分流對沖與多級擴容組合式集沙儀內風沙分離規律研究

宋 濤 商曉彬 仇 義 陳 智 邊炳傳 劉海洋

(1.內蒙古農業大學機電工程學院， 呼和浩特 010018； 2.泰山學院機械與工程學院， 泰安 271000)

分流對沖與多級擴容組合式集沙儀內風沙分離規律研究

宋 濤1,2商曉彬1仇 義1陳 智1邊炳傳2劉海洋1

(1.內蒙古農業大學機電工程學院， 呼和浩特 010018； 2.泰山學院機械與工程學院， 泰安 271000)

為揭示風沙在集沙儀內部的分離規律，以分流對沖與多級擴容組合式集沙儀風沙分離器為研究模型，通過Fluent數值模擬和微型風洞試驗，對風沙分離器內單相流場和氣固兩相流場進行了分析。在闡釋氣流降速機理的基礎上，進一步分析了氣流降速和入口氣流中沙塵所占體積分數對風沙分離的影響，并通過分析沙塵的運動規律，闡述了不同粒徑沙塵受流場影響的情況。結果表明，氣流大幅降速是實現風沙分離的最有效方法，而引起氣流速度大幅降低的主要原因是較大值的湍動能場的大范圍形成；對于風沙流，當沙塵含量增高時，降速效果變好，風沙分離效果也變好；當沙塵含量進一步增高時，降速及風沙分離效果則變化不大；對于分流對沖與多級擴容組合式集沙儀，當沙塵受強風以下風力影響時，粒徑小于0.032 41 mm的沙塵較易受到流場的誘導，受慣性運動的影響較小，從排氣口排出的可能性較大，是影響風沙分離效率和集沙效率的主要粒子。

集沙儀； 集沙效率； 數值模擬； 流場

引言

集沙儀是觀測風沙流結構和研究風沙運動規律的關鍵設備，對研究風沙運動的物理機制，揭示土壤風蝕的發生、發展和演化過程，有效防治土壤風蝕具有十分重要的作用[1-3]。集沙效率是衡量集沙儀性能的關鍵指標，集沙儀受風沙分離效率的影響較大，而風沙分離效率又與風沙分離規律存在著必然聯系。雖然集沙儀結構簡單，但風沙在其內部的分離規律卻很難通過試驗方法預測，現有文獻也鮮有涉及集沙儀內風沙分離規律的研究，這為設計更高集沙性能的集沙儀帶來了困難。因此，深入研究風沙在集沙儀內部的分離規律很有必要。

本文以分流對沖與多級擴容組合式集沙儀的關鍵部件——風沙分離器為研究模型，利用數值模擬和試驗驗證相結合的方法，對其內部單相流場和氣固兩相流場進行分析，闡述氣流降速機理和風沙分離規律。

1 研究模型

分流對沖與多級擴容組合式集沙儀是一種可實時、連續和遠距離無線采集數據的新型集沙儀(圖1)。該集沙儀的進氣口等動力性為92.94%，風速9～18 m/s時平均集沙效率為90.42%，可較好地滿足土壤風蝕量的自動觀測需求[4]。

圖1 分流對沖與多級擴容組合式集沙儀結構簡圖Fig.1 Structure diagram of shunt-hedging and multi-stage expansion combined sand sampler1.導向板 2.風沙分離器 3.球軸承 4.集沙盒 5.稱量傳感器 6.數據傳輸天線 7.數據采集系統 8.蓄電池

風沙分離器是該集沙儀的關鍵部件(圖2)，起到分離風沙和消除氣流對集沙盒下稱量傳感器擾動的作用。利用Gambit軟件建立風沙分離器幾何模型，并將該模型劃分為3個計算域：計算域1由進氣管、分流對沖腔、擴容腔和上回流腔組成；計算域2由排氣管和楔形體組成；計算域3由分離腔和下回流腔組成。體網格以四面體為主，尖端等邊緣部位包含六面體、錐體和楔形單元的非結構性網格，共生成網格464 911個。

圖2 風沙分離器結構模型Fig.2 Structure model of sand separator1.進氣管 2.楔形體 3.排氣管 4.分流對沖腔 5.擴容腔 6.上回流腔 7.分離腔 8.下回流腔

根據試驗裝置的運行參數和工況調節方法，模型進氣口采用速度入口邊界條件，排氣口和排沙口采用速度出口邊界條件。計算域固體壁面采用無滑移邊界條件(即湍動能k=0，耗散率ε=0)，近壁面區域流動則采用滿足對數分布的標準壁面函數條件，其余計算設置如表1所示。

表1 數值計算設置Tab.1 Numerical calculation settings

2 數值模擬

2.1 氣流降速機理分析

當氣流流動的雷諾數超過2 300時，流場就會出現大量小漩渦，流動的規則性遭到破壞，形成湍流。從物理結構上看，湍流由不同尺寸的渦疊合而成，大尺度渦破裂后形成小尺度渦，小尺度渦破裂后形成更小尺度渦[5]。大尺度渦通過湍動能從時均主流中獲取能量，再通過渦間作用將能量傳遞給小尺度渦，小尺度渦則將能量轉化為內能[6-7]，從而實現氣流速度的降低。

從圖3看出，較大值的湍動能主要分布在進氣管的A區域、分流對沖腔的B和C區域，以及擴散腔和上回流腔的D區域。研究[8]表明，湍動能較大的地方湍動能耗散也較大，較大值的湍動能往往出現在流態變化復雜、渦旋活動劇烈的強湍流區。在強湍流區，分布著大量的湍動氣流，這些湍動氣流通過雷諾切應力做功從時均主流中提取了大量動能，表現為大脈動值、高紊亂度和很不穩定性。當這些湍動氣流遭受外力、結構變化等因素影響時，就會產生大量的小尺度渦，甚至還會伴隨有能量的二次傳遞，加劇能量的耗散。如圖3所示，在反向對沖和回流影響下，湍動能分布區域的后續流場均是大范圍的渦流場。在渦流場內，氣流質點間頻繁作用，急劇耗散能量。因此，較大值的湍動能場的大范圍形成是加劇氣流動能耗散的關鍵因素，是引起氣流速度大幅降低的主要原因。

圖3 風沙分離器內氣流湍動能云圖Fig.3 Turbulent kinetic energy contour diagram of airflow in sand separator

2.2 氣流降速對風沙分離的影響分析

風沙流是沙塵受風力影響而形成的移動現象。英國學者BAGNOLD發現，粒徑為0.10～0.15 mm的沙塵易以躍移形式運動，小于0.10 mm的沙塵易以懸移形式運動，大于0.15 mm的沙塵易發生蠕移[9]。文獻[10]認為，小于0.075 mm的沙塵易脫離地表而懸浮在空中。文獻[11]認為，懸移沙塵的粒徑一般小于0.05 mm，躍移沙塵的粒徑多為0.1～0.5 mm，而粒徑大于0.5 mm的沙塵所受重力大于空氣拖曳力，一般不離開地表。可見，風沙移動與氣流速度、沙塵粒徑存在著必然聯系。

沙塵懸浮速度公式[12-13]為

(1)

式中v0——沙塵懸浮速度，m/sds——沙塵粒徑，mρs——沙塵密度，kg/m3ρ——空氣密度，kg/m3c——系數，取0.4m——沙塵質量，kgD——流通管道的當量直徑，m

從圖4看出，當進氣口氣流速度為13.8 m/s時，排沙口和排氣口氣流速度降至1.11 m/s。將v0=1.11 m/s代入式(1)，得ds=0.017 mm。這說明由經驗公式推算，當入口氣流受強風影響時，粒徑大于0.017 mm的沙塵在風沙分離器內可被完全分離和收集。若將風沙分離器內氣流速度降至更低，則被分離沙塵的粒徑范圍將會更大。因此，氣流大幅降速是實現風沙分離的最有效方法。

圖4 風沙分離器內氣流速度云圖Fig.4 Airflow velocity contour diagram in sand separator

2.3 沙塵體積分數對風沙分離的影響分析

假設空氣為氣相，沙塵為固相。兩相流系統比單相流系統復雜得多，但它們在本質上都遵循著質量、動量和能量傳遞的基本物理規律[14]。求解時，通常認為固相呈均勻的球形，初始徑向和軸向速度為零，切向速度為入口氣流速度，空間各處氣固兩相共存，相互滲透，兩相具有不同的群體速度及體積分數，但同一半徑面上同一尺寸組的顆粒有相同速度。在圖4中取8個位置點，數值計算出入口氣流中固相所占體積分數為0、5%、10%、15%、20%時的氣流速度，如圖5所示。

圖5 不同固相體積分數時氣流速度變化曲線Fig.5 Variation curves of airflow velocity at different solid volume fractions

從圖5看出，摻雜固相的氣流在風沙分離器內的降速效果明顯好于純氣體，但隨著固相體積分數的增大，氣流速度的降幅變化卻逐漸不明顯。這說明當沙塵含量增高時，降速效果變好，風沙分離效果也變好；當沙塵含量進一步增高時，降速及風沙分離效果則變化不大。

2.4 沙塵運動規律分析

將氣相視為連續相，固相視為離散相，在歐拉坐標系下利用N-S方程組求解氣相的流動特性，再在拉格朗日坐標系下應用牛頓第二定律求解氣相流場中離散相的運動軌跡來反映整個固相流場，從而揭示每個粒子的運動規律[15]。假設固相與氣相同時等速進入風沙分離器，氣相作為主相，固相作為離散的第二相，粒徑分別取0.5、0.1、0.01 mm。首先對氣相流場進行數值計算，待計算完畢后再添加入口的粒子噴射流，質量流量取0.015 2 kg/s。

從圖6a看出：①在進氣管和分流對沖腔內，粒徑0.5 mm粒子的運動軌跡較多，碰觸壁面現象較明顯，振蕩時間約1 s，說明此階段粒子對氣流具有較好的跟隨性，風沙不易分離。②當粒子下行至擴容腔和反向對沖腔后，振蕩時間增至10 s以上，下行至分離腔后仍繼續振蕩，說明此階段粒子的自身慣性力已經破壞了流場的誘導，對氣流的跟隨性大幅減弱，風沙開始分離。③排氣管內出現了一條粒子軌跡，在碰觸壁面后又返回了分離器，說明當風速小于13.8 m/s(即風力低于強風)時，粒徑0.5 mm粒子從排氣口排出的可能性不大。

從圖6b、6c看出，粒徑0.1 mm和0.01 mm粒子的運動軌跡變得平滑有序，振蕩時間增長，與壁面的交點減少，說明隨著粒徑的減小，粒子對氣流的跟隨性變得更好，受慣性運動的影響變小，發生風沙分離的位置逐漸靠后，從排氣口排出的可能性變大。

圖6 粒子的運動軌跡Fig.6 Trajectories of particles

綜上所述，粒子會受到自身慣性力和氣流曳力的綜合影響。當風力低于強風時，粒徑接近或大于0.5 mm的粒子受流場變化的影響較小，慣性運動起主要作用，較易脫離氣流，從排氣口排出的可能性不大；粒徑接近或小于0.1 mm的粒子容易受到流場的誘導，風沙分離的位置較靠后，從排氣口排出的可能性變大，是影響風沙分離效率和集沙效率的主要部分。

3 試驗驗證

3.1 試驗設備

室內微型風洞1臺，Testo 425型熱敏風速儀1部，膠帶1捆，風沙分離器1個，電子秤(精度0.01 g)1臺， BT2001型激光粒度分布儀1臺，土樣收集袋1個，集沙盒1個，輸沙漏斗1個，計時器1個，試驗架1個， 32目標準篩1個，調整板若干。

3.2 試驗方法

3.2.1 測試湍動能場分布區域

試驗前，在風沙分離器上設計17個測孔，如圖7所示。測孔1和2分別位于進氣管等容段中部和擴容段末端的中心位置，測孔3～5位于分流對沖腔中部，測孔6～8位于分流對沖腔下端、測孔3～5正下方，測孔9～11位于擴容腔中部，測孔12～15位于上回流腔中部，測孔3、6、9、12中心軸線與進氣管中心軸線呈45°，測孔4、7、10、13中心軸線與進氣管中心軸線呈90°，測孔5、8、11、15中心軸線與進氣管中心軸線呈135°，測孔14中心軸線與進氣管中心軸線呈120°，測孔16位于分離腔下端，其中心軸線與進氣管中心軸線呈60°，測孔17位于排沙口左下端位置，測速方向與進氣管中心軸線呈0°。

圖7 測孔設計位置示意圖Fig.7 Design position schematic of measuring hole

試驗時，預先將所有測孔密封，固定在試驗架上，調整進氣口正對微型風洞試驗段中心軸線。將Testo 425型熱敏風速儀探頭從微型風洞試驗段測速孔伸入，置于中心軸線位置，對準來流方向，開啟風機，待風速穩定至13.8 m/s時，取出風速儀，密封測速孔。再將風速儀依次伸入測孔1～17，考慮到測孔內空間狹小，測孔1、3～8各取3個測點，測孔2取8個測點，測孔9～17各取10個測點。將風速儀探頭從測孔口沿氣流流動的垂直方向緩慢行進，氣流的流動方向參照圖3，測點間距為5 mm，探頭在不同方向上可作微調，盡量保證探頭正對氣流的流動方向，隨機讀取10個數據。

3.2.2 測試土樣體積分數對分離效率的影響

試驗土樣取自內蒙古農業大學科技園試驗田，試驗前對土樣進行自然干燥，通過恒溫箱烘干法，在105℃的烘干箱內將土樣干燥6～8 h至恒質量，測得自然干燥后土樣的含水率為1.48%。再將自然干燥后的土樣，用32目標準篩篩出粒徑0.5 mm以下的混合土樣，取18份，每份1 kg。

試驗時，土樣添加時間預定為300、250、200、150、100、50 s左右，可根據實測添加時間推算出土樣所占體積分數。風速取13.8 m/s，試驗完畢后，將集沙盒收集的土樣進行稱量，采用圖8所示試驗裝置。

圖8 氣固分離試驗裝置Fig.8 Gas-solid separation test device1.輸沙漏斗 2.風洞試驗段 3.集沙盒 4.土樣收集袋

3.2.3 測試強風時粒徑收集范圍

試驗土樣取3份，每份1 kg。試驗裝置如圖8所示，試驗時，先將微型風洞試驗段風速穩定至13.8 m/s，再往輸沙漏斗內添加土樣，添加時間不少于5 min，重復做3次，采用同一個土樣收集袋。試驗完畢后，利用BT2001型激光粒度分布儀的濕法測試系統分析土樣收集袋內土樣的粒徑分布范圍。

3.3 試驗結果與分析

3.3.1 湍動能場分布區域分析

圖9 氣流速度的脈動值Fig.9 Fluctuation value of airflow velocity

3.3.2 土樣體積分數對分離效率的影響分析

由表2可知，隨著入口氣流中土樣所占體積分數的增大，風沙分離器的風沙分離效率也逐漸增大，當體積分數進一步增大時，分離效率的增大趨勢減緩，這與數值模擬結果基本相符。

表2 不同土樣體積分數時的分離效率Tab.2 Separation efficiency at different volume fractions

3.3.3 強風時粒徑收集范圍分析

從激光粒度分布儀的分析數據看，土樣收集袋內粒徑0.498～1.453 μm的土樣占4.18%，粒徑1.453～3.809 μm的土樣占17.75%，粒徑3.809～9.983 μm的土樣占36.61%，粒徑9.983～32.41 μm的土樣占41.46%。可見，當風沙流受強風以下風力(風速小于13.8 m/s)作用時，粒徑大于0.032 41 mm的土樣可完全被收集，大于經驗公式推算的0.017 mm，小于沙塵運動規律分析的0.1 mm，這可能歸因于數值模擬結果的邊界條件、計算設置均是理想化，而試驗模型的實際制約條件(如模型不對稱度、壁厚、修正等)很難在數值模擬中體現與約束。

4 結論

(1)氣流大幅降速是實現風沙分離的最有效方法，而引起氣流速度大幅降低的主要原因是較大值的湍動能場的大范圍形成。

(2)對于風沙流，當沙塵含量增高時，降速效果變好，風沙分離效果也變好；當沙塵含量進一步增高時，降速及風沙分離效果則變化不大。

(3)對于分流對沖與多級擴容組合式集沙儀，當沙塵受強風以下風力影響時，粒徑小于0.032 41 mm的沙塵較易受到流場的誘導，受慣性運動的影響較小，從排氣口排出的可能性較大，是影響風沙分離效率和集沙效率的主要粒子。

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SONG Tao1,2SHANG Xiaobin1QIU Yi1CHEN Zhi1BIAN Bingchuan2LIU Haiyang1

(1.CollegeofMachineandElectronicsEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Huhhot010018,China2.CollegeofMachineryandEngineering，TaishanUniversity，Taian271000，China)

When wind speed, soil particle size distribution, collection time and inlet collection efficiency etc. are certain, separation efficiency of sand sampler is the main factor affecting collection efficiency, which is often affected by wind-sand separation rules. In order to reveal wind-sand separation rules in the sand sampler, a sand separator in the shunt-hedging and multi-stage expansion combined sand sampler was took as a study model, a analysis of single-phase flow field and gas-solid two-phase flow field in the sand separator was made through Fluent numerical simulation and micro wind-tunnel test. On the base of explaining reducing velocity mechanism of airflow, a further analysis of airflow reducing velocity and sand volume fraction effect on wind-sand separation was done, and the influencing situation of different particle size of sand was expounded. The results showed that reducing velocity substantially was the most effective method that achieving wind-sand separation, the main reason caused by substantial airflow speed reduction was the formation of a large value of turbulent kinetic energy field; for wind-sand flow, when the sand content was high, the wind-sand separation effect was going to be good with good velocity reducing effect, when sand was affected by strong winds, sand with particle size less than 0.032 41 mm was easily induced by flow field, less affected by the motion of inertial, the possibility excreted from the exhaust port was large, which was the main part that affected sand separation efficiency and sand collection efficiency. The study provided a theoretical reference for the design of sand sampler, which had a good collection performance, and it further improved the theoretical system of sand sampler technology.

sand sampler; sand collection efficiency; numerical simulation; flow field

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.03.014

2016-07-10

2016-10-31

國家自然科學基金項目(41361058、41161045)

宋濤(1979—)，男，博士生，泰山學院講師，主要從事環境控制工程及其技術裝備研究，E-mail: stsong925@163.com

陳智(1962—)，男，教授，博士生導師，主要從事環境控制工程及其技術裝備研究，E-mail: sgchenzhi@imau.edu.cn

S237

A

1000-1298(2017)03-0113-06