土壤風蝕集沙儀數值模擬與降速性能分析

商曉彬，陳 智，宋 濤，常佳麗，仇 義，陳利杰

(內蒙古農業大學 機電工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018)

土壤風蝕集沙儀數值模擬與降速性能分析

商曉彬，陳 智，宋 濤，常佳麗，仇 義，陳利杰

(內蒙古農業大學 機電工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018)

土壤風蝕；分流對沖式集沙儀；有限元分析；優化設計

集沙儀是研究土壤風蝕的一種重要裝置，是觀測風沙流結構和研究風沙運動規律的關鍵設備。為獲得大量而精確的風蝕數據，需要不斷地對集沙儀進行創新和優化設計。通過GAMBIT軟件建模，以排氣口最高風速、平均風速和排沙口最高風速、平均風速為目標函數，優化設計了排氣管長度參數、排氣管直徑參數、排沙口距離參數、排沙口直徑參數等，利用FLUENT軟件對分流對沖式集沙儀進行仿真模擬，基于RNGk-ε湍流模型對分流對沖式集沙儀進行數值分析，得到結論：排氣口最高風速受排氣管長度影響很大，平均風速基本不受排氣管長度影響；排氣口最高風速、平均風速基本不受排沙口直徑影響；排沙口最高風速與排沙口直徑有關，隨排沙口直徑的增大逐漸降低，當排沙口直徑增大到一定值時，排沙口最高風速不再下降，在某個值附近波動。

土壤風蝕是土壤在風力作用下剝蝕、分選、搬運的過程，不僅可以引起土壤質地變粗、結構變壞、肥力下降，而且會導致沙塵暴、揚沙等災害，污染空氣和水質[1]。在土壤風蝕治理研究中，認識并掌握土壤風蝕顆粒的運動規律，及時制定和采取有效的防治措施，對于提高土壤抗風蝕能力、有效控制土壤風蝕至關重要。土壤風蝕集沙儀能夠采集風蝕過程中隨風搬運的沙塵顆粒，可以觀測單寬輸沙率、總輸沙率[2]與風速之間的關系，是觀測風沙流結構和研究風沙移動規律的必備儀器,其結構的差異對于輸沙率的測定和風沙流結構的研究有很大的影響[3]。因此，在宋濤等[4]設計的分流對沖式集沙儀基礎上，利用FLUENT軟件平臺，對不同結構參數集沙儀進行數值模擬，分析風沙分離器內部氣流運動規律，以排氣口最高風速、平均風速和排沙口最高風速、平均風速為目標函數，對集沙儀風沙分離器排氣管直徑、排氣管長度、排沙口直徑、排沙口距離等參數進行優化設計，以期改良集沙儀設計，使風蝕量測量結果更加準確。

1 分流對沖式集沙儀數理模型

1.1 分流對沖式集沙儀工作原理

當氣流作用于分流對沖式集沙儀的風向標時，進氣口便正對風沙分離器，在風沙分離器分流對沖影響下，氣流速度大幅度降低，當氣流速度低于沙塵懸浮速度時，風沙開始分離，氣體從排氣口排出，沙塵則落入集沙盒。可見，風沙分離器是該集沙儀的關鍵部件，起到快速分離風沙的作用。

風沙分離器是基于分流對沖原理設計而成的，它是在進氣管末端設計一個分流結構，迫使氣流分流與對沖，以實現氣流速度的大幅度降低，其結構模型如圖1所示。風沙分離器分流對沖原理為氣流于圖2的A處在楔形體的作用下分成兩股氣流，這兩股氣流在分流結構外表面和風沙分離器內表面之間形成邊界層內外流動，在B處附近發生對沖和渦旋[5]，相互對抗，從而實現氣流速度的大幅度降低。

圖1 分流對沖式集沙儀三維結構示意

1—進氣管；2—楔形體；3—圓柱體；4—外殼

1.2 數值計算模型

RNGk-ε湍流模型對于中等以下的復雜流動，比如分離流、二次流、旋流等流動問題，精度較高[6]。在風沙分離器內部，受氣流繞流和錐形壁面的回流影響，在分離腔和回流腔內出現大量的渦旋，并在整個流場內占據一定比例，故選用RNGk-ε湍流模型較為適合。

1.3 FLUENT軟件邊界類型選擇

選擇設置邊界可以明確幾何模型中那些代表模型邊界的拓撲結構實體的物理特性和操作特性，選擇合適的邊界類型與適用場合。考慮到集沙儀工況為自由流風場，因此在進氣口選擇自由流速度入口類型的時候應該選擇VELOCITY_INLET；集沙盒下面放置稱量傳感器，這就會使風沙分離器排沙口與集沙盒之間存在間隙，因此風沙分離器存在2個自由流出口(排沙口和排氣口)，在選擇自由流出口的邊界類型時應選擇OUTFLOW。風沙分離器中2個計算域之間的數據流通一般是通過排氣管下端口傳遞，因此將排氣管下端口選擇公用交界面類型INTERFACE，其余邊界默認WALL類型。設置進氣口速度為13.8 m/s(強風條件)，水力直徑為0.09 m，湍流強度為5%，然后對氣流流通交界面(INTERFACE面)進行配對。

2 優化設計與數值模擬

2.1 設計方案

現用分流對沖式集沙儀排氣管長度(H1)為30 mm、排氣管直徑(D1)為30 mm、排沙口距離(H2)為15 mm、排沙口直徑(D2)為45 mm，結構示意如圖3所示。

圖3 分流對沖式集沙儀二維結構示意

對風沙分離器排氣管長度、排氣管直徑、排沙口距離、排沙口直徑等參數進行數值模擬。排氣管長度分別取25、35、45 mm，排氣管直徑分別取5、15、25、30、35、45 mm，排沙口距離分別取5、15、25、35 mm，排沙口直徑分別取20、35、50、65、75 mm。對這4個結構參數進行組合，利用GAMBIT軟件建模，導入FLUENT環境進行模擬，觀察不同組合參數下排氣口和排沙口的最低風速，通過比較360個不同結構參數模擬后的結果，研究分流對沖式集沙儀內部氣流的降速規律，得到一個最優的結構參數，從而降低排氣口和排沙口的軸向速度，達到提高風沙分離效率的目的。

2.2 結果與分析

從360個仿真結果中選取了具有代表性的幾組圖進行對比，揭示風沙分離器內部氣流的降速規律。

保持H1=45 mm、H2=25 mm、D2=20 mm不變，改變D1。從圖4可以看出：D1=5 mm時，排氣口最高風速、平均風速分別為41.401、36.695 m/s；D1=15 mm時，分別為4.969、3.766 m/s；D1=25 mm時，分別為2.905、1.292 m/s；D1=30 mm時，分別為2.909、1.040 m/s；D1=35 mm時，分別為2.855、0.969 m/s；D1=45mm時，分別為2.943、0.685 m/s。對比可以看出：排氣口最高風速、平均風速受排氣管直徑影響很大；隨著排氣管直徑逐漸增大，排氣口風速逐漸降低；當排氣管直徑增大到25 mm時，排氣口風速不再降低，最高風速在2.90 m/s附近波動。

圖4 分流對沖式集沙儀排氣口風速隨排氣管直徑變化

保持D1=35 mm、H2=25 mm、D2=20 mm不變，只改變H1。從圖5可以看出：H1=25 mm時，排氣口最高風速、平均風速分別為1.450、1.044 m/s；H1=35 mm時，分別為2.180、0.806 m/s；H1=45 mm時，分別為2.850、0.969 m/s。對比可以看出，排氣口最高風速受到排氣管長度影響很大，而平均風速受到的影響不大。

圖5 分流對沖式集沙儀排氣口風速隨排氣管長度變化

保持H1=25 mm、D1=25 mm、H2=25 mm不變，只改變D2。D2=20 mm時，排氣口最高風速、平均風速分別為2.131、1.517 m/s；D2=35 mm時，分別為2.130、1.517 m/s；D2=50 mm時，分別為2.130、1.519 m/s；D2=65 mm時，分別為2.130、1.518 m/s；D2=75 mm時，分別為2.130、1.514 m/s。對比可以看出，排氣口最高風速、平均風速基本不受排沙口直徑影響。

保持H1=35 mm、D1=25 mm、D2=75 mm不變，只改變H2。H2=5 mm時，排氣口最高風速、平均風速分別為2.910、1.320 m/s；H2=15 mm時，分別為2.910、1.322 m/s；H2=25 mm時，分別為2.900、1.321 m/s；H2=35 mm時，分別為2.900、1.321 m/s。對比可以看出,排氣口最高風速、平均風速基本不受排沙口距離的影響。

保持H1=35 mm、D2=35 mm、H2=25 mm不變，只改變D1。通過圖6可以看出：D1=5 mm時， 排沙口最高風速、平均風速分別為2.331、0.864 m/s；D1=15 mm時，分別為1.454、0.840 m/s；D1=25 mm時，分別為2.179、0.836 m/s；D1=30 mm時，分別為2.180、0.837 m/s；D1=35 mm時，分別為1.455、0.809 m/s；D1=45 mm時，分別為2.906、1.039 m/s。對比可以看出，排沙口最高風速受排氣管直徑影響較大，排沙口平均風速受排氣管直徑影響較小。

圖6 分流對沖式集沙儀排沙口風速隨排氣管直徑變化

保持D1=30 mm、D2=35 mm、H2=25 mm不變，只改變H1。通過圖7可以看出，H1=25 mm時，排沙口最高風速、平均風速分別為0.454、0.849 m/s；H1=35 mm時，分別為2.180、0.837 m/s；H1=45 mm時，分別為2.184、0.853 m/s。對比可以看出，排沙口最高風速受排氣管長度影響較大，排沙口平均風速受排氣管長度影響較小。

圖7 分流對沖式集沙儀排沙口風速隨排氣管長度變化

保持D1=25 mm、H1=25 mm、H2=25 mm不變，只改變D2。通過圖8可以看出：D2=20 mm時，排沙口最高風速、平均風速分別為2.840、2.257 m/s；D2=35 mm時，分別為2.130、0.835 m/s；D2=50 mm時，分別為2.130、0.581 m/s；D2=65 mm時，分別為2.130、0.472 m/s；D2=75 mm時，分別為2.130、0.389 m/s。對比可以看出：排沙口最高風速隨排沙口直徑的增大有所降低，但排沙口直徑增大到35 mm的時候，排沙口的最高風速不再繼續下降，而是在速度2.13 m/s附近波動；排沙口平均風速受排沙口直徑影響較大， 隨著排沙口直徑增大，平均風速逐漸降低。

圖8 分流對沖式集沙儀排沙口風速隨排沙口直徑變化

保持D1=25 mm、H1=45 mm、D2=75 mm不變，只改變H2。通過圖9可以看出：H2=5 mm時，排沙口最高風速、平均風速分別為2.180、0.583 m/s；H2=15 mm時，分別為1.452、0.520 m/s；H2=25 mm時，分別為1.454、0.442 m/s；H2=35 mm時，分別為2.178、0.346 m/s。對比可以看出：排沙口最高風速受排沙口距離影響較大，排沙口平均風速受排沙口距離影響較小。

圖9 分流對沖式集沙儀排沙口風速隨排沙口距離變化

2.3 優化方案

將仿真結果進行整理，可得到有關排氣口風速和排沙口風速的數據，以排氣口風速、排沙口風速為縱坐標，以結構參數為橫坐標，規定橫坐標為1的點對應結構參數為D1=5 mm、H1=25 mm、D2=20 mm、H2=5 mm，橫坐標為2的點對應結構參數為D1=5 mm、H1=25 mm、D2=20 mm、H2=15 mm，依此類推，并將變化不明顯的數據去掉，繪制成如圖10的折線圖。從圖10中找到排氣口風速、排沙口風速都較低的參數為D1=25 mm、H1=25 mm、D2=75 mm、H2=15 mm。

圖10 不同結構參數的排氣口風速和排沙口風速

3 結 論

通過GAMBIT軟件建模，利用FLUENT軟件進行仿真模擬，改進了分流對沖式集沙儀排氣管直徑、排氣管長度、排沙口直徑、排沙口距離四部分的參數，對360個不同結構參數的集沙儀進行數值模擬，對比后得出的主要結論如下：①排氣口最高風速、平均風速與排氣管直徑有關，隨著排氣管直徑逐漸增大，排氣口風速逐漸降低，當排氣管增大到一定值時，排氣口風速不再降低，在某個值附近波動。②排氣口最高風速受排氣管長度影響很大，平均風速基本不受排氣管長度影響。③排氣口最高風速、平均風速基本不受排沙口直徑影響。④排氣口最高風速、平均風速受排沙口距離的影響很小。⑤排沙口最高風速受排氣管直徑影響較大，平均風速受排氣管直徑影響較小。⑥排沙口最高風速與排氣管長度有較大關系，平均風速與排氣管長度關系不大。⑦排沙口最高風速與排沙口直徑有關，隨排沙口直徑的增大逐漸降低，當排沙口增大到一定值時，排沙口最高風速不再下降，在某個值附近波動;排沙口平均風速受排沙口直徑影響較大，隨著排沙口直徑增大，平均風速逐漸降低。⑧排沙口最高風速受排沙口距離影響較大，平均風速受排沙口距離影響較小。⑨以排氣口最高風速、平均風速和排沙口最高風速、平均風速為目標函數，對分流對沖式集沙儀進行有限元分析，優化設計了排氣管長度參數、排氣管直徑參數、排沙口距離參數、排沙口直徑參數，當D1=25 mm、H1=25 mm、D2=75 mm、H2=15 mm時，排氣口最高風速、平均風速和排沙口最高風速、平均風速都較低，集沙儀集沙效率較高。

[1] 麻碩士,陳智.土壤風蝕測試與控制技術[M].北京:科學出版社,2010:32-33.

[2] 董光榮,李長治,金炯,等.關于土壤風蝕風洞模擬實驗的某些結果[J].科學通報,1987,32(4):297-301.

[3] 董治寶,鄭曉靜.中國風沙物理研究50 a(Ⅱ)[J].中國沙漠,2005,25(6):795-815.

[4] 宋濤,陳智,麻乾,等.分流對沖式集沙儀設計與性能試驗[J].農業機械學報,2015,46(9):173-177,197.

[5] 王亞玲,劉應中,繆國平.圓柱繞流的三維數值模擬[J].上海交通大學學報,2001,35(10):1464-1469.

[6] 孫智一,吳曉蓉.計算流體力學數值模擬方法的探討及應用[J].水利科技與經濟,2008,14(2):126-128.

(責任編輯 李楊楊)

國家自然科學基金資助項目(41361058，41161045)

S157

A

1000-0941(2017)02-0038-04

商曉彬(1991—)，男，河北邢臺市人，碩士研究生，主要從事機械測控及自動化技術研究；通信作者陳智(1962—)，男，內蒙古察右前旗人，教授，博士生導師，主要從事工程測試及其技術裝備研究。

2016-06-25