劉夢霞，王春耀，范雷剛，羅建清

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

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場地膜稈分離裝置送風(fēng)口尺寸改變的數(shù)值模擬

劉夢霞，王春耀，范雷剛，羅建清

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

摘要：為達(dá)到有效分離地膜的目的，建立了場地膜稈分離裝置的三維計(jì)算流體力學(xué)模型，采用Fluent軟件對場地膜稈分離裝置內(nèi)的流場進(jìn)行數(shù)值模擬分析，改變分離裝置送風(fēng)口的幾何尺寸，分析比較其內(nèi)部流場的壓力分布速度分布。結(jié)果表明：在送風(fēng)口和進(jìn)料口的相對位置為100mm、送風(fēng)口寬度為200mm和送風(fēng)口長度為600mm時(shí)最為合理，為場地膜稈分離裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能改進(jìn)提供了參考。

關(guān)鍵詞：場地膜稈分離裝置；Fluent；流場分析；數(shù)值模擬

0引言

地膜的應(yīng)用使得農(nóng)作物的產(chǎn)量得到大幅度提高，且獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，被人們稱譽(yù)為農(nóng)業(yè)上的“白色革命”[1-2]。然而，地膜的應(yīng)用在為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)產(chǎn)生了負(fù)作用，即殘留地膜可以引起作物減產(chǎn)，殘留地膜量越多，作物減產(chǎn)的幅度就越大，所以地膜的回收和分離迫在眉睫[3]。回收地膜過程中，往往摻雜著粗棉稈和細(xì)棉稈等雜質(zhì)，分離裝置尤為重要。分離后的地膜經(jīng)過再加工可以回收再利用。目前，國內(nèi)外關(guān)于場地膜桿分離裝置的文獻(xiàn)較少。本文采用了流場的數(shù)值模擬技術(shù)，對不同工況下的場地膜稈分離裝置進(jìn)行模擬仿真，對其內(nèi)部流場的壓力分布及速度分布進(jìn)行研究，為場地膜稈分離裝置的設(shè)計(jì)和性能改進(jìn)提供必要依據(jù)。

1方法

1.1　場地膜稈分離裝置的工作原理

水平氣力輸送的場地膜稈分離裝置的工作原理主要是根據(jù)物料的懸浮速度的不同，最后分離出地膜。具體如下：從風(fēng)機(jī)吹出的正壓氣流和從進(jìn)料口下落的物料混合后一起進(jìn)入腔體，在腔體負(fù)壓的作用下進(jìn)行輸送，腔體內(nèi)部逐漸由負(fù)壓輸送轉(zhuǎn)化為正壓輸送，最終輸送出了物料。經(jīng)過實(shí)地測量，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，地膜與粗細(xì)棉桿的懸浮速度相差較大，因此利用其較大的速度差，物料依次下落，最后分離出地膜。

1.2　數(shù)學(xué)模型

本文通過比較送風(fēng)口和進(jìn)料口的相對位置、送風(fēng)口寬度和送風(fēng)口長度來分析比較其流場內(nèi)部的速度分布和壓力分布，找到一種最佳的工作狀態(tài)。

流體在管道內(nèi)的流動(dòng)為湍流流動(dòng)[4-6]，定義管道內(nèi)部的流場為不可壓縮、定常等溫流場。湍流流動(dòng)采用k-ε模型[7-8]，在直角坐標(biāo)下的各個(gè)控制方程為

1)質(zhì)量守恒方程。

(1)

對于不可壓縮的流體，密度ρ設(shè)定為常數(shù)，那么式(1)可化簡為

(2)

2)守恒方程(即N-S方程)。

(3)

(4)

(5)

3)k-ε湍流方程。

(6)

模型中的常數(shù)按照文獻(xiàn)[9]選取C1ε=1.44,C2ε=1.92,σk=1.0,σε=1.3，將這一數(shù)學(xué)模型進(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

用UG軟件對實(shí)體進(jìn)行建模，然后使用適用性很好的Tgrid混合網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成的網(wǎng)格數(shù)大約為52 340。

1.3.2邊界條件

根據(jù)腔體的特點(diǎn)，設(shè)置送風(fēng)口的類型設(shè)為velocity-inlet,速度為10m/s，出口處類型設(shè)為outflow；進(jìn)料口的類型設(shè)為velocity-inlet，速度為0m/s；管道的其他固定邊界設(shè)為wall。

2數(shù)值模擬過程及結(jié)果分析

2.1　初始模型的模擬分析

采用Ansys的Fluent模塊對場地膜桿分離裝置進(jìn)行流場分析，經(jīng)過實(shí)地測量，得到模型的尺寸參數(shù)如下：

外形尺寸/mm：6 000×1 000×1 300

送風(fēng)口尺寸/mm：600×150

進(jìn)料口尺寸/mm：400×200

經(jīng)過Fluent軟件模擬分析裝置內(nèi)的流場，可以得到流場在整個(gè)腔體內(nèi)的速度分布(見圖1)和壓力分布(見圖2)。圖1中的橫坐標(biāo)為腔體的長度，縱坐標(biāo)為流場速度；圖2中的橫坐標(biāo)為腔體的長度，縱坐標(biāo)為流場壓力。

圖1　流場的速度分布

圖2　流場的壓力分布

通過分析圖1和圖2可以看出：流體在腔體內(nèi)的速度逐漸減小，且腔體的前半部分速度分布不均勻，各點(diǎn)的速度分散，不夠密集；在腔體的后半部分，速度分布較均勻，在X>400mm范圍內(nèi)，速度基本保持在2m/s以下；流體在腔體前1/3處的壓力為負(fù)值，即負(fù)壓區(qū)，在腔體1/3位置往后，壓力為正值(即正壓區(qū))，說明管道內(nèi)部確實(shí)是從負(fù)壓輸送到正壓輸送的；在X>400mm范圍內(nèi)，壓力基本保持不變。也就是說，送風(fēng)口和進(jìn)料口的相對位置為275mm、送風(fēng)口寬度為150mm、送風(fēng)口長度為600mm的初始模型不太合理，不能有效利用腔體空間。

2.2　送風(fēng)口和進(jìn)料口的相對位置改變的模擬分析

送風(fēng)口和進(jìn)料口在腔體的側(cè)面，且進(jìn)料口在送風(fēng)口的上面。初始模型送風(fēng)口和進(jìn)料口的相對位置為100mm，保持送風(fēng)口位置不變，改變送風(fēng)口和進(jìn)料口的相對位置，分別設(shè)置其相對位置為50mm和150mm，在腔體的中心線上每隔100mm選出一個(gè)點(diǎn)，共計(jì)選出60個(gè)點(diǎn)，計(jì)算得到每個(gè)點(diǎn)所在面的壓力以及速度平均值，繪制出曲線。所繪制出的曲線圖的橫坐標(biāo)為腔體長度，單位為dm；縱坐標(biāo)為相對大氣壓，單位為Pa。圖3為送風(fēng)口和進(jìn)料口的相對位置改變時(shí)流場壓力沿著腔體長度的改變，圖4為送風(fēng)口和進(jìn)料口的相對位置改變時(shí)流場速度沿著腔體長度的改變。

分析圖3可知：初始模型負(fù)壓區(qū)范圍占整個(gè)腔體的32%(1 900/6 000)。當(dāng)送風(fēng)口和進(jìn)料口的相對位置為150mm時(shí)，負(fù)壓區(qū)的范圍與初始模型負(fù)壓區(qū)的范圍基本一致，負(fù)壓值大小明顯變大；相較于其他兩種工況，負(fù)壓值較大，進(jìn)入正壓區(qū)后，壓力小于初始模型的壓力。當(dāng)送風(fēng)口和進(jìn)料口的相對位置為50mm時(shí)，負(fù)壓區(qū)的范圍減小，但其負(fù)壓值大于初始模型的負(fù)壓值；進(jìn)入正壓區(qū)后，壓力小于初始模型的壓力。也就是說，隨著送風(fēng)口和進(jìn)料口的相對位置的增加或減小，負(fù)壓區(qū)的范圍基本保持不變，負(fù)壓值變大，正壓區(qū)內(nèi)，壓力小于初始模型的壓力。

分析圖4可知：當(dāng)送風(fēng)口和進(jìn)料口的相對位置為150mm時(shí)，流場速度幾乎沒有大于6m/s的，即無法分離出粗棉稈，最終達(dá)不到分離地膜的目的。當(dāng)送風(fēng)口和進(jìn)料口的相對位置為50mm時(shí)，V>6m/s的范圍減小了，減小到整個(gè)腔體的23%(1 400/6 000)；2m/s6m/s的范圍和2m/s

綜上所述，送風(fēng)口和進(jìn)料口的相對位置為100mm時(shí)最為合適。

圖3　送風(fēng)口和進(jìn)料口的相對位置改變的壓力的模擬分析

圖4　送風(fēng)口和進(jìn)料口的相對位置改變的速度的模擬分析

2.3　送風(fēng)口寬度改變的模擬分析

初始模型送風(fēng)口寬度為150mm，在送風(fēng)口長度不變的前提下，改變送風(fēng)口的寬度，分別設(shè)置為130、200、220、240mm，取點(diǎn)方法與前面相同，計(jì)算得到每個(gè)點(diǎn)所在面的壓力及速度平均值，繪制出曲線，分析比較送風(fēng)口寬度的改變對流場的壓力分布和速度分布有什么影響。圖5為送風(fēng)口寬度改變時(shí)流場壓力沿著腔體長度的改變，圖6為送風(fēng)口寬度改變時(shí)流場速度沿著腔體長度的改變。

圖5　送風(fēng)口寬度改變壓力的模擬分析

圖6　送風(fēng)口寬度改變速度的模擬分析

分析圖5可知：當(dāng)送風(fēng)口的寬度為130mm時(shí)，負(fù)壓區(qū)的范圍明顯減小了，較其他工況，負(fù)壓區(qū)范圍較小，且負(fù)壓值小于初始模型的負(fù)壓值，負(fù)壓值波動(dòng)性大；進(jìn)入正壓區(qū)后，壓力大于初始模型的壓力。當(dāng)送風(fēng)口的寬度為200mm時(shí)，負(fù)壓區(qū)范圍基本與初始模型的負(fù)壓區(qū)范圍一致，其負(fù)壓值相較于其他工況較大；進(jìn)入正壓區(qū)后，在1 900mm2 800mm范圍內(nèi)，壓力大于初始模型的壓力值。當(dāng)送風(fēng)口的寬度為220mm時(shí)，負(fù)壓區(qū)范圍增大，相較于其他工況，負(fù)壓區(qū)范圍較大，且負(fù)壓值大于初始模型的負(fù)壓值；進(jìn)入正壓區(qū)后，在2 200mm3 400mm范圍內(nèi)，壓力大于初始模型的壓力。當(dāng)送風(fēng)口的寬度為240mm時(shí)，負(fù)壓區(qū)范圍與初始模型的負(fù)壓區(qū)增大了一點(diǎn)，且負(fù)壓區(qū)大部分的負(fù)壓值大于初始模型的負(fù)壓值；進(jìn)入正壓區(qū)后，在1 900mm2 800mm范圍內(nèi)，壓力大于初始模型的壓力。也就是說，隨著送風(fēng)口寬度的增加，負(fù)壓區(qū)范圍增大，負(fù)壓值變大，且進(jìn)入正壓區(qū)后，壓力先小于初始模型的壓力，一段距離后，壓力大于初始模型的壓力；隨著送風(fēng)口寬度的減小，負(fù)壓區(qū)范圍減小，負(fù)壓值變小。

分析圖6可知：當(dāng)送風(fēng)口寬度為130mm時(shí)，流場速度大于6m/s的范圍基本沒有，不能分離出粗棉桿，不符合分離地膜的目的。當(dāng)送風(fēng)口寬度為200mm時(shí)，V>6m/s的范圍基本上與初始模型的范圍一致，且2m/s6m/s的范圍基本上與初始模型的范圍一致，且2m/s6m/s的范圍基本上與初始模型的范圍一致，且2m/s6m/s的范圍基本上與初始模型的范圍一致，2m/s6m/s的范圍明顯減小，不符合分離地膜的要求。

綜合考慮送風(fēng)口寬度對流場壓力分布和速度分布的影響，當(dāng)送風(fēng)口寬度為200mm時(shí)最為合理。

2.4　送風(fēng)口長度改變的模擬分析

初始模型送風(fēng)口長度為600mm，在送風(fēng)口寬度不變的情況下，改變送風(fēng)口的長度，分別設(shè)置為580、620、650mm，取點(diǎn)方法與前面相同，計(jì)算得到每個(gè)點(diǎn)所在面的壓力及速度平均值，繪制出曲線，分析比較送風(fēng)口長度的改變對流場的壓力分布和速度分布的影響。圖7為送風(fēng)口長度改變時(shí)流場壓力沿著腔體長度的改變，圖8為送風(fēng)口長度改變時(shí)流場速度沿著腔體長度的改變。

分析圖7可知：當(dāng)送風(fēng)口長度為580mm時(shí)，負(fù)壓區(qū)范圍明顯增大，占整個(gè)腔體的57%(3 400/6 000)。在X<800mm范圍內(nèi)，負(fù)壓值小于初始模型的壓力，但在X>800mm的負(fù)壓區(qū)范圍內(nèi)，負(fù)壓值明顯大于初始模型的壓力；進(jìn)入正壓區(qū)后，壓力值小于初始模型的壓力值。當(dāng)送風(fēng)口長度為620mm時(shí)，負(fù)壓區(qū)范圍明顯增大，占整個(gè)腔體的52%(3 100/6 000)，相較于其他工況，負(fù)壓值較大；進(jìn)入正壓區(qū)后，壓力明顯減小，相較于其他工況，壓力值較小。當(dāng)送風(fēng)口長度為620mm時(shí)，負(fù)壓區(qū)范圍明顯增大，負(fù)壓區(qū)范圍較大，占整個(gè)腔體的72%(4 300/6 000)，但負(fù)壓值波動(dòng)性很大，很不穩(wěn)定；進(jìn)入正壓區(qū)后，壓力小于初始模型的壓力。也就是說，隨著送風(fēng)口長度的增加或減小，負(fù)壓區(qū)范圍明顯增大，且其負(fù)壓值穩(wěn)定性變差。

分析圖8可知：當(dāng)送風(fēng)口長度為580mm時(shí)，流場速度基本上沒有大于6m/s的，不能分離粗棉稈，不符合分離地膜的要求。當(dāng)送風(fēng)口長度為620mm時(shí)，V>6m/s的范圍減小，2m/s6m/s的范圍明顯減小，2m/s6m/s的范圍減小，2m/s6m/s的范圍。

綜上所述，送風(fēng)口長度為600mm最為合理。

圖7　送風(fēng)口長度改變壓力的模擬分析

圖8　送風(fēng)口長度改變速度的模擬分析

3結(jié)論

1)隨著送風(fēng)口和進(jìn)料口的相對位置的增加或減小，負(fù)壓區(qū)的范圍基本保持不變，負(fù)壓值變大，正壓區(qū)內(nèi)，壓力小于初始模型的壓力。隨著送風(fēng)口和進(jìn)料口的相對位置的增加或減小，V>6m/s的范圍和2m/s

2)隨著送風(fēng)口寬度的增加，負(fù)壓區(qū)范圍增大，負(fù)壓值變大，且進(jìn)入正壓區(qū)后，壓力先小于初始模型的壓力，一段距離后，壓力大于初始模型的壓力。隨著送風(fēng)口寬度的減小，負(fù)壓區(qū)范圍減小，負(fù)壓值減??；隨著送風(fēng)口寬度的增加，V>6m/s的范圍基本上與初始模型的范圍一致，2m/s6m/s的范圍明顯減小，不符合分離地膜的要求，即當(dāng)送風(fēng)口寬度為200mm時(shí)最為合理。

3)隨著送風(fēng)口長度的增加或減小，負(fù)壓區(qū)范圍明顯增大，且其負(fù)壓值穩(wěn)定性變差。隨著送風(fēng)口長度的增加，V>6m/s的范圍減小，2m/s6m/s的范圍，即送風(fēng)口長度為600mm最為合理。

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A Membrane Separation Device Size Change of the Numerical Simulation of Air Supply Outlet

Liu Mengxia, Wang Chunyao, Fan Leigang， Luo Jianqing

Abstract：In order to reach the goal of effective separation membrane, the establishment of a membrane separation device of three-dimensional computational fluid dynamics model, the fluent software is adopted to a membrane separation device within the flow field numerical simulation analysis, the change of geometry size, air supply outlet of comparative analysis of its internal stress distribution of the flow field velocity distribution, concludes that the relative position of air supply outlet and inlet is 100 mm, the width of air supply outlet is 200 mm, and the most reasonable air diffuser length is 600 mm. For a membrane separation device for the structure design and performance improvement.

Key words：a membrane separation device； fluent； the flow field analysis； the numerical simulation

中圖分類號(hào)：S223.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)10-0017-05

作者簡介：劉夢霞(1991- )，女，石家莊人，碩士研究生，(E-mail)1229230892@qq.com。通訊作者：王春耀(1956- )，男，四川萬源人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)wangchun_yao@126.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51465054)

收稿日期：2015-11-18