)平面平均速度大小來對采棉裝置內(nèi)部的流場進(jìn)行分析，如圖9所示。

圖5 2.5 s時(shí)出口速度30 m/s時(shí)采棉裝置內(nèi)部流線

圖6 2.5 s時(shí)不同速度出口下的內(nèi)部速度云圖

圖7 2.5 s時(shí)不同速度出口下的內(nèi)部壓力云圖

圖8 順逆流區(qū)域各個(gè)平面的位置圖

通過對不同出口速度的采棉裝置內(nèi)部的流場、壓力云圖以及在輸棉區(qū)域中逆、順流區(qū)域中不同平面的速度變化大小的分析：

(1)對比圖6，吸力輸棉裝置的速度對采棉裝置內(nèi)部流場的變化影響很大。因此，通過自身的復(fù)雜旋轉(zhuǎn)運(yùn)動產(chǎn)生的速度比較小，不能滿足輸送籽棉的要求，需要通過合理控制吸力輸棉裝置速度大小才能將籽棉輸送出去。

(2)對比圖6、7、9中的速度、壓力云圖以及順、逆流區(qū)域中不同平面的速度，滿足籽棉氣力輸送速度范圍為9.26～12.9 m/s，運(yùn)動到2.5 s時(shí)出口速度為25 m/s時(shí)，采棉裝置內(nèi)部的速度和壓力云圖分布較為均勻，同時(shí)在輸棉區(qū)域達(dá)到氣力輸送要求，相對輸送效果較好。

(3)在相同的出口速度下，對比圖9中順流區(qū)域平面與逆流區(qū)域平面的速度大小，順流區(qū)域平面的速度比較大，更加有利于籽棉的輸送。

圖9 2.5 s時(shí)順逆流區(qū)域不同位置平面速度大小

4 結(jié)論

通過使用滑移網(wǎng)格與UDF來模擬采棉裝置中復(fù)雜的運(yùn)動，并對不同出口速度下的內(nèi)部流場進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)：采棉裝置自身的運(yùn)動不能滿足輸送要求，需要合理地控制吸力輸棉裝置速度大小才能把籽棉成功輸送；在運(yùn)動到2.5 s時(shí)，出口速度為25 m/s時(shí)輸送籽棉的效果較好；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)在輸棉區(qū)域中流線與脫棉刷旋向相同的時(shí)候速度更大，有利于籽棉輸送。對采棉裝置的數(shù)值建模和流場分析方法能夠?yàn)橹蟮脑O(shè)計(jì)與優(yōu)化提供相應(yīng)的參考。