商曉彬，陳 智，宋 濤，常佳麗，仇 義，陳利杰

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

土壤風(fēng)蝕集沙儀數(shù)值模擬與降速性能分析

商曉彬，陳 智，宋 濤，常佳麗，仇 義，陳利杰

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

土壤風(fēng)蝕；分流對(duì)沖式集沙儀；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

集沙儀是研究土壤風(fēng)蝕的一種重要裝置，是觀測(cè)風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)和研究風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的關(guān)鍵設(shè)備。為獲得大量而精確的風(fēng)蝕數(shù)據(jù)，需要不斷地對(duì)集沙儀進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)GAMBIT軟件建模，以排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速和排沙口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了排氣管長(zhǎng)度參數(shù)、排氣管直徑參數(shù)、排沙口距離參數(shù)、排沙口直徑參數(shù)等，利用FLUENT軟件對(duì)分流對(duì)沖式集沙儀進(jìn)行仿真模擬，基于RNGk-ε湍流模型對(duì)分流對(duì)沖式集沙儀進(jìn)行數(shù)值分析，得到結(jié)論：排氣口最高風(fēng)速受排氣管長(zhǎng)度影響很大，平均風(fēng)速基本不受排氣管長(zhǎng)度影響；排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速基本不受排沙口直徑影響；排沙口最高風(fēng)速與排沙口直徑有關(guān)，隨排沙口直徑的增大逐漸降低，當(dāng)排沙口直徑增大到一定值時(shí)，排沙口最高風(fēng)速不再下降，在某個(gè)值附近波動(dòng)。

土壤風(fēng)蝕是土壤在風(fēng)力作用下剝蝕、分選、搬運(yùn)的過(guò)程，不僅可以引起土壤質(zhì)地變粗、結(jié)構(gòu)變壞、肥力下降，而且會(huì)導(dǎo)致沙塵暴、揚(yáng)沙等災(zāi)害，污染空氣和水質(zhì)[1]。在土壤風(fēng)蝕治理研究中，認(rèn)識(shí)并掌握土壤風(fēng)蝕顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，及時(shí)制定和采取有效的防治措施，對(duì)于提高土壤抗風(fēng)蝕能力、有效控制土壤風(fēng)蝕至關(guān)重要。土壤風(fēng)蝕集沙儀能夠采集風(fēng)蝕過(guò)程中隨風(fēng)搬運(yùn)的沙塵顆粒，可以觀測(cè)單寬輸沙率、總輸沙率[2]與風(fēng)速之間的關(guān)系，是觀測(cè)風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)和研究風(fēng)沙移動(dòng)規(guī)律的必備儀器,其結(jié)構(gòu)的差異對(duì)于輸沙率的測(cè)定和風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的研究有很大的影響[3]。因此，在宋濤等[4]設(shè)計(jì)的分流對(duì)沖式集沙儀基礎(chǔ)上，利用FLUENT軟件平臺(tái)，對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)集沙儀進(jìn)行數(shù)值模擬，分析風(fēng)沙分離器內(nèi)部氣流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速和排沙口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)集沙儀風(fēng)沙分離器排氣管直徑、排氣管長(zhǎng)度、排沙口直徑、排沙口距離等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期改良集沙儀設(shè)計(jì)，使風(fēng)蝕量測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

1 分流對(duì)沖式集沙儀數(shù)理模型

1.1 分流對(duì)沖式集沙儀工作原理

當(dāng)氣流作用于分流對(duì)沖式集沙儀的風(fēng)向標(biāo)時(shí)，進(jìn)氣口便正對(duì)風(fēng)沙分離器，在風(fēng)沙分離器分流對(duì)沖影響下，氣流速度大幅度降低，當(dāng)氣流速度低于沙塵懸浮速度時(shí)，風(fēng)沙開(kāi)始分離，氣體從排氣口排出，沙塵則落入集沙盒?？梢?jiàn)，風(fēng)沙分離器是該集沙儀的關(guān)鍵部件，起到快速分離風(fēng)沙的作用。

風(fēng)沙分離器是基于分流對(duì)沖原理設(shè)計(jì)而成的，它是在進(jìn)氣管末端設(shè)計(jì)一個(gè)分流結(jié)構(gòu)，迫使氣流分流與對(duì)沖，以實(shí)現(xiàn)氣流速度的大幅度降低，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。風(fēng)沙分離器分流對(duì)沖原理為氣流于圖2的A處在楔形體的作用下分成兩股氣流，這兩股氣流在分流結(jié)構(gòu)外表面和風(fēng)沙分離器內(nèi)表面之間形成邊界層內(nèi)外流動(dòng)，在B處附近發(fā)生對(duì)沖和渦旋[5]，相互對(duì)抗，從而實(shí)現(xiàn)氣流速度的大幅度降低。

圖1 分流對(duì)沖式集沙儀三維結(jié)構(gòu)示意

1—進(jìn)氣管；2—楔形體；3—圓柱體；4—外殼

1.2 數(shù)值計(jì)算模型

RNGk-ε湍流模型對(duì)于中等以下的復(fù)雜流動(dòng)，比如分離流、二次流、旋流等流動(dòng)問(wèn)題，精度較高[6]。在風(fēng)沙分離器內(nèi)部，受氣流繞流和錐形壁面的回流影響，在分離腔和回流腔內(nèi)出現(xiàn)大量的渦旋，并在整個(gè)流場(chǎng)內(nèi)占據(jù)一定比例，故選用RNGk-ε湍流模型較為適合。

1.3 FLUENT軟件邊界類型選擇

選擇設(shè)置邊界可以明確幾何模型中那些代表模型邊界的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)體的物理特性和操作特性，選擇合適的邊界類型與適用場(chǎng)合?？紤]到集沙儀工況為自由流風(fēng)場(chǎng)，因此在進(jìn)氣口選擇自由流速度入口類型的時(shí)候應(yīng)該選擇VELOCITY_INLET；集沙盒下面放置稱量傳感器，這就會(huì)使風(fēng)沙分離器排沙口與集沙盒之間存在間隙，因此風(fēng)沙分離器存在2個(gè)自由流出口(排沙口和排氣口)，在選擇自由流出口的邊界類型時(shí)應(yīng)選擇OUTFLOW。風(fēng)沙分離器中2個(gè)計(jì)算域之間的數(shù)據(jù)流通一般是通過(guò)排氣管下端口傳遞，因此將排氣管下端口選擇公用交界面類型INTERFACE，其余邊界默認(rèn)WALL類型。設(shè)置進(jìn)氣口速度為13.8 m/s(強(qiáng)風(fēng)條件)，水力直徑為0.09 m，湍流強(qiáng)度為5%，然后對(duì)氣流流通交界面(INTERFACE面)進(jìn)行配對(duì)。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬

2.1 設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)用分流對(duì)沖式集沙儀排氣管長(zhǎng)度(H1)為30 mm、排氣管直徑(D1)為30 mm、排沙口距離(H2)為15 mm、排沙口直徑(D2)為45 mm，結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 分流對(duì)沖式集沙儀二維結(jié)構(gòu)示意

對(duì)風(fēng)沙分離器排氣管長(zhǎng)度、排氣管直徑、排沙口距離、排沙口直徑等參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。排氣管長(zhǎng)度分別取25、35、45 mm，排氣管直徑分別取5、15、25、30、35、45 mm，排沙口距離分別取5、15、25、35 mm，排沙口直徑分別取20、35、50、65、75 mm。對(duì)這4個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行組合，利用GAMBIT軟件建模，導(dǎo)入FLUENT環(huán)境進(jìn)行模擬，觀察不同組合參數(shù)下排氣口和排沙口的最低風(fēng)速，通過(guò)比較360個(gè)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬后的結(jié)果，研究分流對(duì)沖式集沙儀內(nèi)部氣流的降速規(guī)律，得到一個(gè)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而降低排氣口和排沙口的軸向速度，達(dá)到提高風(fēng)沙分離效率的目的。

2.2 結(jié)果與分析

從360個(gè)仿真結(jié)果中選取了具有代表性的幾組圖進(jìn)行對(duì)比，揭示風(fēng)沙分離器內(nèi)部氣流的降速規(guī)律。

保持H1=45 mm、H2=25 mm、D2=20 mm不變，改變D1。從圖4可以看出：D1=5 mm時(shí)，排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速分別為41.401、36.695 m/s；D1=15 mm時(shí)，分別為4.969、3.766 m/s；D1=25 mm時(shí)，分別為2.905、1.292 m/s；D1=30 mm時(shí)，分別為2.909、1.040 m/s；D1=35 mm時(shí)，分別為2.855、0.969 m/s；D1=45mm時(shí)，分別為2.943、0.685 m/s。對(duì)比可以看出：排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速受排氣管直徑影響很大；隨著排氣管直徑逐漸增大，排氣口風(fēng)速逐漸降低；當(dāng)排氣管直徑增大到25 mm時(shí)，排氣口風(fēng)速不再降低，最高風(fēng)速在2.90 m/s附近波動(dòng)。

圖4 分流對(duì)沖式集沙儀排氣口風(fēng)速隨排氣管直徑變化

保持D1=35 mm、H2=25 mm、D2=20 mm不變，只改變H1。從圖5可以看出：H1=25 mm時(shí)，排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速分別為1.450、1.044 m/s；H1=35 mm時(shí)，分別為2.180、0.806 m/s；H1=45 mm時(shí)，分別為2.850、0.969 m/s。對(duì)比可以看出，排氣口最高風(fēng)速受到排氣管長(zhǎng)度影響很大，而平均風(fēng)速受到的影響不大。

圖5 分流對(duì)沖式集沙儀排氣口風(fēng)速隨排氣管長(zhǎng)度變化

保持H1=25 mm、D1=25 mm、H2=25 mm不變，只改變D2。D2=20 mm時(shí)，排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速分別為2.131、1.517 m/s；D2=35 mm時(shí)，分別為2.130、1.517 m/s；D2=50 mm時(shí)，分別為2.130、1.519 m/s；D2=65 mm時(shí)，分別為2.130、1.518 m/s；D2=75 mm時(shí)，分別為2.130、1.514 m/s。對(duì)比可以看出，排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速基本不受排沙口直徑影響。

保持H1=35 mm、D1=25 mm、D2=75 mm不變，只改變H2。H2=5 mm時(shí)，排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速分別為2.910、1.320 m/s；H2=15 mm時(shí)，分別為2.910、1.322 m/s；H2=25 mm時(shí)，分別為2.900、1.321 m/s；H2=35 mm時(shí)，分別為2.900、1.321 m/s。對(duì)比可以看出,排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速基本不受排沙口距離的影響。

保持H1=35 mm、D2=35 mm、H2=25 mm不變，只改變D1。通過(guò)圖6可以看出：D1=5 mm時(shí)， 排沙口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速分別為2.331、0.864 m/s；D1=15 mm時(shí)，分別為1.454、0.840 m/s；D1=25 mm時(shí)，分別為2.179、0.836 m/s；D1=30 mm時(shí)，分別為2.180、0.837 m/s；D1=35 mm時(shí)，分別為1.455、0.809 m/s；D1=45 mm時(shí)，分別為2.906、1.039 m/s。對(duì)比可以看出，排沙口最高風(fēng)速受排氣管直徑影響較大，排沙口平均風(fēng)速受排氣管直徑影響較小。

圖6 分流對(duì)沖式集沙儀排沙口風(fēng)速隨排氣管直徑變化

保持D1=30 mm、D2=35 mm、H2=25 mm不變，只改變H1。通過(guò)圖7可以看出，H1=25 mm時(shí)，排沙口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速分別為0.454、0.849 m/s；H1=35 mm時(shí)，分別為2.180、0.837 m/s；H1=45 mm時(shí)，分別為2.184、0.853 m/s。對(duì)比可以看出，排沙口最高風(fēng)速受排氣管長(zhǎng)度影響較大，排沙口平均風(fēng)速受排氣管長(zhǎng)度影響較小。

圖7 分流對(duì)沖式集沙儀排沙口風(fēng)速隨排氣管長(zhǎng)度變化

保持D1=25 mm、H1=25 mm、H2=25 mm不變，只改變D2。通過(guò)圖8可以看出：D2=20 mm時(shí)，排沙口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速分別為2.840、2.257 m/s；D2=35 mm時(shí)，分別為2.130、0.835 m/s；D2=50 mm時(shí)，分別為2.130、0.581 m/s；D2=65 mm時(shí)，分別為2.130、0.472 m/s；D2=75 mm時(shí)，分別為2.130、0.389 m/s。對(duì)比可以看出：排沙口最高風(fēng)速隨排沙口直徑的增大有所降低，但排沙口直徑增大到35 mm的時(shí)候，排沙口的最高風(fēng)速不再繼續(xù)下降，而是在速度2.13 m/s附近波動(dòng)；排沙口平均風(fēng)速受排沙口直徑影響較大， 隨著排沙口直徑增大，平均風(fēng)速逐漸降低。

圖8 分流對(duì)沖式集沙儀排沙口風(fēng)速隨排沙口直徑變化

保持D1=25 mm、H1=45 mm、D2=75 mm不變，只改變H2。通過(guò)圖9可以看出：H2=5 mm時(shí)，排沙口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速分別為2.180、0.583 m/s；H2=15 mm時(shí)，分別為1.452、0.520 m/s；H2=25 mm時(shí)，分別為1.454、0.442 m/s；H2=35 mm時(shí)，分別為2.178、0.346 m/s。對(duì)比可以看出：排沙口最高風(fēng)速受排沙口距離影響較大，排沙口平均風(fēng)速受排沙口距離影響較小。

圖9 分流對(duì)沖式集沙儀排沙口風(fēng)速隨排沙口距離變化

2.3 優(yōu)化方案

將仿真結(jié)果進(jìn)行整理，可得到有關(guān)排氣口風(fēng)速和排沙口風(fēng)速的數(shù)據(jù)，以排氣口風(fēng)速、排沙口風(fēng)速為縱坐標(biāo)，以結(jié)構(gòu)參數(shù)為橫坐標(biāo)，規(guī)定橫坐標(biāo)為1的點(diǎn)對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為D1=5 mm、H1=25 mm、D2=20 mm、H2=5 mm，橫坐標(biāo)為2的點(diǎn)對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為D1=5 mm、H1=25 mm、D2=20 mm、H2=15 mm，依此類推，并將變化不明顯的數(shù)據(jù)去掉，繪制成如圖10的折線圖。從圖10中找到排氣口風(fēng)速、排沙口風(fēng)速都較低的參數(shù)為D1=25 mm、H1=25 mm、D2=75 mm、H2=15 mm。

圖10 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的排氣口風(fēng)速和排沙口風(fēng)速

3 結(jié) 論

通過(guò)GAMBIT軟件建模，利用FLUENT軟件進(jìn)行仿真模擬，改進(jìn)了分流對(duì)沖式集沙儀排氣管直徑、排氣管長(zhǎng)度、排沙口直徑、排沙口距離四部分的參數(shù)，對(duì)360個(gè)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的集沙儀進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比后得出的主要結(jié)論如下：①排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速與排氣管直徑有關(guān)，隨著排氣管直徑逐漸增大，排氣口風(fēng)速逐漸降低，當(dāng)排氣管增大到一定值時(shí)，排氣口風(fēng)速不再降低，在某個(gè)值附近波動(dòng)。②排氣口最高風(fēng)速受排氣管長(zhǎng)度影響很大，平均風(fēng)速基本不受排氣管長(zhǎng)度影響。③排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速基本不受排沙口直徑影響。④排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速受排沙口距離的影響很小。⑤排沙口最高風(fēng)速受排氣管直徑影響較大，平均風(fēng)速受排氣管直徑影響較小。⑥排沙口最高風(fēng)速與排氣管長(zhǎng)度有較大關(guān)系，平均風(fēng)速與排氣管長(zhǎng)度關(guān)系不大。⑦排沙口最高風(fēng)速與排沙口直徑有關(guān)，隨排沙口直徑的增大逐漸降低，當(dāng)排沙口增大到一定值時(shí)，排沙口最高風(fēng)速不再下降，在某個(gè)值附近波動(dòng);排沙口平均風(fēng)速受排沙口直徑影響較大，隨著排沙口直徑增大，平均風(fēng)速逐漸降低。⑧排沙口最高風(fēng)速受排沙口距離影響較大，平均風(fēng)速受排沙口距離影響較小。⑨以排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速和排沙口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)分流對(duì)沖式集沙儀進(jìn)行有限元分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)了排氣管長(zhǎng)度參數(shù)、排氣管直徑參數(shù)、排沙口距離參數(shù)、排沙口直徑參數(shù)，當(dāng)D1=25 mm、H1=25 mm、D2=75 mm、H2=15 mm時(shí)，排氣口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速和排沙口最高風(fēng)速、平均風(fēng)速都較低，集沙儀集沙效率較高。

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(責(zé)任編輯 李楊楊)

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41361058，41161045)

S157

A

1000-0941(2017)02-0038-04

商曉彬(1991—)，男，河北邢臺(tái)市人，碩士研究生，主要從事機(jī)械測(cè)控及自動(dòng)化技術(shù)研究；通信作者陳智(1962—)，男，內(nèi)蒙古察右前旗人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事工程測(cè)試及其技術(shù)裝備研究。

2016-06-25