采摘頭輸棉通道流場仿真與分析

彭震 胡蓉 張若宇 張夢蕓

摘要：采摘頭輸棉通道是采棉機輸棉系統(tǒng)的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)直接影響采棉機的工作效率，為了提高采棉機輸棉系統(tǒng)的輸送效率，以采摘頭輸棉通道為研究對象，應(yīng)用ANSYS軟件建立幾何模型和網(wǎng)格模型，并應(yīng)用Fluent數(shù)值模擬方法對采摘頭輸棉通道內(nèi)部流場進行仿真分析，通過對比分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下輸棉通道內(nèi)部流場特性。結(jié)果表明，采摘頭擴散板夾角從41°增加到49°，輸棉通道的整體負(fù)壓減小了10 Pa，且靠近壁面處的流體速度減小，致使棉花輸送能力下降;隨著吹風(fēng)門高度從10 mm增加到50 mm，高負(fù)壓區(qū)面積增大，負(fù)壓區(qū)中心上移，輸棉阻力減小，效率增大。

關(guān)鍵詞：采棉機;輸棉通道;擴散板夾角;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;流場;數(shù)值模擬

中圖分類號： S225.91+1 ?文獻標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）24-0226-06

采摘頭是采棉機棉花采摘系統(tǒng)的核心部件，其性能直接影響采棉機的采摘效率[1-4]。氣流輸棉通道是采摘頭的重要組成部分，作用是將摘錠上脫落下的棉花輸送至吸風(fēng)門處，其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響采棉機輸棉系統(tǒng)的輸送效率[5-6]。輸棉通道前方設(shè)有擴散板，并與采摘頭上下面形成一集棉室，用于擴大輸棉區(qū)域，并防止摘錠上脫落的棉花被拋至后面的摘錠上而從漏雜孔處掉落在地面上;中間為矩形截面通道，用于輸送棉花;后方與吸入門相連，并產(chǎn)生負(fù)壓。氣流輸棉通道工作過程是在吸入門處負(fù)壓和吹風(fēng)門處正壓的共同作用下，實現(xiàn)棉花的輸送[7-10]。

一般情況下，氣流輸棉通道不會發(fā)生堵塞現(xiàn)象。但當(dāng)棉流量過大或棉花含水率過高時，會造成輸棉通道堵塞，嚴(yán)重影響采棉機的正常工作。通過對輸棉通道進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以避免輸棉通道堵塞，提高輸棉通道的輸送性能，進而提高采棉機的工作效率。

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，數(shù)值模擬方法得到了大量應(yīng)用。王晨等采用數(shù)值模擬方法對采棉機風(fēng)力系統(tǒng)的管道結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，從而提高采棉機的棉花輸送能力[11-12]。田德等應(yīng)用數(shù)值模擬方法對濃縮風(fēng)能裝置的內(nèi)部流場進行分析，得出了濃縮風(fēng)能裝置結(jié)構(gòu)對風(fēng)能品質(zhì)和風(fēng)電機組輸出功率的影響關(guān)系[13]。于賀春等利用Fluent數(shù)值模擬方法，得出了微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承靜態(tài)特性的最佳參數(shù)[14]。上述研究表明，數(shù)值模擬方法可以有效解決實際工程問題，得出研究對象的最優(yōu)參數(shù)。同時，該方法也逐步用于采棉機零部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，并取得了較好的結(jié)果。但是，針對復(fù)雜的腔體結(jié)構(gòu)，如采摘頭腔體、風(fēng)力輸送系統(tǒng)等具有復(fù)雜流動特性的結(jié)構(gòu)還尚未有分析。因此，為了改進采摘頭輸棉通道的輸送性能，本試驗提出采用數(shù)值模擬的方法對采摘頭氣流輸棉通道內(nèi)部流場進行仿真分析，利用其幾何模型、物理模型、數(shù)學(xué)模型以及邊界條件和計算域，研究輸棉通道的擴散板角度、吹風(fēng)門高度對輸棉通道內(nèi)部流場的影響關(guān)系，為其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 計算模型及方法

1.1 模型簡化

對采摘頭氣流輸棉通道仿真時，主要針對采摘頭輸棉通道部分，分析其內(nèi)部流場分布。在保證仿真精度的前提下，對仿真模型進行簡化，依據(jù)如下：（1）采摘頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，為減少計算，忽略無流體流動部分（棉株扶導(dǎo)器、齒輪箱、清洗器等），并將采棉滾筒、脫棉盤簡化為圓柱壁面;（2）采摘頭在實際工作過程中處于自然環(huán)境下，在自然溫度、壓力和風(fēng)速下，采摘頭壁面厚度和能量傳遞可忽略不計;因此，流體流動可以看作是常溫常壓下的低速流動，物理模型可簡化為不可壓縮流體非傳熱穩(wěn)態(tài)模型;（3）依據(jù)雷諾數(shù)計算公式，計算出采摘頭輸棉通道內(nèi)的雷諾數(shù)約為65 000（遠(yuǎn)大于4 000），依據(jù)雷諾數(shù)準(zhǔn)則，采摘頭輸棉通道內(nèi)部流體流動為紊流狀態(tài)，流體仿真時采用湍流模型。

1.2 幾何模型

簡化后的采摘頭輸棉通道幾何模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，由采棉滾筒、脫棉盤、輸棉通道和壁面組成。整體流域的長、寬、高分別為1 190、600、830 mm，棉通道的寬、高分別為120、830 mm，擴散板角度為45°;吸風(fēng)門的寬、高分別為220、280 mm;采棉滾筒和脫棉盤分別簡化為直徑300、160 mm的圓柱壁面。

1.3 網(wǎng)格劃分

針對所研究的采摘頭輸棉通道，采用軟件SolidWorks 15建立采摘頭的簡化模型，通過Workbench 16.0提取內(nèi)部流域，并利用ICEM CFD 16.0進行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格劃分時，由于采摘頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以采用四面體和六面體并存的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格;為了提高數(shù)值模擬精度，在壁面邊界層處生成六面體網(wǎng)格，并進行加密[15]。生成后的網(wǎng)格總數(shù)為804 806個，節(jié)點數(shù)為180 276個，具體如圖2所示。

1.4 邊界條件確定

模型入口采用速度入口邊界條件，設(shè)置吸風(fēng)門的速度方向平行于x軸且與x軸相反，速度為 10 m/s，設(shè)置吹風(fēng)門的速度方向平行于x軸且與x軸方向相同，速度為20 m/s;出口為壓力出口邊界條件，出口壓力為0 Pa;壁面采用固定壁面，無滑移邊界條件。

1.5 計算方法

邊界求解方法采用壓力基求解器，選用標(biāo)準(zhǔn)的Realizable k-ε湍流模型，壓力速度耦合計算采用相對成熟的SIMPLE算法[16]。由于采摘頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，網(wǎng)格數(shù)量大，所以設(shè)置殘差收斂因子為0.001。

1.6 試驗方法與內(nèi)容

為了驗證所建模型的可靠性，進行采摘頭輸棉通道的速度測量試驗。將采棉機的風(fēng)機轉(zhuǎn)速設(shè)置為4 000轉(zhuǎn)/min，利用高精度風(fēng)速計（AM-4201）測得吸風(fēng)口處風(fēng)速為8.2 m/s，吹風(fēng)口處風(fēng)速為 18.6 m/s，并在此條件下，測量輸棉通道內(nèi)的風(fēng)速。輸棉通道內(nèi)的速度測試點分布如圖3所示，由于輸棉通道的氣流作用主要集中在中下部，且速度入口為吸風(fēng)門，因此取吸風(fēng)門中心處距底部高度為20、140 、260 mm的3條直線，從下至上分別為直線1、直線2、直線3，每條直線上取8個測試點，采用智能風(fēng)速風(fēng)壓測量儀測量各個點的流速。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 擴散板夾角對流場分布的影響

擴散板是用于氣流輸棉通道末端逐漸擴大的部分，主要作用是形成一個集棉室，用于擴大輸棉區(qū)域?并防止摘錠上脫落下的棉花被拋至后面的摘錠上而從漏雜孔處掉落在地面上。如果擴散板與輸棉通道壁面夾角大于50°，棉花輸送阻力急劇增大，容易造成棉花堵塞。考慮到棉花輸送阻力及輸棉通道內(nèi)部流動穩(wěn)定性，擴散板與輸棉通道壁面夾角采用40°～50°。

2.1.1 壓力場分析 為了便于研究擴散板與輸棉通道壁面夾角對輸棉通道內(nèi)壓力場的影響，截取距吹風(fēng)門330 mm的擴散板拐角處的通道截面，具體如圖4所示。

從圖4可以看出，輸棉通道中相對較高的負(fù)壓區(qū)主要分布在中間以下區(qū)域，并且在通道內(nèi)側(cè)近壁面的底部產(chǎn)生較高的負(fù)壓區(qū)。這符合采摘頭輸棉通道棉花輸送所需要的負(fù)壓輸送特性，因為從摘錠上脫落的棉花集中在輸棉通道的底部，即在輸棉通道的中間以下區(qū)域產(chǎn)生較高的負(fù)壓就可完成棉花的輸送。此外，不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)夾角為49°時，高負(fù)壓區(qū)

的面積最小;夾角為41°時，高負(fù)壓區(qū)面積最大。并且隨著擴散板夾角的增大，輸棉通道的負(fù)壓整體減小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于夾角增大，擴散板與脫棉器之間的間隙增大，從而經(jīng)此處進入輸棉通道的流量增加，導(dǎo)致輸棉通道的整體負(fù)壓減小。

圖5為輸棉通道的負(fù)壓分布曲線圖，依據(jù)棉花采收過程中棉流特性將輸棉通道分為3個部分，即出口段（前采摘頭采摘的棉花與后采摘頭采摘的棉花混合部分）、中間段（前采摘頭采摘的棉花輸送部分）和末尾段（前采摘頭集棉區(qū)域部分）。從圖5可以看出，在吸風(fēng)門處的負(fù)壓最大，距吸風(fēng)門的距離越遠(yuǎn)負(fù)壓越小。在出口段負(fù)壓急劇減小，中間段仍然處于減小的趨勢，但相對于出口段減小較為緩慢，末尾段逐漸趨于平緩。對于輸棉通道中負(fù)壓由吸風(fēng)門到吹風(fēng)門逐漸降低的情況，符合氣流流動特性，也不會對輸棉通道的棉花輸送產(chǎn)生較大的影響。因為輸棉通道在末尾段的棉流量小于靠近吸風(fēng)門處出口段的棉流量，同時還有吹風(fēng)門的輔助輸送作用。

圖6為擴散板角41°～49°時輸棉通道的負(fù)壓分布曲線，不同擴散板夾角的負(fù)壓分布曲線規(guī)律大致相同，都與吸風(fēng)門的距離成反比。同時，輸棉通道內(nèi)的負(fù)壓隨夾角的增加而減小，當(dāng)夾角為41°時，最大負(fù)壓為-92.5 Pa，當(dāng)夾角增大到49°時，最大負(fù)壓為-82.5 Pa，相比減小了10 Pa。此外，從整體上看，擴散板夾角在41°、43°、45°時，輸棉通道的整體負(fù)壓都大于擴散板夾角為47°、49°時的負(fù)壓，且隨夾角的增加而減小;而從局部末尾段可以看出，在距離吸風(fēng)門500～600 mm處，擴散板夾角為45°時的負(fù)壓略大于擴散板夾角為41°、43°時的負(fù)壓。

2.1.2 速度場分析 采摘頭輸棉通道的氣流作用主要在采摘頭的底部，為了研究擴散板與輸棉通道壁面夾角對輸棉通道內(nèi)速度分布的影響，截取距底部30 mm面的速度分布（圖7）。

由圖7可知，不同夾角下輸棉通道的流場分布基本一致，吹風(fēng)門產(chǎn)生的高速氣流沿著輸棉通道的內(nèi)側(cè)壁面逐漸減小，并在近壁面產(chǎn)生相對較高的速度層。受擴散板的影響，擴散板夾角從41°增加到49°時，吹風(fēng)門產(chǎn)生的氣流受到的擾動增大，氣流向輸棉通道內(nèi)壁面的對面擴散加快，使靠近壁面處的流體速度減小;當(dāng)夾角為49°時，靠近壁面的流體速度最小。

2.2 吹風(fēng)口高度對流場分布的影響

采摘頭氣流輸棉通道的氣流入口有2個：吸風(fēng)門和吹風(fēng)門。吸風(fēng)門與輸棉管道相連，產(chǎn)生較大負(fù)壓，是輸棉通道內(nèi)棉花輸送的主要動力。吹風(fēng)門產(chǎn)生正壓，主要防止棉花在采摘頭內(nèi)部堵塞，在棉花輸送中起輔助作用。由于吸風(fēng)門在棉花輸送過程中起到連接作用，幾何位置不宜改變，而吹風(fēng)門正對輸棉通道，它的高度直接影響輸棉通道流場分布，所以僅研究吹風(fēng)口高度對輸棉通道內(nèi)部流場的影響。另外，由于采摘頭輸棉通道中棉流主要集中在底部，吹風(fēng)門高度過高沒有太大意義，所以此處研究吹風(fēng)門高度在10、30、50 mm之間對輸棉通道內(nèi)部流場的影響。

與上述研究類似，截取距吹風(fēng)門330 mm的擴散板拐角處的通道截面（圖8）。同時，為了更好地研究輸棉通道的壓力分布，提取吸風(fēng)門中心處沿著輸棉通道600 mm的直線上的壓力變化曲線（圖8）。

由圖8可以看出，3個截面的負(fù)壓分布大體相似，均在正對吹風(fēng)門的通道壁面處形成高負(fù)壓區(qū)，并且隨著高度增高，高負(fù)壓區(qū)面積增大，高負(fù)壓區(qū)中心上移。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于吹風(fēng)口高度增加，氣流受輸棉通道底部壁面的影響而減小，擴散區(qū)域增大，所以高負(fù)壓區(qū)面積增大。另外，吹風(fēng)口高度增加，氣流中心上移，高負(fù)壓區(qū)中心也隨之上移。

由圖9可以看出，輸棉通道負(fù)壓從吸風(fēng)口處到吹風(fēng)口處整體下降。吹風(fēng)口高度對輸棉通道的負(fù)壓整體影響較小，但是對輸棉通道集棉室處的負(fù)壓影響較大。在集棉室處，吹風(fēng)口高度為30、50 mm時的負(fù)壓大致相同，但都明顯高于高度為10 mm時的負(fù)壓。表明吹風(fēng)門高度在30、50 mm時，吹風(fēng)口氣流受采摘頭底板作用較小，有助于棉花的輸送。

2.3 模擬結(jié)果可靠性分析

在“1.6”節(jié)試驗條件下，各個測試點的速度分布如圖10所示。采摘頭輸棉通道內(nèi)各個測試點處流速變化趨勢的試驗結(jié)果和模擬結(jié)果基本相同。此外，對各個測試點的實測值和模擬值進行配對t檢驗，計算結(jié)果顯示實測值和模擬值的均值置信區(qū)間為（-0.308 3，0.009 1），P值為0.064，表明實測值和模擬值不存在顯著性差異。因此，采摘頭輸棉通道的內(nèi)部流場模擬結(jié)果是可靠的。

3 結(jié)論

以采摘頭輸棉通道為研究對象，仿真分析了采摘頭不同擴散板夾角和不同吹風(fēng)門高度參數(shù)對其內(nèi)部流場特性的影響，主要結(jié)論如下：（1）采摘頭擴散板夾角對采摘頭輸棉通道的流場有著重要的影響，擴散板夾角增大，會使擴散板與脫棉盤的間距增加，從而使得進入輸棉通道的流量增加，導(dǎo)致輸棉通道的整體負(fù)壓降低。當(dāng)擴散板夾角從41°增加到49°時，輸棉通道最大負(fù)壓降低了 10 Pa，將導(dǎo)致輸棉通道的棉花輸送能力下降。（2）采摘頭吹風(fēng)門高度增加，氣流受輸棉通道底部壁面的影響減小，高負(fù)壓區(qū)域面積增大，即輸棉通道棉花輸送效率增大。

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