短棒黑木耳負(fù)壓采收機(jī)內(nèi)部流場模擬與設(shè)備優(yōu)化

摘要：為分析箱體結(jié)構(gòu)對短棒黑木耳負(fù)壓采摘機(jī)內(nèi)部流場的流速變化、采摘頭吸風(fēng)口處的壓力、箱體內(nèi)部渦旋情況、進(jìn)出風(fēng)口風(fēng)壓壓差的影響，建立不同吸風(fēng)口位置及采摘管直徑的3D模型，基于Fluent軟件對短棒黑木耳負(fù)壓采摘機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行流場模擬。根據(jù)跡線圖分析收集箱出風(fēng)口處于不同位置時，箱體內(nèi)渦旋情況；研究設(shè)備內(nèi)部流場壓力云圖與矢量圖，分析不同采摘管直徑下管道內(nèi)流速變化、箱體內(nèi)平均流速值與采摘口所受風(fēng)壓情況。為驗證數(shù)據(jù)可靠性，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)吸力試驗。試驗結(jié)論與流場模擬結(jié)果相符，驗證流場數(shù)值模擬的可靠性。數(shù)值仿真結(jié)果表明，螺紋管直徑和出風(fēng)口高度對負(fù)壓采摘機(jī)內(nèi)部流場影響顯著。螺紋管直徑越大，氣流場壓降越大。且隨著螺紋管的內(nèi)徑增大，管道內(nèi)的氣流速度衰減越快，箱體內(nèi)氣流渦旋現(xiàn)象越嚴(yán)重。吸風(fēng)口位置會影響箱體內(nèi)渦旋情況。出風(fēng)口離收集箱頂部越近，渦旋現(xiàn)象越弱。綜合考慮，較優(yōu)的螺紋管直徑為58 mm，較合適的吸風(fēng)口位置為出風(fēng)口圓心距離箱體頂部60 mm。

關(guān)鍵詞：短棒黑木耳；采收機(jī)；氣流場；數(shù)值模擬；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：S233.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095?5553 （2024） 11?0100?06

Internal flow field simulation and equipment optimization of negative pressure harvesting machine for black fungus with short rod

Qian Chen1， Chen Hongli1， 2， Du Xiaoqiang1， 2， Sun Liang1， 3， Yang Zhenhua4

（1. School of Mechanical Engineering， Zhejiang University of Science and Technology， Hangzhou， 310018， China;

2. Zhejiang Key Laboratory of Planting Equipment Technology， Hangzhou， 310018， China; 3. Key Laboratory of Southeast Hill and Mountain Agricultural Equipment， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Hangzhou， 310018， China; 4. Longquan Guyuan Automation Equipment Co.， Ltd.， Longquan， 323700， China）

Abst1ME0DMzgYQkKQTquZPwgpQ==ract： In order to analyze the effect of the box structure on the flow velocity changes， pressure at the suction port of the picking head， vortex situation inside the box， and pressure difference at the inlet and outlet of the short stick black fungus negative pressure harvester， a 3D model was established for different suction port positions and picking pipe diameters. Based on Fluent software， the internal flow field of the short stick black fungus negative pressure harvester was simulated. According to the trace diagram， the vortex situation inside the collection box was analyzed when the air outlet was at different positions. The pressure cloud images and vector maps of the internal flow field of the equipment were studied to analyze the changes in flow velocity inside the pipeline under different picking pipe diameters， the average flow velocity inside the box and the wind pressure on the picking mouth. In order to verify the reliability of the data， a standard suction test is set up. The experimental conclusion is consistent with the flow field simulation results， verifying the reliability of the numerical simulation of the flow field. The numerical simulation results show that the diameter of the threaded pipe and the height of the air outlet have a significant impact on the internal flow field of the negative pressure harvester. The larger the diameter of the threaded pipe， the greater the pressure drop in the airflow field. And as the inner diameter of the threaded pipe increases， the airflow velocity inside the pipeline decays faster， and the vortex phenomenon inside the box becomes more severe. The position of the air intake will affect the vortex situation inside the box. The closer the air outlet is to the top of the collection box， the weaker the vortex phenomenon. Taking all factors into consideration， the optimal threaded pipe diameter is 58 mm， and the more suitable suction port position is 60 mm from the center of the air outlet to the top of the box.

Keywords： black fungus with short rod; harvester; airflow field; numerical simulation; optimal design

0 引言

我國是世界上最早栽培黑木耳的國家，人工栽培歷史已有1 300多年[1]。近年來，黑木耳種植項目是國家對部分地區(qū)扶貧的重要項目。隨著黑木耳產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其生產(chǎn)過程中的機(jī)械化已基本實現(xiàn)，包括栽培料制備設(shè)備、攪拌設(shè)備、制棒設(shè)備、滅菌設(shè)備、接種設(shè)備等[2?4]；但因缺少黑木耳采摘相關(guān)設(shè)備的理論知識和技術(shù)支撐，我國目前還沒有成熟的黑木耳采摘設(shè)備。我國科研人員對黑木耳機(jī)械化采收裝備的研發(fā)和采收技術(shù)的研究尚處起步階段。目前能夠查詢到的木耳采收機(jī)多為專利概念機(jī)。李精敏[5]發(fā)明的黑木耳采摘專利概念機(jī)采用了負(fù)壓采集方式采收木耳。此設(shè)備將采摘裝置安裝在車體上，采摘裝置包括吸頭、吸管、操控桿、集耳箱、風(fēng)管、吸氣風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)驅(qū)動裝置。黑木耳產(chǎn)業(yè)尚未在國外興起，因此尚無外國研究人員研發(fā)黑木耳采收設(shè)備。

目前現(xiàn)有的黑木耳采摘機(jī)均采用機(jī)械采摘方法：使用刀片刮下或割下木耳。這樣的采收方式很難保證木耳的完整性，出現(xiàn)“大小木耳一刀切”的情況，不利于黑木耳的后續(xù)生長。針對此問題，研發(fā)了短棒黑木耳負(fù)壓采收機(jī)，該設(shè)備采摘效率高，配備自動采摘平臺，能夠有效提升黑木耳采收品質(zhì)。本文針對短棒黑木耳負(fù)壓采收設(shè)備，基于Fluent軟件對設(shè)備內(nèi)部流場進(jìn)行模擬研究，優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，提升其作業(yè)性能[6?10]。

在短棒黑木耳負(fù)壓采收機(jī)的研究中，流體力學(xué)分析是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本文對短棒黑木耳負(fù)壓采收機(jī)進(jìn)行流體力學(xué)分析，研究螺紋管直徑與出風(fēng)口高度對采摘口風(fēng)壓、管道內(nèi)氣流速度及箱體內(nèi)渦旋現(xiàn)象的影響規(guī)律。系統(tǒng)地模擬并分析收集箱內(nèi)的流場數(shù)據(jù)，并著重研究箱體開口高度和采摘頭連接管內(nèi)徑對流場的影響，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)。

1 采收機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 采收機(jī)結(jié)構(gòu)

短棒黑木耳負(fù)壓采收機(jī)適用室外開闊地段，例如田間、林間等區(qū)域的木耳采收設(shè)備。其主要部件有汽油風(fēng)機(jī)、木耳收集箱、自動采摘平臺等，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。采收機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

1.2 工作原理

短棒黑木耳負(fù)壓采收機(jī)的功能實現(xiàn)主要分兩部分：采摘吸頭吸取黑木耳、采摘平臺周期性動作。

采摘頭采摘木耳的實現(xiàn)原理與吸塵器類似：高速汽油機(jī)帶動離心風(fēng)機(jī)將收集箱內(nèi)的氣體抽離，使收集箱箱體內(nèi)形成負(fù)壓環(huán)境。收集箱與采摘吸頭由螺紋管連接。由于收集箱內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)，較大的氣壓差會將采摘吸頭口附近的空氣吸入螺紋管內(nèi)，此過程中快速流動的空氣會對菌棒上的黑木耳產(chǎn)生一定風(fēng)壓，從而使黑木耳脫離菌棒吸入螺紋管，最終進(jìn)入收集箱。

采摘平臺周期性動作的實現(xiàn)：采摘平臺是由4臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的全自動系統(tǒng)。自動采摘平臺底盤由一臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，將黑木耳菌棒轉(zhuǎn)至采摘工位上，使菌棒對準(zhǔn)采摘吸頭。采摘工位底盤由一臺步進(jìn)電機(jī)帶動進(jìn)行自轉(zhuǎn)。在采摘工位自轉(zhuǎn)的同時，直線電機(jī)帶動采摘頭做上下間歇運(yùn)動。各電機(jī)配合動作，能將菌棒上的每一片黑木耳送到采摘頭吸口處，由采摘頭摘下并吸入收集箱內(nèi)。

2 設(shè)備優(yōu)化與數(shù)值模擬方法

2.1 設(shè)備優(yōu)化方法

木耳采收機(jī)實際使用過程中產(chǎn)生了兩個問題：（1）螺紋管直徑與采摘頭吸力之間的矛盾。在實際使用中發(fā)現(xiàn)，螺紋管直徑越小，則采摘頭吸力越大，但螺紋管堵塞率也越高。想要減少堵塞情況的發(fā)生，就需要增大螺紋管直徑。受限于離心風(fēng)機(jī)的功率，在安裝大直徑螺紋管時，箱體內(nèi)產(chǎn)生的負(fù)壓無法使采摘頭產(chǎn)生足夠大的吸力。因此，通過調(diào)整螺紋管直徑，使箱體內(nèi)能產(chǎn)生合適負(fù)壓，讓螺紋管直徑最大化，就可以最大程度減少堵塞概率，從而達(dá)到對設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化的目的。（2）木耳懸浮打轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在采收試驗中觀察到木耳處于含水率較低的情況下，吸入箱體內(nèi)的木耳會出現(xiàn)懸浮打轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。其主要原因是箱內(nèi)氣流渦旋導(dǎo)致的。在實際使用中發(fā)現(xiàn)，調(diào)整設(shè)備出風(fēng)口高度可以影響箱體內(nèi)的渦旋情況。因此，想到通過對不同出風(fēng)口高度的3D模型進(jìn)行仿真分析，找到最為合適的出風(fēng)口高度，削弱箱內(nèi)的氣流渦旋。箱內(nèi)渦旋的減弱可以降低木耳的破損率，提升采摘效果，從而提升了設(shè)備性能。

2.2 數(shù)值模擬方法

計算流體力學(xué)是一種研究流體流動問題的數(shù)值計算方法。通過應(yīng)用數(shù)值計算和分析技術(shù)，使用離散化方法建立數(shù)學(xué)模型，以處理流體在時間和空間上的行為。這種方法可以將流體流動問題轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)據(jù)集，形成一個具有幾何結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)體。通過對這些離散數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值計算和分析，可以獲得定量描述流場的數(shù)值解[11?13]。木耳采收機(jī)可使用計算流體力學(xué)方法進(jìn)行數(shù)值模擬，且設(shè)備作業(yè)時遵守質(zhì)量守恒定律；流體計算應(yīng)滿足動量守恒定律。流場計算需用到k-ε湍流模型。以下為各部分方程[14]。

質(zhì)量守恒方程

[??t（ρ）+?（ρu）=0] （1）

式中： [ρ]——流體密度，kg/m3；

[t]——時間，s；

[u]——流體速度矢量。

動量守恒方程

[??t（ρu）+?（ρuu）=?τ-?p+ρg-FD（u-up）] （2）

式中： [τ]——應(yīng)力張量；

[?（ρuu）]——動量密度向量的散度，即動量隨空間的變化率；

[p]——壓力標(biāo)量場；

g——重力加速度矢量；

up——流體參考速度；

[ρu]——單位體積內(nèi)流體的動量；

[FD]——阻力系數(shù)。

能量守恒方程

[??t（ρE）+??xiui（pE+p）=??xi（keff?T?xi-j'hj'Jj'+uj（τij）eff）+Sh] （3）

[E=h-Pρ+u22] （4）

[h=j'mj'hj'+Pρ] （5）

式中： E——包括內(nèi)能、動能和勢能的總能量；

[xi]——空間坐標(biāo)；

[keff]——有效熱傳導(dǎo)系數(shù)；

[T]——溫度標(biāo)量場；

[hj']——焓；

[ui]——流體的速度分量，i表示速度的具體方向；

[uj]——組分j的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，描述流體中不同組分的比例；

（[τ]ij）eff——有效剪切應(yīng)力張量，描述流體內(nèi)部剪切應(yīng)力的影響；

[Sh]——化學(xué)反應(yīng)熱；

[Jj']——擴(kuò)散通量，表示單位面積上的物質(zhì)流動率；

[mj']——質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

[k-ε]方程

[??t（ρφ）+??xj（ρUjφ）=??xj（Dφ?φ?xj）+Sφ] （6）

式中： [φ]——求解物理量；

[Uj]——流體的速度在j方向（坐標(biāo)軸方向）上的分量；

[Dφ]——擴(kuò)散系數(shù)；

[Sφ]——源項。

聯(lián)立式（1）～式（6），結(jié)合木耳采摘機(jī)氣流場進(jìn)出口邊界條件和壁面的邊界條件進(jìn)行數(shù)值求解。采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行空間離散，在時間上采用隱式格式進(jìn)行離散。在Fluent軟件中設(shè)置收斂殘差為0.000 1，經(jīng)過迭代600次收斂，各模擬數(shù)據(jù)曲線趨于平穩(wěn)。計算報告顯示，質(zhì)量流率通量結(jié)果小于10-5，符合通量守恒。

3 流場模擬研究

3.1 模型建立與數(shù)值模擬

氣流場是負(fù)壓木耳采摘機(jī)的核心，研究通風(fēng)管、木耳收集箱、螺紋管三者相連的氣流通路內(nèi)部流場，分析其氣流分布與變化規(guī)律，對于提升木耳采摘機(jī)的性能有著重要意義。本文使用Fluent軟件對木耳采摘機(jī)的氣流通路進(jìn)行模擬研究。使用Soildworks進(jìn)行三維建模并合理得簡化模型。簡化后的模型如圖2所示。將簡化后的模型保存為“.x_t”模式并導(dǎo)入SpaceClaim中進(jìn)行組合并修復(fù)模型。模型修復(fù)內(nèi)容包括模型自身存在的分割邊、額外邊、重復(fù)邊、小型面以及非精確邊，確保修復(fù)之后的模型可以順利且合理得劃分網(wǎng)格。

定義采摘吸頭的入口為氣流通路入口，定義通風(fēng)管口為氣流通路出口，其他外表面不作處理，Space Claim軟件自動將其定義為wall。

將設(shè)置完成的模型導(dǎo)入Fluent，選擇Watertight Geometry模式。網(wǎng)格類型和數(shù)量對計算結(jié)果有較大影響，網(wǎng)格劃分越精細(xì)則仿真效果越好，但同時計算量與計算時間也會隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加而增加。網(wǎng)格劃分后，“maximum?skewness”參數(shù)小于0.7，則說明網(wǎng)格質(zhì)量良好，否則需要修改參數(shù)提升網(wǎng)格質(zhì)量[15?17]。經(jīng)過多次參數(shù)調(diào)配與測試，結(jié)果如表2所示。最終選定網(wǎng)格參數(shù)為：最小尺寸為0.35；最大尺寸為5；質(zhì)里優(yōu)化的偏度限值為0.7；基于坍塌方法改進(jìn)質(zhì)里的偏斜度調(diào)值為0.9；網(wǎng)格數(shù)量為1 484 518。體網(wǎng)格類型選擇多面體類型[18， 19]。最終生成體網(wǎng)格數(shù)量為466萬個。體網(wǎng)格截面圖如圖3所示。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 采摘頭螺紋管直徑對內(nèi)部流場的影響

分別設(shè)定采摘頭螺紋管直徑為39 mm、58 mm、77 mm。入口風(fēng)速設(shè)置為10 m/s，出口相對壓強(qiáng)設(shè)置為0 kPa。仿真計算得出不同管徑下氣流通路的壓力云圖（圖4）、矢量圖（圖5）、跡線圖（圖6）。

由圖4可知，不同管徑下氣流通路的壓力分布情況。采摘頭入口不變的情況下，不同管徑對于流場內(nèi)的壓力影響比較明顯。當(dāng)螺紋管的直徑為39 mm時，采摘口壓力為300 Pa，收集箱內(nèi)壓力為20 Pa左右，通風(fēng)管內(nèi)整體呈負(fù)壓狀態(tài)，其負(fù)壓值為30 Pa左右。從氣流入口到出口的壓差為400 Pa；當(dāng)螺紋管的直徑為58 mm時，采摘口壓力為70 Pa，收集箱內(nèi)壓力為40 Pa左右，通風(fēng)管內(nèi)整體呈負(fù)壓狀態(tài)，其負(fù)壓值為5 Pa左右。從氣流入口到出口的壓差為170 Pa；當(dāng)螺紋管的直徑為77 mm時，采摘口壓力為50 Pa，收集箱內(nèi)壓力為40 Pa左右，通風(fēng)管內(nèi)大部分區(qū)域呈負(fù)壓狀態(tài)，其平均負(fù)壓值為0 Pa左右。從氣流入口到出口的壓差為60 Pa。從模擬數(shù)據(jù)可以得出：螺紋管直徑越小，采摘口處所受壓力越大，說明采摘口附近的風(fēng)壓也越大。

如圖5所示，螺紋管直徑為39 mm時，螺紋管內(nèi)速度約為15 m/s。箱體內(nèi)流速為5 m/s左右；當(dāng)螺紋管直徑為58 mm時，螺紋管內(nèi)速度平均值約為7 m/s，箱體內(nèi)流速普遍為4 m/s；當(dāng)螺紋管直徑為77 mm時，螺紋管前半段速度為7 m/s，后半段速度下降為3 m/s，箱體內(nèi)流速普遍為1.5 m/s；分析數(shù)據(jù)可得：螺紋管直徑越大，管道內(nèi)流速下降越快，箱內(nèi)平均流速越小。

圖6為不同螺紋管直徑下箱體內(nèi)流體軌跡。當(dāng)螺紋管直徑為39 mm時，箱體內(nèi)氣流較為均勻，抽屜內(nèi)無明顯渦旋。當(dāng)螺紋管直徑為58 mm時，箱體上部拐角處有較小渦旋，抽屜內(nèi)無明顯渦旋。但螺紋管直徑為77 mm時，靠近出風(fēng)口處有明顯的氣流渦旋產(chǎn)生，其渦旋已經(jīng)蔓延到了抽屜內(nèi)。

流體入口和出口之間的壓力差作為負(fù)壓采摘的重要參數(shù)，其數(shù)值越大越好。當(dāng)螺紋管直徑為39 mm時，壓差達(dá)到400 Pa。而螺紋管直徑為77 mm時，其壓差僅為60 Pa。數(shù)值上相差6.7倍。螺紋管內(nèi)的氣體流速影響到木耳的飛行速度。不同管徑下箱體內(nèi)的流速為1.5～4 m/s，均處于可接受范圍內(nèi)。渦旋現(xiàn)象會對木耳采摘產(chǎn)生較大影響。當(dāng)螺紋管直徑為77 mm時，箱體內(nèi)渦旋現(xiàn)象明顯，尤其是出風(fēng)口附近的渦旋現(xiàn)象，對設(shè)備采摘影響較大。

綜上所述，螺紋管直徑越小設(shè)備吸力越大，考慮到木耳采摘過程中部分木耳耳片較大，39 mm的內(nèi)徑容易產(chǎn)生堵塞。管道內(nèi)徑為58 mm時，各方面性能尚可。管道內(nèi)徑為77 mm時，入風(fēng)口與出風(fēng)口之間的壓差過小，且管道內(nèi)流速低，出風(fēng)口附近有明顯的渦旋現(xiàn)象。因此，設(shè)置采摘頭螺紋管直徑為58 mm最為合理。

3.2.2 出風(fēng)口高度對內(nèi)部流場的影響

箱體出風(fēng)口高度對箱內(nèi)流場具有一定影響，因此本文設(shè)置不同的出風(fēng)口高度并進(jìn)行仿真分析。取出風(fēng)口圓心距離箱體頂部H為60 mm、80 mm、100 mm進(jìn)行試驗研究，分析其氣流軌跡與渦旋情況。由圖7可知，出風(fēng)口距離頂部越遠(yuǎn)，出風(fēng)口上方渦旋現(xiàn)象越明顯，渦旋直徑越大。因此，減小H數(shù)值可減弱渦旋，提升設(shè)備的性能。

4 驗證試驗

為驗證數(shù)值模擬結(jié)果的正確性，根據(jù)仿真參數(shù)設(shè)置對比試驗。由于黑木耳耳片受風(fēng)面積與乒乓球近似，故使用乒乓球作為標(biāo)準(zhǔn)替代試驗對象，使用測力計作為吸力測試工具。將乒乓球與測力計掛鉤穩(wěn)定連接，在管口直徑為39 mm、58 mm、77 mm的螺紋管上固定形狀相同的管口支架。設(shè)備啟動后，將乒乓球置于管口支架上，待管口流速穩(wěn)定后，握住測力計將乒乓球垂直拉離管口。此過程中，記錄測力計顯示數(shù)值的最大值。對不同尺寸的螺紋管各做5次吸力試驗并記錄試驗數(shù)據(jù)，如表3所示。

由表3可以看出，管口直徑與采摘頭吸力成負(fù)相關(guān)。且管口直徑越大，吸力衰減越快。實際試驗結(jié)果與流場模擬結(jié)果相符，驗證了流場模擬數(shù)據(jù)的可靠性。

5 結(jié)論

1） 通過對采摘機(jī)采摘口所連接的螺紋管進(jìn)行模擬仿真，研究不同直徑下設(shè)備內(nèi)部流場的變化，發(fā)現(xiàn)螺紋管直徑越小，入風(fēng)口與出風(fēng)口的壓差越大；螺紋管直徑越小，采摘口處所受壓力越大，采摘口附近的風(fēng)壓也越大；螺紋管直徑越大，管道內(nèi)流速下降越快，箱體內(nèi)平均流速越小；螺紋管直徑越大箱體內(nèi)產(chǎn)生的渦旋現(xiàn)象越明顯。由于部分木耳的耳片較大，選擇螺紋管直徑為39 mm時，螺紋管容易堵塞。

2） 木耳抗拉力試驗數(shù)據(jù)表明，龍泉當(dāng)?shù)氐暮谀径贩N達(dá)到采收規(guī)格后，其平均抗拉力為2.15 N。管口直徑為58 mm時，其吸力平均值為2.270 N，滿足采摘要求。因此設(shè)置螺紋管直徑為58 mm較為合適。

3） 出風(fēng)口距離頂部越遠(yuǎn)，出風(fēng)口上方渦旋現(xiàn)象越明顯，渦旋直徑越大。因此，減小出風(fēng)口離箱體頂部的距離，可有效減弱渦旋現(xiàn)象，從而提升設(shè)備性能。將距離設(shè)置為出風(fēng)口圓心到箱體頂端距離H=60 mm能夠有效減弱渦旋現(xiàn)象，提升負(fù)壓木耳采收機(jī)的采摘效果。

參 考 文 獻(xiàn)

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