基于Fluent的膜稈分離裝置的數值模擬

季　峰，樊　軍，劉夢霞

(新疆大學 機械工程學院，烏魯木齊　830047)

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基于Fluent的膜稈分離裝置的數值模擬

季峰，樊軍，劉夢霞

(新疆大學 機械工程學院，烏魯木齊830047)

摘要：為了達到有效分離地膜的目的，研究了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的進料口的尺寸，為場地膜稈分離裝置的結構設計和優化提供了比較重要的理論依據。建立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，并對比分析所得的結果。結果表明：當進料口為無角度送料、腔體橫截面長度為1 300mm、腔體橫截面寬度為1 000mm時，腔體流場的壓力分布總體均勻，下落粗棉桿和細棉桿的范圍相對較大；當進料口為無角度送料、腔體橫截面長度為1 300mm、腔體橫截面寬度為1 000mm時，為合理工況，利于分離出地膜。

關鍵詞：場地膜稈分離裝置；數值模擬；流場分析；Fluent

0引言

地膜覆蓋具有減少土壤水分流失、抑制雜草生長、提高大田地溫的作用。目前，地膜的應用已經擴展到棉花及花生等經濟農作物[1-3]。但是，地膜的存在使土壤很難吸收養分和水分，破壞土壤結構，使土壤鹽堿化，最終殘膜碎片的存在使農作物減產、土壤的循環利用率下降[4-7]。有關地膜分離裝置的文獻比較少，本文采用標準的k-ε湍流模型對場地膜稈分離裝置內部流場做了數值模擬，得出其內部流場的壓力分布和速度分布，為場地膜稈分離裝置的優化設計提供了有效的方法。

1材料與方法

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，經過實驗得出：粗棉稈的懸浮速度為10～8m/s，細棉稈的懸浮速度為8～6m/s，地膜的懸浮速度為2m/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使物料依次落下，最后分離出地膜。

1.1　數學模型

由于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，且計算參數難以確定，不適合定量觀測研究。本文通過改變進料角度、腔體橫截面長度和腔體橫截面寬度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。

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如下：

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，那么式(1)可化簡為

(2)

(3)

(4)

(5)

Κ-ε湍流方程為

(6)

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。

圖1　場地膜稈分離裝置網格劃分

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10m/s，出口處類型設為outflow，進料口的類型設為velocity-inlet，速度為0m/s；假設在平衡狀態下送料，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結果與分析

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后得到的參數如下：

外形尺寸/mm：6 000×1 000×1 300

送風口尺寸/mm：600×150

進料口尺寸/mm：400×200

研究發現，黑水虻幼蟲能夠分泌己二酸，歐美許多國家利用己二酸較強的廣譜抗菌能力，將黑水虻幼蟲用于皮膚損傷(如燒傷和創傷愈合等)的臨床處理，當己二酸濃度達到120 μg/ml時，可以有效抑制痢疾和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌等的生長[2]。Choi等從黑水虻幼蟲體內直接提取分離出己二酸，可有效抑制革蘭氏陰性菌(如肺炎克雷伯菌、淋病奈瑟菌、宋內志賀菌等)的活性[23]。

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)和速度分布(見圖3)。圖2的橫坐標為腔體的長度，縱坐標為流場壓力；圖3的橫坐標為腔體的長度，縱坐標為流場速度。

圖2　流場的壓力分布

分析圖2可以看出：流體在腔體前1/3處的壓力為負值(即負壓區);在腔體1/3位置往后，壓力為正值(即正壓區)，說明管道內部確實是從負壓輸送到正壓輸送的，在X>4 000mm范圍內，壓力基本保持不變。分析圖3可以看出：流場在腔體內的速度逐漸減小，且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 000mm范圍內，速度基本保持在2m/s以下。也就是說，初始模型不太合理，無法有效利用腔體空間。

圖3　流場的速度分布

2.2　進料角度改變的模擬分析

送風口和進料口在腔體的側面，且進料口在送風口的上面。初始模型中向進料口進料的方向為無角度進料，改變進料口的進料角度，分析進料口角度的變化對腔體內的流場分布的影響。根據經驗和初始模型的模擬結果，進料口的角度不能為向上偏，所以分別設置進料口的角度為向下偏5°、向下偏10°和向下偏15°。在初始模型腔體的中心線上每隔100mm選一個點，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，所繪制出的曲線圖的橫坐標為腔體長度，單位為dm；縱坐標為相對大氣壓，單位為Pa，分析比較進料口角度的改變對流場的壓力分布和速度分布有什么影響。圖4為進料口角度變化時流場壓力沿著腔體長度的改變，圖5為進料口角度變化時流場速度沿著腔體長度的改變。

圖4　進料口角度改變壓力的模擬分析

圖5　進料口角度改變速度的模擬分析

分析圖4可知：初始模型負壓區的范圍占整個腔體的32%(1 900/6 000)。當進料口角度為向下偏5°時，負壓區范圍明顯增加，占整個腔體的40%(2 400/6 000)，較其他工況為較大，且負壓值變大，進入正壓區后，壓力小于初始模型的壓力；當進料口角度為向下偏10°時，負壓區范圍基本上沒有發生改變，負壓值明顯變大，且有較大的波動性，進入正壓區后，壓力基本上與初始模型的壓力相一致；當進料口角度為向下偏15°時，負壓區范圍基本上也沒有變化，且負壓值明顯變大，波動性較大，進入正壓區后，壓力變化不大。即當進料角度下偏不大時，負壓區范圍變大，進入正壓區后，壓力小于初始模型的壓力，隨著進料角度的增加，負壓區范圍變化不大，但負壓值明顯增大，且負壓波動性變大；進入正壓區后，壓力與初始模型的壓力相一致。

分析圖5可知：當改變進料口角度時，V>6m/s的范圍都明顯減小了，且流場的速度波動性很大，不利于分離出粗棉稈。當進料口角度為向下偏5°時，2m/s6m/s的范圍都明顯減小了。

綜合分析進料口角度的改變對流場壓力和速度的影響，得出結論：初始模型中，進料口角度為無角度進料時為合理工況。

2.3　腔體橫截面長度改變的模擬分析

初始模型腔體的橫截面為1 300mm×1 100mm的矩形，在腔體橫截面寬度不變的前提下，改變腔體橫截面的長度，分別設置腔體橫截面長度為1 200mm和1 100mm，取點方法與前面相同，計算得到每個點所在面的壓力及速度平均值，繪制出曲線，分析比較腔體橫截面長度的改變對流場的壓力分布和速度分布有什么影響。圖6為腔體橫截面長度變化時流場壓力沿著腔體長度的改變，圖7為腔體橫截面長度變化時流場速度沿著腔體長度的改變。

圖6　腔體橫截面長度改變壓力的模擬分析

分析圖6可知：初始模型負壓區的范圍占整個腔體的32%(1 900/6 000)。當腔體橫截面長度為1 200mm時，負壓區范圍減小，占整個腔體的27%(1 600/6 000)，且負壓值的大小與初始模型的負壓值大小相差不多，進入正壓區后，壓力變化不大；當腔體橫截面長度為1 100mm時，負壓區范圍增大，占整個腔體的37%(2 200/6 000)，負壓值明顯變大，且負壓值的波動性較大，進入正壓區后，壓力變化不大。即隨著腔體橫截面長度的減小，負壓值變大且負壓值的波動性變大，進入正壓區后，壓力基本無變化。

分析圖7可知，當腔體橫截面長度為1 200mm時，V>6m/s的范圍明顯減小了，且流場速度在腔體前1/3處變大很大，波動性很大，2m/s6m/s的范圍更加減小了，且流場速度在腔體前1/3處變大較大，2m/s6m/s的范圍明顯減小了，且流場速度波動性變大，不利于分離出粗棉稈，2m/s

圖7　腔體橫截面長度改變速度的模擬分析

綜上所述，當腔體橫截面長度為1300mm時為合理工況。

2.4　腔體橫截面寬度改變的模擬分析

初始模型腔體的橫截面為1 300mm×1 100mm的矩形，在腔體橫截面長度不變的前提下，改變腔體橫截面的寬度，分別設置腔體橫截面寬度為950mm和900mm，分析比較腔體橫截面寬度的改變對腔體流場的壓力和速度有何影響。圖8為腔體橫截面寬度改變時流場壓力沿著腔體長度的改變，圖9為腔體橫截面寬度改變時流場速度沿著腔體長度的改變。

分析圖8可知：初始模型負壓區的范圍占整個腔體的32%(1 900/6 000)。當腔體橫截面寬度為950mm時，負壓區范圍基本保持不變，負壓值變小，進入正壓區后，壓力基本與初始模型的壓力相一致；當腔體橫截面寬度為900mm時，負壓區范圍明顯變大，占整個墻體的37%(2 200/6 000)，負壓值明顯變大，且負壓值變化較大，波動性大，進入正壓區后，壓力小于初始模型的壓力。即隨著腔體橫截面寬度的減小，負壓區范圍增大，負壓值明顯增大，且負壓值的變化較大，波動性較大，進入正壓區后，壓力減小。

分析圖9可知：當腔體橫截面寬度為950mm時，V>6m/s的范圍明顯減小了，不能有效分離出粗棉稈，且流場的速度波動性較大，2m/s6m/s的范圍和2m/s

綜上所述，腔體橫截面寬度為1 000mm時為合理工況。

圖8　腔體橫截面寬度改變壓力的模擬分析

圖9　腔體橫截面寬度改變速度的模擬分析

3結論

1)隨著進料角度的增加，負壓區范圍變化不大；但是負壓值明顯增大，且負壓波動性變大；進入正壓區后，壓力與初始模型的壓力相一致。

2)隨著進料口角度的增大，流場速度的波動性增大，V>6m/s的范圍都明顯減小了。

3)隨著腔體橫截面長度的減小，負壓值變大且負壓值的波動性變大；進入正壓區后，壓力基本無變化。

4)隨著腔體橫截面長度的減小，V>6m/s的范圍明顯減小了，且流場速度波動性變大，不利于分離出粗棉稈，2m/s

5)隨著腔體橫截面寬度的減小，負壓區范圍增大，負壓值明顯增大，且負壓值的變化較大，波動性較大，進入正壓區后，壓力減小；隨著腔體橫截面寬度的減小，V>6m/s的范圍和2m/s

6)當進料口為無角度送料、腔體橫截面長度為1 300mm、腔體橫截面寬度為1 000mm時，為合理工況。

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Membrane Separation Device Based on Fluent Software ofNumerical Simulation

Ji Feng, Fan Jun, Liu Mengxia

Abstract：In order to achieve the goal of effective separation membrane, the flow field in the research field of film separation device of the pressure distribution and velocity distribution, obtained for a membrane separation device the size of the inlet, film separation device for field of structure design and optimization provides important theoretical basis. To establish a membrane separation unit initial model, using ansys fluent software module in the cavity in the body pressure distribution and velocity distribution of flow field numerical simulation, comparison and analysis the results. The results are:When feeding inlet to Angle, cavity cross section length is 1 300mm, the cavity body cross section width to 1 000mm, the cavity flow field of the overall uniform pressure distribution, the whereabouts of coarse cotton stalk and fine cotton stalk a relatively large range. The conclusion are: When feeding inlet to Angle, cavity cross section length is 1 300 mm, cavity when the cross section width is 1 000 mm for reasonable conditions, conducive to isolate mulch.

Key words：a membrane separation device; the numerical simulation； the flow field analysis; fluent

中圖分類號：S223.5

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0041-05

作者簡介：季峰(1990-)，男， 江蘇南通人，碩士研究生，(E-mail)843433919@qq.com。通訊作者：樊軍(1965- )，男，烏魯木齊人，副教授，(E-mail)1254255781@qq.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(11462021)

收稿日期：2015-11-19