氣吸式蜂王漿取漿機(jī)吸漿頭的流場(chǎng)數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究*

范 青 ， 歐陽靜怡 ， 王 亮 ， 林金龍 ，3

（1.江西開放大學(xué)，江西 南昌 330046；2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江西 南昌 330045；3.江西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330045）

蜂王漿具有極高的營養(yǎng)價(jià)值，深受廣大消費(fèi)者喜愛[1-3]。作為養(yǎng)蜂產(chǎn)業(yè)重要的高價(jià)值產(chǎn)品，蜂王漿的生產(chǎn)卻長期依賴效率較低的手工挖取采集。生產(chǎn)效率低下已成為制約蜂王漿產(chǎn)量和活性成分的主要因素。有學(xué)者認(rèn)為機(jī)械化生產(chǎn)水平也是制約蜂王漿產(chǎn)量的重要因素[4]，也有研究認(rèn)為蜂王漿的采集時(shí)間與活性成分相關(guān)[5-6]。許多學(xué)者對(duì)蜂王漿機(jī)械化生產(chǎn)機(jī)具方面進(jìn)行過研究[7-9]。林金龍等研發(fā)了一種氣吸式蜂王漿自動(dòng)取漿裝置[10-11]，采用一種多管式吸漿頭在負(fù)壓氣源作用下通過機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取漿。多管式吸漿頭入口處的壓力和氣流分布會(huì)直接影響氣流剪切力，而管內(nèi)流場(chǎng)分布則可能影響到蜂王漿的沉積附著[12]。本研究基于對(duì)吸漿頭流場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，并對(duì)吸漿頭進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)于改善取漿機(jī)作業(yè)性能具有重要意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 取漿原理與吸漿頭結(jié)構(gòu)

根據(jù)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)蜜蜂研究所開發(fā)的第十二代免移蟲育王產(chǎn)漿技術(shù)中產(chǎn)漿條結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[12]，自動(dòng)取漿機(jī)采用單體吸漿頭雙聯(lián)拼接布置，吸漿頭出口通過導(dǎo)管連接至集漿盒，如圖1（a）、圖1（b）所示。每個(gè)吸漿頭有2×8個(gè)吸管，吸管間距與排距分別為11 mm、12 mm，與產(chǎn)漿條上王臺(tái)孔一致。吸頭的吸管呈1∶15的錐度，方便插入王臺(tái)中，也有利于吸管和王臺(tái)孔形成的環(huán)隙中空氣的流動(dòng)，如圖1（c）所示。

圖1 氣吸式取漿原理與吸漿頭結(jié)構(gòu)

吸漿頭吸管與型腔呈直通式連接，型腔呈整體漸縮型結(jié)構(gòu)。吸漿頭內(nèi)部型腔所構(gòu)建的流域結(jié)構(gòu)如圖2（a）、圖2（b）所示。使用ANSYS 2021R1對(duì)流域內(nèi)氣流流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析吸頭的入口速度、壓力分布及型腔內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)。

圖2 直通式流域的吸漿頭

2 吸漿頭氣流速度及壓力分布

2.1 計(jì)算模型與邊界條件

吸漿頭內(nèi)是典型三維湍流流場(chǎng)，因此本研究采用經(jīng)典k-ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)負(fù)壓氣源特征，采用壓力入口、流量出口的邊界條件。按照取漿機(jī)負(fù)壓氣源實(shí)際工況，確定邊界條件總出口質(zhì)量流量為0.013 3 m3·s-1，入口靜壓2.94 kPa，對(duì)吸漿頭內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.2 吸漿頭流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果

2.2.1流場(chǎng)分布

氣流速度分布、入口處速度和壓力分布的數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖3所示。其中，圖3（a）、圖3（b）分別顯示了吸漿頭內(nèi)正視和俯視的速度分布，最大氣流速度約為35.0 m·s-1，發(fā)生在吸管折彎處，過大的氣流速度可能導(dǎo)致漿蟲混取時(shí)幼蟲發(fā)生碰撞破碎而影響蜂王漿品質(zhì)。由圖3（a）可知，吸漿頭內(nèi)型腔中下部存在一個(gè)低速回流區(qū)域，該區(qū)域氣流速度低于7 m·s-1，可能致使部分蜂王漿與壁面碰撞后，沉積附著于此而不能被氣流輸送至集漿盒內(nèi)；圖3（b）顯示由于吸管與型腔的直通連接，吸入的氣流受收縮型腔邊界處邊界約束，將首先與壁面碰撞，隨后貼緊邊界流動(dòng)，氣流中攜帶的蜂王漿也將不可避免地撞擊并附著于型腔壁面。以上情況均不利于蜂王漿的收集。

圖3 直通式流域的吸漿頭內(nèi)速度分布、吸頭入口處速度與壓力分布

2.2.2入口速度和壓力分布

圖3（c）、圖3（d）顯示的是吸管入口處速度和壓力，可見，由于直通式吸管結(jié)構(gòu)，形成的入口氣流速度和壓力存在較大差異。由于吸漿頭流域具有對(duì)稱性，本研究分析其中一側(cè)速度和壓力數(shù)據(jù)，具體參數(shù)如表1所示。由此可見，外側(cè)吸管入口平均流速為26.3 m·s-1，而內(nèi)側(cè)為23.1 m·s-1，外側(cè)吸管入口氣流速度高于內(nèi)側(cè)3.2 m·s-1，外側(cè)速度較內(nèi)側(cè)高13.85%。相應(yīng)的外側(cè)平均壓力顯著低于內(nèi)側(cè)約100 Pa。入口氣流速度和壓力差異勢(shì)必引起氣流對(duì)蜂王漿的剪切力差異，最終使產(chǎn)漿條各王臺(tái)孔取漿率不一致，從而影響取漿均勻性。

表1 直通式吸頭入口氣流速度與壓力數(shù)值計(jì)算結(jié)果

3 吸漿頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化及數(shù)值模擬

3.1 吸漿頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

一方面，分析直通式吸漿頭的結(jié)構(gòu)可知，由于流管急擴(kuò)急縮，導(dǎo)致引起流速降低并形成較大回流。另一方面，吸管與型腔端形成直通式連接，導(dǎo)致側(cè)面吸管氣流與壁面碰撞易令蜂王漿黏附于壁面。為此，針對(duì)橫向截面漸縮情況，將流管型腔縱向設(shè)置成漸擴(kuò)流管，同時(shí)把吸漿頭長度增加30 mm，減緩流域截面積收縮速度。最后，調(diào)整吸管與型腔連接角度，使吸管接入型腔時(shí)軸線匯交于吸漿頭出口中心，如圖4所示。

圖4 斜連修正的吸漿頭

3.2 優(yōu)化后吸漿頭流場(chǎng)分布

修正后的吸漿頭在相同工況下的流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖5所示。由圖5（a）可知，最高氣流速度仍發(fā)生在吸管折彎處為32.5 m·s-1，但最高速度較修正前降低了7.1%，表明結(jié)構(gòu)修正有效抑制了氣流速度波動(dòng)。同時(shí)可知，吸漿頭的型腔底部仍存在一部分低速回流，但其回流區(qū)域較修正前更薄。如圖5（a）、圖5（b）所示，對(duì)吸管和吸漿頭進(jìn)行整形修正，減小了氣流的局部水頭損失，氣流從吸管中以穩(wěn)定方向進(jìn)入吸漿頭型腔。圖5（b）呈現(xiàn)了各流管氣流流線，可見相較于修正前，修正后的流束呈自收縮狀流動(dòng)，避免了氣流與壁面的碰撞，進(jìn)而減少了蜂王漿在吸漿頭側(cè)壁的附著。

圖5 修正吸漿頭的流域速度分布、吸頭入口處速度和壓力分布

3.3 優(yōu)化后吸漿頭入口速度和壓力分布

表2是修正后吸漿頭吸頭入口處氣流速度和壓力的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，其中吸漿頭外側(cè)吸頭氣流平均速度為25.7 m·s-1，內(nèi)側(cè)平均速度為23.4 m·s-1。一方面，內(nèi)外側(cè)吸管入口平均速度差由修正前的3.2 m·s-1下降為2.3 m·s-1，速度差降幅為28.1%；另一方面，內(nèi)外側(cè)吸管的入口壓力仍具有顯著差異，但平均壓力差由修正前的接近100 Pa降至修正后的74 Pa，較結(jié)構(gòu)修正前有一定改善。表明通過修正吸漿頭吸管和型腔的連接形式并增加吸漿頭長度，一定程度上降低了內(nèi)外兩排吸管的壓力和氣流速度差異，更小的速度和壓力差異意味著吸管氣流的剪切作用力差異也更小，從而改善了吸漿頭的取漿均勻性。

表2 修正吸頭入口氣流速度與壓力數(shù)值計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

課題組根據(jù)產(chǎn)漿條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了氣吸式取漿機(jī)吸漿頭，通過對(duì)吸漿頭的流場(chǎng)、入口處速度和壓力分布的數(shù)值計(jì)算，分析了吸漿頭結(jié)構(gòu)的氣流速度分布。在此基礎(chǔ)上提出了針對(duì)吸漿頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，吸漿頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化后減小了氣流相對(duì)壁面的沖擊，并減小了型腔內(nèi)低壓回流區(qū)，改善了腔內(nèi)流動(dòng)分布，有利于減少蜂王漿在型腔內(nèi)的附著量。優(yōu)化后吸漿頭內(nèi)外側(cè)吸管入口處氣流平均速度差由3.2 m·s-1降至2.3 m·s-1，降幅為28.1%；平均壓力差由98 Pa降至74 Pa，降幅為24.5%。結(jié)構(gòu)優(yōu)化有效減小了內(nèi)外側(cè)吸管的氣流和壓力差異，進(jìn)而改善了取漿質(zhì)量。