摘要：二次流動(dòng)是工程實(shí)際中普遍存在的物理現(xiàn)象，是一種相對(duì)于主流的次要流動(dòng)。為研究集沙儀內(nèi)二次流對(duì)氣流速度、不同粒徑的沙塵粒子的影響規(guī)律，利用數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，以分流對(duì)沖與多級(jí)擴(kuò)容式集沙儀的風(fēng)沙分離器為研究對(duì)象，對(duì)二次流被削弱前后的流場特性進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：在二次流被削弱前，粒徑大于0.083mm的沙塵被完全收集，粒徑小于0.083 mm的沙塵被大部分收集；在二次流被削弱后，高速氣流分布范圍更大，流場似乎變得不穩(wěn)定，排氣管內(nèi)氣流速度明顯增高，粒徑大于0.12 mm的沙塵才被完全收集，沙塵被完全收集的范圍明顯縮小。

關(guān)鍵詞：集沙儀；二次流；數(shù)值模擬；風(fēng)沙分離器

中圖分類號(hào)：S15； P414.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 05-0253-05

收稿日期：2022年8月22日" 修回日期：2023年2月20日*基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（ZR2021QE217）；山東省科技型中小企業(yè)創(chuàng)新能力提升工程項(xiàng)目（2023TSGC0678）；泰安市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2021NS087）

第一作者：宋濤，男，1979年生，山東泰安人，博士，副教授；研究方向?yàn)橥寥里L(fēng)蝕粒子收集方法及機(jī)制。E-mail： stsong925@163.com

通訊作者：劉洪豪，男，1992年生，濟(jì)南人，博士，講師；研究方向?yàn)閿?shù)字圖像處理等。E-mail： mobeikehan@126.com

Analysis of influence of secondary flow in sand sampler on the collecting range of sand

Song Tao， Xie Xuehu， Zhang Liang， Liu Honghao， Ni Yuquan

（College of Mechanical Engineering， Taishan University， Tai’an， 271000， China）

Abstract：

Secondary flow is a common physical phenomenon in engineering practice， which is a secondary flow relative to the mainstream. In order to study the influence of secondary flow on airflow velocity and different particle sizes of sand particles in a sand sampler， this paper uses a combination of numerical simulation and experimental verification to analyze the flow field characteristics before and after secondary flow is weakened， taking the wind-sand separator of the shunt-hedging and multi-stage expansion sand sampler as the research object. The research results indicate that before secondary flow is weakened， sand with a particle size greater than 0.083 mm are completely collected， while sand with a particle size less than 0.083 mm are mostly collected. After secondary flow is weakened， the distribution range of high-speed airflow becomes larger， and the flow field seems to become unstable. The airflow velocity inside the exhaust pipe significantly increases， and only sand with a particle size greater than 0.12 mm are completely collected， and the range of sand being completely collected is significantly reduced.

Keywords：

sand sampler; secondary flow; numerical simulation; the wind-sand separator

0 引言

土壤風(fēng)蝕是影響干旱、半干旱地區(qū)土地退化的主要因素之一［1］。開展土壤風(fēng)蝕研究必須借助于先進(jìn)的研究手段與方法，以獲得大量而精確的風(fēng)蝕數(shù)據(jù)［2］。集沙儀能夠采集土壤風(fēng)蝕過程中隨風(fēng)搬運(yùn)的可蝕性顆粒，是獲取土壤風(fēng)蝕數(shù)據(jù)的關(guān)鍵儀器，對(duì)研究風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的物理機(jī)制，揭示土壤風(fēng)蝕的發(fā)生、發(fā)展和演化規(guī)律，有效防治土壤風(fēng)蝕具有十分重要的作用［3-5］。

二次流動(dòng)是工程實(shí)際中普遍存在的物理現(xiàn)象，是由主流引起的伴隨流動(dòng)，也遵循著物理學(xué)普遍定律。二次流是流動(dòng)損失的一個(gè)重要組成部分，會(huì)引起壓力損失而降低流動(dòng)效率［6］。二次流和主流相比，雖然量級(jí)較小，但其對(duì)氣流流動(dòng)的影響卻不可忽略，它不僅可以加速微細(xì)顆粒的沉降，而且也能夠增加流動(dòng)的穩(wěn)定性［7-9］。2002年，湛含輝等［10］從理論上論證了二次流的流場特性，指出二次流存在于有離心力場的流體運(yùn)動(dòng)中。2005年，劉建文等［11］研究認(rèn)為二次流技術(shù)在增加熱傳遞與傳質(zhì)、提高膜過濾滲透通量和減少濃差極化與膜污染阻塞等方面是成功的。2013年，王丹［12］在定量描述二次流強(qiáng)度參數(shù)的基礎(chǔ)上建立了二次流強(qiáng)度和強(qiáng)化傳熱程度之間的定量關(guān)系。2020年，郭安寧［13］研究了扭轉(zhuǎn)通道內(nèi)二次流強(qiáng)化傳熱機(jī)理，認(rèn)為二次流可以增大速度和速度梯度對(duì)熱通量的傳輸。2021年，蘇梅［14］研究了形狀阻力與二次流強(qiáng)度之間存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系，認(rèn)為扁管通道內(nèi)的形狀阻力可以由二次流強(qiáng)度確定。由此可見，集沙儀的內(nèi)部流場也會(huì)產(chǎn)生二次流。但是，現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)集沙儀內(nèi)二次流的研究卻鮮有報(bào)道。

基于此，本文以分流對(duì)沖與多級(jí)擴(kuò)容式集沙儀的關(guān)鍵部件——風(fēng)沙分離器為研究對(duì)象，分析風(fēng)沙分離器內(nèi)二次流對(duì)沙塵收集范圍的影響規(guī)律，探究提高集沙儀集沙效率的有效方法。

1 分流對(duì)沖與多級(jí)擴(kuò)容式集沙儀

分流對(duì)沖與多級(jí)擴(kuò)容式集沙儀由導(dǎo)向裝置、風(fēng)沙分離器、旋轉(zhuǎn)裝置、集沙盒、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)等組成，如圖1所示。其工作原理是：當(dāng)該集沙儀工作于風(fēng)蝕地域的試驗(yàn)場時(shí)，導(dǎo)向裝置在風(fēng)力作用下帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置發(fā)生旋轉(zhuǎn)，保證風(fēng)沙分離器的進(jìn)氣口正對(duì)風(fēng)向，風(fēng)沙流進(jìn)入風(fēng)沙分離器之后，在風(fēng)沙分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響下，風(fēng)沙流速度大幅度降低，風(fēng)沙開始分離，尾氣從風(fēng)沙分離器的排氣口排出，沙塵落入集沙盒，集沙盒下面的稱重傳感器獲取沙塵的質(zhì)量信號(hào)，并通過數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)傳送至工作站的計(jì)算機(jī)上［15， 16］。在整個(gè)工作中，風(fēng)沙分離器起到采集風(fēng)沙和分離風(fēng)沙的主要作用，所以風(fēng)沙分離器是分流對(duì)沖與多級(jí)擴(kuò)容式集沙儀的關(guān)鍵部件。

風(fēng)沙分離器是基于氣流的分流對(duì)沖降速與多級(jí)擴(kuò)容降速的組合原理設(shè)計(jì)，如圖2所示。

風(fēng)沙分離器設(shè)計(jì)了進(jìn)氣口、排氣口和排沙口。其中，排氣口起到排出尾氣的作用，但是當(dāng)排氣管內(nèi)尾氣的速度很高時(shí)，會(huì)攜帶一部分較小粒徑的沙塵從排氣口排出，集沙效率降低。因此，排氣管內(nèi)氣流應(yīng)具有較低的速度。

2 數(shù)值模擬

2.1 網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置

利用GAMBIT軟件建立風(fēng)沙分離器的三維模型，將進(jìn)氣管、分流對(duì)沖腔、擴(kuò)容腔和上回流腔合并為網(wǎng)格體1，考慮到網(wǎng)格體1的形狀不規(guī)則，可以采用先劃分面后劃分體的方法，網(wǎng)格體1劃分網(wǎng)格數(shù)為647 180個(gè)；將風(fēng)沙分離腔和下回流腔合并為網(wǎng)格體2，也采用先劃分面后劃分體的方法，網(wǎng)格體2劃分網(wǎng)格數(shù)為897 666個(gè)；將排氣管和分流器合并為網(wǎng)格體3，采用同樣的劃分方法，網(wǎng)格體3劃分網(wǎng)格數(shù)為391 273個(gè)。網(wǎng)格劃分完成后，再將進(jìn)氣口設(shè)置為速度入口（即velocity_inlet），排沙口和排氣口均設(shè)置為自由流出口（即outflow），排氣管的下端口和上回流腔的下端口均設(shè)置為流通交界面（即interface）。設(shè)置完成后，將風(fēng)沙分離器模型以msh格式導(dǎo)入ANSYS FLUENT軟件。考慮到風(fēng)沙分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易產(chǎn)生旋流，故計(jì)算模型采用RNG K-ω湍流模型。設(shè)置入口速度為13.8m/s（即強(qiáng)風(fēng)級(jí)別的最大風(fēng)速值），迭代計(jì)算500步，得出風(fēng)沙分離器內(nèi)氣流速度云圖（圖3）。

從圖3可知，氣流以速度8.26 m/s分為兩股，這兩股氣流在分流對(duì)沖腔中部降為7.08 m/s，在分流對(duì)沖腔后部降為2.36 m/s。當(dāng)氣流下行至分流對(duì)沖腔下方時(shí)，局部區(qū)域的氣流速度增至4.72 m/s，周圍是速度3.54m/s的氣流，并一直延伸至風(fēng)沙分離腔。排氣管內(nèi)氣流速度為2.36m/s。

2.2 二次流的影響分析

在距離排沙口z=157.5 mm、z=135 mm、z=130 mm、z=122.5 mm、z=110 mm和z=80 mm的高度上分別取6個(gè)水平截面的氣流速度云圖，如圖4所示。從圖4（a）、圖4（b）可知，氣流分為兩股后，氣流速度由8.26 m/s降至7.08 m/s，且以速度7.08 m/s往右下方延伸，呈現(xiàn)出往右下方偏移的現(xiàn)象。

從圖4（c）～圖4（f）可知，氣流下行至分流對(duì)沖腔下方時(shí)，在局部區(qū)域出現(xiàn)了速度4.72 m/s的高速氣流，并往右下方延伸至上回流腔，速度3.54 m/s的氣流分布在其周圍，分布范圍更廣，一直延伸至風(fēng)沙分離腔，也呈現(xiàn)出往右下方偏移的現(xiàn)象。二次流理論認(rèn)為，在流體流動(dòng)過程中，只要有使流體流動(dòng)產(chǎn)生偏離其主流方向的力（如離心力、重力、沖擊力等）或邊界條件（如彎曲管道、流體沿凹凸不平的邊壁流動(dòng)等）存在，就會(huì)產(chǎn)生偏離流體主流方向的二次流。由此可見，氣流在風(fēng)沙分離器內(nèi)產(chǎn)生了二次流。

將上述氣流速度值代入沙塵的懸浮運(yùn)動(dòng)公式（2），可得出二次流影響下的風(fēng)沙分離規(guī)律。

1）" 在分流對(duì)沖腔中部，粒徑大于0.75 mm的沙塵脫離氣流而發(fā)生風(fēng)沙分離；在分流對(duì)沖腔后部，粒徑大于0.083 mm的沙塵也發(fā)生風(fēng)沙分離。

2）" 當(dāng)下行至擴(kuò)容腔時(shí)，粒徑在0.083～0.33 mm之間的沙塵又重新跟隨速度4.72 m/s的氣流繼續(xù)運(yùn)動(dòng)；粒徑在0.083～0.19 mm之間的沙塵則跟隨速度3.54 m/s的氣流繼續(xù)運(yùn)動(dòng)；還有一部分粒徑小于0.083 mm的沙塵從排氣管排出。

3）" 當(dāng)氣流下行至上回流腔時(shí)，粒徑大于0.19 mm的沙塵脫離氣流而發(fā)生風(fēng)沙分離，粒徑小于0.19 mm沙塵繼續(xù)跟隨氣流運(yùn)動(dòng)。

4）" 當(dāng)氣流下行至風(fēng)沙分離腔時(shí)，粒徑小于0.19 mm的沙塵在局部區(qū)域內(nèi)受速度3.54 m/s的氣流影響，時(shí)而跟隨氣流，時(shí)而脫離氣流，但最終會(huì)脫離氣流而落入集沙盒。

可見，在二次流的影響下，粒徑大于0.083 mm的沙塵被完全收集，粒徑小于0.083 mm的沙塵大部分被收集。

2.3 二次流被削弱時(shí)的影響分析

在二次流的影響下，局部區(qū)域出現(xiàn)了高速氣流，導(dǎo)致對(duì)沖后的氣流以速度3.54 m/s從擴(kuò)容腔一直延伸至風(fēng)沙分離腔，排氣管內(nèi)氣流也受到了影響。為此，在分流對(duì)沖腔前半部分的底部設(shè)計(jì)一個(gè)半環(huán)形擋板，讓氣流在分流對(duì)沖腔內(nèi)充分對(duì)沖，以削弱二次流，如圖5所示。

利用GAMBIT軟件將設(shè)計(jì)擋板的風(fēng)沙分離器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)氣管和分流對(duì)沖腔合并成網(wǎng)格體1，劃分網(wǎng)格數(shù)為239 396個(gè)；擴(kuò)容腔和上回流腔合并成網(wǎng)格體2，劃分網(wǎng)格數(shù)為349 423個(gè)；風(fēng)沙分離腔和下回流腔合并成網(wǎng)格體3，劃分網(wǎng)格數(shù)為897 666個(gè)；排氣管和分流器合并成網(wǎng)格體4，劃分網(wǎng)格數(shù)為391 273個(gè)。在ANSYS FLUENT軟件里迭代計(jì)算500步，得出設(shè)計(jì)擋板的風(fēng)沙分離器內(nèi)氣流速度云圖（圖6）。

從圖6看出，在分流對(duì)沖腔底部設(shè)計(jì)一個(gè)半圓環(huán)擋板后，在進(jìn)氣管末端以速度8.54 m/s分為兩股，在分流對(duì)沖腔中部降至7.12 m/s，在分流對(duì)沖腔后部對(duì)沖后降至2.85 m/s。在分流對(duì)沖腔下方，仍然有高速氣流分布，但是這部分氣流中心區(qū)域的氣流速度卻只有4.27 m/s，周圍分布著速度3.56 m/s的氣流，并一直延伸至風(fēng)沙分離腔。排氣管內(nèi)氣流速度為2.85 m/s。

從圖7看出，在分流對(duì)沖腔底部設(shè)計(jì)半圓環(huán)擋板后，高度氣流的速度只有4.27m/s，氣流得到了充分的對(duì)沖，氣流的主流分布也更加明顯，這說明二次流被大幅削弱了。二次流被削弱之后，流場出現(xiàn)了如下變化：（1）高速氣流分布范圍更大，流場似乎變得不穩(wěn)定。（2）排氣管內(nèi)氣流速度明顯增高，粒徑大于0.12 mm的沙塵才被完全收集，相比二次流被削弱前，沙塵被完全收集的范圍明顯縮小。

可見，二次流不僅能夠穩(wěn)定流場，而且對(duì)氣流速度的降低起到了促進(jìn)作用，有利于風(fēng)沙的有效分離。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方法

在未設(shè)計(jì)半圓環(huán)擋板的風(fēng)沙分離器樣機(jī)上設(shè)計(jì)12個(gè)測孔，測孔中心均對(duì)準(zhǔn)風(fēng)沙分離器中心軸線，測孔布置如圖8所示。

如圖9所示，試驗(yàn)時(shí)，將風(fēng)沙分離器固定在微型風(fēng)洞試驗(yàn)段的支架上，進(jìn)氣口對(duì)準(zhǔn)微型風(fēng)洞中心軸線，開啟風(fēng)機(jī)，穩(wěn)定風(fēng)速在13.8 m/s。Testo 425熱敏風(fēng)速儀探頭從測孔入口開始行進(jìn)，每隔5 mm取一個(gè)測點(diǎn)，并記錄風(fēng)速數(shù)據(jù)。測孔1～測孔6位于分流對(duì)沖腔中部和底部，均取3個(gè)測點(diǎn)；測孔7～測孔9位于擴(kuò)容腔中部，測孔10～測孔12從風(fēng)沙分離腔穿過，位于上回流腔中部，均取10個(gè)測點(diǎn)。

3.2 結(jié)果分析

圖10給出了12個(gè)測孔內(nèi)78個(gè)測點(diǎn)的氣流速度，從不同測點(diǎn)的速度波動(dòng)可以看出：（1）在分流對(duì)沖腔內(nèi)，測孔5內(nèi)測點(diǎn)13～測點(diǎn)15的氣流速度分別高于測孔2內(nèi)測點(diǎn)4～測點(diǎn)6；孔6內(nèi)測點(diǎn)16～測點(diǎn)18的氣流速度分別高于測孔3內(nèi)測點(diǎn)7～測點(diǎn)9，這說明氣流在分流對(duì)沖腔繞流時(shí)發(fā)生了偏移，形成了1→5和2→6兩條流線。（2）當(dāng)氣流進(jìn)入擴(kuò)容腔后，測孔內(nèi)的氣流均出現(xiàn)大幅度降低，這說明擴(kuò)容腔的降速效果還是很明顯的。從分布情況看，測孔7內(nèi)氣流速度均低于1.48 m/s（測點(diǎn)22），而測孔8內(nèi)的部分氣流卻高達(dá)2.59 m/s（測點(diǎn)34），測孔9內(nèi)氣流也達(dá)到了2.29 m/s（測點(diǎn)42）?？梢姡咚贇饬骷性诜至鲗?duì)沖腔的右半部分，是分流對(duì)沖腔的偏移氣流所致。

綜上可知，氣流在分流對(duì)沖腔中部開始出現(xiàn)偏移，偏移趨勢與圖4的數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，這說明數(shù)值模擬結(jié)果是可靠的，在未設(shè)計(jì)半圓環(huán)擋板的風(fēng)沙分離器內(nèi)部是存在二次流的。

4 結(jié)論

1）" 數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果表明，二次流動(dòng)是由主流引起的伴隨流動(dòng)，它可以損耗主流的能量，既可以穩(wěn)定流場，又可以促進(jìn)氣流速度的降低。

2）" 沙塵的懸浮運(yùn)動(dòng)計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于分流對(duì)沖與多級(jí)擴(kuò)容式集沙儀，在二次流的影響下，粒徑大于0.083 mm的沙塵可被完全收集，粒徑小于0.083 mm的沙塵被大部分收集；當(dāng)二次流被大幅削弱時(shí)，粒徑大于0.12 mm的沙塵可被完全收集，沙塵被完全收集的范圍明顯縮小。

二次流對(duì)促進(jìn)風(fēng)沙分離有積極作用，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生大范圍的二次流是提高集沙效率的一個(gè)有效方法，可為設(shè)計(jì)更高集沙效率的集沙儀提供理論參考。

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