嚴(yán)森泉，蔣恩臣,2*

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

本文運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)慣性分離室內(nèi)部流場(chǎng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬和演示，從計(jì)算流體力學(xué)角度研究分離室內(nèi)部流場(chǎng)情況，研究結(jié)果為進(jìn)一步進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

1 控制方程與數(shù)值模擬

1.1 分離室結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分

慣性分離室由入口、分離室、導(dǎo)流板、出口等部分組成，如下圖1所示，氣流和谷物由入口進(jìn)入慣性分離室并向后運(yùn)動(dòng)，到達(dá)隔板末端時(shí)，氣流攜帶部分穎殼、碎葉等輕雜物急轉(zhuǎn)180°后，從出口排出，而谷物則在分離室尾部沉積下來，實(shí)現(xiàn)了谷物與氣流的分離。本文采用PTO/E野火版2.0建立慣性分離室物理模型，并將慣性分離室的物理模型導(dǎo)入GAMBIT2.22軟件進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。

圖1 分離室結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the chamber

本文將慣性分離室的物理模型劃分為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格計(jì)算模型，得到的網(wǎng)格如圖2所示，同時(shí)創(chuàng)建邊界層并對(duì)局部加密。

圖2 分離室的物理模型Fig.2 Physical model of the chamber

1.2 氣體控制方程

本文忽略氣體的質(zhì)量力和熱運(yùn)動(dòng)，氣相的質(zhì)量守恒方程與動(dòng)量守恒方程的矢量形式[1-4]為:

式中: ρp-籽粒的密度（kg·m-3）；

p-氣體的壓力（Pa）；

低年級(jí)的小學(xué)生抽象思維能力較差。而如果教師只是單純地憑借“粉筆+黑板+口授”的傳統(tǒng)教學(xué)方式教學(xué)，其不僅會(huì)嚴(yán)重挫傷學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的積極性，而且還會(huì)使整個(gè)課堂的教學(xué)效果大打折扣。而實(shí)踐教學(xué)法可以讓學(xué)生通過親自動(dòng)手實(shí)踐，動(dòng)腦思考，從而感受到數(shù)學(xué)教學(xué)的趣味性，進(jìn)而提升小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)的有效性。

αg-氣體的體積分?jǐn)?shù)；

1.3 邊界條件:

氣相:采用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下大氣密度:1.225 kg·m-3，運(yùn)動(dòng)粘度為1.57e-05m2·s-1

入口邊界條件:速度入口。

根據(jù)慣性分離室的實(shí)際工作狀態(tài)，對(duì)模型入口的速度場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，并將其作為進(jìn)一步模擬分析計(jì)算的初始邊界條件輸入。

根據(jù)實(shí)際工作狀態(tài)，慣性分離室入口斷面氣體平均速度為17 m·s-1，入口斷面的實(shí)際測(cè)量結(jié)果見彩版Ⅰ。測(cè)量結(jié)果表明，入口斷面上氣體速度方向具有較好的一致性和穩(wěn)定性，氣流方向?yàn)閿嗝娴姆ň€方向，而氣體的壓力和速度則分布不均勻。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得了氣體在該斷面上的速度梯度。應(yīng)用Spss軟件中參數(shù)回歸擬合方法，獲得速度場(chǎng)函數(shù)，再用C語言編輯入口的UDF文件，導(dǎo)入FLUENT中作為流場(chǎng)初始條件并進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算模型的出口條件:壓力出口。

計(jì)算模型的壁面條件。

模型中，對(duì)所有壁面附近的流動(dòng)區(qū)域，應(yīng)用修正的壁面函數(shù)，計(jì)算流體流動(dòng)特性。采用WALL無滑移邊界條件。

2 模擬結(jié)果

2.1 氣體速度和渦流分析

在慣性分離室入口氣體平均速度為17 m·s-1時(shí)，對(duì)慣性分離室內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模擬計(jì)算，得到分離室XY截面的速度矢量圖見彩版Ⅱ～Ⅳ所示。

彩版Ⅱ表明，氣流由入口進(jìn)入分離室后，在導(dǎo)流板的下方，流速在水平和高度兩個(gè)方向上均逐漸降低，這主要是由于慣性分離室入口段為漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)，截面在高度和寬度兩個(gè)方向上逐漸增大，氣體逐步擴(kuò)散，流速逐漸降低，但在截面的下部氣流速度較小，上部氣流速度相對(duì)較大。而在導(dǎo)流板上方區(qū)域則表現(xiàn)出與下方相反的流場(chǎng)變化規(guī)律，即越靠近出口，氣流流速在水平和高度兩個(gè)方向上均逐漸增大，且上部氣流速度明顯大于下方。

彩版Ⅱ表明，在慣性分離室底部靠近后壁處存在一個(gè)較大的渦流區(qū)，該渦流區(qū)的存在有利于顆粒的分離與沉降。但是，由于氣流方向的突然改變，在導(dǎo)流板尾部的上方區(qū)域也明顯存在一個(gè)渦流區(qū)，由于該渦流區(qū)的存在，會(huì)造成谷粒在該區(qū)域的導(dǎo)流板尾部上沉降和旋轉(zhuǎn)，造成籽粒的堆積和損失，這一現(xiàn)象在后續(xù)進(jìn)行的籽粒沉降分離試驗(yàn)中得到證實(shí)。

彩版Ⅲ、Ⅳ表明，靠近側(cè)面，流場(chǎng)速度在z方向上逐漸降低，氣流方向也發(fā)生了改變，紊流現(xiàn)象加劇，除在對(duì)稱面上的兩個(gè)渦流區(qū)外，在其他多個(gè)區(qū)域也有渦流產(chǎn)生，這些渦流現(xiàn)象，不僅造成了壓力和能量的損失，還造成顆粒的堆積，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)使裝置無法正常工作，應(yīng)盡量消除。顆粒在靠近側(cè)壁的堆積現(xiàn)象也在后續(xù)進(jìn)行的籽粒沉降分離試驗(yàn)中得到證實(shí)。

2.2 氣體軌跡分析

幾組不同入口位置氣體軌跡線如圖3所示，其中Y表示在入口斷面的不同位置高度。

圖3 氣相軌跡Fig.3 Trajectory of airflow

從圖3a可以看出靠近底板的氣體從入口進(jìn)入分離室后，在分離室的中后部有一個(gè)強(qiáng)烈的漩渦，軌跡打結(jié)，致使物料在此區(qū)域堆積和打轉(zhuǎn)，而從圖3b、3c、3d三圖看到，該漩渦隨著高度的提升逐漸消除。

由圖3a、3b可知，在分離室尾部存在大面積的渦流。渦流的存在增加了能耗，這些渦流來源于入口下層氣體。而入口上層氣體沒達(dá)到后壁就向上運(yùn)動(dòng)，并轉(zhuǎn)過180°，向出口端運(yùn)動(dòng)。

同時(shí)，從圖3可知，在入口截面上下兩端進(jìn)入分離室的氣體，在隔板尾部存在一個(gè)渦流低速區(qū)，籽粒經(jīng)過此區(qū)域時(shí)會(huì)沉降并堆積，而中部進(jìn)入的氣體由于受到壁面等因素的影響比較少，氣體軌跡比較平穩(wěn)，因此籽粒進(jìn)入慣性分離室應(yīng)盡可能的從入口中部空間進(jìn)入。

2.3 氣體壓力湍流分布

慣性分離室的氣體湍流強(qiáng)度分布見彩版Ⅴ，氣流的湍流強(qiáng)度和湍流動(dòng)能在慣性分離室內(nèi)的變化基本一致，在有渦流的地方湍流強(qiáng)度比較大，在沿隔板的湍流強(qiáng)度特別的大，這有利于減少顆粒的損失，有利于顆粒的沉降，但是能量損失也相應(yīng)加大。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，后壁參數(shù)對(duì)慣性分離室現(xiàn)象影響顯著，為了改善慣性分離室內(nèi)氣流的流動(dòng)狀態(tài)，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減少慣性分離室的壓力損失，提高分離效率，使沉降效果更加的明顯，對(duì)后壁結(jié)構(gòu)作更深入的研究，通過改變后壁上下板的傾角，配置不同的入口風(fēng)速對(duì)分離室進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)值模擬，經(jīng)數(shù)值計(jì)算表明，后壁上板與水平面夾角分別為60°，慣性分離室的湍流動(dòng)能和擴(kuò)散率相對(duì)較低，分離效率較高，改進(jìn)后慣性分離室結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)見圖4，漩渦減少了，除在隔板上方有一小漩渦外，其它只發(fā)生在分離室尾部，這樣有利谷物的沉降，大部分顆粒都沉降在分離室的底部減少籽粒損失。

圖4 不同后壁傾角的顆粒軌跡對(duì)比Fig.4 Tracks of grain in the chamber with different backwall

3 結(jié) 論

a.通過流體力學(xué)雷諾時(shí)均N-S方程，建立慣性分離室氣體的方程和物理模型，組成求解方程組。

b.通過FLUENT軟件對(duì)慣性分離室內(nèi)氣流進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得到了氣體在分離室內(nèi)的流動(dòng)特征，從分離室速度和壓力分布可以看出，氣流進(jìn)入分離室后不斷的減速，在分離室尾部180°轉(zhuǎn)向后不斷的加速，以及和后壁碰撞等因素在分離室后部以及隔板附近產(chǎn)生局部的渦流，造成壓力損失和谷物的堆積。

c.通過對(duì)模擬結(jié)果的分析，獲得了慣性分離室結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案，后壁上板與水平面夾角為60°時(shí)效果較好，使慣性分離室內(nèi)的流場(chǎng)得到了改善，減少的了漩渦數(shù)量，降低了谷物的損失，提高了分離效率，為慣性分離室的設(shè)計(jì)研究提供依據(jù)。

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