種子風力篩選機分離室內氣固兩相流仿真與優化

李　騰，高浩天，趙春宇，朱成剛，黃震宇

(上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海　200240)

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種子風力篩選機分離室內氣固兩相流仿真與優化

李騰，高浩天，趙春宇，朱成剛，黃震宇

(上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海200240)

摘要：分離室是種子風力篩選機的重要組成部分，對其室內氣流和種子進行氣固兩相流仿真研究具有重要的工程意義。為此，利用Fluent軟件中RNG k-ε湍流模型計算分離室內的氣流場分布，在此基礎上采用DPM(Discrete Phase Model)模型模擬分離室內飽滿種子和輕質雜質運動狀態。基于該分離室兩相流模型，分析不同的種子喂入量、風門開度和離心風機頻率對清選分級效果的影響，并通過正交仿真試驗，計算最優工作參數。該研究可為基于氣體動力學工作原理的農用機械優化設計提供參考。

關鍵詞：分離室；兩相流仿真；分離效率；優化；種子

0引言

由于分離室內部的流場是復雜的三維兩相湍流運動，很難使用解析法對其進行研究；而試驗法成本高昂、研究周期較長、檢測難度高，限制了其應用范圍。近年來，隨著計算機性能提高和CFD(Computational Fluid Dynamics)軟件的發展，使仿真技術成為各種流場研究的重要工具和手段[1]。

目前，風力篩選機仿真模型根據其結構及工作原理，主要可以分為風篩式和旋風分離式兩種，研究也以氣體單相流居多。而本文所研究風力篩選機分離室的結構及工作原理與二者均不相同，主要進行了氣固兩相流研究，模擬了物料在氣流場中的運動規律和分離效果。為獲得最佳的分離效果，采用三因素三水平正交實驗法進行了仿真試驗，分析了物料喂入量、風門開度和離心風機頻率對分離效率的影響。據此優化工作參數，為完善種子風力篩選機清選系統提供理論參考。

1風力篩選機結構和分離室建模

1.1機械結構及工作過程

FLX-150A型蔬菜種子風力篩選機是一種智能化的雜質清選去除和種子精選分級的加工設備，主要由進料裝置、分離室、離心風機和運動篩網等機構組成，如圖1所示。其中，虛線圈住部分為本文所研究的分離室。

1.進料裝置　2.分離室　3.離心風機　4.精選風室

蔬菜種子風力篩選機工作時由風機產生負壓，將物料從進料裝置吸入分離室內，利用物料中各成分漂浮特性不同[2]，調整適當的工作參數，首先從物料中分離出大部分輕質雜質，并從吸風口排出；飽滿物料在出料口處沉積后會從分離室排除，落到篩網上進行更加精細的分級。所以，分離室作為系統的第一道工序，其分離效果的優劣，對最終的清潔率和損失率有重要影響。

1.2仿真建模及網格劃分

使用Workbench集成的DesignMolder軟件建模。分離室結構如圖2所示。工作時，離心風機產生負壓，將物料從入料口吸入，擋板防止物料因高速而直接逸出，輕質雜質由吸風口被排除；飽滿物料在分離室底部沉積一定量后，由于其重力大于負壓吸力，出料口自動打開使得飽滿物料排除進行進一步精密篩選。

將建模好的三維模型導入到ICEM CFD軟件進行網格劃分。使用分塊的非均勻六面體結構化網格，既能夠加快運算速度，又能夠提高網格質量，還可避免因網格過度扭曲引起的數值擴散問題，使計算精度提高[3]。特別需要注意兩點：一是分離室內擋板和入料口處的網格要加密；二是結構簡單的區域網格密度變稀。這樣既可以保證計算精度，又可以提高運算速度。生成的網格模型包含391 778個節點和371 269個單元。

1．入風口　2．入料口　3．擋板　4．吸風口　5．出料口

2單相流仿真與分析

2.1單相流模型

由于分離室內的氣流為非穩態的三維強旋湍流，根據Ma等人[4]采用3種紊流模型(標準k-ε、RNG k-ε模型和RSM模型)對同一旋風分離器內流場的研究作為參考，綜合考慮計算精度和運算規模，最終采用RNG k-ε模型作為氣流場模擬的計算模型[5-6]。

2.2邊界條件

由于空氣從吸風口和進料口被吸入分離室，故吸風口和進料口處的邊界條件設為速度入口；因為吸風口與離心風機相連接，所以該處邊界條件設置為壓力出口，表壓強設為負壓；出料口一般情況下關閉，仿真時簡化作壁面處理。其余邊界也都設置為靜止壁面，具體數值如表1所示。

2.3氣流場分布規律

設置好以上各項參數后，進行迭代計算，當殘差數量級下降到10-3級別，并且殘差曲線基本穩定后，可以認為計算收斂。使用后處理軟件CFD-Post對計算結果進行處理分析。因為分離室為對稱結構，所以選擇具有代表性的中心對稱面進行分析，圖3為分離室的中心平面流速等值線圖。

從圖3中可看出：根據流速大小和方向，氣流分布狀況主要可以分成4個部分來分析。

表1　氣體相邊界條件

圖3　分離室中心平面的流速等值線圖

1)長直的提升管道部分。入料口以上區域流速高于入料口以下區域流速，說明在入料口也有部分氣體被吸入，使得流量增大，而在橫截面積不變的情況下，流速加快。整個提升管道流場分布均勻，流速高，有利于把物料提升至主腔體。

2)擋板以下部分。由于擋板阻攔的作用，導致高速的氣流在沖擊擋板后沿四周發散開來，一部分沿擋板下方和左右兩側運動，直至擋板邊緣，又被吸向吸風口方向；另一部分沿擋板向上，在擋板與壁面的夾角間形成一個強旋流，同時可以發現該部分氣流并再次往下運動，說明這部分氣流最后是沿著垂直于等值線圖的兩個法向方向運動。這兩部分氣流的運動方向都有利于攜帶輕質雜質從分離室離開。

3)出料口部分。這一區域流場分布非常均勻穩定，流速也非常低，非常有利于那些碰撞擋板而落下的飽滿物料的收集，而不會因為氣流較大而把沉積的飽滿物料吸出分離室。

4)擋板以上部分。該區域流場分布較為均勻，流速也適中，既能夠使進入該區域的輕質雜質被順利吸出分離室，又能夠將那些進入該區域卻又不希望被吸出的飽滿物料留下，而使它們能夠落入下方的出料口區域。

3氣固兩相流仿真與分析

3.1兩相流模型

由于分離室內顆粒相濃度很小，其體積分數遠遠小于連續相，即氣相體積的10%～12%，因而可以忽略固相顆粒對氣相流場的影響[7]。故分離室內種子和雜質的運動可以選用DPM離散相模型來模擬。DPM模型把流體相當作連續介質處理，而把顆粒相作為離散介質，利用已知的氣體流場信息，迭代求解顆粒的運動方程，進而得到顆粒相的運動規律。

3.2邊界條件與顆粒相設置

邊界條件設置與單相流仿真類似，但還需要設置各個邊界對于顆粒的作用效果。顆粒由進料口截面均勻分布進入分離室內，假設顆粒運動始終未離開分離室，則認為顆粒被收集；從吸風口、入風口和入料口隨著氣流而離開分離室的顆粒，認為是被篩選分離出的顆粒。當顆粒碰到這3個邊界時，將停止對其的追蹤，故將DPM邊界類型設為“escape”；顆粒運動到其余壁面會反彈，則將其余壁面處的邊界類型設為“reflect”[8]。

顆粒相設置主要是針對仿真環境特性和仿真顆粒屬性的設置。環境特性包括顆粒進入分離室的初始速度和顆粒物與壁面的反射系數，這些參數影響了顆粒在分離室內的運動特性；顆粒屬性包括兩種顆粒各自的物理屬性和喂入量，具體參數如表2和表3所示。

表2　仿真環境的特性

表3　仿真顆粒的屬性

3.3物料運動規律

DPM兩相流仿真是在獲得單相流仿真的流場信息基礎上，通過添加離散的顆粒相進行迭代計算，進而得到顆粒在流場中的運動軌跡。研究中同時設置了空心顆粒和實心顆粒，分別代表輕質雜質和飽滿物料，用以仿真模擬分離過程，兩種顆粒群運動軌跡如圖4所示。

空心顆粒從入料口進入分離室后，被氣流高速地提升至主腔體內，碰到擋板后，其運動規律類似上一章中分析的氣流的運動規律，絕大部分沿擋板運動，到達擋板邊緣后，被吸至上方吸風口處，而排出分離室；但也有一小分部空心顆粒在擋板和壁面間碰撞后，最后落到出料口區域沉積而不能被排除。

圖4　顆粒運動軌跡

實心顆粒進入分離室后，同樣被提升至主腔體內，不過不同于空心顆粒的是，實心顆粒由于密度、慣性較大，所以上升的速度較空心顆粒慢，因此在提升管道的上方會和壁面發生碰撞、摩擦，導致實心顆粒進入主腔體的速度進一步降低，這有利于實心顆粒落入下方的出料口區域。從圖4中可以看出：在擋板的作用下，所有實心顆粒都最終都落在出料口區域，并且都靜止沉積。在實際工作中，當沉積的物料的重力大于內外壓強差的對出料口造成的壓力時，出料口自動打開，排除收集的物料。

4工作參數的優化

4.1分離效率的定義

清潔率和損失率的定義均采用顆粒跟蹤法[9]。當顆粒進入分離室時便開始跟蹤。經過分析粒子在分離室內的運動情況，設置跟蹤的步長為 5 000步，使得可以被分離的粒子有足夠的時間(長度)離開分離室。如果顆粒在所設定的步長內離開了分離室，便停止跟蹤；若在所設定的步長內仍未從分離室被吸出，便認為此顆粒無法被分離，也停止跟蹤。將保留在分離室的顆粒看作是被收集；從分離室上方兩個吸風口被吸走的顆粒被認為是被分離的顆粒。這樣，根據統計保留在分離室內和被吸出分離室的顆粒種類和數目，即可到清潔率和損失率為

(1)

(2)

4.2試驗方案與結果

為了獲得風力篩選機工作參數的最佳組合，進行三因素三水平正交仿真試驗，參數選擇如表4所示，并分別考察篩選的清潔率和損失率。根據正交試驗表，在Fluent中安排9組數值模擬計算。風機頻率影響的參數是吸風口處的風壓大小，所以不同風機頻率下的仿真結果是通過設置對應頻率下的吸風口處風壓實現的。試驗分組及計算結果如表5所示。

表4　正交試驗因素水平

表5　仿真試驗分組及試驗結果

4.3數據處理與分析

極差是一個因素各水平均值的最大值與最小值的差，反映了該因素的水平變動對指標影響的大小，極差越大，說明此因素的水平改變時對試驗指標的影響越大，極差最大的那一列，那個因素就是考慮的主要因素。對正交試驗所得結果進行極差分析。分析結果如表6和表7所示。

表6　清潔率極差分析結果

表7　損失率極差分析結果

由于本試驗包括兩個衡量指標—清潔率和損失率，所以本試驗結果采用綜合平衡法來進行處理[10]。所謂的綜合平衡法是指：先把各指標按單一指標進行計算分析，然后再把對各指標的分析結果進行綜合比較，從而得出最佳的方案。對各試驗指標分別計算出各因素水平的平均值，并畫出各試驗因素與清選指標關系圖，如圖5和圖6所示。為了方便查看，將各點用直線連起來，實際上并不一定是直線。

圖5　試驗因素與清潔率的關系圖

圖6　試驗因素與損失率的關系圖

根據極差的大小排出的3個因素分別對兩個指標影響的顯著性的主次順序為清潔率：C B A；損失率：C B A。

由此可以看出，3個因素分別對2個指標影響的重要性的主次順序剛好是一致的；但是從極差的大小來看，3個因素對清潔率影響的顯著性明顯高于對損失率影響的顯著性。根據圖5知：各試驗因素與指標關系圖，確定各試驗因素的最佳組合：清選清潔率指標：A2 B1 C3，清選損失率指標：A1 B3 C1。

通過綜合平衡以確定最優的方案：

1)因素A：雖然取A2時能夠獲得最高的清潔率，但損失率偏高。在農業生產實踐中，要盡量先保證低的損失率。而取A1時能夠保重獲得較高清潔率的同時，得到最低的損失率，故選取A1。

2)因素B：不管對于清潔率還是損失率，均是從B1到B3遞減的。而本文目標是要在獲得較高清潔率的情況下，盡量降低損失率。觀察圖表可以發現從B1到B2清潔率下降較少，但是損失率降低較多；而從B2到B3清潔率下降較多，損失率卻降低較少，故選取B2。

3)因素C：無論對于清潔率還是損失率，都是從C1到C3遞增的。與因素B的選取標準相同,取C2時能夠獲得較理想清潔率的同時，有效控制損失率，故選取C2。

根據以上綜合平衡法的分析，得到的最優方案為A1B2C2。這正好與上述試驗表中最為理想的第2組試驗相吻合，故將方案A1B2C2作為最優的試驗組合。但考慮到無論對于清潔率還是損失率，因素A都是最次要的因素，對指標的影響的顯著性不高；所以在需要提高工作效率的情況下，可以選擇方案A2B2C2作為理想的試驗組合。在該組合下，清潔率為86.03%，損失率為1.52%。

由以上的試驗和結果分析，獲得了最優的工作參數組合，即喂入量為1.5kg/min、吸風口開度75%、風機頻率為40Hz時，清選效果最好。當需要提高工作效率和產量時，可以將喂入量提高至3kg/min，吸風口開度和風機頻率不變。

5結論

利用Fluent軟件中RNG k-ε湍流模型和DPM離散相模型進行仿真模擬，得到分離室內氣相分布規律以及顆粒相運動狀況，并對其進行了分析，從而掌握了分離室內氣固兩相運動規律。同時，通過仿真研究不同工作參數下的篩選分離效果，發現不同喂入量、不同風門開度和不同風機頻率對分離效果有不同影響，因而設計三因素三水平正交實驗進行工作參數優化。上述研究結果為今后進一步完善種子風力篩選機提供了理論依據。

但由于分離室內顆粒的運動較為復雜，同時受外界很多因素的影響，在未來研究工作中，還需建立更精準的運動模型，并要綜合考慮其他因素進行全面分析研究，優化種子風力篩選機的結構設計。

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Simulation and Optimization of Airflow Field in Separation Chamber of Air-screening Machine

Li Teng, Gao Haotian, Zhao Chunyu, Zhu Chenggang, Huang Zhenyu

(School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Abstract：Separation chamber is an important part of the seed air-screening machine, it has great engineering significance of studying on gas-solid two phase flows of airflow and seed.Using RNG k-ε turbulence model of soft Fluent to simulate airflow field distribution in the separation chamber.On the basis，the DPM(discrete phase model) was used to simulate the motion state of full seed and light impurity in the separation chamber.On the basis of two phase flow model of this separation chamber, analyzing the effects of different feeding speed，air outlet magnitude and fan frequency on seed cleaning.Calculating the optimal working parameters by simulating orthogonal experiment. The study provides reference for design and optimization of agricultural machine which bases on air dynamics theory.

Key words：separation chamber; two phase simulation; separation efficiency; optimization； seed

文章編號：1003-188X(2016)07-0085-05

中圖分類號：S226.5

文獻標識碼：A

作者簡介：李騰(1990-)，男(回族)，昆明人，碩士研究生，(E-mail)lt_liteng@qq.com。通訊作者：趙春宇(1971-)，男，哈爾濱人，副教授，碩士生導師，(E-mail)zhaocy@sjtu.edu.cn。

基金項目：國家“863計劃”項目(2012AA10A505)

收稿日期：2015-06-06