場地膜稈分離裝置進料口尺寸改變的數值模擬

劉夢霞+王春耀+羅建清+范雷剛

摘要：為達到有效分離地膜的目的，研究場地膜稈分離裝置內流場的壓力分布和速度分布，獲得適合場地膜稈分離裝置進料口的尺寸，為場地膜稈分離裝置的結構設計和優(yōu)化提供比較重要的理論依據，建立了場地膜稈分離裝置初始模型，采用ansys里的fluent模塊對其腔體內流場的壓力分布和速度分布進行了數值模擬，對比分析所得的結果。當進料口寬度為200 mm，進料口長度為400 mm，進料口中心位置距腔體中心位置為524 mm時為合理工況，此時下落粗細棉稈的范圍較大，利于分離出地膜。

關鍵詞：場地膜稈分離裝置；Fluent；流場分析；數值模擬

中圖分類號： S223.5 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）09-0397-04

地膜覆蓋技術興起于歐美日等國，且普及迅速，因其具有很好的增產效果，在我國得到了大面積的推廣使用，地膜覆蓋的作物已超過50種[1-3]。但是該技術帶來經濟效益的同時，地膜殘留的危害也不容小覷，存留的農用地膜損壞了土壤結構，抑制了土壤微生物的生長，導致農產品的產量及質量降低[4-7]。有關地膜分離裝置的報道比較少，本研究采用標準的k-ε湍流模型對場地膜稈分離裝置內部流場進行了數值模擬，得出其內部流場的壓力分布和速度分布情況，為場地膜稈分離裝置的優(yōu)化設計提供了有效的方法。

1 建立場地膜稈分離裝置的物理模型及網格劃分

本研究是有關水平管道氣力輸送的，從風機吹出的正壓氣流通過送風口射出，與進料口出來的物料混合，進入水平管道，由于粗棉稈、細棉稈、地膜的懸浮速度不同，經過試驗得出，粗棉稈的懸浮速度為8～10 m/s，細棉稈的懸浮速度為6～8 m/s，地膜的懸浮速度為2 m/s，地膜與粗細棉稈的懸浮速度相差較大，因此利用其較大的速度差，物料依次落下，最后分離出地膜。

1.1 數學模型

地膜的分離過程十分復雜，涉及氣固兩相流，物料的形狀、濃度、混合比及壓力損失等都會影響流動狀態(tài)，并且計算參數難以確定，很難定量觀測研究。本研究通過改變進料口寬度、進料口長度和進料口位置來分析比較其流場內部的速度分布和壓力分布，找到一種最佳的工作狀態(tài)。

流體在管道內的流動為湍流流動[8]，定義管道內部的流場是不可壓縮、定常等溫流場，湍流流動采用k-ε模型[9-10]，在直角坐標下的各個控制方程為：

模型中的常數按照文獻[11]選取C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.0，σε=1.3，將這一數學模型進行數值模擬分析。

1.2 網格劃分

用UG軟件對場地膜稈實體進行建模，然后使用適用性很好的Tgrid混合網格對模型進行網格劃分，生成的網格數大約為52 340，網格劃分如圖1所示。

1.3 邊界條件的處理

根據管道的特點，設置送風口的類型為velocity-inlet，速度為10 m/s，出口處類型設為outflow，進料口的類型設為velocity-inlet，速度為0 m/s，假設在平衡狀態(tài)下送料，物料和送風氣流混合后，進入管道，管道的其他固定邊界設為wall。

2 場地膜稈分離裝置的優(yōu)化過程

2.1 初始模型的模擬分析

采用Ansys的fluent模塊對場地膜稈分離裝置進行流場分析，模型的尺寸經過實地測量得到參數如下：外形尺寸6 000 mm×1 000 mm×1 300 mm；送風口尺寸600 mm×150 mm；進料口尺寸400 mm×200 mm。

經過fluent軟件模擬分析裝置內的流場，可以得到流場在整個腔體內的壓力分布（見圖2-a所示）和速度分布（見圖2-b所示）。

通過分析圖2-a可以看出，流體在腔體前1/3處的壓力為負值，即負壓區(qū)，在腔體1/3位置往后，壓力為正值，即正壓區(qū)，說明管道內部確實是從負壓輸送到正壓輸送的，在x>4 000 mm 范圍內，壓力基本保持不變；分析圖2-b可以看出，流場在腔體內的速度逐漸減小，且在腔體的前半部分速度分布不均勻，各點的速度分散，不夠密集，在腔體的后半部分，速度分布較均勻，在x>4 000 mm范圍內，速度基本保持在2 m/s 以下。也就是說，初始模型不太合理，不能有效利用腔體空間。

2.2 進料口寬度改變的模擬分析

送風口和進料口在腔體的側面，且進料口在送風口的上面。初始模型進料口的寬度為200 mm，在進料口長度不變的條件下，改變進料口的寬度，分析進料口寬度的變化對腔體內的流場分布有何影響，分別設置進料口的寬度為180、190、210、220 mm。在初始模型腔體的中心線上每隔100 mm選1個點，共計選出60個點，計算出每個點所在面的壓力和速度平均值，繪制成曲線，所繪制出的曲線圖橫坐標為腔體長度，單位為m；縱坐標為相對大氣壓和流場速度，單位分別為Pa和m/s，分析比較進料口寬度的改變對流場的壓力分布和速度分布的影響。圖3為進料口寬度變化時流場壓力及流場速度沿著腔體長度的改變。

由圖3-a可知，初始模型負壓區(qū)的范圍占整個腔體的32%（1 900/6 000）。當進料口寬度為180 mm時，負壓區(qū)范圍明顯減小，較其他工況小，只占腔體的17%（1 000/6 000），且負壓值變小，進入正壓區(qū)后，壓力大于初始模型的壓力；當進料口的寬度為190 mm時，負壓區(qū)范圍明顯增大，較其他工況負壓范圍大，占腔體的38%（2 300/6 000），且其負壓值大于初始模型的負壓值，進入正壓區(qū)后，壓力小于初始模型的壓力；當進料口的寬度為210 mm時，負壓區(qū)范圍增大為腔體的37%（2 200/6 000），且其負壓值的大小與初始模型負壓值大小一致，進入正壓區(qū)后，在x>3 000 mm范圍內，壓力大于初始模型的壓力；當進料口寬度為220 mm時，負壓區(qū)范圍減小為腔體的23%（1 400/6 000），且其負壓值小于初始模型的負壓值，進入正壓區(qū)后，壓力大于初始模型的壓力值。

由圖3-b可知，當改變進料口寬度時，無論是增加進料口寬度還是減小進料口寬度，v>6 m/s的范圍和2 m/s6 m/s 的范圍較其他工況小。

綜上考慮進料口寬度改變對流場壓力和速度的影響，得出結論：初始模型中進料口寬度為200 mm為合理工況。

2.3 進料口長度改變的模擬分析

初始模型進料口的長度為400 mm，在進料口的寬度不變的前提下，改變進料口的長度，分別設置腔體長度為380、390、410、420 mm，取點方法與前面相同，計算得到每個點所在面的壓力以及速度平均值，繪制出曲線，分析比較進料口長度的改變對流場的壓力分布和速度分布有什么影響。圖4為進料口長度變化時流場壓力及流場速度沿著腔體長度的改變。

由圖4-a可知：初始模型負壓區(qū)的范圍占整個腔體的32%（1 900/6 000），當進料口的長度為380 mm時，負壓區(qū)范圍為x<1 200 mm和1 800 mm3 000 mm 范圍內，壓力大于初始模型的壓力，壓力值變化幅度大，不夠穩(wěn)定；當進料口的長度為390 mm時，負壓區(qū)范圍明顯減小，占整個腔體的25%（1 500/6 000），較其他工況小，不利于物料的進入，進入正壓區(qū)后，壓力與初始模型的壓力一致，變化不大；進料口長度為410 mm時，負壓區(qū)范圍明顯減小，較其他工況小，占腔體的23%（1 400/6 000），且負壓值小于初始模型的負壓值，進入正壓區(qū)后，壓力變化不大；進料口長度為420 mm時，負壓區(qū)范圍與初始模型的負壓值范圍相近，負壓值大小變化不大，進入正壓區(qū)后，壓力變化不大。

由圖4-b可知，隨著進料口長度的增加或減小，4種工況下v>6 m/s的范圍都減小了，不利于分離出粗棉稈。當進料口的長度為380 mm時，2 m/s

綜上所述，當進料口長度為400 mm時（即初始模型），進料口長度較為合理。

2.4 進料口位置改變的模擬分析

初始模型進料口中心位置距腔體中心位置為500 mm，送風口中心位置距腔體中心位置為275 mm，保持送風口的位置不變，改變進料口的位置，分別把進料口上移25、50 mm，下移25、50 mm，即設置進料口中心位置距腔體中心位置分別為575、600、524、500 mm，分析比較進料口位置的改變對腔體流場的壓力和速度的影響。圖5為進料口位置改變時流場壓力及流場速度沿著腔體長度的改變情況。

由圖5-a可知：初始模型負壓區(qū)的范圍占整個腔體的32%（1 900/6 000），當進料口位置上移25 mm時，負壓區(qū)范圍減小，占腔體的23%（1 400/6 000），較其他工況小，負壓值變大且波動性明顯變大，進去正壓區(qū)后，在1 400 mm3 400 mm范圍內，壓力大于初始模型的壓力；當進料口位置下移25 mm時，負壓區(qū)范圍明顯變大，占腔體的36%（2 200/6 000），且負壓值明顯變大，較其他工況大，進入正壓區(qū)后，壓力小于初始模型的壓力；當進料口位置下移50 mm 時，負壓區(qū)范圍減小，大約占腔體的27%（1 600/6 000），且負壓值明顯變小，較其他工況小，進入正壓區(qū)后，壓力波動性較大。

由圖5-b可知，當進料口位置上移25 mm時，v>6 m/s 的范圍減小，且速度波動性較大，2 m/s6 m/s的范圍減小，且速度波動性較大，2 m/s6 m/s的范圍與初始模型的范圍相差不大，2 m/s6 m/s 的范圍與初始模型的范圍相差不大，2 m/s

綜上所述，當進料口位置下移25 mm時（即進料口中心位置距腔體中心位置為524 mm）為合理的工況。

3 討論與結論

當進料口寬度減小為180 mm或增大為220 mm時，負壓區(qū)范圍都減小了，且負壓值減??；當進料口寬度為190 mm和210 mm時（在初始模型的進料口寬度附近增加或減?。搲簠^(qū)范圍增大，且負壓值增大。當改變進料口寬度時，無論是增加進料口寬度還是減小進料口寬度，v>6 m/s的范圍和2 m/s

在初始模型進料口長度的基礎上，隨著進料口長度的增大，負壓區(qū)范圍增大，負壓值變大；隨著進料口長度的增加或減小，正壓區(qū)范圍變化不大（進料口長度為380 mm的工況例外），v>6 m/s的范圍都減小了。

隨著進料口位置的上移，負壓區(qū)范圍減小，且上移的距離越大，負壓值越小，不利于物料的進入；隨著進料口位置的下移，當下移距離不大時（下移距離為25 mm），負壓區(qū)范圍明顯變大，當下移距離較大時（下移距離為50 mm），負壓區(qū)范圍反而減小。隨著進料口位置的上移，v>6 m/s的范圍都減小，且速度波動性較大，2 m/s6 m/s的范圍與初始模型的范圍相差不大，進料口位置下移時，2 m/s

研究結果表明，當進料口寬度為200 mm，進料口長度為400 mm，進料口中心位置距腔體中心位置為524 mm為合理工況。

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