基于Fluent的風篩式清選室氣流場的仿真

余波　王強　王霜

摘要：丘陵山區適用的小型半喂入聯合收割機結構緊湊，對清選效率的要求高，而氣流場對于風篩式清選裝置清選性能有重要影響，因此研究整個清選室的氣流場分布規律，有利于進一步提高收割機的清選效率。為獲得清選室氣流分布規律，采用正交試驗方法進行設計。針對4LBZ-105型半喂入聯合收割機風篩式清選室的特點，運用Creo軟件建立了清選室型腔計算域模型，利用ICEM CFD軟件進行了網格劃分，通過Fluent軟件對離心風機風速、吸引風機風速、離心風機傾角、百葉窗篩夾角4個參數變化時的清選室氣流場進行了三維數值仿真。根據仿真試驗結果，分析這4個參數對氣流場的影響規律，得到雜質有效分離的參數：離心風機風速為12m/s，吸引風機風速為6m/s，離心風機傾角為25°，百葉窗篩夾角為40°。

關鍵詞：氣流場；風篩式清選室；數值仿真；聯合收割機；Fluent；湍流模型

中圖分類號： S226.5 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0358-03

氣流和篩子相配合的清選方式有較高的清選效率，在聯合收割機中被廣泛應用。風篩式清選裝置由風扇、篩子組成，篩子由桿件支撐或懸吊作往復運動，風扇多為吹出型。谷?；旌衔镉捎诤Y子振動被送至篩子前端，輕雜靠氣流場作用被吹走，大雜由尾篩排除，谷粒通過篩孔流入螺旋推運器（攪龍）進入糧倉[1]。清選室的氣流分布對整個清選過程有著重要影響，研究清選室的氣流場分布規律可以優化清選結構、提升清選效率[2-4]。近年來，計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）軟件被運用于農機設備的流場研究[5-7]，其可行性得到了國內外學者的認可。為了提高適于丘陵山區的收割機清選效率，以4LBZ-105型半喂入聯合收割機為試驗樣機，采用正交試驗方法，利用Fluent進行清選室氣流場數值模擬，得到清選室氣流場分布，分析清選裝置的主要參數對氣流場的影響規律。

1 氣流場數學模型

氣體動力學微分控制方程如下。

連續方程：

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；u為流體流動速度，m/s；t為時間，s；μ為動力黏度，Pa·s；p為靜態壓力，N；ρui′uj′為Reynalds壓力，N；k為湍動能，Pa/s；ε為湍流耗散率，m2/s2；μt為湍流黏度，Pa·s；Gk為平均速度梯度引起的湍動能，Pa/s；Gb為浮力影響引起的湍動能，Pa/s；YM為可壓縮湍流擴張對總耗散率的影響，Pa/s；σk為湍動能對應的Prandtl數；σε為耗散率對應的Prandtl數；Cμ、C1ε、C2ε、C3ε為Fluent中的模型常數；Si、Sk、Sε為源項；gi為重力i的分量，N；Prt為湍動Prandtl數；β為熱膨脹系數；T為溫度，℃；Mt為馬赫數。

2 結構模型與計算模型

4LBZ-105型半喂入聯合收割機風篩式清選裝置的大致結構見圖1，整個清選室內部的氣流由離心風機、吸引風機共同作用產生。

考慮到4LBZ-105型半喂入聯合收割機風篩式清選室結構的復雜性，以及生成網格對模擬精度的影響，在保證計算區域與實際流動區域一致性的情況下，對計算域模型進行適當的簡化。下篩采用的是孔徑較大的編織篩，對流場的影響較小，因而進行了省略。利用Creo繪制清選室型腔計算域模型，如圖2所示。為了仿真分析，構建不同風機傾角（20°、25°、30°）、篩子夾角（26°、32°、40°）9種組合的三維模型。將建立好的三維模型導入到ICEM CFD中進行網格劃分，采用不同的網格尺寸劃分不同面域；體網格類型采用Tetra/Mixed，生成方式采用Robust（Octree）。

3 求解方法和邊界條件

在初始環境下，由于清選室內氣流場分布狀態未知，求解方式采用基于壓力的SIMPLE非耦合隱式求解算法，離散格式為二階迎風格式，設置工作壓力為1個標準大氣壓[8]；邊界條件：離心風機進風口、吸引風機吸風口為速度入口，出風口設置為自由出口，其他設置保持為默認狀態。將各個試驗方案的mesh文件導入到Fluent軟件中進行迭代計算，設置收斂殘差為0.001，通過后處理得到監控點的氣流速度。

4 清選室氣流場分析

4.1 試驗原理

要得到潔凈的籽粒就必須盡可能地排出雜質，根據風選理論，篩孔處的上升氣流速度超過雜質的漂浮速度，則雜質不會從篩孔漏下；篩孔處的上升氣流速度過大，籽粒通過篩孔會受阻，甚至不能有效通過篩孔，反而會降低清選效率。出風口的氣流速度也應該在保證籽粒不被吹出的同時雜質被有效吹離。如圖3所示，傾斜氣流以與篩面成θ角度的速度v作用于物料，垂直向上的氣流速度 需要克服物料漂浮速度，滿足：vy=vsinθ，vy>vl。

根據文獻[1，9]，如表1所示，要能夠有效分離雜質，則篩面應滿足6 m/s

4.2 正交試驗方案及結果

為了分析離心風機風速、吸引風機風速、離心風機傾角及百葉窗篩夾角對清選室氣流場的影響規律，進行了4因素3水平的正交仿真試驗，因素水平設計見表2，分別考察篩面中心篩孔A點、出風口中心B點的風速。

根據L9（34）正交試驗表[10]，在Fluent中安排9組仿真試驗，試驗分組及計算結果見表3。

4.3 試驗數據分析

根據仿真試驗結果，將各因素水平變化的情況通過散點趨勢圖表示，如圖4-a、圖4-b、圖4-c、圖4-d所示。由圖4-a可以看出，離心風機的風速變化對篩面上、出風口的風速影響較為明顯；隨著離心風機風速的逐漸加大，篩面上、出風口的風速均有較明顯增加的趨勢。由圖4-b可以看出，吸引風機的風速變化對篩面上、出風口的風速影響有所不同；隨著吸引風機的風速逐漸加大，篩面上的風速有所增加，出風口的風速則逐漸減小。過大的吸引風速會導致雜質無法被吹出清選室。由圖4-c可以看出，當離心風機傾角增加時，篩面上的風速呈上升趨勢，出風口的風速呈下降趨勢；而當離心風機傾角大于25°時，出風口的風速有回升趨勢。由圖4-d可以看出，當百葉窗篩夾角增加時，篩面上的風速呈上升趨勢，出風口的風速變化平穩。大的百葉窗篩夾角有利于篩面氣流對雜質與顆粒的分層作用。

根據表3得到的試驗數據，4號試驗所得到的仿真試驗數據滿足清選要求。因此，得到滿足清選要求的試驗參數組合為W2X1Y2Z3。圖5為根據參數組合W2X1Y2Z3得到的清選室氣流場速度矢量，可以看出：在2個風機的共同作用下形成比較流暢的氣流場，在百葉窗篩孔處流場的方向、大小有所改變，最終流場向著出風口處流出，有利于將雜質吹出清選室。

5 結論

利用ANSYS軟件中集成的Fluent對清選室氣流場進行數值模擬計算，得到了整個清選室的氣流場分布，計算出氣流場中篩面上中點、出風口氣流速度。

采用正交仿真試驗，分析離心風機風速、吸引風機風速、離心風機傾角及百葉窗篩夾角對清選室氣流場的影響，其中百葉窗篩夾角對清選室的篩面氣流場的分層影響較大。

通過仿真試驗得到籽粒與雜質有效分離的參數組合：離心風機風速為12 m/s，吸引風機風速為6 m/s，離心風機傾角為25°，百葉窗篩夾角為40°。

參考文獻：

[1]李寶筏. 農業機械學[M]. 北京：中國農業出版社，2003：169-170.

[2]鐘 挺，胡志超，顧峰瑋，等. 4LZ-1.0Q型稻麥聯合收獲機脫粒清選部件試驗與優化[J]. 農業機械學報，2012，43（10）：76-81.

[3]李耀明，趙 湛，陳 進，等. 風篩式清選裝置上物料的非線性運動規律[J]. 農業工程學報，2007，23（11）：142-147.

[4]李耀明，唐 忠，李洪昌，等. 風篩式清選裝置篩面氣流場試驗[J]. 農業機械學報，2009，40（12）：80-83.

[5]李洪昌，李耀明，徐立章，等. 風篩式清選裝置氣流場的數值模擬與分析[J]. 江蘇大學學報：自然科學版，2010，31（4）：378-382.

[6]Panneerselvam R，Savithri S，Surender G D. CFD modeling of gas-liquid-solid mechanically agitated contactor[J]. Chemical Engineering Research & Design，2008，86（12A）：1331-1344.

[7]Gebrehiwot M G，De Baerdemaeker J A. Effect of a cross-flow opening on the performance of a centrifugal fan in a combine harvester：computational and experimental study[J]. Biosystems Engineering，2010，105（2）：247-256.

[8]李 方，李耀明. 切縱流清選室氣道氣流優化與仿真研究[J]. 農機化研究，2015，37（2）：75-78.

[9]吳守一. 農業機械學[M]. 北京：機械工業出版社，1992：124-125.

[10]唐啟義，馮明光. DPS數據處理系統：實驗設計、系統分析及數據挖掘[M]. 北京：科學出版社，2007：244-246.