雙出風口四風道清選裝置內部氣流場仿真及試驗

李 洋，徐立章，梁振偉

(江蘇大學 農業裝備工程學院，江蘇 鎮江 212013)

0 引言

清選裝置內部氣流場分布情況直接影響到聯合收獲機的清選損失率、籽粒含雜率及工作效率等關鍵性能[1]。我國傳統水稻聯合收獲機通常采用單出風口三風道離心風機加雙層振動篩結構形式的清選裝置，隨著我國水稻單產的迅速提高，收獲喂入量逐步增加及家庭農場的形成，傳統單出風口三風道清選裝置在收獲喂入量達到8.0～9.0kg/s時，存在清選損失率顯著提高、籽粒含雜率增加、效率降低等難題，已無法滿足高品質收獲作業要求，而清選裝置是其中的瓶頸之一，因此有必要開展清選裝置結構及內部氣流場分布的研究。

國內外專家學者和大型農機企業為改善清選裝置內部氣流場分布進行了大量研究與試驗：K.L.Kenney等[2]運用CFD軟件對清選室內部氣流場進行了2D數值模擬，并根據模型搭建了試驗臺架，利用PIV系統對臺架內部氣流場進行了測定與驗證；洋馬公司[3]研發的AG600型半喂入式聯合收獲機采用由主風機、吸引風機、振動篩等部件組成的新型清選裝置，實現了多風道清選，能夠有效對脫出混合物進行擴散；馬曉霞等[4]闡述了流體動力學分析方法，以風篩式清選裝置中氣流場的仿真分析為例，說明這種分析方法的有效性及優越性；于麗娟[5]設計了一種雙出風口四風道清選裝置，并分析了該清選裝置的優點。

本文運用CFD軟件分別對雙出風口四風道清選裝置和傳統單出風口三風道清選裝置內部氣流場進行數值模擬與對比分析。在已搭建的雙出風口四風道清選裝置試驗臺上，以清選裝置的魚鱗篩開度、分風板傾角Ⅰ、分風板傾角Ⅱ為研究因素，進行多因素正交氣流場測量試驗，對試驗結果進行了多指標極差分析，得到收獲喂入量8.0～9.0kg/s工作環境下雙出風口四風道清選裝置的工作參數優化組合，并對其進行清選性能驗證。

1 CFD數值模擬

1.1 多風道清選裝置流道模型建立

根據切縱流谷物聯合收獲機實際內部結構和工作參數[6]，建立了傳統單出風口三風道清選裝置和雙出風口四風道清選裝置在額定工況下完整的流道模型，主要包括離心式風機、抖動板、回程板、魚鱗上篩、編織下篩、鋸齒尾篩及抖動膠皮等，如圖1所示。此時，魚鱗篩開度為22mm，分風板Ⅰ傾角為24°，分風板Ⅱ傾角為24°。

除風機外，上述兩種流道模型外形尺寸及清選室內部結構完全相同，總寬度為990mm，總長度為1 980mm，風機葉輪直徑為402mm，回程板與水平線呈6°夾角，編織下篩與水平面呈4°夾角，魚鱗上篩位于編織篩上方100～140mm處；它們的區別在于所用風機不同，一種為單出風口三風道離心式風機，而另一種為雙出風口四風道離心式風機。

1.風機左進風口 2.風機中間進風口 3.單出風口三風道離心式風機 4.風機右進風口 5.分風板Ⅰ 6.分風板Ⅱ 7.編織下篩 8.抖動膠皮 9.魚鱗上篩 10.鋸齒尾篩 11.莖稈雜余排出口 12.回程板 13.導風弧板 14.抖動板

1.風機左進風口 2.風機中間進風口 3.雙出風口四風道離心式風機 4.風機右進風口 5.分風板Ⅰ 6.分風板Ⅱ 7.編織下篩 8.抖動膠皮 9.魚鱗上篩 10.鋸齒尾篩 11.莖稈雜余排出口 12.回程板 13.導風弧板 14.抖動板 15.風機上風道

1.2 劃分網格及邊界條件設定

采用Ansys Workbench軟件中的ICEM模塊劃分網格，考慮到流道模型的體積較大及內部的復雜性，故對流道模型進行四面體非結構網格劃分。由于流道模型中有離心式風機葉輪的旋轉運動，因此采用多區域網格劃分方法，為MRF多坐標系模型求解計算做準備。將單個流道模型劃分為兩塊區域，即葉輪區域和清選室區域，相鄰區域之間的網格交界面設置為Interface。對分塊區域進行網格劃分，并對離心式風機葉片、魚鱗上篩、編織下篩和鋸齒尾篩等位置進行了面網格劃分和局部加密處理，以提高網格質量和精度，最后將分塊區域網格進行了網格合并。合并完網格后，兩個模型的網格數量分別為10 752 395、11 656 210個。

將網格模型導入FLUENT軟件，不考慮溫度、濕度等環境對氣體的影響，同時忽略氣體分子間的黏性力作用，采用標準K-ε湍流計算模型進行數值模擬。將離心式風機葉輪處的網格區域設置為MRF旋轉區域，并設置旋轉坐標軸和轉速(均為1 500r/min)。離心式風機3(或4)個進風口的邊界條件均設置為速度進口，模型出口邊界條件設置為壓力出口[7]。求解控制中的松弛因子采用默認設置，殘差設置為0.000 1，迭代步數設置為4 000步。

1.3 數值模擬結果及分析

FLUENT計算收斂后，運用CFX軟件后處理軟件對兩種模型的氣流場進行處理與分析，得到其內部空間氣流場流線圖，如圖2所示。

(a) 單出風口三風道清選裝置內部氣流場流線圖

(b) 雙出風口四風道清選裝置內部氣流場流線圖

由數值模擬結果可知：

1)傳統單出風口三風道清選裝置和雙出風口四風道清選裝置的振動篩上方中部氣流速度均在3.2～5.8m/s之間，能夠有效對脫出混合物進行分層擴散[8]，振動篩后部的氣流速度均有所回升(5.2～6.0m/s)，能夠產生一定的負壓，有助于將長莖稈和雜余排出機外。

2)傳統單出風口三風道清選裝置的振動篩上方前部基本不存在氣流，而雙出風口四風道清選裝置由于其風機增加了上出風口，使振動篩上方前部也存在著氣流，速度在2.5～4.8m/s之間，起到預清選的作用，輕雜余在未落到振動篩篩面前就被直接吹出機外，減輕了清選負荷。同時，該氣流對振動篩前部脫出混合物的后移與擴散起到輔助作用，對大喂入量的工作環境適應性更好，有效防止脫出混合物在振動篩篩面堆積。

2 氣流場測量試驗

2.1 雙出風口四風道清選試驗臺

為探尋大喂入量工作環境下雙出風口四風道清選裝置的工作參數對其內部氣流場的影響，在本課題組已搭建完成的試驗臺上進行多因素正交氣流場測量試驗。試驗臺基本結構如圖3所示。其多個工作參數實時可調，如離心式風機轉速0～1 500r/min、魚鱗篩開度18～26mm、分風板傾角Ⅰ20°～28°、分風板傾角Ⅱ20°～28°。

1.控制柜 2.給料裝置 3.雙出風口四風道離心式風機 4.籽粒攪龍 5.清選裝置(包括抖動板、回程板、魚鱗篩、編織篩、尾篩等) 6.雜余攪龍 7.變頻驅動電機

2.2 氣流場測試方法

在雙出風口四風道清選試驗臺振動篩上方100mm水平面上均勻布置了42個氣流速度測點，測點分布如圖4所示。采用南京能兆科技有限公司生產的VS110型熱線式風速儀對所布置的測點進行氣流速度測量，風速測量范圍為0.5～50m/s。該風速儀具有體積小、對氣流場干擾較小及精度較高等優點，其測量數據可直接顯示在控制柜計算機屏幕上。每組工況試驗時，按照測點分布使用6根熱線式風速儀(見圖5)在篩面橫向(Y向)移動7次即可全部測出42個測點的數據，可減少傳統單點測量人為操作誤差。

圖4 測點分布示意圖

1.熱線式風速儀 2.魚鱗篩

2.3 正交實試驗安排

試驗以雙出風口四風道清選裝置的魚鱗篩開度、分風板傾角Ⅰ、分風板傾角Ⅱ為主要因素，進行正交試驗因素與水平的安排，如表1所示。每組試驗重復做3次，最終試驗結果取3次試驗結果的平均值。

表1 L9(34)正交試驗方案

3 試驗結果處理與分析

3.1 試驗結果處理

根據脫出混合物懸浮速度測量試驗結果[9]，氣流速度在6.5m/s以內時，其值越大越有利于物料分層，清選效率越高。故分別取雙出風口四風道清選裝置振動篩前部14個測點、中部14個測點氣流速度平均值作為衡量氣流場好壞的兩個評價指標。

振動篩后部氣流速度回升程度越大，越有利于形成負壓，使長莖稈、雜余更易被排出機外。本文取振動篩后部14個測點氣流速度增幅作為衡量氣流場好壞的第3個評價指標。振動篩后部氣流速度增幅為

(1)

式中P—振動篩后部氣流速度增幅(%)；

vm—振動篩后部第2列7個測點氣流速度平均值(m/s)；

vn—振動篩后部第1列7個測點氣流速度平均值(m/s)。

運用振動篩前、中部氣流速度平均值、后部氣流速度增幅為評價指標，得到正交試驗結果如表2所示。

3.2 試驗結果分析

振動篩前部氣流速度平均值評價指標的正交分析結果如表3所示。

由表3可知：影響振動篩前部氣流速度的最主要影響因素為分風板傾角Ⅰ，其次為魚鱗篩開度及分風板傾角Ⅱ，工作參數優化組合為B3A3C1，此工況下振動篩前部氣流速度平均值最大。另外，誤差項D影響不顯著，試驗結果較為可靠。

表2 氣流場測量試驗結果

表3 振動篩前部氣流速度平均值

振動篩中部氣流速度平均值評價指標的正交分析結果如表4所示。

表4 振動篩中部氣流速度平均值

由表4可知：影響振動篩中部氣流速度的最主要影響因素為魚鱗篩開度，其次為分風板傾角Ⅰ及分風板傾角Ⅱ，工作參數優化組合為A1B3C1，此工況下振動篩中部氣流速度平均值最大。另外，誤差項D影響不顯著，試驗結果較為可靠。

振動篩后部氣流速度增幅評價指標的正交分析結果如表5所示。

表5 振動篩后部氣流速度增幅

由表5可知：影響振動篩后部氣流速度增幅的最主要影響因素為魚鱗篩開度，其次為分風板傾角Ⅱ及分風板傾角Ⅰ，工作參數優化組合為A1C1B1，此工況下振動篩后部氣流速度增幅最大。另外，誤差項D影響不顯著，試驗結果較為可靠。

結合上述3種氣流場評價指標的優化分析，得到雙出風口四風道清選裝置工作參數優化組合為A1B3C1，即在魚鱗篩開度為18mm、分風板傾角Ⅰ為28°、分風板傾角Ⅱ為20°的工況下，雙出風口四風道清選裝置內部氣流場分布情況達到最佳。

3.3 工作參數優化組合試驗驗證

將魚鱗篩開度、分風板傾角Ⅰ、分風板傾角Ⅱ分別調節為18mm、28°、20°，按照同樣測點布置對清選室內部氣流場進行測量，得出此工況下振動篩前部氣流速度平均值、振動篩中部氣流速度平均值及振動篩后部氣流速度增幅，并在試驗臺上進行了收獲喂入量8.0～9.0kg/s工作環境清選性能驗證，得到清選損失率及籽粒含雜率，如表6所示。

表6 工作參數優化組合試驗結果

由表6可知：在此工況下，振動篩中部氣流速度平均值顯著優于其他工作參數組合下的數值，且振動篩前部氣流速度平均值、振動篩后部氣流速度增幅也優于大部分工作參數組合下的數值，同時清選損失率和籽粒含雜率都較低，滿足大喂入量工作環境清選需求，證明了雙出風口四風道清選裝置內部氣流場多指標參數優化方案的可行性。

4 結論

1)運用CFD軟件分別對傳統單出風口三風道清選裝置和雙出風口四風道清選裝置內部氣流場進行了數值模擬，并對數值模擬結果進行了比較與分析。結果表明：傳統單出風口三風道清選裝置的振動篩上方前部基本不存在氣流，而雙出風口四風道清選裝置振動篩上方前部的氣流速度在2.5～4.8m/s之間，起到預清選的作用，減輕了清選負荷，防止脫出混合物堆積，有利于提高清選效率。

2)在雙出風口四風道清選試驗臺上進行了多因素正交內部氣流場測量試驗，對試驗結果進行處理與分析后得到其工作參數優化組合：魚鱗篩開度為18mm、分風板傾角Ⅰ為28°、分風板傾角Ⅱ為20°。此工況下，雙出風口四風道清選裝置內部氣流場分布更有利于適應大入量收獲工作環境。此外，對工作參數優化組合進行清選性能驗證，其清選損失率和籽粒含雜率均滿足清選需求。

參考文獻：

[1] 李洪昌.風篩式清選裝置理論及試驗研究[D].鎮江：江蘇大學，2011.

[2] Kenney K L,Wright C T. Bryden K M.Virtual Engineering Approach to Developing Selective Harvest Technologies[C]//ASAE Paper No.056046. St.Joseph,Mich.:ASAE,2005.

[3] 曉周.洋馬AG600超級半喂入聯合收獲機[J].農業機械化與電氣化，2006(2)：55.

[4] 馬曉霞,李耀明,徐立章.聯合收割機風篩式清選裝置中氣流場的仿真研究[J].農機化研究，2007(1)：81-82.

[5] 于麗娟.雙出風口多風道清選裝置的設計及試驗研究[D].鎮江：江蘇大學，2015.

[6] 王成紅.切縱流聯合收獲機脫粒分離裝置參數優化與試驗研究[D]. 鎮江：江蘇大學，2014.

[7] 許文明,鄭祖義,陳煥新,等.空調器柜機多翼離心風機擴壓口的優化設計[J].制冷與空調，2011，11(6) ：63-65.

[8] 李方.切縱流聯合收割機清選裝置性能試驗及參數與結構優化[D]. 鎮江：江蘇大學，2014.

[9] 馬培培.單縱軸流聯合收獲機清選裝置結構優化與試驗[D].鎮江：江蘇大學，2016.