基于Fluent的聯合收割機旋風分離筒氣固兩相流模擬

鞠易甫，施偉辰

（上海海事大學物流工程學院，上海201306）

基于Fluent的聯合收割機旋風分離筒氣固兩相流模擬

鞠易甫，施偉辰

（上海海事大學物流工程學院，上海201306）

本文主要設計一種聯合收割機內的旋風分離筒，使其實現小麥、稻谷和油菜的清選。以RNG k-ε模型分析湍流流場。使用Fluent的DPM模型進行分析。數值模擬實驗得到結論：當入口速度為4 m/s，排雜口表壓為-2 000 Pa時，小麥清選效果最好；當入口速度為4 m/s，排雜口表壓為-2400 Pa，稻谷清選效果最好；當入口速度為4 m/s，排雜口表壓為-1 000 Pa，油菜清選效果最好。最后改變小麥雜質的直徑和密度，再次進行清選，觀察發現當直徑為2～3 mm，密度為200～350 kg/m3時，小麥的籽粒和雜質清選效果較好。

氣流清選；旋風分離筒；Fluent；氣固兩相流

清選裝置是聯合收割機中非常重要的組成部分。大量實驗證明[1]，聯合收割機清選裝置的設計和使用不當是糧食損失的一個重要的原因。當其設計不當時，清選的效果不佳，影響收獲谷物的品質。清選系統主要分為氣流清選和振動篩選兩個大類。氣流清選是利用收割后的不同物料在氣流中的受力不同、運動軌跡不同而分離的。

1 氣流清選的原理和三維模型的建立

聯合收割機經過收割、脫粒等工序之后得到飽滿籽粒和與其大小相近的雜質，需要進入清選裝置分離兩種物料。氣流清選的原理是利用兩種顆粒的懸浮速度不同，在氣流中的運動軌跡不同而將其分離出來[2]。物料先進入揚谷風機獲得拋射的初速度，然后通過拋射管進入旋風分離筒。吸雜風機通過風管連接旋風分離筒，其工作時對內吸氣，使桶內產生負壓。混合物在進入旋風分離筒之后隨氣流做旋轉運動，較重的籽粒向下運動進入集料盤，較輕的雜質由于負壓的作用向上運動進入風管，最后由吸雜風機吸出，整體結構如圖1.雖然清選裝置在聯合收割機內有很長時間的應用歷史，但旋風清選裝置還是依靠經驗來設計，需要使用軟件模擬內部的流場和顆粒場，為分離筒的設計提供經驗。

圖1 氣流清選系統[3]

旋風分離筒的研究主要分為實驗法和計算機數值模擬法兩種。其中模擬法方便快捷，無需對同一模型多次試驗，可直接繪制筒內氣流場云圖，觀察顆粒相軌跡。先使用Solidworks建立三維模型，然后使用Meshing劃分網格。旋風分離筒由筒體、進口（inlet）、排雜口（outlet1）和排糧口（outlet2）組成。籽粒和雜質隨氣流進入分離筒，經過清選最終籽粒從排糧口落出，雜質從排雜口排出[4]。

分離筒在中間的圓筒和入口處劃分為結構網格，在上下椎體劃分為非結構網格，整體網格劃分如圖2，共有309 903個節點。

圖2 旋風分離筒的結構和劃分的網格

2 計算方法和邊界條件

2.1 計算模型

使用RNG k-ε模型[5]模擬湍流，與標準k-ε模型的方程很接近但有以下兩個不同點[6]：

（1）修正湍流粘度系數，更好地模擬彎曲程度較大的流動

（2）在ε方程中增加了反應時均應變率Eij的項，這樣方程不僅與流體的流動情況有關，還與空間坐標有關。

其控制方程組如下：

其中：k為湍流動能，ε為湍動耗散率，αk和αε為k與ε的普朗特數，為湍流系數，μeff為湍流粘度，Gk為湍流動能。

2.2 邊界條件的設定

2.2.1 氣體相的設置：

設置氣流場為空氣，密度ρ為1.225 kg/m3，黏度μ為1.789 4×10-5Pa·s.將inlet設置為速度入口（velocity-inlet），排雜口和排糧口設置為壓力出口（pressure-outlet），排糧口由于基本沒有氣流流出，因此設置為0，其余位置設置成壁面（wall）。數值計算方法選擇為SIMPLE算法，壓力梯度相為PRESTO[7].由于是旋渦流場，在RNG k-ε設置中對Swirl dominated flow打勾。

2.2.2 顆粒相的設置

在入口處加入兩種籽粒和雜質。進入的速度方向與入口垂直。當顆粒到達排雜口或排糧口時停止追蹤，到其他位置時反彈。在DPM中設置排雜口為escape，排糧口為trap，其余位置設置為reflect[8].

3 清選效果的分析

3.1 清選效果的衡量指標

將接觸到排糧口的顆粒視為被捕捉，接觸到排雜口的顆粒視為逃逸。定義捕捉率為被捕捉的顆粒數除以進入分離筒的顆粒總個數，逃逸率為逃逸的顆粒數除以進入分離筒的顆粒總個數。

3.2 小麥清選效果的分析

設置入口速度為4～8 m/s，排雜口表壓為-3 000～-1 500 Pa，小麥籽粒捕捉率和雜質逃逸率的變化情況如表1和表2.

表1 小麥籽粒捕捉率和雜質逃逸率

觀察表1可知，入口速度為4 m/s時，排雜口壓力為-2 000 Pa，清選效率最高，效果如圖3.

圖3 小麥、稻谷和油菜清選效果圖

3.3 稻谷清選效果的分析

設置分離筒入口速度為4～8 m/s，排雜口表壓為-2 400～-1 200 Pa，稻谷籽粒捕捉率和雜質逃逸率的變化情況如表2.

表2 稻谷籽粒捕捉率和雜質逃逸率

觀察表2可知，入口速度為4 m/s時，排雜口壓力為-2 400 Pa，清選效率最高效果如圖3.

表3 油菜籽粒捕捉率和雜質逃逸率

3.4 油菜清選效果的分析

設置分離筒入口速度為4～8 m/s，排雜口表壓為-2 500～-1 000 Pa，油菜籽粒捕捉率和雜質逃逸率的變化情況如表3.

由觀察表3可知，當入口速度為4 m/s時，排雜口壓力為-1 000 Pa，清選效率最高，效果如圖3.

4 小麥雜質清選的優化

設置入口速度4 m/s，排雜口表壓為-2 000 Pa，將小麥雜質的直徑取為2～4 mm，密度設置為200～350 kg/m3，清選效果如表4.

表4 優化籽粒參數后，籽粒捕捉率和雜質逃逸率

觀察表4可知，當改變雜質的直徑和密度時，雜質的清選效率發生了比較大的變化，籽粒的清選沒有太大變化。當小麥雜質直徑2～3 mm，密度200～300 kg/m3時，小麥籽粒和雜質的清選效果都較好。

5 總結

通過聯合收割機的旋風清選裝置可以清選小麥、稻谷和油菜。對于小麥，入口速度為4 m/s，排雜口壓力為-2 000 Pa時，籽粒捕捉率和雜質逃逸率都為100%，小麥清選效果最好；對于稻谷，入口速度為4 m/s，排雜口壓力為-2 400 Pa時，籽粒捕捉率和雜質逃逸率都為100%，稻谷清選效果最好；對于油菜，入口速度為4 m/s排雜口壓力為-1 000 Pa時，籽粒捕捉率和雜質逃逸率都為100%，油菜清選效果最好。

對于雜質參數進行優化，小麥雜質直徑取為2～4 mm，密度取為200～350 kg/m3，觀察清選效率的變化情況，發現當小麥雜質直徑為2～3 mm，密度為200～300 kg/m3時，小麥清選效果較好。

籽粒捕捉率和雜質逃逸率的變化情況和顆粒的運動軌跡數據都可為進一步的優化提供指導。

[1]李舟.小型聯合收割機清選裝置設計與試驗研究[D].長沙：中南林業科技大學，2016.

[2]胡小欽.貫流式谷物清選裝置設計及性能試驗研究[D].杭州：浙江理工大學，2013.

[3]唐倩雯，尹健.谷物氣流清選系統的仿真研究[J].湖北農業科學，2012，51（09）：1890-1894.

[4]郭麗紅.小區小麥聯合收割機氣流清選裝置研究[D].成都：西華大學，2014.

[5]Yakhot V，Orszag S A.Renormalization group analysis of tur bulence.I.Basic theory[J].Journal of Scientific Computing，1986，1（1）：3-51.

[6]王福軍.計算流體動力學分析[M].北京：清華大學出版社，2004.

[7]汪林.旋風分離器氣固兩相流數值模擬及性能分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007.

[8]李強.旋風除塵器優化設計及分離特性研究[D].長沙：中南大學，2008.

Gas-solid Two Phase Flow Simulation of Cyclone Separator for Combine Harvester Based on Fluent

JU Yi－fu，SHI Wei－chen
（Shanghai Maritime University，School of Logistics Engineering，Shanghai 201306，China）

This paper mainly designs and researches the separator cylinder which can be used in cleaning wheat，rice，and rape.The fluent turbulence model is RNG k-ε.The DPM model is used for the analysis.The numerical simulation has come to the conclusion.When the inlet velocity is 4m/s and the outlet pressure is-2 000 Pa，the cleaning effect of wheat is good;when the inlet velocity is 4m/s and the outlet pressure is-2 400 Pa，the cleaning effect of rice is good;when the inlet velocity is 4m/s and the outlet pressure is-1 000 Pa，the cleaning effect of rape is good.Finally，change the diameter and density of impurities.When the diameter is 2~3 mm and the density is 200~350 kg/m3，the cleaning effect of grain and impurities is good.

airflow cleaning；cyclone separator；fluent；gas-solid coupling

S225.3

A

1672-545X（2017）06-0155-03

2017-03-05

作者介紹：鞠易甫（1992－），男，遼寧大連人，在讀碩士研究生，研究方向為機械動態性能分析；施偉辰（1960-），男，陜西西安人，教授，博士，研究方向為新型固體材料守恒律。