張姚斌,王春耀,劉夢霞,羅建清
(新疆大學 機械工程學院,烏魯木齊 830047)
地膜覆蓋技術可以提高地溫,加快根系生長,適合微生物的增殖,使無機鹽的轉化速度大大提高,使農作物產(chǎn)量提高,具有諸多優(yōu)勢,因此廣泛被農業(yè)生產(chǎn)者使用[1-3]。然而,地膜技術的應用為農業(yè)生產(chǎn)帶來巨大經(jīng)濟效益的同時也產(chǎn)生了很大的負作用,即殘留的地膜破壞土壤結構,影響耕地質量與透氣性,不同程度地抑制了農作物的生長發(fā)育,造成減產(chǎn)。殘留地膜降低了土壤微生物的活性,阻礙了土壤礦化釋放及肥力提高,所以對地膜的回收和分離迫在眉睫[4]。本文采用了數(shù)值模擬的研究方法,對不同工況下的膜稈分離裝置進行模擬仿真,分析腔體內流場的壓力及速度分布,從而為膜稈分離裝置選擇了合適的風選參數(shù)范圍。
膜稈分離裝置的基本原理是根據(jù)不同密度的物料所具有的懸浮速度差來進行分離。質量較大、密度較大、懸浮速度較大的粗細棉稈在自身重力作用下依次下落,而密度小、質量輕、懸浮速度較小的地膜隨著水平向前的氣流輸送到較遠的物料出口,從而地膜與粗細棉稈進行了分離,其風選原理如圖1所示。本文采用懸浮實驗臺測量膜雜的懸浮速度,得到粗棉稈的懸浮速度為8~10m/s,細棉稈的懸浮速度為6~8m/s,地膜的懸浮速度為2m/s。由此可見,地膜與棉稈的懸浮速度相差較大,因此利用其懸浮速度差分離出地膜[5-7]。其懸浮試驗臺如圖2所示。
圖1 膜稈分離裝置氣流分選原理示意圖
圖2 懸浮試驗臺
本文通過改變送風速度、送風角度和進料口的位置來分析其流場內部的速度和壓力分布,找到一種較佳的風選參數(shù)范圍。
流體在腔體內的流動為湍流流動[8-9],膜稈分離裝置內部流場遵守質量守恒定律及牛頓第二定律,定義腔體內部的流場是不可壓縮流場,湍流流動采用k-ε模型,在直角坐標條件下的各個控制方程如下:
1)質量守恒方程為
(1)
對于不可壓縮的流體,密度ρ設定為常數(shù),那么式(1)可化簡為
(2)
2)動量守恒方程(即N-S方程)為
(4)
(5)
3)k-ε湍流方程為
模型中的常數(shù)按照文獻[10]選取C1ε=1.44,C2ε=1.92,σk=1.0,σε=1.3,建立完整的數(shù)學模型,進一步進行數(shù)值模擬分析。
1.3.1 網(wǎng)格劃分
對膜稈分離裝置風選流場進行數(shù)值模擬研究,求解的幾何區(qū)域為膜稈分離裝置的幾何空間體。筒體的前側面設置有進料口和送風口,筒體的后側面和筒體上的孔洞設置為出風口,采用UG建模其簡化圖如圖3所示。模型的尺寸參數(shù)設置如下:
滾筒直徑/mm: 1 200
滾筒長度/mm:4 000
送風口尺寸/mm:600×150
進料口尺寸/mm:400×200
膜稈分離裝置幾何模型的網(wǎng)格劃分類型采用適用性很好的Tgrid混合網(wǎng)格。Sizing的設置中,Relevance Center設置為Fine,Interval size Seed 設置為 Active Assembly,Smoothing 設置為Medium ,Transition 設置為Slow ,Span Angle Center設置為Fine ,共劃分了 15 890個節(jié)點、79 622 個單元、164 291個面。劃分后的網(wǎng)格如圖4所示。
圖3 膜桿分離裝置簡化圖
圖4 場地膜稈分離裝置的網(wǎng)格劃分
1.3.2 邊界條件
根據(jù)地膜分離裝置腔體的特點,設置送風口為Velocity-inlet,送風速度為10m/s,出風口為Outflow,F(xiàn)low Rate Weighting為 1;物料是連續(xù)送入模型,忽略氣流的散失,因此進料口設置為Wall;其余壁面的邊界條件設置為Wall。
運用ANSYS的Fluent模塊對膜稈分離裝置進行流場分析,得到整個內部的壓力和速度分布。圖5的橫坐標代表腔體的長度,單位為mm;縱坐標代表流場壓力,單位為Pa。圖6的橫坐標代表腔體的長度,單位為mm;縱坐標代表流場速度,單位為m/s。
分析圖5和圖6可以看出:模型內部的壓力先減小然后逐漸增大,在送風口下端及模型前端頂部存在低壓區(qū),且壓力值變化較大;在模型長度X<0.25m范圍內,壓力值減小,最小壓力為2.12Pa;在模型長度X>0.25m范圍內,壓力值逐漸增大,最大值為15.30Pa。流場壓力在模型后端逐漸穩(wěn)定,利于膜雜分離。即模型內部的壓力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,且壓力值在模型后端變化不大;腔體內的流體速度逐漸減小,且流體的速度在腔體的前半部分分布不均勻,各點的速度比較分散,不夠密集,在后半部分速度分布較為均勻。在X>350mm范圍內,速度基本保持在2m/s以下。
圖5 流場的壓力分布
圖6 流場的速度分布
初始設備的送風速度為10m/s,不足以合理地分離粗細棉稈和地膜,因此增加送風速度為12、14、16、18、20m/s,分析送風速度的改變對膜稈分離裝置內部流場和風選效率的影響。在膜稈分離裝置的腔體水平方向上每隔100mm選出一個截面,共計選出40個截面,計算得到每個截面的壓力及速度平均值,并繪制曲線。分析送風速度的改變對腔體內部流場的壓力和速度分布的影響。圖7為當送風速度改變時流場內部壓力沿著腔體的改變,圖8為當送風速度改變時流體速度沿著腔體的改變。
圖7 送風速度改變壓力的模擬分析
圖8 送風速度改變速度的模擬分析
分析圖7可知:隨著送風速度的增加,模型內部流場壓力均值變大;送風速度大于14m/s時,流場壓力均值明顯增加;送風速度大于18m/s,流場壓力均值過大,且隨著模型水平方向一直增加,其壓力不穩(wěn)定,不利于地膜的分離。
綜上所述,當送風速度為14~16m/s時,模型內部流場壓力穩(wěn)定增加,且流場壓力變化平緩,是較為適宜的風選速度。
分析圖8可知:初始設備中,模型內部流場速度過小,模型內部基本無大于8m/s的區(qū)域;流場速度6m/s 綜上所述,送風速度為16m/s較為合理。 初始設備模型的送風方向為水平送風(即無偏角度送風),通過改變送風上偏角度,將送風角度分別設置為送風角度上偏5°、10°、15°、20°,分析送風角度的改變對流場的影響。取截面方法與前面相同,計算得到的每個截面的壓力及速度平均值,并繪制曲線,分析送風角度改變時對流場的壓力和速度分布的影響。圖9為當送風角度改變時流場壓力沿著腔體長度的改變,圖10為當送風角度改變時流體速度沿著腔體長度的改變。 圖9 送風角度改變壓力的模擬分析 圖10 送風角度改變速度的模擬分析 分析圖9可知:初始模型內各個截面的壓力均值為正壓;當送風角度上偏時,模腔體內部出現(xiàn)負壓區(qū),且隨著送風角度的增加,負壓值增大,負壓區(qū)范圍增大;送風角度為上偏5°時,負壓區(qū)范圍占整個模型的80%;當送風角度大于5°,模型內的流場壓力均值為負值;送風口上偏15°時,流場負壓值較其他工況條件為最大,最大負壓為-25Pa;送風角度為20°時,模型內部的壓力均值減小。 分析圖10可知:隨著送風上偏角度的變大,腔體內部的流體速度最大值變大;當送風角度上偏5°時,流場速度6m/s 綜上所述,當送風角度為5°時,流場壓力分布及速度分布較優(yōu)。 設置模型的初始進料口位置為距離模型中心為400mm的位置,通過改變進料口的位置,即進料口上移30mm、進料口上移50mm、進料口下移40mm、進料口下移60mm,分析膜稈分離裝置內部流場和風選效率的影響。取點方式不變,計算得到每個截面的壓力及速度平均值,并繪制曲線,分析進料口位置的不同對流場的壓力和速度分布的影響。圖11為當進料口位置改變時流場壓力沿著腔體的改變,圖12為當進料口位置改變時流體速度沿著腔體的改變。 圖11 進料口位置改變壓力的模擬分析 圖12 進料口位置改變速度的模擬分析 分析圖11可知:進料口位置上移30mm時,流場內壓力從負壓區(qū)過渡到正壓區(qū),負壓區(qū)范圍較其他進料口位置為最大,約占整個模型的42.5%;進料口位置繼續(xù)上移50mm時,流場壓力從負壓區(qū)過渡到正壓區(qū),負壓區(qū)范圍占整個模型的40%,負壓值減小,進入正壓區(qū)后,壓力變大;隨著進料口位置的上移,負壓區(qū)范圍減小且負壓值變小;進料口位置下移40mm時和進料口位置繼續(xù)下移60mm時,其腔體內部的正壓區(qū)壓力值小于初始模型的壓力值。 分析圖12可知:進料口位置上移30mm時,流體速度波動性很大,且流場速度V>6m/s的范圍很小; 進料口位置上移50mm時,流場速度波動性大,流場不穩(wěn)定,其流場速度V>6m/s的范圍變化不大,流場速度2m/s 綜上所述,當進料口位置下移60mm(進料口中心位置距離模型中心位置為340mm)時,為相對合理的進料口位置。 1)分析不同送風速度對膜稈分離裝置內部流場和風選效率的影響,結果證明:送風速度為16m/s時為適宜風選膜雜的條件。 2)分析不同送風角度對膜稈分離裝置內部流場和風選效率的影響,結果表明:送風角度上偏5°時,其風選效率較好。 3)分析不同進料口位置對膜稈分離裝置內部流場和風選效率的影響,結果表明:當進料口中心位置距離模型中心位置為340mm時為合理的進料口位置。2.3 送風角度改變的模擬分析
2.4 進料口位置改變的模擬分析
3 結論