鞠易甫,施偉辰
(上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院,上海201306)
基于Fluent的聯(lián)合收割機旋風(fēng)分離筒氣固兩相流模擬
鞠易甫,施偉辰
(上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院,上海201306)
本文主要設(shè)計一種聯(lián)合收割機內(nèi)的旋風(fēng)分離筒,使其實現(xiàn)小麥、稻谷和油菜的清選。以RNG k-ε模型分析湍流流場。使用Fluent的DPM模型進行分析。數(shù)值模擬實驗得到結(jié)論:當(dāng)入口速度為4 m/s,排雜口表壓為-2 000 Pa時,小麥清選效果最好;當(dāng)入口速度為4 m/s,排雜口表壓為-2400 Pa,稻谷清選效果最好;當(dāng)入口速度為4 m/s,排雜口表壓為-1 000 Pa,油菜清選效果最好。最后改變小麥雜質(zhì)的直徑和密度,再次進行清選,觀察發(fā)現(xiàn)當(dāng)直徑為2~3 mm,密度為200~350 kg/m3時,小麥的籽粒和雜質(zhì)清選效果較好。
氣流清選;旋風(fēng)分離筒;Fluent;氣固兩相流
清選裝置是聯(lián)合收割機中非常重要的組成部分。大量實驗證明[1],聯(lián)合收割機清選裝置的設(shè)計和使用不當(dāng)是糧食損失的一個重要的原因。當(dāng)其設(shè)計不當(dāng)時,清選的效果不佳,影響收獲谷物的品質(zhì)。清選系統(tǒng)主要分為氣流清選和振動篩選兩個大類。氣流清選是利用收割后的不同物料在氣流中的受力不同、運動軌跡不同而分離的。
聯(lián)合收割機經(jīng)過收割、脫粒等工序之后得到飽滿籽粒和與其大小相近的雜質(zhì),需要進入清選裝置分離兩種物料。氣流清選的原理是利用兩種顆粒的懸浮速度不同,在氣流中的運動軌跡不同而將其分離出來[2]。物料先進入揚谷風(fēng)機獲得拋射的初速度,然后通過拋射管進入旋風(fēng)分離筒。吸雜風(fēng)機通過風(fēng)管連接旋風(fēng)分離筒,其工作時對內(nèi)吸氣,使桶內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓?;旌衔镌谶M入旋風(fēng)分離筒之后隨氣流做旋轉(zhuǎn)運動,較重的籽粒向下運動進入集料盤,較輕的雜質(zhì)由于負(fù)壓的作用向上運動進入風(fēng)管,最后由吸雜風(fēng)機吸出,整體結(jié)構(gòu)如圖1.雖然清選裝置在聯(lián)合收割機內(nèi)有很長時間的應(yīng)用歷史,但旋風(fēng)清選裝置還是依靠經(jīng)驗來設(shè)計,需要使用軟件模擬內(nèi)部的流場和顆粒場,為分離筒的設(shè)計提供經(jīng)驗。
圖1 氣流清選系統(tǒng)[3]
旋風(fēng)分離筒的研究主要分為實驗法和計算機數(shù)值模擬法兩種。其中模擬法方便快捷,無需對同一模型多次試驗,可直接繪制筒內(nèi)氣流場云圖,觀察顆粒相軌跡。先使用Solidworks建立三維模型,然后使用Meshing劃分網(wǎng)格。旋風(fēng)分離筒由筒體、進口(inlet)、排雜口(outlet1)和排糧口(outlet2)組成。籽粒和雜質(zhì)隨氣流進入分離筒,經(jīng)過清選最終籽粒從排糧口落出,雜質(zhì)從排雜口排出[4]。
分離筒在中間的圓筒和入口處劃分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,在上下椎體劃分為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,整體網(wǎng)格劃分如圖2,共有309 903個節(jié)點。
圖2 旋風(fēng)分離筒的結(jié)構(gòu)和劃分的網(wǎng)格
2.1 計算模型
使用RNG k-ε模型[5]模擬湍流,與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的方程很接近但有以下兩個不同點[6]:
(1)修正湍流粘度系數(shù),更好地模擬彎曲程度較大的流動
(2)在ε方程中增加了反應(yīng)時均應(yīng)變率Eij的項,這樣方程不僅與流體的流動情況有關(guān),還與空間坐標(biāo)有關(guān)。
其控制方程組如下:
其中:k為湍流動能,ε為湍動耗散率,αk和αε為k與ε的普朗特數(shù),為湍流系數(shù),μeff為湍流粘度,Gk為湍流動能。
2.2 邊界條件的設(shè)定
2.2.1 氣體相的設(shè)置:
設(shè)置氣流場為空氣,密度ρ為1.225 kg/m3,黏度μ為1.789 4×10-5Pa·s.將inlet設(shè)置為速度入口(velocity-inlet),排雜口和排糧口設(shè)置為壓力出口(pressure-outlet),排糧口由于基本沒有氣流流出,因此設(shè)置為0,其余位置設(shè)置成壁面(wall)。數(shù)值計算方法選擇為SIMPLE算法,壓力梯度相為PRESTO[7].由于是旋渦流場,在RNG k-ε設(shè)置中對Swirl dominated flow打勾。
2.2.2 顆粒相的設(shè)置
在入口處加入兩種籽粒和雜質(zhì)。進入的速度方向與入口垂直。當(dāng)顆粒到達(dá)排雜口或排糧口時停止追蹤,到其他位置時反彈。在DPM中設(shè)置排雜口為escape,排糧口為trap,其余位置設(shè)置為reflect[8].
3.1 清選效果的衡量指標(biāo)
將接觸到排糧口的顆粒視為被捕捉,接觸到排雜口的顆粒視為逃逸。定義捕捉率為被捕捉的顆粒數(shù)除以進入分離筒的顆??倐€數(shù),逃逸率為逃逸的顆粒數(shù)除以進入分離筒的顆??倐€數(shù)。
3.2 小麥清選效果的分析
設(shè)置入口速度為4~8 m/s,排雜口表壓為-3 000~-1 500 Pa,小麥籽粒捕捉率和雜質(zhì)逃逸率的變化情況如表1和表2.
表1 小麥籽粒捕捉率和雜質(zhì)逃逸率
觀察表1可知,入口速度為4 m/s時,排雜口壓力為-2 000 Pa,清選效率最高,效果如圖3.
圖3 小麥、稻谷和油菜清選效果圖
3.3 稻谷清選效果的分析
設(shè)置分離筒入口速度為4~8 m/s,排雜口表壓為-2 400~-1 200 Pa,稻谷籽粒捕捉率和雜質(zhì)逃逸率的變化情況如表2.
表2 稻谷籽粒捕捉率和雜質(zhì)逃逸率
觀察表2可知,入口速度為4 m/s時,排雜口壓力為-2 400 Pa,清選效率最高效果如圖3.
表3 油菜籽粒捕捉率和雜質(zhì)逃逸率
3.4 油菜清選效果的分析
設(shè)置分離筒入口速度為4~8 m/s,排雜口表壓為-2 500~-1 000 Pa,油菜籽粒捕捉率和雜質(zhì)逃逸率的變化情況如表3.
由觀察表3可知,當(dāng)入口速度為4 m/s時,排雜口壓力為-1 000 Pa,清選效率最高,效果如圖3.
設(shè)置入口速度4 m/s,排雜口表壓為-2 000 Pa,將小麥雜質(zhì)的直徑取為2~4 mm,密度設(shè)置為200~350 kg/m3,清選效果如表4.
表4 優(yōu)化籽粒參數(shù)后,籽粒捕捉率和雜質(zhì)逃逸率
觀察表4可知,當(dāng)改變雜質(zhì)的直徑和密度時,雜質(zhì)的清選效率發(fā)生了比較大的變化,籽粒的清選沒有太大變化。當(dāng)小麥雜質(zhì)直徑2~3 mm,密度200~300 kg/m3時,小麥籽粒和雜質(zhì)的清選效果都較好。
通過聯(lián)合收割機的旋風(fēng)清選裝置可以清選小麥、稻谷和油菜。對于小麥,入口速度為4 m/s,排雜口壓力為-2 000 Pa時,籽粒捕捉率和雜質(zhì)逃逸率都為100%,小麥清選效果最好;對于稻谷,入口速度為4 m/s,排雜口壓力為-2 400 Pa時,籽粒捕捉率和雜質(zhì)逃逸率都為100%,稻谷清選效果最好;對于油菜,入口速度為4 m/s排雜口壓力為-1 000 Pa時,籽粒捕捉率和雜質(zhì)逃逸率都為100%,油菜清選效果最好。
對于雜質(zhì)參數(shù)進行優(yōu)化,小麥雜質(zhì)直徑取為2~4 mm,密度取為200~350 kg/m3,觀察清選效率的變化情況,發(fā)現(xiàn)當(dāng)小麥雜質(zhì)直徑為2~3 mm,密度為200~300 kg/m3時,小麥清選效果較好。
籽粒捕捉率和雜質(zhì)逃逸率的變化情況和顆粒的運動軌跡數(shù)據(jù)都可為進一步的優(yōu)化提供指導(dǎo)。
[1]李舟.小型聯(lián)合收割機清選裝置設(shè)計與試驗研究[D].長沙:中南林業(yè)科技大學(xué),2016.
[2]胡小欽.貫流式谷物清選裝置設(shè)計及性能試驗研究[D].杭州:浙江理工大學(xué),2013.
[3]唐倩雯,尹健.谷物氣流清選系統(tǒng)的仿真研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,51(09):1890-1894.
[4]郭麗紅.小區(qū)小麥聯(lián)合收割機氣流清選裝置研究[D].成都:西華大學(xué),2014.
[5]Yakhot V,Orszag S A.Renormalization group analysis of tur bulence.I.Basic theory[J].Journal of Scientific Computing,1986,1(1):3-51.
[6]王福軍.計算流體動力學(xué)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.
[7]汪林.旋風(fēng)分離器氣固兩相流數(shù)值模擬及性能分析[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007.
[8]李強.旋風(fēng)除塵器優(yōu)化設(shè)計及分離特性研究[D].長沙:中南大學(xué),2008.
Gas-solid Two Phase Flow Simulation of Cyclone Separator for Combine Harvester Based on Fluent
JU Yi-fu,SHI Wei-chen
(Shanghai Maritime University,School of Logistics Engineering,Shanghai 201306,China)
This paper mainly designs and researches the separator cylinder which can be used in cleaning wheat,rice,and rape.The fluent turbulence model is RNG k-ε.The DPM model is used for the analysis.The numerical simulation has come to the conclusion.When the inlet velocity is 4m/s and the outlet pressure is-2 000 Pa,the cleaning effect of wheat is good;when the inlet velocity is 4m/s and the outlet pressure is-2 400 Pa,the cleaning effect of rice is good;when the inlet velocity is 4m/s and the outlet pressure is-1 000 Pa,the cleaning effect of rape is good.Finally,change the diameter and density of impurities.When the diameter is 2~3 mm and the density is 200~350 kg/m3,the cleaning effect of grain and impurities is good.
airflow cleaning;cyclone separator;fluent;gas-solid coupling
S225.3
A
1672-545X(2017)06-0155-03
2017-03-05
作者介紹:鞠易甫(1992-),男,遼寧大連人,在讀碩士研究生,研究方向為機械動態(tài)性能分析;施偉辰(1960-),男,陜西西安人,教授,博士,研究方向為新型固體材料守恒律。