黃 崢，孫芳媛，黃世醒，楊丹彤

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642)

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基于Fluent的甘蔗收割機(jī)排雜裝置氣流場的模擬

黃 崢，孫芳媛，黃世醒，楊丹彤

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642)

采用商用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件Fluent，對華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的HN4GDL-91型切段式甘蔗收割機(jī)排雜裝置內(nèi)部流場進(jìn)行模擬。利用Pro/E建立三維實(shí)體模型，Gambit軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，在TECPLOT中完成分析。根據(jù)實(shí)際條件需要設(shè)置邊界條件，對排雜裝置在不同轉(zhuǎn)速下的速度場和壓力場進(jìn)行模擬，并對比模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為甘蔗聯(lián)合收割機(jī)排雜裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以及提高排雜裝置效率提供參考。

排雜裝置；Fluent；數(shù)值模擬；切段式甘蔗收割機(jī)

0 引言

風(fēng)機(jī)按氣體流動(dòng)方向的不同，可以分為以下幾種：離心式、軸流式、貫流式及橫流式等類型。風(fēng)機(jī)技術(shù)在農(nóng)作物收獲機(jī)械技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用，如糧食加工中的除塵、割前脫聯(lián)合收割機(jī)、農(nóng)業(yè)環(huán)境控制、噴霧機(jī)，以及谷物復(fù)脫分離和清選等等[1]。

排雜裝置是切段式甘蔗聯(lián)合收割機(jī)的重要部件，目前，國內(nèi)外現(xiàn)有的切段式甘蔗收割機(jī)排雜裝置，大多采用軸流風(fēng)機(jī)排雜。即在甘蔗物料通道出口的上部設(shè)置一風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)是轉(zhuǎn)軸垂直地面、氣流流向向上的軸流風(fēng)機(jī)。工作時(shí)，甘蔗物料(主要包括被切成段的蔗段和碎葉)被從輸送通道出口拋出，進(jìn)入軸流風(fēng)機(jī)葉輪下方風(fēng)機(jī)入口行程的負(fù)壓場，甘蔗物料中蔗葉等密度較小、受風(fēng)面較大的雜質(zhì)隨氣流進(jìn)入風(fēng)機(jī)通道，通過軸流風(fēng)機(jī)通道向上，最終排出排雜裝置[2]；密度較大、受風(fēng)面積較小的蔗段則在重力作用下落入升運(yùn)斗。雖然軸流風(fēng)機(jī)具有流量大、風(fēng)壓小的特點(diǎn)，但為了能夠讓負(fù)壓場覆蓋整個(gè)輸送通道出口，一般風(fēng)機(jī)葉片直徑都會(huì)比較大。當(dāng)前，對于大直徑、厚葉片、高轉(zhuǎn)速的軸流風(fēng)機(jī)形成的負(fù)壓氣流場的分析比較少。而且，國內(nèi)外對于甘蔗聯(lián)合收割機(jī)排雜裝置的研究主要集中在現(xiàn)有裝置性能研究及同收割機(jī)的匹配關(guān)系、從結(jié)構(gòu)上優(yōu)化排雜裝置并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以達(dá)到最優(yōu)的排雜效果[3-6]等方面，同樣嘗試采用新方式排雜[1]。

利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行模擬已經(jīng)逐漸成為了解流體在流體機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)狀況的一個(gè)重要手段。通過這種方式可以充分認(rèn)識流體機(jī)械內(nèi)流體的流動(dòng)規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上，依據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而減少實(shí)驗(yàn)研究的工作，縮短研究周期。本文采用ANSYS 12.1中的Fluent模塊，對華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的切段式甘蔗聯(lián)合收割機(jī)排雜裝置在不同工況下流場進(jìn)行了模擬和分析，為排雜裝置的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

1 計(jì)算模型

1.1 模型結(jié)構(gòu)

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的HN4GDL-91切段式甘蔗收割機(jī)的排雜裝置由集流室、扇葉室、扇葉、出流室和傳動(dòng)軸組成，如圖1所示。排雜裝置內(nèi)部采用3葉片式扇葉，扇葉直徑為700mm，額定轉(zhuǎn)速為2 000r/min。集流室內(nèi)部裝有3塊導(dǎo)流板，采用內(nèi)凹型設(shè)計(jì)，目的是為了縮小集流室氣流入口，提升氣壓。

為方便對模擬后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在Gambit建模中，將絕對坐標(biāo)系和相對坐標(biāo)系置于同一點(diǎn)，坐標(biāo)原點(diǎn)位于下端進(jìn)氣口平面上，為扇葉轉(zhuǎn)軸的中心線與進(jìn)氣平面的交點(diǎn)；X軸正向?yàn)闅饬髁鬟M(jìn)方向，與扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)中心線共線；Z軸正向?yàn)閳D1所示垂直圖片向外，Y軸正向?yàn)闅饬鞒隹诜较騕7]，坐標(biāo)系具體位置如圖1所示。

氣流及甘蔗物料在排雜裝置內(nèi)的運(yùn)動(dòng)示意圖如圖2所示。集流室內(nèi)軌跡表示甘蔗物料運(yùn)動(dòng)，穿過集流室、扇葉室、出流室的軌跡線表示氣流運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖1 排雜裝置

圖2 氣流和甘蔗物料軌跡示意圖

1.2 網(wǎng)格劃分

在Gambit中對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。該排雜裝置的出口和入口比較復(fù)雜，不在同一個(gè)平面上。為了在模擬仿真時(shí)盡可能地接近實(shí)際情況,方便設(shè)置出入口條件，同時(shí)在出入口延伸出圓柱型流體域，圓柱體截面積要比出入口面積大的多[8]。

由于要對整個(gè)排雜裝置通道進(jìn)行模擬計(jì)算，所以網(wǎng)格劃分采用三維非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，能夠很好地適應(yīng)排雜裝置的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并對細(xì)節(jié)處進(jìn)行網(wǎng)格加密處理[9]。最終整體網(wǎng)格圖如圖3所示。共生成約156萬個(gè)四面體網(wǎng)格，經(jīng)過CFD模擬數(shù)據(jù)分析，網(wǎng)格數(shù)目和質(zhì)量符合檢測要求。

圖3 計(jì)算模型整體網(wǎng)格圖

1.3 計(jì)算模型的選取

本排雜裝置的模型包含旋轉(zhuǎn)的動(dòng)邊界和靜止的靜邊界，根據(jù)實(shí)際需要，將整個(gè)計(jì)算區(qū)域劃分為5個(gè)區(qū)域:集流室、扇葉室、出流室和兩個(gè)延伸流體域。旋轉(zhuǎn)扇葉和排雜裝置壁面之間的耦合采用了多參考系模型—Multiple Reference Frame,簡稱MRF。MRF模型的基本思想是把風(fēng)道內(nèi)流場簡化為扇葉在某一位置的瞬時(shí)流場，將非定常問題用定常方法計(jì)算[10]。

1.4 邊界條件和計(jì)算方法

邊界條件和初始條件是控制方程有確定解的前提。設(shè)置氣流入口：本文采用壓強(qiáng)入口邊界條件，定義表總壓和靜壓都為0Pa。氣流出口：采用壓強(qiáng)出口邊界條件，定義出口壓力為0Pa，沒有附加的壓力。排雜裝置及延伸流體域的內(nèi)壁、傳動(dòng)軸壁面及葉片都采用壁面邊界條件。整個(gè)流體域分成5塊，流體域公共面設(shè)為interior。氣流為不可壓縮、穩(wěn)定氣流。計(jì)算設(shè)置操作壓強(qiáng)(operating pressure)為101 325Pa，忽略重力對流場的影響。

根據(jù)判斷流動(dòng)為湍流的標(biāo)準(zhǔn)，對于內(nèi)流而言，當(dāng)Red>2 300 時(shí)，則流動(dòng)一定為湍流[11]。所以，該氣流場流動(dòng)為湍流。目前，沒有普遍使用的湍流模型，常用的湍流模型包括零方程模型、一方程(Spalart-Allmaras)模型、兩方程模型(標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型、Realizek-ε模型)，雷諾應(yīng)力模型和大渦模擬模型。本文采用Realizek-ε模型。

2 排雜裝置內(nèi)部流場特性分析

利用TECPLOT軟件對Fluent針對轉(zhuǎn)速為960r/min模擬仿真后排雜裝置內(nèi)部流場的壓強(qiáng)和速度矢量分布情況進(jìn)行分析。

2.1 壓強(qiáng)分析

本文將依據(jù)模擬仿真得到的數(shù)據(jù)分別對集流室和出流室壓強(qiáng)進(jìn)行闡述，以解析排雜裝置內(nèi)部的壓強(qiáng)場分布情況。為更清晰的顯示，本文壓強(qiáng)圖顯示的均是相對模擬使用的操作壓強(qiáng)(101 325Pa)的壓強(qiáng)數(shù)值。

2.1.1 集流室壓強(qiáng)分析

圖4中(a)、(b)、(c)3個(gè)圖分別為集流室在Z=0mm截面處的靜壓、動(dòng)壓和全壓梯度云圖。從圖4中可以看出：壓強(qiáng)分布比較均勻，層次分明：圖4(a)中越靠近扇葉靜壓越低，即扇葉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的吸力越大，在靠近壁面，葉片下端區(qū)域靜壓明顯低于其他區(qū)域；但由于左側(cè)導(dǎo)流板的存在，右側(cè)的靜壓明顯要低于左側(cè)的靜壓。圖4(b)中越靠近扇葉動(dòng)壓越大，即切向風(fēng)速也越大；但在左側(cè)導(dǎo)流板上下都存在低壓區(qū)。圖4(c)在集流室中心區(qū)域相對全壓都維持在-25～0Pa之間，分布均勻。

(a) 集流室 Z=0 mm靜壓

(b) 集流室Z=0mm動(dòng)壓

(c) 集流室Z=0mm全壓圖4 集流室靜壓、動(dòng)壓和全壓梯度云圖

2.1.2 出流室壓強(qiáng)分析

圖5中(a)、(b)、(c)3個(gè)圖分別是出流室在Y=0mm截面處的靜壓、動(dòng)壓和全壓梯度云圖。由圖5(a)可知：出流室沿出口方向壓強(qiáng)降低，在出口下端壓強(qiáng)較低。在圖5(b)圖中，出口方向中間區(qū)域的動(dòng)壓較大，即風(fēng)速較高，就整個(gè)圖的而言，動(dòng)壓分布很不均勻。

圖6是集流室在X=1 000mm截面處的動(dòng)壓梯度云圖。圖6中的中心圓孔為傳動(dòng)軸的徑向截面，氣流的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閺挠业阶蟆Ｓ蓤D6可知：在傳動(dòng)軸后方形成明顯的低壓區(qū)；從動(dòng)壓圖來看，壓強(qiáng)并沒有以Y=0mm平面對稱，上側(cè)壁面壓力要高于下側(cè)壁面。即排雜裝置工作時(shí)，蔗葉和雜質(zhì)會(huì)沿著上側(cè)壁面飛出，與實(shí)際情況相符。結(jié)合圖5來看，出流室內(nèi)壓強(qiáng)分布不均勻，究其原因是出流室結(jié)構(gòu)不合理，造成氣流紊亂。

(a) 出流室Z=0mm靜壓

(b) 出流室Z=0mm動(dòng)壓

(c) 出流室Z=0mm全壓圖5 出流室靜壓、動(dòng)壓和全壓梯度云圖

圖6 出流室X=1000mm動(dòng)壓梯度圖

2.2 速度分析

由圖7風(fēng)機(jī)在Z=0mm處的速度矢量圖可知：在集流室的主要區(qū)域內(nèi)，氣流都呈現(xiàn)很好的一致性，導(dǎo)流板內(nèi)凹型的設(shè)計(jì)并在沒有在氣流入口處產(chǎn)生漩渦，但在導(dǎo)流板上側(cè)存在漩渦。在入口右側(cè)同樣存在渦流，形成原因?yàn)闅饬鞣较蚺c壁面的夾角導(dǎo)致。氣流進(jìn)入扇葉，在扇葉中心軸后方都產(chǎn)生了不同強(qiáng)度的漩渦，該部分渦流產(chǎn)生的原因即為輪轂的結(jié)構(gòu)和大小，氣流在遭遇壁面后也是渦流形成的原因之一。同樣。相對于集流室，出流室氣流分布沒有那么均勻，在出流室中沿出口方向中心區(qū)域風(fēng)速大，且風(fēng)向呈向下趨勢，這與圖5(b)顯示的壓強(qiáng)相一致。而且，在出流室出口處上部氣流矢量跟下部氣流矢量方向是相交的。

圖7 風(fēng)機(jī)Z=0mm速度矢量圖

2.3 模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

利用Fluent對扇葉在5個(gè)轉(zhuǎn)速(600、800、960、1 440、1 530r/min)條件下分別進(jìn)行模擬。當(dāng)轉(zhuǎn)速不同時(shí)，排雜裝置入口的流量不同，并對比華南農(nóng)業(yè)大學(xué)李躍金的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[12]，其值如圖8所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真模擬數(shù)據(jù)基本吻合，出現(xiàn)了仿真數(shù)據(jù)略高于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況，原因是模擬仿真是在完全一致環(huán)境條件下進(jìn)行的，而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)受到實(shí)驗(yàn)條件的制約和影響?？梢哉J(rèn)為，本文對排雜裝置的模擬是適宜的，所選取的邊界條件和計(jì)算方法是合適的。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下排雜裝置入口的流量

2.4 改進(jìn)排雜裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

從圖5出流室壓強(qiáng)分布狀況以及圖7的速度矢量狀況可知：出流室風(fēng)速比扇葉室風(fēng)速要低，風(fēng)速矢量分布的密度也明顯要比其他區(qū)域低，而且分布不均勻，各壓強(qiáng)的分布也不均勻。結(jié)合在甘蔗收割機(jī)的田間試驗(yàn)中，出現(xiàn)隨氣流進(jìn)入到出流室的甘蔗雜質(zhì)又重新回到料斗中的狀況。因此，對排雜裝置在機(jī)械結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，在擴(kuò)大出流室容積的同時(shí)縮小出口。同時(shí)，對改進(jìn)后的排雜裝置在轉(zhuǎn)速960r/min下進(jìn)行模擬，得到出流室在Z=0mm處速度矢量圖以及全壓云圖，如圖9所示。

(a) 改進(jìn)后出流室Z=0mm速度矢量圖

(b) 改進(jìn)后出流室Z=0mm全壓云圖圖9 矢量圖以及全壓云圖

對比圖7和圖9(a)可知：出流室氣流速度分布更均勻，而且風(fēng)速增大，但在傳動(dòng)軸左端還是出現(xiàn)漩渦；但從氣流矢量軌跡來看，結(jié)構(gòu)更加合理。對比圖5(c)和圖9(b)，出流室出口全壓升高，全壓的分布也更加均勻。因此，可以說對排雜裝置的改進(jìn)是有效的，這種布局是更加合理的。

3 結(jié)論

1)運(yùn)用Fluent軟件的MRF模型，實(shí)現(xiàn)了甘蔗收割機(jī)排雜清選裝置內(nèi)部氣流場的數(shù)字化模擬和可視化；通過模擬得到了排雜裝置內(nèi)部氣流場的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、速度矢量分布和壓強(qiáng)分布。

2)利用Fluent軟件對切段式甘蔗收割機(jī)排雜裝置內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬，基于N-S方程和Realizek-ε湍流模型，并使用SIMPLEC算法。通過模擬得到的5種不同轉(zhuǎn)速下排雜裝置入口的流量，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合，驗(yàn)證了上述模擬方法是可行的。

3)通過對甘蔗收割機(jī)排雜裝置內(nèi)部氣流場仿真的觀測和分析，發(fā)現(xiàn)了氣流場分布不均勻的位置和原因，對裝置通道進(jìn)行了改進(jìn)，并對改進(jìn)后的排雜裝置進(jìn)行模擬仿真。對比改進(jìn)前排雜裝置氣流場，改進(jìn)后裝置有效地改善了排雜裝置內(nèi)部流場的速度矢量和壓力分布。

[1] 解福祥,區(qū)穎剛,劉慶庭,等.甘蔗收獲機(jī)排雜風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2012(S1):8-14.

[2] 周勇,區(qū)穎剛,彭康益,等.4GZ-56型履帶式甘蔗聯(lián)合收機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010(4):75-78.

[3] Inderbitzin, M,Beattie, R.Improving the harvestingand transport of whole crop harvested sugar cane[J].Proceedings of the Australian Society of SugarCane Technologists(CD-ROM),2012,34:11.

[4] Viator RP Viator R P,Richard EP Richard E P,Viator BJ Viator B J , et al.Sugarcane chopper harvester extractor fan and ground speed effects on yield and quality[J].Applied in Agriculture,2007,23(1):31-34.

[5] 張華,林兆里,羅俊,等.不同甘蔗品種的機(jī)械化收獲損失研究[J].熱帶作物學(xué)報(bào),2012(9):1590-1592.

[6] 區(qū)穎剛,彭釗,楊丹彤,等.我國甘蔗生產(chǎn)機(jī)械化的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[C]//中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)2009年學(xué)術(shù)年會(huì),太谷：中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì),2009.

[7] 田貴昌,李寶寬,陳中才.離心通風(fēng)機(jī)內(nèi)部壓力場和流場分析[J]. 風(fēng)機(jī)技術(shù),2007(6):18-23.

[8] Asia Vital Components Co. Ltd. Mar. Fluent_軟件對風(fēng)扇的模擬分析[EB/OL].[2016-01-30].http://wenku.baidu.com/view/7612dd1dc281e53a5802ff41.html.

[9] 伍晨.地鐵用軸流風(fēng)機(jī)的CFD模擬[D].天津:天津大學(xué), 2007.

[10] 田鋮,張歡,由世俊,等.利用FLUENT軟件模擬地鐵專用流風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場(一)—對稱翼葉片軸流風(fēng)機(jī)[J].流體機(jī)械,2003(11):13-15.

[11] 李鵬飛,徐敏義,王飛飛.精通CFD—工程仿真與案例實(shí)戰(zhàn)[M].北京;人民郵電出版社,2014：122-123.

[12] 李躍金.切段式甘蔗收割機(jī)輸送排雜裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[D].廣州:華南農(nóng)業(yè)大學(xué),2013.

Fluent Simulation of Inner-Flow-Field of Axial-excluder Devices for Sugarcane Harvester

Huang Zheng, Sun Fangyuan, Huang Shixing, Yang Dantong

(Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment，Ministry of Education，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China)

This artical Uses the commercial computational fluid dynamics (CFD) software Fluent to simulate the inner-flow-field excluder devices of the HN4GDL-91 sugarcane harvester which was invented by The South China Agricultural University.The 3-D solid model is first established in the Pro/E;Then meshing the model in the Gambit software;The Fluent software then compute the numerical simulation;Finally,with professional post-processing software Tecplot to had the result analyzed.The parameters are set by actual condition.The inner-flow-field simulations are done under different rotational speed.And the comparation between simulation data and the experimental data is done.This invastigation hope to guide the design and optimization of the axial-excluder devices used in sugarcane harvester, and improve the efficiency.

axial-excluder devices; Fluent; numerical simulation; cut type sugarcane harvester

2016-02-25

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201003009)；“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計(jì)劃課題(2011BAD20B05)；國家國際科技合作項(xiàng)目(2011DFB70350)；國家甘蔗產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目(CARS-20-4-1)

黃 崢(1988-),男,湖南邵東人，碩士研究生,(E-mail) hzaijs@ 126.com。

楊丹彤(1970-),男,廣州人,副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail) yangdt@scau.edu.cn。

S225.5+3

A

1003-188X(2017)03-0032-05