分流對沖式與循環摩擦式農田風沙分離器性能對比試驗

孟慶鵬,陳 智,豪寶爾,牛文彩,崔洪旭,汪文靜

(內蒙古農業大學 機電工程學院,呼和浩特 010018)

0 引言

農田土壤風蝕是大氣與土壤地表之間的一個動力過程,表現為在風力作用下對農田土壤顆粒的侵蝕、搬運和沉積的過程,是目前人類社會面臨的一個全球性的環境問題[1]。土壤風蝕會導致土壤中的養分、有機物質和細小顆粒的逐漸流失,從而導致可利用耕作土壤面積的減少及農作物產量下降,嚴重影響人類社會的可持續發展。農田土壤風蝕也是一個綜合性的自然地理過程,不同地區耕作方式及農作物的差異都會對農田土壤的風蝕產生影響。預防農田土壤的風蝕需要深入研究農田土壤風蝕機理,了解農田土壤風蝕風沙流中氣流場的特征、輸沙率和總輸沙率與風速之間的關系,以及農田土壤風蝕時土壤顆粒在氣流層中垂直高度上的分布特征[2]。

最早的集沙儀是國外的Bagnold[3]于1941年設計的垂直長口型集沙儀。Shao等[4]在Bagnold集沙儀的基礎上進行改進,設計了由泵驅動的主動式垂直集沙儀。Chepil[5]隨后研制出可隨風向旋轉的集沙儀,但沒有設計好的排氣裝置且不適用于野外觀測。Fryrear[6]研制出可隨風向轉動且有良好的排氣性能的BSNE集沙儀。Ellis等[7]使用聲學傳感器,研制了一種外形為圓柱形的擴音器式收集儀器。國內早期的階梯式集沙儀采用慣性原理設計,可測量垂直高度20cm以內的輸沙量,但氣流流通性較差。董治寶等[8]研制了具有良好排氣性能、可測量垂直高度60cm內輸沙量的WITSEG集沙儀,但該集沙儀不能進行野外觀測。趙滿全[9]設計的布袋式集沙儀可實現同位置多點采集。宋濤等[10]設計的分流對沖與多級擴容集沙儀,采用分流對沖的新思路,可實現自動采集和數據無線傳輸。商曉彬[11]將分流對沖與多級擴容集沙儀結構進行優化改進,實現了集沙儀在垂直高度上的多點數據采集。

農田集沙儀作為研究風蝕機理必不可少的設備,其核心部件風沙分離器的性能決定了集沙儀的測試精度。因此,本文對分流對沖式風沙分離器和循環摩擦式風沙分離器進行性能對比試驗,完善風沙分離器結構,降低風沙分離器的單體高度,為實現集沙儀在垂直高度上多測點自動采集風蝕數據及進一步提高測試精度提供保證。

1 農田風蝕集沙儀結構與工作原理

農田風蝕集沙儀由導向板、核心部件風沙分離器、風沙分離器防護外殼、數據自動采集稱重系統、底座、集沙盒、旋轉軸和軸承座等部件構成。

通過降低風沙流的流速從而降低風沙流的攜沙能力是實現氣固分離有效手段,同時降低風速可以減少在強風條件下風速對集沙儀自動稱重系統的干擾。測試時,由于導向板的作用,能使集沙儀進氣口實時對準風沙流來流方向,風沙流在風沙分離器中實現降速,氣體從排氣口流出,固相沙粒則從排沙口落入集沙盒,數據自動采集稱重系統將沙粒質量自動記錄下來。

1.1 分流對沖式風沙分離器工作原理

分流對沖式風沙分離器突破單一的擴容降速方式,采用分流對沖降速的新思路實現降速,由進氣管、楔形體、排氣管、分流對沖腔、擴容腔、上回流腔、分離腔和下回流腔組成,如圖1所示。其單體高度95mm,風沙流進入進氣管實現擴容降速,隨后風沙流經過楔形體分流在排氣管的后方實現對沖降速,風沙流在下行到擴容腔和分離腔時實現2次擴容降速。風沙流下行到上回流腔和下回流腔時,部分風沙流撞擊回流腔壁面形成回流會與繼續下行的風沙流撞擊實現2次降速。經過多次降速風沙流在排沙口處流速大幅度降低,有效實現了氣固兩相的分離。

1.進氣管 2.楔形體 3.排氣管 4.分流對沖式腔

1.2 循環摩擦式風沙分離器工作原理

循環摩擦式風沙分離器由進氣管、分流柱臺、氣固分離腔、排氣管和排沙口5部分組成,如圖2所示。其單體高度26mm,基于雙柱擾流的特性進行結構設計。雙柱擾流中對于雙柱的排列方式分為3種,即串列排布、并列排布和交錯排布。雙柱的不同排列方式及雙柱之間的間距不同都會改變風沙流在兩柱之間的流動方式[12],因此基于雙柱擾流特性對風沙分離器進行設計,使進入風沙分離器的風沙流在柱臺和圓柱體之間形成一個能循環摩擦的旋流場,基于摩擦能量損失的原理而對風沙流中的能量進行損耗達到降低風沙流速度的目的,以此實現氣固兩相的分離。

1.進氣管 2.分流柱臺 3.氣固分離腔 4.排氣管 5.排沙口

2 兩種風沙分離器性能對比試驗

在內蒙古農業大學風洞實驗室進行風沙分離器性能試驗。微型風洞由風機、變頻器、擴散段、整流段、收縮段和試驗段組成,如圖3所示。試驗段采用亞克力材料制作而成,亞克力材料透明光滑方便觀測試驗段內的情況。整流段、擴散段和收縮段由不銹鋼材料制成。微型風洞內部采用氣流壓力損失低,能顯著降低湍流度的六角形網格蜂窩器[13-16]。為了使穩定段徑向氣流均勻分布,在收縮段和蜂窩器之間設計阻尼網,也可降低蜂窩器后產生的氣流旋渦。該微型風洞風速1～18m/s連續可調節[17-20],用于測試設備還有Testo 425熱敏風速儀、風沙分離器及防風外殼等。

1.防風罩 2.風洞試驗段 3.微型風洞 4.變頻器 5.風機

2.1 等動力性試驗

試驗前,分別將分流對沖式風沙分離器和循環摩擦式風沙分離器放入防風外殼,然后將進氣口與微型風洞出風口中心軸線對齊,開啟風機將風速分別調至6、9、12、13.8、15m/s;待風速穩定后,將熱敏風速儀從微型風洞試驗段伸入置于中心軸線處并測量距離進氣口前方10cm處的風速大小,隨機讀取10組數據,記錄下來作為參照風速;將測速儀置于進氣口中心位置處,隨機讀取10組數據記錄下來作為進氣口風速。

2.2 降速性能試驗

試驗前,分別將分流對沖式風沙分離器和循環摩擦式風沙分離器放入防風外殼中,調整防風外殼的位置使進氣口對準微型風洞試驗段中心軸線位置。開啟風機調整變頻器,使微型風洞風速分別穩定在6、9、12、13.8、15m/s;將Testo 425熱敏風速儀置于排氣口和排沙口,分別測取5個風速條件下的排氣口和排沙口風速大小,隨機讀取25組數據并記錄下來。

2.3 氣固分離效率試驗

試驗前,在內蒙古農業大學科技園試驗田挖取試驗土樣,并將土樣放入105℃的恒溫箱中烘干至質量不再發生變化后取出備用。分別在分流對沖式風沙分離器和循環摩擦式風沙分離器的進氣管前端上側面設計一個進沙口,將輸沙漏斗固定在進沙口。將備用的試驗土樣稱取15份,每份20g。調節微型風洞變頻器將風速分別穩定在6、9、12、15m/s。將集沙盒放入風沙分離器的排沙口下方,分別在4種風速條件下,將農田土樣緩慢且均勻地通過輸沙漏斗倒入,每份農田土樣倒完后取出集沙盒將收集到的農田土樣稱重并記錄下來;每種風速條件下重復3次試驗,取其平均值。

3 試驗結果與分析

3.1 等動力性分析

為了確保風沙分離器進氣口處的風速盡可能與外界自然風速相等,需要風沙分離器滿足等動力性要求,當風沙分離器的等動力性大于91%以上,即可認為進氣口處風速值等于自然界風速值。

如表1所示:分流對沖式風沙分離器和循環摩擦式風沙分離器在5種風速條件下,進氣口風速與參照風速比值分別為0.919 9、0.920 4、0.923 1、0.920 6、0.921 4和0.929 0、0.927 8、0.930 6、0.929 9、0.928 4,即在5種風速條件下,兩種風沙分離器等動力性分別為91.99%、92.04%、92.31%、92.06%、92.14%和92.90%、92.78%、93.06%、92.99%、92.84%。兩風沙分離器等動力性性能基本一致,在該試驗條件下滿足等動力性。

續表1

3.2 降速性能分析

在6、9、12、13.8、15m/s的風速條件下,分流對沖式風沙分離器和循環摩擦式風沙分離器排氣口和排沙口的風速,如圖4所示。從圖4可以看出:兩種風沙分離器降速效果均十分明顯,降速性能較強。從試驗數據可以看出:在6、9、12、13.8、15m/s風速條件下,循環摩擦式風沙分離器排氣口最高風速和排沙口最高風速均低于分流對沖式風沙分離器,最大風速的降速性能均優于分流對沖式風沙分離器。

(a) 兩風沙分離器排氣口最高風速曲線圖

(b) 兩風沙分離器排沙口最高風速曲線圖

3.3 氣固分離效率分析

氣固分離效率η,即集沙盒收集到的農田土樣質量M0與試驗時進入到風沙分離器中的農田土壤質量M的之比,即

(1)

在風速6、9、12、15m/s的條件下,兩種風沙分離器集沙盒收集到的農田土壤質量如表2所示。氣固分離試驗倒入風沙分離器的農田土壤樣本質量為20g,由表2和式(1)可以計算出,在6、9、12、15m/s時,分流對沖式風沙分離器和循環摩擦式風沙分離器的氣固分離效率分別為99.9%、99.85%、99.8%、99.75%和99.4%、99.35%、98.5%和98.35%,可以看出兩風沙分離器的氣固分離性能相差不大。

表2 兩風沙分離器集沙盒收集土樣質量比較

4 結論

1)由試驗數據可以看出:在5種風速條件下,循環摩擦式風沙分離器等動力性相比于分流對沖式風沙分離器分別提高了0.91%、0.74%、0.75%、0.93%和0.7%,略高于分流對沖式風沙分離器。

2)在13.8m/s風速條件下,循環摩擦式風沙分離器與分流對沖式風沙分離器相比,排氣口最高風速降低53.81%,排沙口最高風速降低10.53%,可以進一步減小強風對自動稱重系統的擾動。最大風速的降低,使得風沙流攜帶土壤顆粒的能力降低,有利于提高氣固分離效率。

3)在6、9、12、15m/s的風速下,循環摩擦式風沙分離器的氣固分離效率相較于分流對沖式風沙分離器分別降低0.5%、0.5%、1.25%和1.05%。造成這種結果的原因可能是由于試驗測量時部分土壤顆粒粘在集沙盒上,未完全倒入稱重盤上所導致,但總體上來說氣固分離性能相差不大。