5XZ-10 型比重式種子分選機中離心風機流場研究

摘 要： 利用空氣動力學原理進行種子分選，空氣流場的分布至關重要。針對農業機械裝置中氣流均勻性問題，以5XZ-10 型比重式種子分選機中離心風機為原型，利用Solidworks 軟件建立離心風機幾何模型，運用Fluent 軟件對離心風機內部流場及出口流場進行數值模擬計算。通過仿真試驗得到離心風機流場分布，對風機出口速度分布云圖及矢量圖結果進行分析，發現風機內部流場受到機械結構的干擾，氣流在風機出口界面分布較不均勻，提出了離心風機流場優化措施，包括雙葉輪雙入口單出口離心風機入口增設集流器、對固定盤與葉輪的連接進行密封、風機出口采用鋼板網對出口氣流進行均勻性改善。在距離風機出口上方0.13 m 處安裝鋼板網，增設鋼板網后風機出口氣流均勻性指數由0.88 提升至0.90，提升率2.27%，解決了風機提供的氣流流經5XZ-10 型比重式種子分選機篩面時的均勻性問題。

關鍵詞：離心風機；流場；數值模擬；氣流均勻性；種子分選機

中圖分類號：S223 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）04-0085-07

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.04.014

0 引言

風機在農業機械中應用廣泛，在比重式種子分選機中，離心風機是空氣動力的來源，空氣在離心風機中獲得能量，被輸送到氣室入口[1]。其中，離心風機的工作性能對其產生氣流的分布影響顯著[2-4]。在5XZ-10 型比重式種子分選機中所采用的離心風機為雙葉輪雙入口單出口離心風機，該風機雖然具有結構簡單、運行調節簡單、適應性廣等優點，但是在農業實際生產中仍存在一定的不足。一是雙葉輪雙入口單出口離心風機的結構簡單，離心風機無集流器導致風機入口流場對風機的運行性能影響顯著。二是兩葉輪與固定盤之間存在密封缺失的現象，對風機內部流場產生干擾。三是離心風機出口流場均勻性較差。因此，導致離心風機所提供的氣流特性無法滿足5XZ-10 型比重式種子分選機對種子的高效率分選。

無論是聯合收獲機、種子分選設備還是其他農業機械，以離心風機為核心部件的農業機械裝置的工作性能直接影響設備工作效率[5-6]。近年來，國內外研究人員對農業機械中的離心風機及風機所產生的流場進行研究。徐立章等[7] 針對聯合收獲機風篩式清選裝置中單風道離心風機的缺點提出了雙出風口多風道離心風機，使風機出口風速、風量有了一定的變化，氣流在篩面上的合理性增強。余波等[8] 采用正交試驗方法，研究了離心風機風速、傾角對整個清選室氣流場分布及收獲機清選效率的影響。陳曉等[9] 通過改變離心風機的機械參數，利用Fluent 軟件對植保機械中的離心風機性能進行了優化。李慶倫等[10] 考慮到聯合收獲機清選損失率與含雜率的要求，通過試驗確定了雙出風口多風道離心風機的風門開度、風機轉速等主要參數。

針對農業機械中輸送系統的堵塞問題和能耗問題，有研究人員對動力源存在的問題進行研究。司書國[11]在采棉機氣力輸送中將離心風機換為橫流風機，減輕了輸送系統的堵塞問題。SHAO Wenping 等[12] 針對采棉機的空氣系統，設計了一種新型離心風機葉片，增強了風機出口氣流的均勻性，減少了葉輪出口出現局部射流尾流現象，抑制了流道中形成渦流，減少葉輪內部的局部能量損失。陳磊等[13] 對離心風機內部流場進行了仿真分析，呈現了離心風機氣流場的分布，然而，并未對風機流場進行系統性分析。

對于一些利用空氣動力學原理進行谷物清選的農業機械來說，氣流場中氣流的均勻性、穩定性至關重要[14-16]。但是，對于離心風機出口氣流均勻性和穩定性的改善研究較為少見。本研究根據5XZ-10 型比重式種子分選機中離心風機的結構，利用Fluent 軟件對離心風機內部流場及風機出口流場進行數值模擬，提出內部流場的優化措施，旨在對風機出口氣流均勻化進行改善，為5XZ-10 型比重式種子分選機離心風機氣流分布提供優化依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

為了保證風機出口氣流速度的穩定性，5XZ-10 型比重式種子分選機采用的是雙葉輪雙入口單出口離心風機。風機由風機轉子部件、風機罩、風門調節裝置等組成，其中風機轉子部件由葉輪、軸、軸套組成，葉輪包括左側葉輪和右側葉輪，左右側葉輪采用螺栓連接的方式用固定盤連接在一起，如圖1 所示。5XZ-10 型比重式種子分選機配備9 臺相同規格的雙葉輪雙入口單出口離心風機。

1.2 試驗方法

采用數值模擬方法對5XZ-10 型比重式種子分選機中離心風機的流場進行分析。

2 離心風機建模與仿真

2.1 離心風機

5XZ-10 型比重式種子分選機的氣流動力源為雙葉輪雙入口單出口離心風機，共有9 臺相同的離心風機。為保證氣流的均勻性，9 臺風機用一根通軸串級連接在一起，由1 臺電動機來驅動。離心風機在電動機的驅動下工作時，風機內部的空氣被壓縮排出，在風機兩側入口附近形成低壓區，風機外部空氣源源不斷地流入低壓區，進入低壓區的空氣又被不斷壓縮排出，實現了風機對空氣的做功。

2.2 控制方程

計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）是一種模擬流體運動的數值方法。在CFD 中，控制方程是描述流體運動的基本方程。離心風機仿真計算時，Fluent 中采用湍流模型，其氣體動力學微分方程如下。

Navier-Stokes 方程

式中 μ——空氣動力粘度系數，N·s/m2

ρ——空氣密度，kg/m3

t——時間，s

u——流體質點在坐標（x，y，z）空間點處的速度，m/s

ux、uy、uz——速度在x、y、z 方向上的分速度，m/s

p——壓強，Pa

X、Y、Z——壓強在x、y、z 方向上的分量，Pa

2.3 離心風機模型及流體域生成

5XZ-10 型比重式種子分選機在清選谷物的過程中，空氣的動力是由雙葉輪雙入口單出口離心風機提供的，首先應用UG 軟件對離心風機等比例建模，然后將離心風機模型導入SpaceClaim 中進行幾何處理，完成流體域的抽取。流體域為兩側進風口到蝸殼出口氣體所流經的離心風機的空腔。抽取時，使葉輪完全處于轉動流體區域內，將計算域分為轉動流體區域和靜止流體區域。離心風機流體域模型如圖2 所示。

2.4 網格劃分

利用Fluent Meshing 對計算域進行網格劃分，兼顧精度和計算量生成非結構化多面體網格。在劃分過程中，靠近葉輪葉片的網格單元尺寸設置2 mm，其他流體區域的網格單元尺寸設置5 mm，并且將轉動流體區域和靜止流體區域的交界面設置為滑移網格面。通過網格質量標準偏度的檢查，對局部區域及部分面進行網格加密，確保計算精度。整體和局部網格如圖3所示。

2.5 設定邊界條件

轉動流體域設定為網格運動，風機在玉米谷物篩選時，它的通用轉速485 r/min，因此，將轉動流體域的旋轉速度設定485 r/min。風機入口使用質量流量入口邊界條件，入口類型設置為質量流入口，質量流率0.6 kg/s，出口類型為出流邊界，湍流設置為k-epsilon，湍流動能0.01 m2/s2，湍流耗散率0.01 m3/s2。

2.6 模型選擇

結合CFD 各模型特點，選擇合理的計算模型。標準k-epsilon 模型假定湍流為各向同性的均勻湍流，而Realisable k-epsilon 模型可以更精確地模擬圓形射流的擴散。對離心風機計算案例進行分析，其屬于旋流非均勻湍流問題的計算。而且，對于Realisable k-epsilon模型，在同時存在轉動流體域和靜止流體域的流場計算問題中，計算結果更符合真實情況。因此采用kepsilon改進模型，即Realisable k-epsilon 模型。

2.7 網格無關性驗證

風機流場仿真計算之前，對網格進行無關性驗證以確保計算結果的準確性。在風機出口界面x 方向設置一條直線，讀取直線上氣流速度值作為網格無關性驗證的考查量，分別對50 萬、100 萬、360 萬和 492萬 4 套網格進行無關性驗證。4 套網格下特定位置的氣流速度對比如圖4 所示，360 萬網格數與492 萬網格數的氣流速度基本保持不變，考慮到數值模擬過程中計算機內存和時間成本，最終選擇網格數360 萬。

2.8 雙葉輪雙入口單出口風機流場分布

在5XZ-10 型比重式種子分選機雙葉輪雙入口單出口風機仿真中，將離心風機轉動流體域的旋轉速度設定485 r/min 進行計算，得到離心風機的仿真結果，風機出口速度分布及速度矢量云圖如圖5 所示。由圖5a可知，在風機出口界面出現了兩個低氣流速度區域，而低速區域形成的原因是橫向氣流速度對縱向氣流速度作用的結果，甚至導致風機出口低速區域氣流產生了回流。由圖5b 可知，風機出口大部分區域產生了較大的橫向氣流速度，導致風機出口縱向氣流速度受到干擾，增大了風機出口界面的速度梯度。

后處理中，得到離心風機雙葉輪對稱面的速度分布和壓力分布結果。風機流場數據讀取位置如圖6 所示，圖中1 位置為Z=0.04 m，2 位置為兩側葉輪中分面Z=0.11 m，3 位置為Z=0.18 m。離心風機速度云圖如圖7 所示，壓力云圖如圖8 所示。

由圖7 和圖8 可知，離心風機內部流場中，兩側對稱位置的速度和壓力分布有較為明顯的不對稱。從離心風機出口速度分布來看，兩側葉輪流場產生了相互干擾導致風機出口界面氣流分布極不均勻，應采取一定的均勻化措施。

結合風機內部流場跡線做進一步分析，由圖9 可知，當風機轉子轉動時，氣流從風機兩側入口進入，風機兩側入口處形成了低壓區，風機入口附近的空氣源源不斷地流入低壓區，為低壓區填補空氣。通過風機葉輪對吸入的空氣做功，被做功的空氣從風機出口排出。對風機兩側入口的流場進行分析發現，風機兩側入口速度矢量由于入口處氣流壓力突然降低、空氣突然獲得動能，入口處非軸向流動的氣流對軸向吸入的氣流造成了干擾，因此在兩側入口處氣流流入時受到擾動較大。風機入口處出現這種現象的原因與5XZ-10 型比重式種子分選機所采用的風機結構有較大的關系。設備中雙葉輪雙入口單出口離心風機的結構中無集流器，因此風機入口流場對風機的運行性能有一定的影響，合理化風機入口流場是很有必要的。

兩葉輪與固定盤連接的部分對風機內部流場有一定的影響，為了厘清風機內部流場的情況，對風機流場跡線分布做進一步分析，根據在非耦合情況下，顆粒相的變化不會影響流體的流動，通過離散相DPM 模型，選擇與連續相的相互作用為非耦合，在風機兩側入口加入噴射源顆粒，通過后處理中粒子軌跡來分析流場的變化。對單個顆粒軌跡進行分析時發現，雙葉輪離心風機左右側流場的相互干擾較為強烈。

分析以上原因，建議采取以下兩項措施對離心風機內部流場進行優化。

（1）在5XZ-10 型比重式種子分選機中，應對雙葉輪雙入口單出口離心風機的結構進行改進。在風機入口布置集流器，氣流流經集流器，集流器使得空氣在其內部加速，減少風機運行損耗，形成相對均勻的入口速度場，可以起到穩流的作用，集流器會對風機入口流場及風機運行產生良好的影響。

（2）風機在結構上，左右側兩個葉輪由固定盤連接，固定盤不僅起到了固定連接作用，而且具有分隔密封作用，它將左右側葉輪對空氣的做功空間分隔開避免相互干擾。但是，在風機原型中，固定盤與葉輪的連接采取的是螺栓連接，并沒有采取附加的密封措施。因此，通過對風機流場中顆粒運動軌跡的分析，風機需對固定盤與葉輪的連接進行密封，避免左側葉輪（右側葉輪）中少量氣流通過連接處漏入右側葉輪（左側葉輪）區域對右側葉輪（左側葉輪）的主氣流產生干擾。

3 離心風機出口流場均勻化

3.1 鋼板網

針對離心風機出口流場的不均勻分布，提出流場均勻化措施，即在風機出口增設鋼板網，作用是對風機出口氣流進行均勻性處理。鋼板網布置于離心風機的出口正上方0.13 m 處，鋼板網結構如圖10 所示。流場仿真計算過程中，考慮計算機的計算內存，將鋼板網用多孔介質模型來替代。

3.2 多孔介質模型計算

結合鋼板網的結構尺寸、孔徑及孔節距建立鋼板網的物理模型，通過速度和壓力差之間的數值關系，擬合得到多孔介質區域速度和壓力差的函數關系，求解多孔介質的黏性阻力系數與慣性阻力系數。

流經多孔介質區域的介質為空氣，空氣密度ρ=1.225 kg/m3，空氣黏度μ=1.789 4×10?5 N·s/m2，介質厚度Δm=1.2 mm。試驗測定空氣通過多孔介質區域后的速度與壓力差如表1 所示。

將表1 數據擬合為Δp=av2+bv 形式，擬合得到速度與壓力差的函數曲線如圖11 所示。數據擬合后函數表達式為Δp=16.872v2+0.499 8v。其中，Δp 為空氣流經多孔介質區域的壓力差，Pa；a、b 為擬合系數；v 為空氣流經多孔介質區域的氣流速度，m/s。

通過上述分析得，a=（C2ρΔm）/2=16.872，則C2=22 955.10；b=（μΔm）/α=0.499 8，則α=4.30×10?8。其中，C2 為慣性阻力系數；ρ 為流體密度mkg/m3；Δm 為沿著該方向的多孔介質區域厚度，m；μ 為動力黏度，N·s/m2；α 為面滲透率。

離心風機出口增設鋼板網后，為了保證仿真計算數據的準確性，將風機出口的氣流數據導出，生成csv文件作為鋼板網流場區域的入口邊界條件。加鋼板網后風機出口跡線如圖12 所示。由于鋼板網對氣流的阻礙作用，氣流在經過鋼板網時產生了返流和逃逸，但較增設鋼板網前離心風機出口氣流速度分布發生了變化。

風機出口增設鋼板網后鋼板網出口速度云圖及矢量圖如圖13 所示，對比圖5 與圖13 可知，氣流均勻性有明顯的提升。未增設鋼板網風機出口平面速度最大風速27.30 m/s；離心風機出口增設鋼板網后，鋼板網向上0.01 m 平面處速度分布顯示最大風速13.2 m/s。雖然增設鋼板網對風機出口氣流產生了能量損耗，但是它有效地降低了速度值的梯度差，鋼板網對氣流進行了均勻化。同時，對圖13 的結果引入氣流均勻性指數對其進行評價，通過Fluent 根據式（5）讀取未增設鋼板網風機出口氣流均勻性指數0.88。增設鋼板網后，風機出口氣流均勻性指數為0.90。式（5）中γv 的取值范圍[0，1]，其值越大則流動均勻性越好，氣流均勻性指數的增大，表明氣流均勻性有明顯的提升，提升率2.27%。

式中 γv——流場速度均勻性指數

n——測量點個數

j——第j 個測點

vj——各測點速度，m/s

v——測量截面上平均速度，m/s

4 結束語

對離心風機流體域進行仿真，針對離心風機內部流場及風機出口氣流的分布，提出兩項措施。

（1）利用離散相DPM 模型，在非耦合情況下，風機入口速度場速度矢量不穩定，入口增設集流器，起到穩流的作用。風機入口流場對風機的運行性能有一定的影響，對離心風機內部流場進行研究，發現左右側流場之間相互干擾較為強烈，提出對離心風機固定盤與葉輪的連接進行密封。

（2）為保證5XZ-10 型比重式種子分選機篩面上具有合理的氣流分布，對離心風機出口流場均勻化，提出在風機出口增設鋼板網，對風機出口氣流進行均勻性改善。增設鋼板網后風機出口氣流均勻性指數由0.88 提升至0.90。

參考文獻

［1］張金彪，劉永玲，馮志明，等．離心風機概述[J]．裝備機械，2018（3）：63-66．

［2］鞏延光，韓增德，郝付平，等．玉米收獲機籽粒回收裝置氣流場分布試驗研究[J]．農業工程，2021，11（2）：100-105．

GONG Yanguang， HAN Zengde， HAO Fuping， et al． Experimentand analysis of airflow field distribution in corn harvester grain recoverydevice[J]．Agricultural Engineering，2021，11（2）：100-105．

［3］RIZAEV A， MALIKOV Z， YULDASHEV A， et al． Bench-scalestudy of centrifugal fan parameters[C]//IOP Conference Series：MaterialsScience and Engineering． IOP Publishing， 2021， 1030（ 1） ：012175．

［4］DING W， HE X． Numerical simulation of internal flow field in threestagecentrifugal fan of grain sucker[J]．Transactions of the Chinese Societyof Agricultural Engineering，2011，27（11）：78-84．

［5］杜洪恿，王永剛，張恒，等．聯合收割機清選裝置中離心風機的現狀及發展趨勢[J]．中國農機化學報，2019，40（7）：73-77．

DU Hongyong， WANG Yonggang， ZHANG Heng， et al． Currentstatus and development trend of centrifugal fan in cleaning device of combineharvesters[J]． Journal of Chinese Agricultural Mechanization，2019，40（7）：73-77．

［6］LIANG Yaquan，TANG Zhong，ZHANG Hao，et al．Cross-flow fanon multi-dimensional airflow field of air screen cleaning system for ricegrain[J]．International Journal of Agricultural and Biological Engineering，2022，15（4）：223-235．

［7］徐立章，于麗娟，李耀明，等．雙出風口多風道離心風機內部流場數值模擬[J]．農業機械學報，2014，45（10）：78-86．

XU Lizhang， YU Lijuan， LI Yaoming， et al． Numerical simulationof internal flow field in centrifugal fan with double outlet and multiduct[J]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2014，45（10）：78-86．

［8］余波，王強，王霜．基于Fluent 的風篩式清選室氣流場的仿真[J]．江蘇農業科學，2016，44（7）：358-361．

［9］陳曉，龔艷，陳小兵，等．基于FLUENT 的離心風機性能優化[J]．江蘇農業科學，2019，47（16）：250-254．

［10］李慶倫，金誠謙，滕悅江，等．雙出風口多風道離心風機清選裝置主要參數試驗優化[J]．農機化研究，2021，43（5）：190-196．

LI Qinglun， JIN Chengqian， TENG Yuejiang， et al． Experimentaloptimization of main parameters of multi-channel centrifugal fan withdouble outlet[J]． Journal of Agricultural Mechanization Research，2021，43（5）：190-196．

［11］司書國．采棉機氣力輸送橫流風機的設計[D]．濟南：山東建筑大學，2022．

［12］SHAO Wenping， FENG Jingan， ZHANG Feng， et al． Aerodynamicperformance optimization of centrifugal fan blade for air system of selfpropelledcotton-picking machine[J]． Agriculture， 2023， 13（ 8） ：1579．

［13］陳磊，李紹波，王鵬飛，等．基于SolidWorks Flow Simulation 的離心風機內流場仿真研究[J]．農業與技術，2023，43（ 9）：29-34．

［14］何強龍，程麗娟，伍永福，等．基于空氣動力學谷物清選技術的研究進展[J]．山西農業科學，2023，51（5）：590-598．

HE Qianglong， CHENG Lijuan， WU Yongfu， et al． Research progresson grain clearing technology based on aerodynamics[J]． Journalof Shanxi Agricultural Sciences，2023，51（5）：590-598．

［15］ZHANG Ce， GENG Duanyang， XU Haigang， et al． Experimentalstudy on the influence of working parameters of centrifugal fan on airflowfield in cleaning room[J]．Agriculture，2023，13（7）：1368．

［16］DAI Fei， SONG Xuefeng， SHI Ruijie， et al． Migration law of flaxthreshing materials in double channel air-and-screen separating cleaner[J]． International Journal of Agricultural and Biological Engineering，2021，14（3）：92-102．

基金項目： 新疆維吾爾自治區自然科學基金項目（2022D01B138）；新疆維吾爾自治區大學生創新創業訓練計劃項目（S202210994013）