文 韜，董 帥，龔中良，李立君，鄭立章，桑孟祥

（中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410004）

吹掃式仿生嗅覺檢測(cè)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及流場(chǎng)性能模擬與試驗(yàn)

文 韜，董 帥，龔中良※，李立君，鄭立章，桑孟祥

（中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410004）

為了優(yōu)選吹掃式仿生嗅覺檢測(cè)腔流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，提高腔內(nèi)流體速度分布均勻穩(wěn)定性，以氣體運(yùn)動(dòng)微分方程為基礎(chǔ)，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對(duì)檢測(cè)腔內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，得到了設(shè)計(jì)工況條件下的氣體流動(dòng)特性，提出并分析比較了3種檢測(cè)腔模型，同時(shí)將最優(yōu)模型的模擬值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。計(jì)算結(jié)果表明，檢測(cè)腔結(jié)構(gòu)影響腔內(nèi)氣體流速分布，多管道式檢測(cè)腔在沿管道軸向0.035～0.049 m，氣流速度變化存在平滑區(qū)，且穩(wěn)定在0.018～0.268 m/s，能夠滿足檢測(cè)工作條件，而線性排列式不存在平滑區(qū)，平行排列式平滑區(qū)速度范圍僅為0.001～0.018 m/s；多管道式檢測(cè)腔在流速均勻穩(wěn)定性方面存在優(yōu)勢(shì)，氣流速度最大偏差比和不均勻系數(shù)分別為 0.830 6和 0.292 0；同時(shí)，在數(shù)值模擬腔內(nèi)氣體置換時(shí)間中，3種檢測(cè)腔經(jīng)歷時(shí)間分別為223.4、302.0和213.8 s，多管道式結(jié)構(gòu)的時(shí)間數(shù)值最小說明氣流響應(yīng)快，工作效率高。多管道式結(jié)構(gòu)模型能有效改善傳感器數(shù)值檢測(cè)的一致性，模型試驗(yàn)中傳感器靈敏度檢測(cè)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)差范圍為0.153 5～0.428 3，變異系數(shù)分布在0.030 5～0.082 7。該研究可為仿生嗅覺檢測(cè)腔結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)均勻性設(shè)計(jì)提供參考。

傳感器；仿生；檢測(cè)；嗅覺；檢測(cè)腔；模型；數(shù)值模擬；性能分析

文 韜，董 帥，龔中良，李立君，鄭立章，桑孟祥. 吹掃式仿生嗅覺檢測(cè)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及流場(chǎng)性能模擬與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(10)：78－85. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.010 http://www.tcsae.org

Wen Tao, Dong Shuai, Gong Zhongliang, Li Lijun, Zheng Lizhang, Sang Mengxiang. Structure design of sweeping type bionic olfactory detection chamber and its flow field performance simulation and verification[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(10): 78－85. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.010 http://www.tcsae.org

0 引 言

吹掃式仿生嗅覺是模擬生物嗅覺的一種仿生技術(shù)[1-3]。嗅覺檢測(cè)腔是吹掃式仿生嗅覺檢測(cè)系統(tǒng)中重要的組成部分，嗅覺傳感器陣列部署在檢測(cè)腔內(nèi)，待測(cè)氣體通過載氣吹掃至檢測(cè)腔內(nèi)的嗅覺傳感器感知區(qū)域從而獲得嗅覺信號(hào)[4]。研究表明，檢測(cè)腔結(jié)構(gòu)和腔內(nèi)氣體流速分布是影響嗅覺檢測(cè)性能的重要因素[5-7]，檢測(cè)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理易造成氣體在內(nèi)部產(chǎn)生渦流，增加了傳感器響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間，流速在檢測(cè)腔內(nèi)分布不均，難以保證傳感器陣列感應(yīng)數(shù)值的一致性。因此，探明吹掃氣體在嗅覺檢測(cè)腔內(nèi)的流動(dòng)特性和分布特征，提高檢測(cè)腔內(nèi)氣體流速的均勻穩(wěn)定性，對(duì)于提高嗅覺檢測(cè)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性具有十分重要的意義。

目前，國內(nèi)外關(guān)于腔體內(nèi)流體流動(dòng)特性研究，普遍采用計(jì)算仿真技術(shù)獲得腔體內(nèi)流體參數(shù)的流場(chǎng)分布特征。Comer等[8]對(duì)人體兩倍分叉支氣管內(nèi)的氣流結(jié)構(gòu)和顆粒沉積進(jìn)行了數(shù)值模擬。徐新喜等[9-10]對(duì)循環(huán)呼吸模式下口喉模型內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值仿真。石志標(biāo)等[11]根據(jù)解剖學(xué)的鼻腔結(jié)構(gòu)，建立了鼻腔仿生模型并對(duì)腔內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。Chen等[12]數(shù)值模擬了分配岐管在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下內(nèi)部壓力和質(zhì)量流量分布特征。Moureh等[13]利用Fluent軟件對(duì)裝有貨物的掛車內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。盧立新等[14-15]通過仿真包裝盒在抽氣和充氣方式作用下的內(nèi)部流場(chǎng)比較其氣調(diào)置換性能。近年來，有學(xué)者將該技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)裝備流場(chǎng)的均勻性改善和腔體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)并取得了初步進(jìn)展。郭嘉明等[16]運(yùn)用 Fluent軟件研究了不同冷藏運(yùn)輸箱體結(jié)構(gòu)對(duì)冷藏運(yùn)輸環(huán)境均勻性的影響。朱紅耕等[17-18]采用RNGk-ω湍流模型分析得出高流量下蝸殼式出水流道的流場(chǎng)分布更加均勻。代建武等[19]對(duì)干燥機(jī)的氣流分配室流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，得到了熱氣流在氣流分配室內(nèi)的流動(dòng)特征，提出平板擾流模型能改善流場(chǎng)均勻性。但目前有關(guān)仿生嗅覺檢測(cè)腔內(nèi)流體流動(dòng)特性和流場(chǎng)均勻性的研究開展較少，石志標(biāo)等[11]雖利用 Fluent軟件對(duì)電子鼻不同鼻腔結(jié)構(gòu)氣體傳輸過程中的流體特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析比較了不同鼻腔結(jié)構(gòu)對(duì)嗅覺檢測(cè)能力影響，但研究中缺少結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

本文采用計(jì)算流體力學(xué)（computer fluent dynamic，CFD）方法對(duì)吹掃式仿生嗅覺檢測(cè)腔內(nèi)部流場(chǎng)開展了設(shè)計(jì)工況條件下的氣體流動(dòng)特性數(shù)值模擬，系統(tǒng)分析比較了 3種檢測(cè)腔原始模型和優(yōu)化模型的流場(chǎng)分布特征和嗅覺傳感器檢測(cè)區(qū)域流速均勻穩(wěn)定性，并采用標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)最優(yōu)模型設(shè)計(jì)的檢測(cè)腔進(jìn)行了吹掃試驗(yàn)，驗(yàn)證最優(yōu)模型結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真結(jié)果的合理性，為仿生嗅覺檢測(cè)腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種參考。

1 仿生嗅覺檢測(cè)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到檢測(cè)腔的體積、傳感器部署及腔內(nèi)氣體的流動(dòng)特性對(duì)傳感器檢測(cè)性能的影響，本文研究設(shè)計(jì)了 3種不同形式的仿生嗅覺檢測(cè)腔結(jié)構(gòu)，嗅覺傳感器陣列由 5個(gè)傳感器組成，傳感器選型參考目前常用的TGS系列金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器，傳感器外徑8 mm。

1.1 線性排列式結(jié)構(gòu)

圖 1為線性排列式腔體結(jié)構(gòu)（detection chamber of linear arrangement，DCLA），主要由進(jìn)氣管、緩流區(qū)、檢測(cè)腔、傳感器陣列和排氣管組成。該結(jié)構(gòu)進(jìn)氣管與排氣管對(duì)稱分布在檢測(cè)腔兩側(cè)，管道內(nèi)徑8 mm；檢測(cè)腔形狀呈長方體，體積為3.294×104mm3，分別通過緩流區(qū)與進(jìn)氣管和排氣管平滑相連；傳感器陣列采用線性沿軸線方向均布方式固接于檢測(cè)腔底部內(nèi)側(cè)，相互間隔15 mm。

圖1 傳感器線性排列設(shè)計(jì)方案Fig.1 Design scheme of linear array of sensors (DCLA)

1.2 平行排列式結(jié)構(gòu)

圖 2為平行排列式腔體結(jié)構(gòu)（detection chamber of parallel arrangement，DCPA），主要由進(jìn)氣管、檢測(cè)腔、傳感器陣列和排氣管組成。該結(jié)構(gòu)進(jìn)氣管和排氣管與傳感器陣列部署于同一平面呈對(duì)稱分布，管道內(nèi)徑8 mm；檢測(cè)腔形狀呈圓柱體，體積為1.541×105mm3；傳感器陣列采用圓周均布與中心布置相結(jié)合的方式固接于檢測(cè)腔底部內(nèi)側(cè)，分布半徑30 mm。

圖2 傳感器平行排列設(shè)計(jì)方案Fig.2 Design scheme of parallel arrangement of sensors (DCPA)

1.3 多管道式結(jié)構(gòu)

圖 3為多管道式腔體結(jié)構(gòu)（detection chamber of multi-nasal duct，DCMD），主要由進(jìn)氣管、檢測(cè)腔、傳感器陣列和排氣管組成。該結(jié)構(gòu)進(jìn)氣管和排氣管分布在圓柱型腔體的上下兩面，管道內(nèi)徑8 mm；檢測(cè)腔采用單傳感器獨(dú)立通道的多管道式結(jié)構(gòu)，腔體內(nèi)管道分布呈米字型，各檢測(cè)通道均采用圓管道形式，通道內(nèi)徑4 mm；傳感器陣列采用圓周均布方式固接于各檢測(cè)通道內(nèi)側(cè)。

圖3 多鼻腔管道設(shè)計(jì)方案Fig.3 Multi-nasal duct design scheme (DCMD)

2 仿生嗅覺檢測(cè)腔流場(chǎng)數(shù)值模擬

2.1 氣體控制方程

檢測(cè)腔內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)為具有黏度的不可壓縮流動(dòng)，腔內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)的控制方程主要包括連續(xù)性方程和動(dòng)量方程[20-23]，如式（1）～（2）。

式中δij表示 Kronecker函數(shù)：δij= 1，（i=j）；δij= 0，（i≠j）；ρ表示氣體密度，kg/m3；t表示時(shí)間，s；i,j= 1, 2, 3（i≠j）分別表示X,Y,Z3個(gè)方向，ui表示速度，m/s，xi表示坐標(biāo)位置，m；μ表示黏性系數(shù)，Pa·s；p表示流體壓力，Pa。考慮到檢測(cè)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在急劇收縮、擴(kuò)展和拐彎區(qū)域等復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，氣體流經(jīng)上述區(qū)域?qū)⒋嬖诘屠字Z數(shù)（Re）的湍流流動(dòng)，因此本研究采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ω湍流模型對(duì)氣體流場(chǎng)進(jìn)行描述，湍流動(dòng)能k（m2/s2）和耗散率ω可分別由式（3）～式（4）得出

式中Gk表示由于速度梯度的影響而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，m2/s2；Gω是由ω方程產(chǎn)生的湍流耗散率；Γk和Γω分別表示k和ω的有效擴(kuò)散率；Yk和Yω分別表示由于湍流的影響而產(chǎn)生的擴(kuò)散率；Sk和Sω表示用戶自定義源項(xiàng)。

2.2 初始與邊界條件

嗅覺檢測(cè)過程中氣體由進(jìn)氣管流入檢測(cè)腔并從排氣管自然流出，選取速度作為進(jìn)氣管入口的邊界條件，吹掃式嗅覺檢測(cè)的氣體動(dòng)力來源于外部高壓氣瓶，由于氣瓶的出口壓力穩(wěn)定，流入檢測(cè)腔進(jìn)氣管的流速近似勻速，模擬過程可視為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)?？紤]到實(shí)際的吹掃式嗅覺檢測(cè)過程中載氣流量調(diào)節(jié)范圍50～1 000 mL/min，流速變化范圍為0.017～0.332 m/s，氣體流速遠(yuǎn)小于聲速，氣體在腔內(nèi)流動(dòng)過程視為不可壓縮過程，結(jié)合實(shí)際工況設(shè)定流速為0.3 m/s。出口選取壓力邊界條件，考慮其自然流出設(shè)定大氣壓力作為邊界值。腔內(nèi)氣體溫度為室溫條件，設(shè)定腔內(nèi)流體溫度為26 ℃。壁面采用無滑移邊界條件，假定壁面為剛性壁面，不考慮壁面彈性的影響。

2.3 數(shù)值計(jì)算方法

檢測(cè)腔內(nèi)氣體流動(dòng)過程數(shù)值模擬采用計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件ANSYS中Workbench內(nèi)置Fluent模塊完成。設(shè)計(jì)的3種檢測(cè)腔結(jié)構(gòu)利用Workbench中ICEM CFD對(duì)計(jì)算模型采用四面體單元[24-25]格式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，物理模型網(wǎng)格單元數(shù)分別為134 739，643 812和109 197個(gè)，最大網(wǎng)格尺寸依次為1.5，1.5和1.0 mm，各模型網(wǎng)格數(shù)對(duì)所求解物理量的影響在1%以內(nèi)。計(jì)算模型中近壁面及復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，如圖4所示。

圖4 3種檢測(cè)腔模型網(wǎng)格劃分Fig.4 Meshes of three types of detection chamber model

在仿真計(jì)算中，控制方程采用分離隱式法求解，穩(wěn)態(tài)速度壓力耦合計(jì)算采用 SIMPLE算法，殘差精度設(shè)為0.001。

2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了定量比較檢測(cè)腔內(nèi)傳感器感知區(qū)域流速的均勻性和腔體內(nèi)部流場(chǎng)的穩(wěn)定性，本研究引入速度偏差比E和速度不均勻系數(shù)M，用來評(píng)價(jià)流場(chǎng)分布的均勻性和穩(wěn)定性[26-27]，其相應(yīng)的計(jì)算公式如（5）～（6）所示：

式中VS為各傳感器檢測(cè)區(qū)域的流速均值，m/s；n為節(jié)點(diǎn)數(shù)；Vi為各點(diǎn)速度，m/s；為速度分布的總體均值，m/s。

3 仿生嗅覺檢測(cè)腔流場(chǎng)性能模擬與分析

3.1 檢測(cè)腔內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析

圖5為3種模型腔內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)云圖，模型的進(jìn)口速度為0.3 m/s。由圖5a線性排列式檢測(cè)腔流場(chǎng)結(jié)構(gòu)可知，氣流由A口進(jìn)入檢測(cè)腔后，由于導(dǎo)流結(jié)構(gòu)腔體徑向橫截面積逐漸增加，沿檢測(cè)腔軸向方向兩側(cè)氣壓減小，氣流發(fā)生分離現(xiàn)象[28]，并進(jìn)行動(dòng)量傳遞，檢測(cè)腔軸向氣流速度隨之減小，隨著氣流進(jìn)入橫截面積相對(duì)穩(wěn)定的檢測(cè)腔中部，速度開始趨于穩(wěn)定，但在接近出口處時(shí)，由于檢測(cè)腔徑向橫截面的迅速減小又將使氣流速度增加。

圖5 3種檢測(cè)腔氣流結(jié)構(gòu)云圖Fig.5 Airflow structure nephogram of three types of detection chamber

觀察圖5b平行排列式檢測(cè)腔流場(chǎng)結(jié)構(gòu)可知，氣流經(jīng)過A口流入檢測(cè)腔，在垂直于氣流入口速度方向C處檢測(cè)腔橫截面積突然增大，檢測(cè)腔進(jìn)口A軸向方向兩側(cè)氣壓減小，氣流開始出現(xiàn)分離，其速度也會(huì)有相應(yīng)的減小。當(dāng)氣流到達(dá)腔體端面部位D處時(shí)，由于受到壁面約束，速度方向急劇改變，從而在壁面相交處產(chǎn)生渦流[29-30]。同時(shí)，在檢測(cè)腔中間部位E處，因受到氣流分離現(xiàn)象和渦流作用的影響，該區(qū)域氣流速度在整個(gè)檢測(cè)腔內(nèi)分布偏低。對(duì)照?qǐng)D5c多管道式檢測(cè)腔流場(chǎng)結(jié)構(gòu)可知，氣流由A口進(jìn)入檢測(cè)腔后，在多管道式結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向作用下，氣流速度沿管道分布均勻，因氣流在沿管道軸向流動(dòng)過程中存在能量損失，則氣流速度在數(shù)值上會(huì)略有減小，在出口B處氣流逐步與周圍的氣體混合，不斷進(jìn)行動(dòng)量傳遞，因而出口速度值較大。

3.2 腔內(nèi)流速分布分析

為了進(jìn)一步分析模型結(jié)構(gòu)差異對(duì)腔內(nèi)氣體流動(dòng)性能的影響，下面針對(duì) 3種檢測(cè)腔內(nèi)氣體流速分布展開定量分析。圖6為3種檢測(cè)腔內(nèi)部氣流速度等值云圖，模型進(jìn)口速度為0.3 m/s。

由圖6a可知，線性排列式檢測(cè)腔內(nèi)氣體流速分布范圍為0～0.45 m/s，氣體經(jīng)檢測(cè)腔A口進(jìn)入，氣流速度沿中心軸線方向有較為明顯的梯度變化，分布范圍為0.10～0.45 m/s，如果將傳感器陣列沿檢測(cè)腔軸向方向部署，氣體流速的梯度分布將會(huì)影響傳感器檢測(cè)的一致性。觀察圖 6b可知，平行排列式檢測(cè)腔內(nèi)氣體流速分布范圍為0.02～0.42 m/s，氣體由進(jìn)口A流入檢測(cè)腔，在檢測(cè)腔中間部位C′處速度范圍在0.02～0.10 m/s，數(shù)值分布集中且偏低?？紤]到檢測(cè)腔內(nèi)設(shè)計(jì)的傳感器陣列由TGS系列金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器構(gòu)成，該傳感器敏感元件通過與氣味分子產(chǎn)生相互作用，使活性材料的導(dǎo)電性發(fā)生變化，當(dāng)流過敏感元件表面的氣流速度偏低時(shí)，被檢測(cè)氣味分子與傳感器活性材料相互作用不充分，在很大程度上將會(huì)影響傳感器信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。對(duì)照?qǐng)D6c可知，多管道式檢測(cè)腔內(nèi)氣體流速分布范圍在0.05～0.45 m/s，氣體經(jīng)檢測(cè)腔進(jìn)口A流入，因自身運(yùn)動(dòng)慣性作用在檢測(cè)腔中部C′形成一個(gè)高流速區(qū)，其速度分布范圍為 0.30～0.45 m/s，由于彎道處結(jié)構(gòu)變化而導(dǎo)致氣流出現(xiàn)分離現(xiàn)象，流速梯度降低至0.05～0.35 m/s。在檢測(cè)腔位于中部管道軸線D′處，由于管道徑向沒有變化，氣體軸向流動(dòng)過程中只與周圍氣體發(fā)生緩慢交換，速度分布范圍集中在0.20～0.30 m/s，波動(dòng)范圍不會(huì)對(duì)檢測(cè)腔內(nèi)氣體流動(dòng)均勻性造成影響，能夠滿足傳感器檢測(cè)一致性的要求。

圖6 3種檢測(cè)腔內(nèi)部氣流速度等值云圖Fig.6 Airflow velocity contour nephogram of three types of detection chamber

為了考察入口速度對(duì)檢測(cè)腔流速分布的影響，選擇最佳的入口速度作為檢測(cè)工作參數(shù)，不同入口速度下各檢測(cè)腔內(nèi)沿管道軸向速度分布如圖7所示。由圖7a可知，線性排列式檢測(cè)腔在整個(gè)管腔內(nèi)（軸向長度0～0.021 m），氣流速度分布沒有出現(xiàn)平滑區(qū)，不具備穩(wěn)定檢測(cè)的條件；而圖7b平行排列式檢測(cè)腔在沿管道軸向0.042～0.083 m，氣流速度出現(xiàn)平滑區(qū)M′，但其速度分布范圍僅為0.001～0.018 m/s，速度總體偏低，影響檢測(cè)工作效率；在圖7c多管道式檢測(cè)腔內(nèi)，在沿管道軸向0.035～0.049 m時(shí)，氣流速度變化存在平滑區(qū)M′，且穩(wěn)定在0.018～0.268 m/s范圍，根據(jù)氧化物傳感器工作原理可知，平滑區(qū)M′是傳感器安裝的理想位置，能較好地滿足檢測(cè)工作條件。

圖7 不同入口速度下3種檢測(cè)腔的速度分布Fig.7 Velocity distribution of three types of detection chamber under different entrance velocities

根據(jù)前續(xù)引入的流體區(qū)域均勻性和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，不同入口速度條件下3種檢測(cè)腔流場(chǎng)性能如表1所示。

表1 不同入口速度下3種檢測(cè)腔流場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 1 Airflow evaluation indicators of three types of detection chamber under different entrance velocities

由表 1可知，線性排列式檢測(cè)腔的偏差比和不均勻系數(shù)均隨入口氣流速度增大而減小，變化范圍在0.790 6～1.287 3和0.429 2～0.669 5，數(shù)值分布區(qū)間偏大，流場(chǎng)均勻性和穩(wěn)定性受到入口速度的影響過大；在入口氣流速度遞增時(shí)，平行排列式檢測(cè)腔的偏差比和不均勻系數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)，范圍集中分布在 1.138 3～1.350 5和0.875 2～0.967 6，數(shù)值總體偏大，流場(chǎng)均勻性和穩(wěn)定性影響傳感器檢測(cè)結(jié)果；而多管道式檢測(cè)腔的偏差比范圍在 0.711 5～0.830 6，且不均勻系數(shù)隨管腔入口氣流速度增大而減小，范圍在 0.253 3～0.292 0，流場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值集中且偏低，具備傳感器檢測(cè)條件。在氣流入口速度為0.3 m/s時(shí)，線性排列式檢測(cè)腔，平行排列式檢測(cè)腔和多管道式檢測(cè)腔氣流速度偏差比分別為 0.790 6、1.149 5和0.830 6，不均勻系數(shù)分別為0.429 2、0.885 8和0.253 3。當(dāng)不考慮較大的氣流入口速度情況時(shí)，多管道式結(jié)構(gòu)檢測(cè)腔流場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值在同等條件下的檢測(cè)腔中均為最小值，進(jìn)一步說明多管道式檢測(cè)腔在流速的均勻性和流場(chǎng)的穩(wěn)定性方面存在優(yōu)勢(shì)。

3.3 腔內(nèi)氣體置換時(shí)間數(shù)值模擬

為了探明各檢測(cè)腔氣體置換工作效率，可以通過數(shù)值模擬腔內(nèi)不同工作周期氣體置換時(shí)間來分析。出于對(duì)上述分析的綜合考慮，不同入口速度下腔內(nèi)流速分布趨勢(shì)大致相同，氣流入口速度在0.3 m/s時(shí)，各檢測(cè)腔流場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)最佳，因此在檢測(cè)腔氣體置換時(shí)間數(shù)值模擬中設(shè)定氣流入口速度為0.3 m/s。圖8為不同模型檢測(cè)腔內(nèi)氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化情況，應(yīng)用 Fluent軟件設(shè)定腔體內(nèi)空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)初始狀態(tài)為100%，同時(shí)為保證結(jié)果的精準(zhǔn)性，模擬過程中選取較高精度等級(jí)測(cè)定氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)，其中氮?dú)獬錆M或洗凈臨界點(diǎn)判定以相鄰 2個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)差值小于10-6為依據(jù)。第1階段：通入氮?dú)庵脫Q腔內(nèi)原有空氣；第2階段：在仿真時(shí)間81.2～109.0 s，各檢測(cè)腔內(nèi)氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到氣體充滿臨界點(diǎn)時(shí)，通入檢測(cè)氣體（乙烯）；第3階段：在仿真時(shí)間162.4～221.0 s，各檢測(cè)腔內(nèi)氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降至氣體洗凈臨界點(diǎn)時(shí)，再次通入氮?dú)庵脫Q腔內(nèi)原有乙烯，開始下一輪循環(huán)。由于在模擬氣體置換全周期內(nèi)，始終有部分氮?dú)獯嬖跈z測(cè)腔中，故可通過連續(xù)測(cè)定氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)來計(jì)算各階段經(jīng)歷時(shí)間，其中臨界階段以氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)99%或1%為標(biāo)準(zhǔn)。觀察圖8可知，線性排列式檢測(cè)腔3個(gè)階段分界明顯，各階段起始處斜率較大，說明在短時(shí)間內(nèi)大部分氣體能夠進(jìn)行置換，基本符合檢測(cè)腔工作效率要求；而平行排列式檢測(cè)腔氣體在短時(shí)間內(nèi)置換效率較低，各個(gè)階段置換時(shí)間數(shù)值偏大影響檢測(cè)腔氣流響應(yīng)時(shí)間；多管道式檢測(cè)腔各階段分界明顯且經(jīng)歷時(shí)間較短，在氣體置換效率方面具有一定優(yōu)勢(shì)。

圖8 氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間分布Fig.8 Nitrogen mass fraction with time of distribution

表2是不同工作周期下3種檢測(cè)腔氣體置換時(shí)間分布。由表2可知，3種檢測(cè)腔的第1、2階段經(jīng)歷時(shí)間基本相等，但第3階段耗時(shí)均比第1、2階段短，且減少量最大值分別為36.2%、27.7%和36.7%，這主要由于氣體置換過程中受到檢測(cè)腔流場(chǎng)分布和流體物理屬性的影響造成的。綜合上述結(jié)果可知，多管道式檢測(cè)腔氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間最短且各個(gè)階段經(jīng)歷時(shí)間數(shù)值最小，說明多管道式檢測(cè)腔氣流響應(yīng)時(shí)間短，工作效率高。

表2 不同工作周期下3種檢測(cè)腔氣體置換時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results of time of gas replacement of three types of detection chamber under different stages

4 仿生嗅覺檢測(cè)腔內(nèi)氣體流動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證

通過上述對(duì) 3種檢測(cè)腔的數(shù)值模擬分析，多管道式檢測(cè)腔無論是從氣流結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)速度，還是從氣體置換效率方面，其綜合性能都具有明顯地優(yōu)勢(shì)。為了更進(jìn)一步論證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，本研究針對(duì)多管道式嗅覺檢測(cè)腔進(jìn)行了試驗(yàn)，研制的檢測(cè)腔實(shí)物如圖9所示。其中，不同工作周期氣體置換試驗(yàn)中設(shè)置檢測(cè)腔入口氣流速度為0.3 m/s，便于對(duì)比分析數(shù)值模擬結(jié)果。試驗(yàn)過程中，研制的仿生嗅覺分析儀自動(dòng)采集傳感器數(shù)據(jù)，傳送至計(jì)算機(jī)作預(yù)處理。

圖9 多管道式檢測(cè)腔實(shí)物圖Fig.9 Prototype structure of detection chamber of multi-nasal duct

由圖10可知，監(jiān)測(cè)腔內(nèi)傳感器電壓信號(hào)變化能實(shí)時(shí)捕捉檢測(cè)腔內(nèi)氣體成分和濃度改變，進(jìn)而得出不同工作周期內(nèi)氣體置換的時(shí)間。檢測(cè)過程中，實(shí)時(shí)選取連續(xù) 90個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合處理，當(dāng)傳感器量程的5%有效檢測(cè)限大于擬合數(shù)據(jù)的波動(dòng)量時(shí)，則對(duì)應(yīng)階段采樣結(jié)束，反之，繼續(xù)。多管道式檢測(cè)腔內(nèi)氮?dú)庵脫Q空氣耗費(fèi)100 s，乙烯氣體吹掃腔內(nèi)氣體歷時(shí)150 s，而氮?dú)馇逑礄z測(cè)腔管道耗時(shí)150 s，整個(gè)檢測(cè)周期耗時(shí)400 s。試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果變化趨勢(shì)具有一致性，但試驗(yàn)值要明顯大于仿真值，究其原因是數(shù)值模擬過程只仿真了氣體在腔體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程，而傳感器讀數(shù)指示的檢測(cè)時(shí)間包括氣體在腔內(nèi)的流動(dòng)時(shí)間、傳感器對(duì)氣體的感應(yīng)時(shí)間和信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)間。

表3是氣流入口速度為0.3 m/s時(shí)多管道式檢測(cè)腔內(nèi)傳感器檢測(cè)結(jié)果。由表 3可知傳感器靈敏度檢測(cè)數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)差范圍0.153 5～0.428 3，變異系數(shù)分布在0.030 5～0.082 7，兩項(xiàng)參數(shù)的數(shù)值集中且偏低，基本符合前續(xù)腔內(nèi)流速分布分析的結(jié)果。各項(xiàng)的偏差數(shù)值主要是由于試驗(yàn)信號(hào)檢測(cè)過程中，受到機(jī)械加工、摩擦能量損失、試驗(yàn)精度誤差等多方面影響。因此，根據(jù)上述傳感器檢測(cè)數(shù)值的分布特征可以驗(yàn)證多管道式檢測(cè)腔結(jié)構(gòu)對(duì)于傳感器陣列數(shù)值檢測(cè)具有一致性。

圖10 多管道式檢測(cè)腔檢測(cè)周期Fig.10 Detection period of detection chamber of multi-nasal duct

表3 多管道式檢測(cè)腔內(nèi)傳感器檢測(cè)值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Statistical results of detection chamber of multi-nasal duct of sensors’ detection value

5 結(jié)論與討論

本文對(duì)吹掃式仿生嗅覺檢測(cè)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與流場(chǎng)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證，分析了線性排列式、平行排列式和多管道式3種檢測(cè)腔氣流結(jié)構(gòu)和流速分布規(guī)律，探究了不同工作周期氣體置換特性，得出以下主要結(jié)論。

1）檢測(cè)腔結(jié)構(gòu)影響腔內(nèi)氣體流速分布，多管道式檢測(cè)腔在沿管道軸向0.035～0.049 m，氣流速度變化存在平滑區(qū)，且穩(wěn)定在0.018～0.268 m/s，能夠滿足檢測(cè)工作條件。而線性排列式結(jié)構(gòu)不存在平滑區(qū)，且不具備穩(wěn)定檢測(cè)的條件；平行排列式結(jié)構(gòu)平滑區(qū)速度范圍僅為0.001～0.018 m/s，影響檢測(cè)腔工作效率。

2）多管道式檢測(cè)腔在流速均勻穩(wěn)定性方面存在優(yōu)勢(shì)，氣流速度最大偏差比和不均勻系數(shù)分別為0.830 6和0.292 0。而線性排列式和平行排列式最大偏差比分別為1.287 3和 1.350 5，最大不均勻系數(shù)分別為 0.669 5和0.997 6。

3）在數(shù)值模擬腔內(nèi)不同工作周期氣體置換時(shí)間中，多管道式檢測(cè)腔經(jīng)歷時(shí)間為213.8 s，數(shù)值最小說明其氣流響應(yīng)快，工作效率高。線性排列式和平行排列式檢測(cè)周期經(jīng)歷時(shí)間分別為223.4和302.0 s。

4）多管道式結(jié)構(gòu)模型能有效改善傳感器靈敏度數(shù)值檢測(cè)的一致性，模型試驗(yàn)中傳感器靈敏度檢測(cè)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)差范圍為 0.153 5～0.428 3，變異系數(shù)分布在 0.030 5～0.082 7。

對(duì)于檢測(cè)腔內(nèi)傳感器安裝位置，文中只給出多管道式檢測(cè)腔沿管道軸向范圍0.035～0.049 m，沒有考慮傳感器對(duì)檢測(cè)腔內(nèi)流場(chǎng)的影響，故還需要進(jìn)一步探究出傳感器最佳的具體安裝位置和對(duì)腔內(nèi)流體的影響。

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Structure design of sweeping type bionic olfactory detection chamber and its flow field performance simulation and verification

Wen Tao, Dong Shuai, Gong Zhongliang※, Li Lijun, Zheng Lizhang, Sang Mengxiang
(School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha410004,China)

The detection chamber is an important part of the bionic olfactory detection analysis instrument. Unreasonable structure design of detection chamber can cause gas vortex and prolong the sensors’ response and recovery time. Non-uniform distribution of airflow field can cause inconsistence of the sensor array in numerical induction. Therefore, it is significant to explore the characteristics of gas flow and distribution, optimize the flow field structure, improve the uniformity and stability of the flow rate and advance the accuracy and repeatability of olfactory detection chamber. However, the traditional method of further manufacture design improvements requires long transformation time, and high costs, and the measurement range is usually disappointing. Computational Fluid Dynamics (CFD) can provide detailed information on airflow simulation and ensure convenient design of agricultural equipments. In order to optimize the structure of bionic olfactory detection chamber of sweeping type, and improve the uniformity and stability of fluid velocity distribution, based on the differential equations of fluid motion, the internal flow field of olfactory detection chamber was numerically simulated by using the CFD. This paper proposed the models of 3 types of chamber detection original structures, and the uniformity and stability of olfactory sensors’detection area from the optimal model were compared with the test results. The 3 types of detection chamber original structures were linear arrangement, parallel arrangement and structure of multi nasal ducts. Each model design was mainly composed of an intake pipe, a detection chamber, a sensor array and a vent pipe. The fluid flow rate was much smaller than the acoustic velocity and the fluid flow was considered as an incompressible process inside the chamber. In the process of olfactory detection, the fluid flowed into the detection chamber from the intake pipe and flowed out of the vent pipe, so the inlet boundary was set to velocity inlet. Outlet pressure boundary conditions were selected, and the natural pressure was taken as the boundary value. The fluid temperature in the chamber was room temperature which was 26 ℃. The wall had no slip boundary condition, and was assumed to be a rigid wall without considering the influence of wall elasticity. The speed deviation ratio and the nonuniformity coefficient were chosen as comprehensive evaluation indicators. The velocity distribution in chamber flow field was obtained and used to analyze the original structures to provide the preference design.The detection chamber of multi nasal ducts corresponded to inclination model. The simulation results indicated that the structures of detection chamber influenced air velocity distribution. The detection chamber of multi nasal ducts along the pipe axis (0.035-0.049 m range) had a velocity smooth region, the velocity of which was stabilized merely at 0.018-0.268 m/s,which could meet the requirement of detection condition. There were no velocity smooth regions in the linear arrangement,and the airflow velocity of smooth regions in parallel arrangement merely ranged from 0.001 to 0.018 m/s. The detection chamber of multi nasal ducts showed the advantage in the uniform and stability of velocity, of which the maximum values of speed deviation ratio and nonuniformity coefficient were calculated to be 0.830 6 and 0.292, respectively. Meanwhile, in the gas detection period by the numerical simulation, the detection time of 3 models was 223.4, 302.0 and 213.8 s, respectively,and the minimum value of the structure of multi nasal ducts showed that it had fast flow response and high working efficiency.Moreover, the optimum structure could effectively improve the consistency of the sensors’ numerical detection, and the standard deviation and the coefficient of variation ranged from 0.153 5 to 0.428 3 and from 0.030 5 to 0.082 7, respectively.The results provide a reference for the uniformity design of flow field structures similar to the detection chamber.

sensors; detection; bionic; olfactory; detection chamber; model; numerical simulation; performance analysis

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.010

TS203

A

1002-6819(2017)-10-0078-08

2016-10-19

2017-04-16

國家自然科學(xué)基金（31401281）；湖南省自然科學(xué)基金（14JJ3115）；湖南省高校科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃（2014207）；湖南省科技計(jì)劃重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2016NK2151）

文 韜，男，湖南長沙人，博士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)工程、機(jī)電一體化和信息技術(shù)應(yīng)用研究。長沙 中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，410004。Email：wt207@sina.com

※通信作者：龔中良，男，湖北監(jiān)利人，博士，教授，主要從事機(jī)電一體化技術(shù)及應(yīng)用研究。長沙 中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，410004。

Email：gzlaa@163.com

中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員：文 韜（E041200816S）