劉夢霞+王春耀+羅建清+范雷剛

摘要：為達(dá)到有效分離地膜的目的，研究場地膜稈分離裝置內(nèi)流場的壓力分布和速度分布，獲得適合場地膜稈分離裝置進(jìn)料口的尺寸，為場地膜稈分離裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供比較重要的理論依據(jù)，建立了場地膜稈分離裝置初始模型，采用ansys里的fluent模塊對其腔體內(nèi)流場的壓力分布和速度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，對比分析所得的結(jié)果。當(dāng)進(jìn)料口寬度為200 mm，進(jìn)料口長度為400 mm，進(jìn)料口中心位置距腔體中心位置為524 mm時為合理工況，此時下落粗細(xì)棉稈的范圍較大，利于分離出地膜。

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

中圖分類號： S223.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）09-0397-04

地膜覆蓋技術(shù)興起于歐美日等國，且普及迅速，因其具有很好的增產(chǎn)效果，在我國得到了大面積的推廣使用，地膜覆蓋的作物已超過50種[1-3]。但是該技術(shù)帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時，地膜殘留的危害也不容小覷，存留的農(nóng)用地膜損壞了土壤結(jié)構(gòu)，抑制了土壤微生物的生長，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量及質(zhì)量降低[4-7]。有關(guān)地膜分離裝置的報道比較少，本研究采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型對場地膜稈分離裝置內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出其內(nèi)部流場的壓力分布和速度分布情況，為場地膜稈分離裝置的優(yōu)化設(shè)計提供了有效的方法。

1 建立場地膜稈分離裝置的物理模型及網(wǎng)格劃分

本研究是有關(guān)水平管道氣力輸送的，從風(fēng)機(jī)吹出的正壓氣流通過送風(fēng)口射出，與進(jìn)料口出來的物料混合，進(jìn)入水平管道，由于粗棉稈、細(xì)棉稈、地膜的懸浮速度不同，經(jīng)過試驗得出，粗棉稈的懸浮速度為8～10 m/s，細(xì)棉稈的懸浮速度為6～8 m/s，地膜的懸浮速度為2 m/s，地膜與粗細(xì)棉稈的懸浮速度相差較大，因此利用其較大的速度差，物料依次落下，最后分離出地膜。

1.1 數(shù)學(xué)模型

地膜的分離過程十分復(fù)雜，涉及氣固兩相流，物料的形狀、濃度、混合比及壓力損失等都會影響流動狀態(tài)，并且計算參數(shù)難以確定，很難定量觀測研究。本研究通過改變進(jìn)料口寬度、進(jìn)料口長度和進(jìn)料口位置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)的流動為湍流流動[8]，定義管道內(nèi)部的流場是不可壓縮、定常等溫流場，湍流流動采用k-ε模型[9-10]，在直角坐標(biāo)下的各個控制方程為：

模型中的常數(shù)按照文獻(xiàn)[11]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。

1.2 網(wǎng)格劃分

用UG軟件對場地膜稈實(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，網(wǎng)格劃分如圖1所示。

1.3 邊界條件的處理

根據(jù)管道的特點(diǎn)，設(shè)置送風(fēng)口的類型為velocity-inlet，速度為10 m/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0 m/s，假設(shè)在平衡狀態(tài)下送料，物料和送風(fēng)氣流混合后，進(jìn)入管道，管道的其他固定邊界設(shè)為wall。

2 場地膜稈分離裝置的優(yōu)化過程

2.1 初始模型的模擬分析

采用Ansys的fluent模塊對場地膜稈分離裝置進(jìn)行流場分析，模型的尺寸經(jīng)過實(shí)地測量得到參數(shù)如下：外形尺寸6 000 mm×1 000 mm×1 300 mm；送風(fēng)口尺寸600 mm×150 mm；進(jìn)料口尺寸400 mm×200 mm。

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腔體內(nèi)的壓力分布（見圖2-a所示）和速度分布（見圖2-b所示）。

通過分析圖2-a可以看出，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>4 000 mm 范圍內(nèi)，壓力基本保持不變；分析圖2-b可以看出，流場在腔體內(nèi)的速度逐漸減小，且在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>4 000 mm范圍內(nèi)，速度基本保持在2 m/s 以下。也就是說，初始模型不太合理，不能有效利用腔體空間。

2.2 進(jìn)料口寬度改變的模擬分析

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。初始模型進(jìn)料口的寬度為200 mm，在進(jìn)料口長度不變的條件下，改變進(jìn)料口的寬度，分析進(jìn)料口寬度的變化對腔體內(nèi)的流場分布有何影響，分別設(shè)置進(jìn)料口的寬度為180、190、210、220 mm。在初始模型腔體的中心線上每隔100 mm選1個點(diǎn)，共計選出60個點(diǎn)，計算出每個點(diǎn)所在面的壓力和速度平均值，繪制成曲線，所繪制出的曲線圖橫坐標(biāo)為腔體長度，單位為m；縱坐標(biāo)為相對大氣壓和流場速度，單位分別為Pa和m/s，分析比較進(jìn)料口寬度的改變對流場的壓力分布和速度分布的影響。圖3為進(jìn)料口寬度變化時流場壓力及流場速度沿著腔體長度的改變。

由圖3-a可知，初始模型負(fù)壓區(qū)的范圍占整個腔體的32%（1 900/6 000）。當(dāng)進(jìn)料口寬度為180 mm時，負(fù)壓區(qū)范圍明顯減小，較其他工況小，只占腔體的17%（1 000/6 000），且負(fù)壓值變小，進(jìn)入正壓區(qū)后，壓力大于初始模型的壓力；當(dāng)進(jìn)料口的寬度為190 mm時，負(fù)壓區(qū)范圍明顯增大，較其他工況負(fù)壓范圍大，占腔體的38%（2 300/6 000），且其負(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；當(dāng)進(jìn)料口的寬度為210 mm時，負(fù)壓區(qū)范圍增大為腔體的37%（2 200/6 000），且其負(fù)壓值的大小與初始模型負(fù)壓值大小一致，進(jìn)入正壓區(qū)后，在x>3 000 mm范圍內(nèi)，壓力大于初始模型的壓力；當(dāng)進(jìn)料口寬度為220 mm時，負(fù)壓區(qū)范圍減小為腔體的23%（1 400/6 000），且其負(fù)壓值小于初始模型的負(fù)壓值，進(jìn)入正壓區(qū)后，壓力大于初始模型的壓力值。

由圖3-b可知，當(dāng)改變進(jìn)料口寬度時，無論是增加進(jìn)料口寬度還是減小進(jìn)料口寬度，v>6 m/s的范圍和2 m/s6 m/s 的范圍較其他工況小。

綜上考慮進(jìn)料口寬度改變對流場壓力和速度的影響，得出結(jié)論：初始模型中進(jìn)料口寬度為200 mm為合理工況。

2.3 進(jìn)料口長度改變的模擬分析

初始模型進(jìn)料口的長度為400 mm，在進(jìn)料口的寬度不變的前提下，改變進(jìn)料口的長度，分別設(shè)置腔體長度為380、390、410、420 mm，取點(diǎn)方法與前面相同，計算得到每個點(diǎn)所在面的壓力以及速度平均值，繪制出曲線，分析比較進(jìn)料口長度的改變對流場的壓力分布和速度分布有什么影響。圖4為進(jìn)料口長度變化時流場壓力及流場速度沿著腔體長度的改變。

由圖4-a可知：初始模型負(fù)壓區(qū)的范圍占整個腔體的32%（1 900/6 000），當(dāng)進(jìn)料口的長度為380 mm時，負(fù)壓區(qū)范圍為x<1 200 mm和1 800 mm3 000 mm 范圍內(nèi)，壓力大于初始模型的壓力，壓力值變化幅度大，不夠穩(wěn)定；當(dāng)進(jìn)料口的長度為390 mm時，負(fù)壓區(qū)范圍明顯減小，占整個腔體的25%（1 500/6 000），較其他工況小，不利于物料的進(jìn)入，進(jìn)入正壓區(qū)后，壓力與初始模型的壓力一致，變化不大；進(jìn)料口長度為410 mm時，負(fù)壓區(qū)范圍明顯減小，較其他工況小，占腔體的23%（1 400/6 000），且負(fù)壓值小于初始模型的負(fù)壓值，進(jìn)入正壓區(qū)后，壓力變化不大；進(jìn)料口長度為420 mm時，負(fù)壓區(qū)范圍與初始模型的負(fù)壓值范圍相近，負(fù)壓值大小變化不大，進(jìn)入正壓區(qū)后，壓力變化不大。

由圖4-b可知，隨著進(jìn)料口長度的增加或減小，4種工況下v>6 m/s的范圍都減小了，不利于分離出粗棉稈。當(dāng)進(jìn)料口的長度為380 mm時，2 m/s

綜上所述，當(dāng)進(jìn)料口長度為400 mm時（即初始模型），進(jìn)料口長度較為合理。

2.4 進(jìn)料口位置改變的模擬分析

初始模型進(jìn)料口中心位置距腔體中心位置為500 mm，送風(fēng)口中心位置距腔體中心位置為275 mm，保持送風(fēng)口的位置不變，改變進(jìn)料口的位置，分別把進(jìn)料口上移25、50 mm，下移25、50 mm，即設(shè)置進(jìn)料口中心位置距腔體中心位置分別為575、600、524、500 mm，分析比較進(jìn)料口位置的改變對腔體流場的壓力和速度的影響。圖5為進(jìn)料口位置改變時流場壓力及流場速度沿著腔體長度的改變情況。

由圖5-a可知：初始模型負(fù)壓區(qū)的范圍占整個腔體的32%（1 900/6 000），當(dāng)進(jìn)料口位置上移25 mm時，負(fù)壓區(qū)范圍減小，占腔體的23%（1 400/6 000），較其他工況小，負(fù)壓值變大且波動性明顯變大，進(jìn)去正壓區(qū)后，在1 400 mm3 400 mm范圍內(nèi)，壓力大于初始模型的壓力；當(dāng)進(jìn)料口位置下移25 mm時，負(fù)壓區(qū)范圍明顯變大，占腔體的36%（2 200/6 000），且負(fù)壓值明顯變大，較其他工況大，進(jìn)入正壓區(qū)后，壓力小于初始模型的壓力；當(dāng)進(jìn)料口位置下移50 mm 時，負(fù)壓區(qū)范圍減小，大約占腔體的27%（1 600/6 000），且負(fù)壓值明顯變小，較其他工況小，進(jìn)入正壓區(qū)后，壓力波動性較大。

由圖5-b可知，當(dāng)進(jìn)料口位置上移25 mm時，v>6 m/s 的范圍減小，且速度波動性較大，2 m/s6 m/s的范圍減小，且速度波動性較大，2 m/s6 m/s的范圍與初始模型的范圍相差不大，2 m/s6 m/s 的范圍與初始模型的范圍相差不大，2 m/s

綜上所述，當(dāng)進(jìn)料口位置下移25 mm時（即進(jìn)料口中心位置距腔體中心位置為524 mm）為合理的工況。

3 討論與結(jié)論

當(dāng)進(jìn)料口寬度減小為180 mm或增大為220 mm時，負(fù)壓區(qū)范圍都減小了，且負(fù)壓值減小；當(dāng)進(jìn)料口寬度為190 mm和210 mm時（在初始模型的進(jìn)料口寬度附近增加或減小），負(fù)壓區(qū)范圍增大，且負(fù)壓值增大。當(dāng)改變進(jìn)料口寬度時，無論是增加進(jìn)料口寬度還是減小進(jìn)料口寬度，v>6 m/s的范圍和2 m/s

在初始模型進(jìn)料口長度的基礎(chǔ)上，隨著進(jìn)料口長度的增大，負(fù)壓區(qū)范圍增大，負(fù)壓值變大；隨著進(jìn)料口長度的增加或減小，正壓區(qū)范圍變化不大（進(jìn)料口長度為380 mm的工況例外），v>6 m/s的范圍都減小了。

隨著進(jìn)料口位置的上移，負(fù)壓區(qū)范圍減小，且上移的距離越大，負(fù)壓值越小，不利于物料的進(jìn)入；隨著進(jìn)料口位置的下移，當(dāng)下移距離不大時（下移距離為25 mm），負(fù)壓區(qū)范圍明顯變大，當(dāng)下移距離較大時（下移距離為50 mm），負(fù)壓區(qū)范圍反而減小。隨著進(jìn)料口位置的上移，v>6 m/s的范圍都減小，且速度波動性較大，2 m/s6 m/s的范圍與初始模型的范圍相差不大，進(jìn)料口位置下移時，2 m/s

研究結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)料口寬度為200 mm，進(jìn)料口長度為400 mm，進(jìn)料口中心位置距腔體中心位置為524 mm為合理工況。

參考文獻(xiàn)：

[1]張 杰，任小龍，羅詩峰，等. 環(huán)保地膜覆蓋對土壤水分及玉米產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010（6）：14-19.

[2]白麗婷，海江波，韓清芳，等. 不同地膜覆蓋對渭北旱塬冬小麥生長及水分利用效率的影響[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2010，28（4）：135-139，162.

[3]楊 麗，劉 佳，張東興，等. 棉花苗期地膜回收機(jī)設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2010（1）：73-77.

[4]張江華，蔣平安，申玉熙，等. 新疆農(nóng)田地膜污染現(xiàn)狀及對策[J]. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，47（8）：1656-1659.

[5]Khan W S，Asmatulu R，Davuluri S，et al. Improving the economic values of the recycled plastics using nanotechnology associated studies[J]. Journal of Materials Science & Technology，2014，30（9）：854-859.

[6]嚴(yán)昌榮，梅旭榮，何文清，等. 農(nóng)用地膜殘留污染的現(xiàn)狀與防治[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2006，22（11）：269-272.

[7]江 燕，史春余，王振振，等. 地膜覆蓋對耕層土壤溫度水分和甘薯產(chǎn)量的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2014，22（6）：627-634.

[8]王慶陵. 基于多相流技術(shù)的立式磨選粉性能分析與流場仿真研究[D]. 濟(jì)南：濟(jì)南大學(xué)，2012.

[9]韓彥杰. 固體熱載體氣力輸送的數(shù)值模擬[D]. 昆明：昆明理工大學(xué)，2011.

[10]王 錕. 濃相氣力輸送分支管道流動特性研究[D]. 濟(jì)南：濟(jì)南大學(xué)，2013.

[11]田虎楠. 梳齒式采棉機(jī)氣力輸棉系統(tǒng)的研究[D]. 烏魯木齊：新疆大學(xué)，2012.