短棒黑木耳負壓采收機內部流場模擬與設備優化

摘要：為分析箱體結構對短棒黑木耳負壓采摘機內部流場的流速變化、采摘頭吸風口處的壓力、箱體內部渦旋情況、進出風口風壓壓差的影響，建立不同吸風口位置及采摘管直徑的3D模型，基于Fluent軟件對短棒黑木耳負壓采摘機內部流場進行流場模擬。根據跡線圖分析收集箱出風口處于不同位置時，箱體內渦旋情況；研究設備內部流場壓力云圖與矢量圖，分析不同采摘管直徑下管道內流速變化、箱體內平均流速值與采摘口所受風壓情況。為驗證數據可靠性，設置標準吸力試驗。試驗結論與流場模擬結果相符，驗證流場數值模擬的可靠性。數值仿真結果表明，螺紋管直徑和出風口高度對負壓采摘機內部流場影響顯著。螺紋管直徑越大，氣流場壓降越大。且隨著螺紋管的內徑增大，管道內的氣流速度衰減越快，箱體內氣流渦旋現象越嚴重。吸風口位置會影響箱體內渦旋情況。出風口離收集箱頂部越近，渦旋現象越弱。綜合考慮，較優的螺紋管直徑為58 mm，較合適的吸風口位置為出風口圓心距離箱體頂部60 mm。

關鍵詞：短棒黑木耳；采收機；氣流場；數值模擬；優化設計

中圖分類號：S233.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095?5553 （2024） 11?0100?06

Internal flow field simulation and equipment optimization of negative pressure harvesting machine for black fungus with short rod

Qian Chen1， Chen Hongli1， 2， Du Xiaoqiang1， 2， Sun Liang1， 3， Yang Zhenhua4

（1. School of Mechanical Engineering， Zhejiang University of Science and Technology， Hangzhou， 310018， China;

2. Zhejiang Key Laboratory of Planting Equipment Technology， Hangzhou， 310018， China; 3. Key Laboratory of Southeast Hill and Mountain Agricultural Equipment， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Hangzhou， 310018， China; 4. Longquan Guyuan Automation Equipment Co.， Ltd.， Longquan， 323700， China）

Abst1ME0DMzgYQkKQTquZPwgpQ==ract： In order to analyze the effect of the box structure on the flow velocity changes， pressure at the suction port of the picking head， vortex situation inside the box， and pressure difference at the inlet and outlet of the short stick black fungus negative pressure harvester， a 3D model was established for different suction port positions and picking pipe diameters. Based on Fluent software， the internal flow field of the short stick black fungus negative pressure harvester was simulated. According to the trace diagram， the vortex situation inside the collection box was analyzed when the air outlet was at different positions. The pressure cloud images and vector maps of the internal flow field of the equipment were studied to analyze the changes in flow velocity inside the pipeline under different picking pipe diameters， the average flow velocity inside the box and the wind pressure on the picking mouth. In order to verify the reliability of the data， a standard suction test is set up. The experimental conclusion is consistent with the flow field simulation results， verifying the reliability of the numerical simulation of the flow field. The numerical simulation results show that the diameter of the threaded pipe and the height of the air outlet have a significant impact on the internal flow field of the negative pressure harvester. The larger the diameter of the threaded pipe， the greater the pressure drop in the airflow field. And as the inner diameter of the threaded pipe increases， the airflow velocity inside the pipeline decays faster， and the vortex phenomenon inside the box becomes more severe. The position of the air intake will affect the vortex situation inside the box. The closer the air outlet is to the top of the collection box， the weaker the vortex phenomenon. Taking all factors into consideration， the optimal threaded pipe diameter is 58 mm， and the more suitable suction port position is 60 mm from the center of the air outlet to the top of the box.

Keywords： black fungus with short rod; harvester; airflow field; numerical simulation; optimal design

0 引言

我國是世界上最早栽培黑木耳的國家，人工栽培歷史已有1 300多年[1]。近年來，黑木耳種植項目是國家對部分地區扶貧的重要項目。隨著黑木耳產業的發展，其生產過程中的機械化已基本實現，包括栽培料制備設備、攪拌設備、制棒設備、滅菌設備、接種設備等[2?4]；但因缺少黑木耳采摘相關設備的理論知識和技術支撐，我國目前還沒有成熟的黑木耳采摘設備。我國科研人員對黑木耳機械化采收裝備的研發和采收技術的研究尚處起步階段。目前能夠查詢到的木耳采收機多為專利概念機。李精敏[5]發明的黑木耳采摘專利概念機采用了負壓采集方式采收木耳。此設備將采摘裝置安裝在車體上，采摘裝置包括吸頭、吸管、操控桿、集耳箱、風管、吸氣風機和風機驅動裝置。黑木耳產業尚未在國外興起，因此尚無外國研究人員研發黑木耳采收設備。

目前現有的黑木耳采摘機均采用機械采摘方法：使用刀片刮下或割下木耳。這樣的采收方式很難保證木耳的完整性，出現“大小木耳一刀切”的情況，不利于黑木耳的后續生長。針對此問題，研發了短棒黑木耳負壓采收機，該設備采摘效率高，配備自動采摘平臺，能夠有效提升黑木耳采收品質。本文針對短棒黑木耳負壓采收設備，基于Fluent軟件對設備內部流場進行模擬研究，優化設備結構，提升其作業性能[6?10]。

在短棒黑木耳負壓采收機的研究中，流體力學分析是關鍵環節之一。本文對短棒黑木耳負壓采收機進行流體力學分析，研究螺紋管直徑與出風口高度對采摘口風壓、管道內氣流速度及箱體內渦旋現象的影響規律。系統地模擬并分析收集箱內的流場數據，并著重研究箱體開口高度和采摘頭連接管內徑對流場的影響，根據分析結果優化設備結構。

1 采收機結構與工作原理

1.1 采收機結構

短棒黑木耳負壓采收機適用室外開闊地段，例如田間、林間等區域的木耳采收設備。其主要部件有汽油風機、木耳收集箱、自動采摘平臺等，整機結構如圖1所示。采收機主要參數如表1所示。

1.2 工作原理

短棒黑木耳負壓采收機的功能實現主要分兩部分：采摘吸頭吸取黑木耳、采摘平臺周期性動作。

采摘頭采摘木耳的實現原理與吸塵器類似：高速汽油機帶動離心風機將收集箱內的氣體抽離，使收集箱箱體內形成負壓環境。收集箱與采摘吸頭由螺紋管連接。由于收集箱內處于負壓狀態，較大的氣壓差會將采摘吸頭口附近的空氣吸入螺紋管內，此過程中快速流動的空氣會對菌棒上的黑木耳產生一定風壓，從而使黑木耳脫離菌棒吸入螺紋管，最終進入收集箱。

采摘平臺周期性動作的實現：采摘平臺是由4臺步進電機驅動的全自動系統。自動采摘平臺底盤由一臺步進電機驅動，將黑木耳菌棒轉至采摘工位上，使菌棒對準采摘吸頭。采摘工位底盤由一臺步進電機帶動進行自轉。在采摘工位自轉的同時，直線電機帶動采摘頭做上下間歇運動。各電機配合動作，能將菌棒上的每一片黑木耳送到采摘頭吸口處，由采摘頭摘下并吸入收集箱內。

2 設備優化與數值模擬方法

2.1 設備優化方法

木耳采收機實際使用過程中產生了兩個問題：（1）螺紋管直徑與采摘頭吸力之間的矛盾。在實際使用中發現，螺紋管直徑越小，則采摘頭吸力越大，但螺紋管堵塞率也越高。想要減少堵塞情況的發生，就需要增大螺紋管直徑。受限于離心風機的功率，在安裝大直徑螺紋管時，箱體內產生的負壓無法使采摘頭產生足夠大的吸力。因此，通過調整螺紋管直徑，使箱體內能產生合適負壓，讓螺紋管直徑最大化，就可以最大程度減少堵塞概率，從而達到對設備進行優化的目的。（2）木耳懸浮打轉現象。在采收試驗中觀察到木耳處于含水率較低的情況下，吸入箱體內的木耳會出現懸浮打轉的現象。其主要原因是箱內氣流渦旋導致的。在實際使用中發現，調整設備出風口高度可以影響箱體內的渦旋情況。因此，想到通過對不同出風口高度的3D模型進行仿真分析，找到最為合適的出風口高度，削弱箱內的氣流渦旋。箱內渦旋的減弱可以降低木耳的破損率，提升采摘效果，從而提升了設備性能。

2.2 數值模擬方法

計算流體力學是一種研究流體流動問題的數值計算方法。通過應用數值計算和分析技術，使用離散化方法建立數學模型，以處理流體在時間和空間上的行為。這種方法可以將流體流動問題轉化為離散的數據集，形成一個具有幾何結構的數據體。通過對這些離散數據進行數值計算和分析，可以獲得定量描述流場的數值解[11?13]。木耳采收機可使用計算流體力學方法進行數值模擬，且設備作業時遵守質量守恒定律；流體計算應滿足動量守恒定律。流場計算需用到k-ε湍流模型。以下為各部分方程[14]。

質量守恒方程

[??t（ρ）+?（ρu）=0] （1）

式中： [ρ]——流體密度，kg/m3；

[t]——時間，s；

[u]——流體速度矢量。

動量守恒方程

[??t（ρu）+?（ρuu）=?τ-?p+ρg-FD（u-up）] （2）

式中： [τ]——應力張量；

[?（ρuu）]——動量密度向量的散度，即動量隨空間的變化率；

[p]——壓力標量場；

g——重力加速度矢量；

up——流體參考速度；

[ρu]——單位體積內流體的動量；

[FD]——阻力系數。

能量守恒方程

[??t（ρE）+??xiui（pE+p）=??xi（keff?T?xi-j'hj'Jj'+uj（τij）eff）+Sh] （3）

[E=h-Pρ+u22] （4）

[h=j'mj'hj'+Pρ] （5）

式中： E——包括內能、動能和勢能的總能量；

[xi]——空間坐標；

[keff]——有效熱傳導系數；

[T]——溫度標量場；

[hj']——焓；

[ui]——流體的速度分量，i表示速度的具體方向；

[uj]——組分j的質量分數，描述流體中不同組分的比例；

（[τ]ij）eff——有效剪切應力張量，描述流體內部剪切應力的影響；

[Sh]——化學反應熱；

[Jj']——擴散通量，表示單位面積上的物質流動率；

[mj']——質量分數。

[k-ε]方程

[??t（ρφ）+??xj（ρUjφ）=??xj（Dφ?φ?xj）+Sφ] （6）

式中： [φ]——求解物理量；

[Uj]——流體的速度在j方向（坐標軸方向）上的分量；

[Dφ]——擴散系數；

[Sφ]——源項。

聯立式（1）～式（6），結合木耳采摘機氣流場進出口邊界條件和壁面的邊界條件進行數值求解。采用二階迎風格式進行空間離散，在時間上采用隱式格式進行離散。在Fluent軟件中設置收斂殘差為0.000 1，經過迭代600次收斂，各模擬數據曲線趨于平穩。計算報告顯示，質量流率通量結果小于10-5，符合通量守恒。

3 流場模擬研究

3.1 模型建立與數值模擬

氣流場是負壓木耳采摘機的核心，研究通風管、木耳收集箱、螺紋管三者相連的氣流通路內部流場，分析其氣流分布與變化規律，對于提升木耳采摘機的性能有著重要意義。本文使用Fluent軟件對木耳采摘機的氣流通路進行模擬研究。使用Soildworks進行三維建模并合理得簡化模型。簡化后的模型如圖2所示。將簡化后的模型保存為“.x_t”模式并導入SpaceClaim中進行組合并修復模型。模型修復內容包括模型自身存在的分割邊、額外邊、重復邊、小型面以及非精確邊，確保修復之后的模型可以順利且合理得劃分網格。

定義采摘吸頭的入口為氣流通路入口，定義通風管口為氣流通路出口，其他外表面不作處理，Space Claim軟件自動將其定義為wall。

將設置完成的模型導入Fluent，選擇Watertight Geometry模式。網格類型和數量對計算結果有較大影響，網格劃分越精細則仿真效果越好，但同時計算量與計算時間也會隨著網格數量的增加而增加。網格劃分后，“maximum?skewness”參數小于0.7，則說明網格質量良好，否則需要修改參數提升網格質量[15?17]。經過多次參數調配與測試，結果如表2所示。最終選定網格參數為：最小尺寸為0.35；最大尺寸為5；質里優化的偏度限值為0.7；基于坍塌方法改進質里的偏斜度調值為0.9；網格數量為1 484 518。體網格類型選擇多面體類型[18， 19]。最終生成體網格數量為466萬個。體網格截面圖如圖3所示。

3.2 仿真結果分析

3.2.1 采摘頭螺紋管直徑對內部流場的影響

分別設定采摘頭螺紋管直徑為39 mm、58 mm、77 mm。入口風速設置為10 m/s，出口相對壓強設置為0 kPa。仿真計算得出不同管徑下氣流通路的壓力云圖（圖4）、矢量圖（圖5）、跡線圖（圖6）。

由圖4可知，不同管徑下氣流通路的壓力分布情況。采摘頭入口不變的情況下，不同管徑對于流場內的壓力影響比較明顯。當螺紋管的直徑為39 mm時，采摘口壓力為300 Pa，收集箱內壓力為20 Pa左右，通風管內整體呈負壓狀態，其負壓值為30 Pa左右。從氣流入口到出口的壓差為400 Pa；當螺紋管的直徑為58 mm時，采摘口壓力為70 Pa，收集箱內壓力為40 Pa左右，通風管內整體呈負壓狀態，其負壓值為5 Pa左右。從氣流入口到出口的壓差為170 Pa；當螺紋管的直徑為77 mm時，采摘口壓力為50 Pa，收集箱內壓力為40 Pa左右，通風管內大部分區域呈負壓狀態，其平均負壓值為0 Pa左右。從氣流入口到出口的壓差為60 Pa。從模擬數據可以得出：螺紋管直徑越小，采摘口處所受壓力越大，說明采摘口附近的風壓也越大。

如圖5所示，螺紋管直徑為39 mm時，螺紋管內速度約為15 m/s。箱體內流速為5 m/s左右；當螺紋管直徑為58 mm時，螺紋管內速度平均值約為7 m/s，箱體內流速普遍為4 m/s；當螺紋管直徑為77 mm時，螺紋管前半段速度為7 m/s，后半段速度下降為3 m/s，箱體內流速普遍為1.5 m/s；分析數據可得：螺紋管直徑越大，管道內流速下降越快，箱內平均流速越小。

圖6為不同螺紋管直徑下箱體內流體軌跡。當螺紋管直徑為39 mm時，箱體內氣流較為均勻，抽屜內無明顯渦旋。當螺紋管直徑為58 mm時，箱體上部拐角處有較小渦旋，抽屜內無明顯渦旋。但螺紋管直徑為77 mm時，靠近出風口處有明顯的氣流渦旋產生，其渦旋已經蔓延到了抽屜內。

流體入口和出口之間的壓力差作為負壓采摘的重要參數，其數值越大越好。當螺紋管直徑為39 mm時，壓差達到400 Pa。而螺紋管直徑為77 mm時，其壓差僅為60 Pa。數值上相差6.7倍。螺紋管內的氣體流速影響到木耳的飛行速度。不同管徑下箱體內的流速為1.5～4 m/s，均處于可接受范圍內。渦旋現象會對木耳采摘產生較大影響。當螺紋管直徑為77 mm時，箱體內渦旋現象明顯，尤其是出風口附近的渦旋現象，對設備采摘影響較大。

綜上所述，螺紋管直徑越小設備吸力越大，考慮到木耳采摘過程中部分木耳耳片較大，39 mm的內徑容易產生堵塞。管道內徑為58 mm時，各方面性能尚可。管道內徑為77 mm時，入風口與出風口之間的壓差過小，且管道內流速低，出風口附近有明顯的渦旋現象。因此，設置采摘頭螺紋管直徑為58 mm最為合理。

3.2.2 出風口高度對內部流場的影響

箱體出風口高度對箱內流場具有一定影響，因此本文設置不同的出風口高度并進行仿真分析。取出風口圓心距離箱體頂部H為60 mm、80 mm、100 mm進行試驗研究，分析其氣流軌跡與渦旋情況。由圖7可知，出風口距離頂部越遠，出風口上方渦旋現象越明顯，渦旋直徑越大。因此，減小H數值可減弱渦旋，提升設備的性能。

4 驗證試驗

為驗證數值模擬結果的正確性，根據仿真參數設置對比試驗。由于黑木耳耳片受風面積與乒乓球近似，故使用乒乓球作為標準替代試驗對象，使用測力計作為吸力測試工具。將乒乓球與測力計掛鉤穩定連接，在管口直徑為39 mm、58 mm、77 mm的螺紋管上固定形狀相同的管口支架。設備啟動后，將乒乓球置于管口支架上，待管口流速穩定后，握住測力計將乒乓球垂直拉離管口。此過程中，記錄測力計顯示數值的最大值。對不同尺寸的螺紋管各做5次吸力試驗并記錄試驗數據，如表3所示。

由表3可以看出，管口直徑與采摘頭吸力成負相關。且管口直徑越大，吸力衰減越快。實際試驗結果與流場模擬結果相符，驗證了流場模擬數據的可靠性。

5 結論

1） 通過對采摘機采摘口所連接的螺紋管進行模擬仿真，研究不同直徑下設備內部流場的變化，發現螺紋管直徑越小，入風口與出風口的壓差越大；螺紋管直徑越小，采摘口處所受壓力越大，采摘口附近的風壓也越大；螺紋管直徑越大，管道內流速下降越快，箱體內平均流速越小；螺紋管直徑越大箱體內產生的渦旋現象越明顯。由于部分木耳的耳片較大，選擇螺紋管直徑為39 mm時，螺紋管容易堵塞。

2） 木耳抗拉力試驗數據表明，龍泉當地的黑木耳品種達到采收規格后，其平均抗拉力為2.15 N。管口直徑為58 mm時，其吸力平均值為2.270 N，滿足采摘要求。因此設置螺紋管直徑為58 mm較為合適。

3） 出風口距離頂部越遠，出風口上方渦旋現象越明顯，渦旋直徑越大。因此，減小出風口離箱體頂部的距離，可有效減弱渦旋現象，從而提升設備性能。將距離設置為出風口圓心到箱體頂端距離H=60 mm能夠有效減弱渦旋現象，提升負壓木耳采收機的采摘效果。

參 考 文 獻

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