鞠易甫，施偉辰

（上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海201306）

基于Fluent的聯(lián)合收割機(jī)旋風(fēng)分離筒氣固兩相流模擬

鞠易甫，施偉辰

（上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海201306）

本文主要設(shè)計(jì)一種聯(lián)合收割機(jī)內(nèi)的旋風(fēng)分離筒，使其實(shí)現(xiàn)小麥、稻谷和油菜的清選。以RNG k-ε模型分析湍流流場(chǎng)。使用Fluent的DPM模型進(jìn)行分析。數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)得到結(jié)論：當(dāng)入口速度為4 m/s，排雜口表壓為-2 000 Pa時(shí)，小麥清選效果最好；當(dāng)入口速度為4 m/s，排雜口表壓為-2400 Pa，稻谷清選效果最好；當(dāng)入口速度為4 m/s，排雜口表壓為-1 000 Pa，油菜清選效果最好。最后改變小麥雜質(zhì)的直徑和密度，再次進(jìn)行清選，觀察發(fā)現(xiàn)當(dāng)直徑為2～3 mm，密度為200～350 kg/m3時(shí)，小麥的籽粒和雜質(zhì)清選效果較好。

氣流清選；旋風(fēng)分離筒；Fluent；氣固兩相流

清選裝置是聯(lián)合收割機(jī)中非常重要的組成部分。大量實(shí)驗(yàn)證明[1]，聯(lián)合收割機(jī)清選裝置的設(shè)計(jì)和使用不當(dāng)是糧食損失的一個(gè)重要的原因。當(dāng)其設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)，清選的效果不佳，影響收獲谷物的品質(zhì)。清選系統(tǒng)主要分為氣流清選和振動(dòng)篩選兩個(gè)大類。氣流清選是利用收割后的不同物料在氣流中的受力不同、運(yùn)動(dòng)軌跡不同而分離的。

1 氣流清選的原理和三維模型的建立

聯(lián)合收割機(jī)經(jīng)過(guò)收割、脫粒等工序之后得到飽滿籽粒和與其大小相近的雜質(zhì)，需要進(jìn)入清選裝置分離兩種物料。氣流清選的原理是利用兩種顆粒的懸浮速度不同，在氣流中的運(yùn)動(dòng)軌跡不同而將其分離出來(lái)[2]。物料先進(jìn)入揚(yáng)谷風(fēng)機(jī)獲得拋射的初速度，然后通過(guò)拋射管進(jìn)入旋風(fēng)分離筒。吸雜風(fēng)機(jī)通過(guò)風(fēng)管連接旋風(fēng)分離筒，其工作時(shí)對(duì)內(nèi)吸氣，使桶內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓?；旌衔镌谶M(jìn)入旋風(fēng)分離筒之后隨氣流做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，較重的籽粒向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)入集料盤，較輕的雜質(zhì)由于負(fù)壓的作用向上運(yùn)動(dòng)進(jìn)入風(fēng)管，最后由吸雜風(fēng)機(jī)吸出，整體結(jié)構(gòu)如圖1.雖然清選裝置在聯(lián)合收割機(jī)內(nèi)有很長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用歷史，但旋風(fēng)清選裝置還是依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)，需要使用軟件模擬內(nèi)部的流場(chǎng)和顆粒場(chǎng)，為分離筒的設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)。

圖1 氣流清選系統(tǒng)[3]

旋風(fēng)分離筒的研究主要分為實(shí)驗(yàn)法和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬法兩種。其中模擬法方便快捷，無(wú)需對(duì)同一模型多次試驗(yàn)，可直接繪制筒內(nèi)氣流場(chǎng)云圖，觀察顆粒相軌跡。先使用Solidworks建立三維模型，然后使用Meshing劃分網(wǎng)格。旋風(fēng)分離筒由筒體、進(jìn)口（inlet）、排雜口（outlet1）和排糧口（outlet2）組成。籽粒和雜質(zhì)隨氣流進(jìn)入分離筒，經(jīng)過(guò)清選最終籽粒從排糧口落出，雜質(zhì)從排雜口排出[4]。

分離筒在中間的圓筒和入口處劃分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在上下椎體劃分為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，整體網(wǎng)格劃分如圖2，共有309 903個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 旋風(fēng)分離筒的結(jié)構(gòu)和劃分的網(wǎng)格

2 計(jì)算方法和邊界條件

2.1 計(jì)算模型

使用RNG k-ε模型[5]模擬湍流，與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的方程很接近但有以下兩個(gè)不同點(diǎn)[6]：

（1）修正湍流粘度系數(shù)，更好地模擬彎曲程度較大的流動(dòng)

（2）在ε方程中增加了反應(yīng)時(shí)均應(yīng)變率Eij的項(xiàng)，這樣方程不僅與流體的流動(dòng)情況有關(guān)，還與空間坐標(biāo)有關(guān)。

其控制方程組如下：

其中：k為湍流動(dòng)能，ε為湍動(dòng)耗散率，αk和αε為k與ε的普朗特?cái)?shù)，為湍流系數(shù)，μeff為湍流粘度，Gk為湍流動(dòng)能。

2.2 邊界條件的設(shè)定

2.2.1 氣體相的設(shè)置：

設(shè)置氣流場(chǎng)為空氣，密度ρ為1.225 kg/m3，黏度μ為1.789 4×10-5Pa·s.將inlet設(shè)置為速度入口（velocity-inlet），排雜口和排糧口設(shè)置為壓力出口（pressure-outlet），排糧口由于基本沒(méi)有氣流流出，因此設(shè)置為0，其余位置設(shè)置成壁面（wall）。數(shù)值計(jì)算方法選擇為SIMPLE算法，壓力梯度相為PRESTO[7].由于是旋渦流場(chǎng)，在RNG k-ε設(shè)置中對(duì)Swirl dominated flow打勾。

2.2.2 顆粒相的設(shè)置

在入口處加入兩種籽粒和雜質(zhì)。進(jìn)入的速度方向與入口垂直。當(dāng)顆粒到達(dá)排雜口或排糧口時(shí)停止追蹤，到其他位置時(shí)反彈。在DPM中設(shè)置排雜口為escape，排糧口為trap，其余位置設(shè)置為reflect[8].

3 清選效果的分析

3.1 清選效果的衡量指標(biāo)

將接觸到排糧口的顆粒視為被捕捉，接觸到排雜口的顆粒視為逃逸。定義捕捉率為被捕捉的顆粒數(shù)除以進(jìn)入分離筒的顆?？倐€(gè)數(shù)，逃逸率為逃逸的顆粒數(shù)除以進(jìn)入分離筒的顆?？倐€(gè)數(shù)。

3.2 小麥清選效果的分析

設(shè)置入口速度為4～8 m/s，排雜口表壓為-3 000～-1 500 Pa，小麥籽粒捕捉率和雜質(zhì)逃逸率的變化情況如表1和表2.

表1 小麥籽粒捕捉率和雜質(zhì)逃逸率

觀察表1可知，入口速度為4 m/s時(shí)，排雜口壓力為-2 000 Pa，清選效率最高，效果如圖3.

圖3 小麥、稻谷和油菜清選效果圖

3.3 稻谷清選效果的分析

設(shè)置分離筒入口速度為4～8 m/s，排雜口表壓為-2 400～-1 200 Pa，稻谷籽粒捕捉率和雜質(zhì)逃逸率的變化情況如表2.

表2 稻谷籽粒捕捉率和雜質(zhì)逃逸率

觀察表2可知，入口速度為4 m/s時(shí)，排雜口壓力為-2 400 Pa，清選效率最高效果如圖3.

表3 油菜籽粒捕捉率和雜質(zhì)逃逸率

3.4 油菜清選效果的分析

設(shè)置分離筒入口速度為4～8 m/s，排雜口表壓為-2 500～-1 000 Pa，油菜籽粒捕捉率和雜質(zhì)逃逸率的變化情況如表3.

由觀察表3可知，當(dāng)入口速度為4 m/s時(shí)，排雜口壓力為-1 000 Pa，清選效率最高，效果如圖3.

4 小麥雜質(zhì)清選的優(yōu)化

設(shè)置入口速度4 m/s，排雜口表壓為-2 000 Pa，將小麥雜質(zhì)的直徑取為2～4 mm，密度設(shè)置為200～350 kg/m3，清選效果如表4.

表4 優(yōu)化籽粒參數(shù)后，籽粒捕捉率和雜質(zhì)逃逸率

觀察表4可知，當(dāng)改變雜質(zhì)的直徑和密度時(shí)，雜質(zhì)的清選效率發(fā)生了比較大的變化，籽粒的清選沒(méi)有太大變化。當(dāng)小麥雜質(zhì)直徑2～3 mm，密度200～300 kg/m3時(shí)，小麥籽粒和雜質(zhì)的清選效果都較好。

5 總結(jié)

通過(guò)聯(lián)合收割機(jī)的旋風(fēng)清選裝置可以清選小麥、稻谷和油菜。對(duì)于小麥，入口速度為4 m/s，排雜口壓力為-2 000 Pa時(shí)，籽粒捕捉率和雜質(zhì)逃逸率都為100%，小麥清選效果最好；對(duì)于稻谷，入口速度為4 m/s，排雜口壓力為-2 400 Pa時(shí)，籽粒捕捉率和雜質(zhì)逃逸率都為100%，稻谷清選效果最好；對(duì)于油菜，入口速度為4 m/s排雜口壓力為-1 000 Pa時(shí)，籽粒捕捉率和雜質(zhì)逃逸率都為100%，油菜清選效果最好。

對(duì)于雜質(zhì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，小麥雜質(zhì)直徑取為2～4 mm，密度取為200～350 kg/m3，觀察清選效率的變化情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)小麥雜質(zhì)直徑為2～3 mm，密度為200～300 kg/m3時(shí)，小麥清選效果較好。

籽粒捕捉率和雜質(zhì)逃逸率的變化情況和顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)都可為進(jìn)一步的優(yōu)化提供指導(dǎo)。

[1]李舟.小型聯(lián)合收割機(jī)清選裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)沙：中南林業(yè)科技大學(xué)，2016.

[2]胡小欽.貫流式谷物清選裝置設(shè)計(jì)及性能試驗(yàn)研究[D].杭州：浙江理工大學(xué)，2013.

[3]唐倩雯，尹健.谷物氣流清選系統(tǒng)的仿真研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，51（09）：1890-1894.

[4]郭麗紅.小區(qū)小麥聯(lián)合收割機(jī)氣流清選裝置研究[D].成都：西華大學(xué)，2014.

[5]Yakhot V，Orszag S A.Renormalization group analysis of tur bulence.I.Basic theory[J].Journal of Scientific Computing，1986，1（1）：3-51.

[6]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[7]汪林.旋風(fēng)分離器氣固兩相流數(shù)值模擬及性能分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

[8]李強(qiáng).旋風(fēng)除塵器優(yōu)化設(shè)計(jì)及分離特性研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2008.

Gas-solid Two Phase Flow Simulation of Cyclone Separator for Combine Harvester Based on Fluent

JU Yi－fu，SHI Wei－chen
（Shanghai Maritime University，School of Logistics Engineering，Shanghai 201306，China）

This paper mainly designs and researches the separator cylinder which can be used in cleaning wheat，rice，and rape.The fluent turbulence model is RNG k-ε.The DPM model is used for the analysis.The numerical simulation has come to the conclusion.When the inlet velocity is 4m/s and the outlet pressure is-2 000 Pa，the cleaning effect of wheat is good;when the inlet velocity is 4m/s and the outlet pressure is-2 400 Pa，the cleaning effect of rice is good;when the inlet velocity is 4m/s and the outlet pressure is-1 000 Pa，the cleaning effect of rape is good.Finally，change the diameter and density of impurities.When the diameter is 2~3 mm and the density is 200~350 kg/m3，the cleaning effect of grain and impurities is good.

airflow cleaning；cyclone separator；fluent；gas-solid coupling

S225.3

A

1672-545X（2017）06-0155-03

2017-03-05

作者介紹：鞠易甫（1992－），男，遼寧大連人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械動(dòng)態(tài)性能分析；施偉辰（1960-），男，陜西西安人，教授，博士，研究方向?yàn)樾滦凸腆w材料守恒律。