基于Fluent的氣流式集糧箱數值流場的仿真

陳思旭，王 霜,b,廖 敏,b，李青濤，盧勁竹

(西華大學 a.機械工程學院;b.流體與動力機械教育部重點實驗室，成都 610039)

基于Fluent的氣流式集糧箱數值流場的仿真

陳思旭a，王 霜a,b,廖 敏a,b，李青濤a，盧勁竹a

(西華大學 a.機械工程學院;b.流體與動力機械教育部重點實驗室，成都 610039)

為了改善小區收割機上麥粒在集糧箱中流化堆積的狀況，提高糧食輸送能力，深入研究了集糧箱中氣流場的分布規律。利用Adams動力學軟件建立工作時的振動模型，得到振動響應，在Fluent 15.0軟件中對集糧箱進行數值模擬仿真，并通過對其喉管高度、落粒出風管高度、落粒口管錐角及進風口壁面內半徑4個參數的變化做正交試驗，分析對比得出結果。試驗表明：有效結構參數為喉管高度為25mm，落粒出風管高度為60mm，落粒口管錐角為30°，進風管壁面內半徑為1 800mm，有利于集糧箱對糧食顆粒的有效風送運輸。

集糧箱；振動；CFD；氣流場；收割機

0 引言

育種機械化可以成倍地提高育種工作效率，節省投資，縮短育種周期，但田間育種的小區種子收獲一直是個難題[1]。在現代小區收割機上，對振動風篩式清選后的麥粒運輸廣泛采用的是氣體輸送[2]。結合小區收割機實際工作情況，糧食脫出物在風力作用下流化沸騰于集糧箱中，嚴重影響收割機清潔率和殘留率。近年來，國內外普遍運用計算流體力學CFD(Computational Fluid Dynamics)來對空間復雜幾何區域流體進行數值模擬。因此,以4LZX-1.5型農業育種自清理式小麥小區收割機為實驗樣機，運用Fluent軟件分析集糧箱內部的氣流流動特性，優化其幾何結構參數，對提高糧食輸送質量和效率具有重要意義。

1 集糧箱工作原理及運動分析

麥粒混合物通過清選振動篩后下落至入料口，集攏于入料箱中經過落粒口進入風管，并在一側高壓風機作用下，風送到另側的出風口至相同入口截面的旋風分離器里，屬于正壓氣力輸送裝置[3]。在小區收割機中，為了使麥粒由自身重力及風力作用下順利下落和防止風送途中的堵塞，集糧箱與振動篩同時進行反向振動運動。實際工作中,入料箱內部氣流場形成的紊流導致顆粒出現流態化的沸騰狀，雜殼及籽粒混合物在入料箱內受風力回旋不能及時經過落粒口下落到風管中，無法保證小區收割機收獲質量。以4LZX-1.5型農業育種自清理式小麥小區收割機為樣機，利用creo2.0三維建模軟件繪制出集糧箱三維結構模型,如圖1所示。

1.出風口 2.入料口 3.入料箱 4.入風口 5.進風管壁面內半徑 6.落粒口管錐角 7.喉管高度 8.落粒口 9落粒出風管高度

圖1 集糧箱三維結構模型

為了便于觀察分析，將振動運動簡化為曲柄搖桿機構，圖2為集糧箱的振動運動系統的工作原理簡圖。根據小區收割機實際運轉參數，曲柄工作轉速為300r/min。整個振動系統由曲柄提供動力，使集糧箱做具有阻尼的單自由度受迫振動運動。集糧箱在y、z方向上都存在隨時間變化的位移，原動件曲柄存在極位夾角，因此具有急回運動特性。集糧箱擺動運動微分方程[4]為

(1)

1.曲柄 2.機架 3～5.連桿 6.短搖桿 7.集糧箱 8.短搖桿圖2 振動運動系統的工作原理簡圖

為了較好地研究集糧箱的振動運動規律，以曲柄在最左側為位移和時間初始的零點位置。利用Adams動力學軟件對動力學微分代數方程求解并模擬計算出集糧箱隨時間在y、z方向上的速度圖像，如圖3、圖4所示。

圖3 集糧箱在y方向速度變化

圖4 集糧箱在z方向速度變化

由速度變化圖可知：集糧箱振幅達到6.126 1mm，在y方向上速度最大值為186.578mm/s，運動周期為0.2s；集糧箱在z方向上速度最大值為36.831mm/s，運動周期為0.2s。

2 氣流場數學模型及動網格技術

2.1 氣體動力學控制方程

在模擬集糧箱內部的氣體流動中，設定氣流為連續介質模型，內部空氣的壓縮率較[5]，因此忽略空氣的壓縮對流場分布特性的影響，可認定氣流為不可壓縮牛頓流體。氣體動力學控制微分方程為如下：

根據質量守恒原理，通用連續性方程為

(2)

對于不可壓縮流體，有

(3)

氣相Navier-Stokes方程為

(4)

湍流本身是極其復雜的三維非定常物理現象，對氣流的流體模型通常選為湍流模型[6]，將未知量與平均速度梯度結合起來，使基本控制方程組(1)～(3)封閉。對于射流擴張，更好的適應流動分離和二次流，所以本文選用Realizablek-ε湍流模型，氣體的湍流動能k和耗散率ε的公式如下：

1)雷諾應力的渦粘性模型為

(5)

其中，μt為湍流粘度；ρ為氣流的密度；Sij為平均速度應變率張量；k為湍流動能；δij為克羅內克因子；Snn為速度方向應變率。

2)湍流粘度為湍流動能k和耗散率ε的函數為

μt=cμfuρk2/ε

(6)

3)湍流動能k運輸方程為

(7)

4)耗散率ε運輸方程為

(8)

其中

2.2 動網格技術

由于集糧箱的振動運動，屬于變化的計算流域，采用基于動網格技術來對箱體的運動進行數值模擬。運用彈簧近似光滑模型(Smoothing)和局部網格重構(Remeshing)，使其網格節點在相互之間連接模型彈簧，采用胡克定律迭代，得到移動后的新節點位置。對不滿足網格尺寸的邊界動網格，會被重新劃分，使之滿足畸變率和網格尺寸要求。對于任意廣義標量φ，積分守恒方程為[7]

(9)

其中，Vs為單元體體積；Ls為單元體邊界；u為流體平均速度(m/s)；ug為動網格邊界運動速度(m/s)；Γ為擴散系數；qφ為源項；n為邊界外法線單位向量。

3 Fluent模型建立及參數設置

3.1 模型網格劃分及前處理設置

全局體網格類型為四面體非結構化網格如圖5所示。同時，對流體域變化較大處進行局部加密，利用光順化迭代對網格進行處理，提高其生成質量。

圖5 集糧箱流域網格劃分

由于集糧箱的振動運動隨時間而變化，為非定常狀態，模型的求解采用對于瞬態具有明顯優勢的基于壓力的PISO分離式求解器[8]。離散化方法采用三階精度截差的QUICK格式。工作壓力設置為1個標準的大氣壓。入風口根據風機提供的參數速度入口取23.2m/s[2]，入料口為標準大氣壓的壓力入口，出風口

設置為標準大氣壓壓力出口。

3.2 流體域動網格設置

動網格技術可以模擬邊界運動引起的流域隨時間的變化，根據Adams對運動學方程的求解結果，得到集糧箱的振動運動規律，運用MicrosoftVisualStudio軟件編寫UDF(UserDefinedFunction)編譯型振動運動函數見式[(10)、(11)]，移動邊界設置為剛體運動，MeshMethods中選彈簧近似光滑法(Smoothing)和局部網格重構(Remeshing)，在每個時間步(time)的迭代后同步更新其網格。

0.185sin(31.4×time)

(10)

0.03589sin(31.4×time)

(11)

4 集糧箱氣流場優化

4.1 氣流場優化目標

由于脫出物輕浮且密度大，對集糧箱結構有較高的要求。在進行結構設計時，利用流體力學原理計算，使其內部有較穩定變化的氣流場，避免強旋流導致的清潔率下降和殘留率上升。在小區收割機上雜質篩清選效率一般在80%[9]，所以在集糧箱入料箱體中氣流速度變化均勻，反向氣流流動速度小于脫出物混合物最小懸浮速度，并且回流流速越小，入料口正向風速越大有利于麥粒的運輸，使其能迅速下落并風送至出風口。根據脫出物的懸浮速度測量統計，麥粒的懸浮速度在5.53～11.6m/s，莖稈為5.1～8.1m/s，輕雜質0.74～6.4m/s[2]。所以，在集糧箱中得到相對均勻的氣流場和回流風速不高0.74m/s及出口管內避免回旋風且出風口風速高于11.6m/s，有利于糧食脫出物的氣流運輸。

4.2 實驗設計方案

本實驗采用多因素多水平的正交試驗設計方法，以固定的風機風速分別對喉管高度、落粒出風管高度、落粒口管錐角及進風管壁面內半徑4個對氣流場影響較大的參數進行實驗[10]，以得到優化流場的結構參數組合。

根據L9(34)正交試驗表，實驗分為9組試驗如表1所示。利用Fluent15.0分別對集糧箱進行四因素三水平的數值模擬,并監測出風口、入料口及最大氣流速度，觀察入料箱及出風管是否有旋流現象。

表1 正交試驗因素水平表

4.3 數值模擬結果及分析

通過對集糧箱的9組正交試驗，在相同流體時間下計算結果如表2所示。

根據試驗結果，出風口風速均高于11.6m/s，入料箱內部存在回旋風無法避免，用散點趨勢圖來表示4因素影響因子對風速的影響。由圖6可知：隨喉管高度的增加，箱內A、B、C3點風速均呈下降趨勢，在喉管高度大于30mm后，最大風速下降最為明顯。由圖7可知：當落粒出風管高度增加時，風速有下降的趨勢，但在高度大于65mm后，場內風速變化有所減緩。由圖8可知：落粒口管錐角對3點處風速的影響各不相同，其中對于出風口風速影響較小，隨著錐角增大，場內最大風速呈同向變化，入料口出風速在錐角大于30°后變化平穩。由圖9可知：進風管壁面內半徑對3點處風速的影響最小，在進風管壁面內半徑大于1 400mm時，入料口及最大風速均呈回升趨勢。在9組試驗中，入料箱內部始終會伴隨回旋風，并部分沿箱體斜壁面吹至入料口。

表2 正交試驗分組及結果表

圖6 喉管高度對風速的影響

圖7 落粒出風管高度對風速的影響

圖8 落粒口管錐角對風速的影響

圖9 進風管壁面內半徑對風速的影響

4.4 試驗數據分析

對主要目標箱內回旋風速進行極差直觀分析，如表3所示。

表3 箱內回旋風速極差分析結果

表4 入料口風速極差分析結果

由極差分析結果看出：影響回旋風速的重要順序為Z、W、Y、X。目標回旋風速要取極小值，減小糧食脫出物在運輸途中的干擾，所以對于影響因子較大的Z因素選取Z2,W因素選取W3。由于對集糧箱流場分析進行的是多目標優化的正交試驗，因此采用綜合平衡分析的原則。結合表4的結果，影響入料口風速的重要順序為X、Y、W、Z，對于入料口風速影響因子較大的是X、Y。考慮到入料口正向風速越大，越利于脫出物的吸附歸攏，避免懸浮雜粒的沸騰影響糧食顆粒的下落，因此X因素選取X1,Y因素選取Y1，所以最佳結構參數為X1Y1Z2W3。優化后集糧箱內部氣流場的壓力分布云圖、等長速度矢量圖及速度云圖如圖10～圖12所示。

圖10 集糧箱氣流場壓力分布云圖

圖11 集糧箱氣流場等長速度矢量圖

圖12 集糧箱氣流場速度云圖

數值模擬表明：氣流從入口處開始，隨著彎曲管道截面積的減小，風速逐漸增大，直至喉管后部達到最大值；而靜壓力值逐步下降，在出風管道內形成局部負壓，遠低于其余各處的靜壓值，宜于速度方向匯聚，造成入料箱向出口管內補風，有利于顆粒的吸入。在隨后的出風管內風速緩慢下降，靜壓值有所回升，負壓特征消除。由此得到出風口風速36.20m/s，入料口平均風速0.53m/s，在入料口處存在部分回流氣流，回流速度通過監測最高速度達到1.53m/s，出風管內無明顯的旋流，綜合數據優于正交試驗中所得的結果。

5 結論

1)運用Fluent 15.0對集糧箱進行9組正交試驗模擬計算，分析四因素對風速的影響大小，監測當入口風速為23.2m/s時，出風口處和入料口處的風速大小。結果表明：落粒口管錐角和進風管壁面內半徑對回流流速影響明顯，入料口風速對喉管高度及落粒出風管高度變化敏感。

2)通過仿真試驗得到集糧箱有效結構參數組合：喉管高度25mm，落粒出風管高度60mm，落粒口管錐角30°，進風管壁面內半徑1 800mm。入料箱內風速及壓強變化均勻，大大減少了箱體內部籽粒雜質的沸騰對糧食顆粒下落受阻的影響，滿足集糧箱糧食氣力輸送的要求，對于提高小區收割機的清潔率和降低殘留率有重要的意義。

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Grain Collecting Bin Based on Fluent

Chen Sixua, Wang Shuanga.b, Liao Mina,b, Li Qingtaoa, Lu Jinzhua

(a.School of Mechanical Engineering; b.Key Laboratory of Fluid and Power Machinery of Ministry of Education, Xihua University，Chengdu 610039，China)

In order to improve the condition of wheat grain fluidized particle deposition in grain collecting bin on plot harvester and enhance the grain transmission capacity, the distribution regularity of the air flow field in the grain collecting bin was studied in depth. The vibration response was obtained according to the operating vibration model based on the dynamics software ADAMS. The numerical simulation on the grain collecting bin was conducted in software Fluent 15.0, and orthogonal experiments were carried out by changing four parameters: the height of the throat, the height of particle air outlet pipe, the cone angle of the dropping mouth, and the inner radius of the air inlet pipe. The results were obtained by means of analysis and comparison. Experiments showed that the effective structural parameters were as follows: the height of the throat was 25mm, the height of particle air outlet pipe was 60mm, the cone angle of the dropping mouth was 30°, and the inner radius of the inlet pipe was 1800mm, the parameters of which were favorable to the wind transportation in grain collecting bin.

grain collecting bin； vibration； CFD； air flow field

2016-11-07

國家重點研發計劃項目(2016YFD0700400)；四川省應用基礎研究計劃項目(2014JY0055)；流體及動力機械教育部重點實驗室(西華大學)研究課題(szjj2016-011, JYBFX-YQ-1)

陳思旭(1991- )，男，四川遂寧人，碩士研究生，(E-mail)517145249@qq.com。

王 霜(1974- )，男，四川彭山人，教授，博士，碩士生導師，(E-mail)wsh@mail.xhu.edu.cn。

S225；S220.39

A

1003-188X(2018)01-0034-06