中圖分類號：S225.53 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）08-0038-08

Abstract：Theeficiencyof theextractorinasugarcanechopperharvesterisdirectlyimpactedbytheinternalairflowfield. Toenhance theextractor'sperformance，we investigatedthe influenceof thecleaning chamberon theairflow field，and subsequentlyoptimized thestructureof thechamber.Computationalfluiddynamics（CFD）was employedto simulate the flowfieldof the extractor system，and single-factor and combinedoptimization simulation tests were conducted，using gap width，inletradius，grillarea，andgrilltypeasinfluentialfactors.Thestaticpressureandflowvelocitywereusedas performance indicators. The simulation results revealed that，with the fan speed set at 1000Δr/min ，the optimum performance of the extractor was achieved with a gap width of 41mm ，an inlet radius of 323mm ，and a grill area of .The static pressure reached 147Pa ，and the flowvelocity reached 14.42m/s .These values represent a significant improvement compared to the original extractor，with a 41% increase in static pressure and a 31% increase in flowvelocity.The stability of the internal flow field was significantly improved.

KeyWords：sugarcane chopper harvester; CFD；cleaning chamber；cleaning extractor；structure parameters

0 引言

甘蔗是我國制糖的主要原料，作為甘蔗收獲的主要機械設備，切段式甘蔗收獲機對倒伏甘蔗適應性強，具有較高的工作效率，是國內(nèi)外甘蔗收獲的主流機型[1.2]。切段式甘蔗收獲機的除雜系統(tǒng)對整機的除雜效率起著決定性作用，而收獲機除雜效率直接關系到收獲甘蔗的雜質(zhì)含量[3]。為提高除雜系統(tǒng)的除雜效率并降低能耗，眾多學者對除雜風機的各個結(jié)構(gòu)進行研究和優(yōu)化。農(nóng)宏亮等4利用SolidWorks對氣流場進行仿真模擬，優(yōu)化軸流風扇的下沉高度；黃崢等[5利用Fluent數(shù)值模擬的方法，對排雜罩進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；邢浩男等[67]優(yōu)化了除雜風機的扇葉形狀；Ren等8優(yōu)化了除雜室的結(jié)構(gòu)，但并未證明除雜室具體結(jié)構(gòu)參數(shù)對內(nèi)流場的影響。

除雜室是除雜風機的關鍵部件，現(xiàn)階段對其結(jié)構(gòu)的研究還比較缺乏。本文基于CFD，利用Fluent對除雜風機的除雜室的內(nèi)流場進行數(shù)值模擬，采用Tecplot對氣流場的仿真數(shù)據(jù)進行可視化處理，得到靜壓、風速的數(shù)據(jù)及云圖，在此基礎上對除雜室的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計。

1除雜風機結(jié)構(gòu)和工作原理

如圖1所示，切段式甘蔗收獲機的除雜風機由排雜罩、液壓馬達、傳動軸、軸流風扇、扇葉室和除雜室等組成。在風機運行過程中，風扇葉片高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生上升氣流，氣流從除雜室下方進入，隨后向上穿過除雜室、扇葉室，最終進入排雜罩并被排出風機。蔗段與蔗葉的分離主要在除雜室中進行。蔗段與蔗葉拋入除雜風機內(nèi)部，因為蔗段和蔗葉的懸浮速度不同，蔗葉會隨著上升的氣流排出除雜風機，而甘蔗段在重力作用下落入收集裝置。

圖1除雜風機結(jié)構(gòu)

Fig.1 Cleaning structure extractor 1.除雜室2.扇葉室3.軸流風扇4.排雜罩 5.傳動軸6.液壓馬達

2 仿真模擬

2.1 仿真模型建立

以華南農(nóng)業(yè)大學研制的4GDLS一132型切段式甘蔗收獲機為對象，利用SolidWorks建立仿真模型，模型的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，除雜風機參數(shù)如表1所示。

圖2除雜風機的仿真模型Fig.2 Simulation model of extractor

表1除雜風機的參數(shù)Tab.1Parameters of the extractor

2.2計算域和網(wǎng)格劃分

如圖2（b）所示，風機模型分為3個計算區(qū)域：排雜域、扇葉域和除雜域。扇葉域與其他計算域之間采用多重參考系模型（MRF），MRF模型的基本思想是將風機運動內(nèi)流場簡化為風扇在某一位置的瞬時流場，將非定常問題用定常方法計算[9]。根據(jù)MRF模型的設置方法，將扇葉域設置為旋轉(zhuǎn)域，其余區(qū)域設置為靜止域。

采用Fluentmeshing對仿真模型進行網(wǎng)格劃分，對于結(jié)構(gòu)較為復雜的旋轉(zhuǎn)域，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以保證其網(wǎng)格質(zhì)量；對于其他流域則采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以保證計算精度以及計算效率[1]，網(wǎng)格劃分最終結(jié)果如圖2（c所示。檢查網(wǎng)格質(zhì)量得：網(wǎng)格縱橫比平均值為1.36，網(wǎng)格平均偏度為0.06。網(wǎng)格質(zhì)量符合仿真要求。

2.3邊界條件設置

一e模型廣泛用于求解復雜流動，其數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果呈現(xiàn)出良好的一致性[1]。常用的k—ε模型包括標準（Standard）模型、RNG模型和可實現(xiàn)（Realizable）模型，其中，可實現(xiàn)的k一ε模型對于強漩渦流、靠近彎曲壁面的流動或彎曲流線的流動有很好的表現(xiàn)[12]。因此，選擇可實現(xiàn)的k—ε模型作為湍流模型。

壁面采用無滑移壁面，入口設為“壓力入口”，出口設為“壓力出口”，忽略壁面粗糙度對氣流場的影響。對于湍流氣流和復雜氣流，壓力關聯(lián)方程的半隱式方法（SIMPLEC）算法可提高計算收斂性[13，在本研究中，計算模型通過應用SIMPLEC算法對壓力場和速度場進行耦合，應用二階迎風方程對對流項、擴散項和湍流黏性系數(shù)進行離散。將各個殘差的收斂標準設為10^-4 ，當入口和出口的流量差小于 10^-4 ，且所有方向速度參數(shù)和k一的殘差同時小于 10^-4 時，可以合理地認為當前計算已經(jīng)收斂[14]

2.4網(wǎng)格獨立性驗證

為確保仿真數(shù)據(jù)準確且計算效率高，對網(wǎng)格獨立性進行驗證[15]。以風速和靜壓為指標，將旋轉(zhuǎn)域的轉(zhuǎn)速設為 1000r/min ，葉輪轉(zhuǎn)速相對旋轉(zhuǎn)域的轉(zhuǎn)速為0r/min 。將除雜風機的計算模型劃分網(wǎng)格數(shù)為100000、230000、380000、580000、950000、1580000和1800000，共7組，并逐一進行驗證。如圖3所示，當網(wǎng)格數(shù)超過950000時，風速和靜壓趨于穩(wěn)定?？紤]到結(jié)果的準確性和計算效率，采用第4組，網(wǎng)格總數(shù)為 950000 。

3 驗證試驗

3.1 試驗方法

試驗在華南農(nóng)業(yè)大學研制的4GDLS一132切段式甘蔗收獲機除雜系統(tǒng)試驗臺上進行。如圖4所示，在排雜罩出口處設置一個測量面，測量點按照GB/T10178—2006《工業(yè)通風機現(xiàn)場試驗標準》16]中規(guī)定的切貝切夫法布置。

圖4除雜系統(tǒng)試驗臺

Fig.4 Cleaning system test bench1.二級輸送機2.除雜風機3.一級輸送機

風機啟動后，風扇轉(zhuǎn)速增至 600r/min ，并保持10min ，對每個試驗點的風速進行測量，并多次重復測量過程，直到連續(xù)2次測量結(jié)果之間的差值小于 2% 取這2次測量的平均值作為精確值，并視為該測量點的測量值。通過計算所有測量點的測量值的平均值，得出測量面的風速。利用式（1）計算氣流流量。按照同樣的方法，測量計算風扇轉(zhuǎn)速在 700r/min 、800r/min.900r/minΩ，1000r/min 和 1100r/min 時所產(chǎn)生的氣流流量。

式中： Q 一氣流流量， m³/s S 測量截面面積， m² 測量截面的平均風速， m/s 。

3.2試驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比

測量結(jié)果與模擬結(jié)果的對比如圖5所示。隨著風扇轉(zhuǎn)速的增加，氣流流量的模擬值與試驗值的變化趨勢相似，模擬值與試驗值的最大誤差為 11.7% ，最小誤差為 3.9% ，平均誤差為 9% 。因此，認為數(shù)值模擬的結(jié)果可靠，適用于對除雜風機內(nèi)部氣流場的研究。

4單因素試驗

4.1 試驗因素

通過前期除雜試驗發(fā)現(xiàn)，蔗段成團狀進入除雜室后，除雜室容積過小導致蔗段無法及時散開，遮擋氣流對蔗葉的作用。為增加除雜室的容積，設計一種圓臺狀的除雜室，其中有3個重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別為除雜室上端間隙 A 、除雜室進氣口直徑 B 、氣孔格柵面積c ，其結(jié)構(gòu)分布如圖6所示。將以上3個結(jié)構(gòu)參數(shù)與格柵的種類作為單因素試驗的試驗因素，以期得到各個結(jié)構(gòu)與風機內(nèi)部氣流場的影響關系。

圖6除雜風機的除雜室Fig.6Cleaningchamberof extractor1.除雜室的上端間隙2.氣流入口3.氣孔格柵

4.2 試驗指標

在除雜風機工作過程中，軸流風機將旋轉(zhuǎn)的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃涌諝獾撵o壓能以及動壓能[17]，靜壓能又稱流動功，是對流氣體流入系統(tǒng)所需要克服此靜壓壓力做的功，由于軸流風機旋轉(zhuǎn)時在除雜室產(chǎn)生了負壓區(qū)，所以系統(tǒng)內(nèi)的靜壓值越高，負壓區(qū)的負壓能力越強，則氣體更容易進入系統(tǒng)，軸流風機的效能將得到提升。此外，在設計除雜風機時，要求氣流場內(nèi)靜壓的變化趨勢應平穩(wěn)均勻地提高[18]，以保證氣流不會出現(xiàn)嚴重的回流現(xiàn)象。根據(jù)除雜風機的除雜機理可知，蔗葉和蔗段通過懸浮速度不同進行分離，因此，除雜風機內(nèi)的風速越高，蔗葉越容易從蔗葉與蔗段的混合物中分離出來[19]。因此，需要以除雜風機內(nèi)的靜壓值以及風速作為試驗指標，并綜合考慮靜壓變化趨勢。

4.3單因素試驗結(jié)果和分析

4.3.1除雜室上端間隙與靜壓、風速的影響關系

如圖7所示，當除雜室上端間隙 A 為 0～40mm 時，靜壓值和風速隨著 A 的增大而增大，當 A=40mm 時，風速和靜壓值達到較高值，而 A 為 40～80mm 時，隨著 A 的增大，靜壓值和風速均減小。因此，當 A 為20～60mm 時，靜壓值和風速會達到較高值。

如圖8所示，當 A=0mm 時，隨著高度的增加，靜壓值的變化較小，上升趨勢不明顯；當 A=20mm 時，靜壓的上升趨勢較為明顯且平緩；當 A 為 40～ 80mm 時，靜壓在上升過程中出現(xiàn)波動，且波動的位置在高度為 -400～-300mm 的高靜壓區(qū)域，可能會導致氣流出現(xiàn)回流。

4.3.2除雜室進氣口直徑與靜壓、風速的影響關系

如圖9所示，隨著除雜室進氣口 B 的增大，靜壓、風速逐漸減小。如圖10所示，隨著 B 的增加，靜壓變化趨勢變化不大，水平高度為 -400～-300mm 的高靜壓區(qū)開始減小。

綜上所述，增大 B 會明顯降低靜壓、風速，但對于靜壓分布和變化趨勢的影響較小。為保證風速和靜壓的綜合效果較好， 取值應為 320～360mm 。

圖11氣孔格柵面積與風速、靜壓之間的關系 Fig.11 Relationship between the area of the air hole grating with airflow velocity and static pressure

4.3.3氣孔格柵面積與靜壓、風速的影響關系

如圖11所示，風速和靜壓隨氣孔格柵面積 c 的增大而逐漸減小。在除雜室側(cè)壁表面增設格柵的主要作用是降低除雜室低水平高度區(qū)域的靜壓值，使氣流場分布更加均勻合理。如圖12所示，與無格柵時（ C=0mm² 相比，當 C=40 000mm² 時，在水平高度為 -400～-300mm 時，靜壓“駝峰區(qū)”明顯減小；當C=80 000mm² 時，駝峰區(qū)逐漸消失，靜壓在變化過程中基本沒有波動產(chǎn)生。當 Cgt;120 000mm² 時，由于高靜壓區(qū)上移且低水平高度的靜壓值降低，在 -400～ -300mm 區(qū)域開始出現(xiàn)“凹陷”，“凹陷\"隨著 c 的增大越來越明顯。

4.3.4格柵種類與靜壓、風速的影響關系

為研究格柵種類與風速和靜壓之間的關系，設計a、b和c三種形狀的格柵，具體結(jié)構(gòu)如圖13所示。

格柵的面積均為 80 000mm² ，風速和靜壓值比較如圖14所示。可以看出，a類格柵的風速和靜壓值均為最佳值，b類和c類格柵的風速和靜壓值相差不大。

5 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

5.1 試驗方法

通過上述的單因素試驗，可以看出 A，B，C 對除雜室的內(nèi)流場均有影響。以上述3個結(jié)構(gòu)參數(shù)為例，設計響應面試驗，以靜壓值和風速作為響應值。采用Design—Expert13設計一個三因素三水平的Box—Behnken試驗，根據(jù)試驗臺風機的尺寸參數(shù)以及單因素試驗的試驗結(jié)果確定各個參數(shù)的選取范圍，試驗方案的組合如表2所示。

表2試驗因素Tab.2 Test factors

5.2 試驗結(jié)果

此試驗共計17組，對中心點進行5組重復試驗，結(jié)果如表3所示。

表3試驗結(jié)果Tab.3Experimental results

根據(jù)試驗結(jié)果，利用Design—Expert13對靜壓值、風速進行方差分析，結(jié)果如表4和表5所示。

根據(jù)表3中的試驗結(jié)果，Expert—Design13可以直接計算得到關于靜壓、風速的響應面模型，該響應面顯示了各結(jié)構(gòu)因素對響應值的影響趨勢，如圖15和圖16所示。

圖15為 A，B，C 與靜壓值之間的相互作用的關系。當 B 和 c 減小時，靜壓值增大，當 A 增大時，靜壓先增大后減小。從響應面形狀可以看出，各因素之間沒有明顯的交互影響，對靜壓值的影響關系與單因素試驗的結(jié)果相同。

圖16為 A，B，C 與風速之間的交互效應。風速隨著 B 和 c 的減小而增加，隨著 A 的增大先增加后減小。圖16（a）特別顯示類似橢圓的等值線，表明 A /B 之間存在顯著的相互作用。

表4靜壓方差分析Tab.4 Analysis of variance for static pressure

表5風速方差分析Tab.5 Analysis of variance for airflow velocity

5.3最優(yōu)參數(shù)組合

根據(jù)表4和表5結(jié)果，對靜壓、風速進行多元回歸分析，得到靜壓與風速的回歸模型函數(shù)如式（2）和式（3）所示。

P=135-2.64A-12.93B-5.33C-0.21AB+ 0.26AC+2.18BC-8.68A2-0.83B2—2.49C2

0. 08AC-0. 02BC-0. 74A²-0. 2B²-0. 03C²

如表4和表5所示，靜壓值和風速的模型顯著性水平 p 小于0.01。這表明靜壓值和風速的回歸函數(shù)模型極顯著，靜壓值和風速的失擬態(tài)項小于0.01。這表明，在試驗條件下，靜壓值和風速的函數(shù)模型與實際情況非常吻合。響應面模型的 R² 分別為0.9836和0.9931，可信度超過 95% ，在可接受范圍內(nèi)。

在靜壓、風速回歸模型方程的基礎上，制定優(yōu)化模型的目標方程使得到的響應值最大化。

目標函數(shù)

限制條件

通過Design—Expert13進行多目標優(yōu)化，所選優(yōu)化方案四舍五人為整數(shù)， A 設為 41mm，B 設為323mm c 設為 40 000mm² 。

5.4驗證優(yōu)化結(jié)果和分析

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，得到除雜室3個結(jié)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)組合，圖17為優(yōu)化前后的風機模型。通過數(shù)值模擬將優(yōu)化后的模型與優(yōu)化前的模型進行性能比較，結(jié)果如圖18所示。除雜風機模型優(yōu)化后，靜壓提高 41% ，且靜壓提高趨勢更明顯、均勻;除雜室內(nèi)平均風速提高 31% 。

圖17優(yōu)化前后的模型對比

如圖19所示，優(yōu)化后的除雜室內(nèi)的靜壓值明顯升高。如圖20所示，優(yōu)化前的模型在突變位置存在明顯的氣流旋渦，能量損失較為嚴重，優(yōu)化后的除雜室內(nèi)氣流場較為穩(wěn)定，旋渦強度較低。

圖19優(yōu)化前后靜壓云圖的比較 Fig. 19 Comparison of static pressure cloud before and after optimization

圖20優(yōu)化前后渦量云圖的比較 Fig.2O Comparison of vorticity magnitude cloud before and after optimization

6 結(jié)論

通過搭建甘蔗收獲機除雜風機試驗臺，建構(gòu)除雜風機的仿真模型，通過驗證試驗驗證仿真結(jié)果的可靠性，通過單因素試驗和響應面試驗研究除雜室結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣流場影響的關系，并對關鍵結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

1）根據(jù)單因素試驗結(jié)果可知，當 A 值為 20～ 60mm ， B 值為 320～360mm c 值為40 000～ 120 000mm² ，且格柵類型為a時，風速和靜壓較高，靜壓上升趨勢更平穩(wěn)、更均勻。

2）響應面模型預測除雜室參數(shù)的最佳組合： A= 41mm，B=323mm，C=40000mm²， ，此時，風機的靜壓值為 145.78Pa ，平均風速達到 14.31m/s 。優(yōu)化模型的模擬結(jié)果顯示，與原始模型相比，風速提高 31% ，靜壓值提高 41% ，靜壓變化趨勢更加均勻，且減小原模型中的旋渦強度。

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