基于Fluent的气流式集粮箱数值流场的仿真

陈思旭，王 霜,b,廖 敏,b，李青涛，卢劲竹

(西华大学 a.机械工程学院;b.流体与动力机械教育部重点实验室，成都 610039)

基于Fluent的气流式集粮箱数值流场的仿真

陈思旭a，王 霜a,b,廖 敏a,b，李青涛a，卢劲竹a

(西华大学 a.机械工程学院;b.流体与动力机械教育部重点实验室，成都 610039)

为了改善小区收割机上麦粒在集粮箱中流化堆积的状况，提高粮食输送能力，深入研究了集粮箱中气流场的分布规律。利用Adams动力学软件建立工作时的振动模型，得到振动响应，在Fluent 15.0软件中对集粮箱进行数值模拟仿真，并通过对其喉管高度、落粒出风管高度、落粒口管锥角及进风口壁面内半径4个参数的变化做正交试验，分析对比得出结果。试验表明：有效结构参数为喉管高度为25mm，落粒出风管高度为60mm，落粒口管锥角为30°，进风管壁面内半径为1 800mm，有利于集粮箱对粮食颗粒的有效风送运输。

集粮箱；振动；CFD；气流场；收割机

0 引言

育种机械化可以成倍地提高育种工作效率，节省投资，缩短育种周期，但田间育种的小区种子收获一直是个难题[1]。在现代小区收割机上，对振动风筛式清选后的麦粒运输广泛采用的是气体输送[2]。结合小区收割机实际工作情况，粮食脱出物在风力作用下流化沸腾于集粮箱中，严重影响收割机清洁率和残留率。近年来，国内外普遍运用计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)来对空间复杂几何区域流体进行数值模拟。因此,以4LZX-1.5型农业育种自清理式小麦小区收割机为实验样机，运用Fluent软件分析集粮箱内部的气流流动特性，优化其几何结构参数，对提高粮食输送质量和效率具有重要意义。

1 集粮箱工作原理及运动分析

麦粒混合物通过清选振动筛后下落至入料口，集拢于入料箱中经过落粒口进入风管，并在一侧高压风机作用下，风送到另侧的出风口至相同入口截面的旋风分离器里，属于正压气力输送装置[3]。在小区收割机中，为了使麦粒由自身重力及风力作用下顺利下落和防止风送途中的堵塞，集粮箱与振动筛同时进行反向振动运动。实际工作中,入料箱内部气流场形成的紊流导致颗粒出现流态化的沸腾状，杂壳及籽粒混合物在入料箱内受风力回旋不能及时经过落粒口下落到风管中，无法保证小区收割机收获质量。以4LZX-1.5型农业育种自清理式小麦小区收割机为样机，利用creo2.0三维建模软件绘制出集粮箱三维结构模型,如图1所示。

1.出风口 2.入料口 3.入料箱 4.入风口 5.进风管壁面内半径 6.落粒口管锥角 7.喉管高度 8.落粒口 9落粒出风管高度

图1 集粮箱三维结构模型

为了便于观察分析，将振动运动简化为曲柄摇杆机构，图2为集粮箱的振动运动系统的工作原理简图。根据小区收割机实际运转参数，曲柄工作转速为300r/min。整个振动系统由曲柄提供动力，使集粮箱做具有阻尼的单自由度受迫振动运动。集粮箱在y、z方向上都存在随时间变化的位移，原动件曲柄存在极位夹角，因此具有急回运动特性。集粮箱摆动运动微分方程[4]为

(1)

1.曲柄 2.机架 3～5.连杆 6.短摇杆 7.集粮箱 8.短摇杆图2 振动运动系统的工作原理简图

为了较好地研究集粮箱的振动运动规律，以曲柄在最左侧为位移和时间初始的零点位置。利用Adams动力学软件对动力学微分代数方程求解并模拟计算出集粮箱随时间在y、z方向上的速度图像，如图3、图4所示。

图3 集粮箱在y方向速度变化

图4 集粮箱在z方向速度变化

由速度变化图可知：集粮箱振幅达到6.126 1mm，在y方向上速度最大值为186.578mm/s，运动周期为0.2s；集粮箱在z方向上速度最大值为36.831mm/s，运动周期为0.2s。

2 气流场数学模型及动网格技术

2.1 气体动力学控制方程

在模拟集粮箱内部的气体流动中，设定气流为连续介质模型，内部空气的压缩率较[5]，因此忽略空气的压缩对流场分布特性的影响，可认定气流为不可压缩牛顿流体。气体动力学控制微分方程为如下：

根据质量守恒原理，通用连续性方程为

(2)

对于不可压缩流体，有

(3)

气相Navier-Stokes方程为

(4)

湍流本身是极其复杂的三维非定常物理现象，对气流的流体模型通常选为湍流模型[6]，将未知量与平均速度梯度结合起来，使基本控制方程组(1)～(3)封闭。对于射流扩张，更好的适应流动分离和二次流，所以本文选用Realizablek-ε湍流模型，气体的湍流动能k和耗散率ε的公式如下：

1)雷诺应力的涡粘性模型为

(5)

其中，μt为湍流粘度；ρ为气流的密度；Sij为平均速度应变率张量；k为湍流动能；δij为克罗内克因子；Snn为速度方向应变率。

2)湍流粘度为湍流动能k和耗散率ε的函数为

μt=cμfuρk2/ε

(6)

3)湍流动能k运输方程为

(7)

4)耗散率ε运输方程为

(8)

其中

2.2 动网格技术

由于集粮箱的振动运动，属于变化的计算流域，采用基于动网格技术来对箱体的运动进行数值模拟。运用弹簧近似光滑模型(Smoothing)和局部网格重构(Remeshing)，使其网格节点在相互之间连接模型弹簧，采用胡克定律迭代，得到移动后的新节点位置。对不满足网格尺寸的边界动网格，会被重新划分，使之满足畸变率和网格尺寸要求。对于任意广义标量φ，积分守恒方程为[7]

(9)

其中，Vs为单元体体积；Ls为单元体边界；u为流体平均速度(m/s)；ug为动网格边界运动速度(m/s)；Γ为扩散系数；qφ为源项；n为边界外法线单位向量。

3 Fluent模型建立及参数设置

3.1 模型网格划分及前处理设置

全局体网格类型为四面体非结构化网格如图5所示。同时，对流体域变化较大处进行局部加密，利用光顺化迭代对网格进行处理，提高其生成质量。

图5 集粮箱流域网格划分

由于集粮箱的振动运动随时间而变化，为非定常状态，模型的求解采用对于瞬态具有明显优势的基于压力的PISO分离式求解器[8]。离散化方法采用三阶精度截差的QUICK格式。工作压力设置为1个标准的大气压。入风口根据风机提供的参数速度入口取23.2m/s[2]，入料口为标准大气压的压力入口，出风口

设置为标准大气压压力出口。

3.2 流体域动网格设置

动网格技术可以模拟边界运动引起的流域随时间的变化，根据Adams对运动学方程的求解结果，得到集粮箱的振动运动规律，运用MicrosoftVisualStudio软件编写UDF(UserDefinedFunction)编译型振动运动函数见式[(10)、(11)]，移动边界设置为刚体运动，MeshMethods中选弹簧近似光滑法(Smoothing)和局部网格重构(Remeshing)，在每个时间步(time)的迭代后同步更新其网格。

0.185sin(31.4×time)

(10)

0.03589sin(31.4×time)

(11)

4 集粮箱气流场优化

4.1 气流场优化目标

由于脱出物轻浮且密度大，对集粮箱结构有较高的要求。在进行结构设计时，利用流体力学原理计算，使其内部有较稳定变化的气流场，避免强旋流导致的清洁率下降和残留率上升。在小区收割机上杂质筛清选效率一般在80%[9]，所以在集粮箱入料箱体中气流速度变化均匀，反向气流流动速度小于脱出物混合物最小悬浮速度，并且回流流速越小，入料口正向风速越大有利于麦粒的运输，使其能迅速下落并风送至出风口。根据脱出物的悬浮速度测量统计，麦粒的悬浮速度在5.53～11.6m/s，茎秆为5.1～8.1m/s，轻杂质0.74～6.4m/s[2]。所以，在集粮箱中得到相对均匀的气流场和回流风速不高0.74m/s及出口管内避免回旋风且出风口风速高于11.6m/s，有利于粮食脱出物的气流运输。

4.2 实验设计方案

本实验采用多因素多水平的正交试验设计方法，以固定的风机风速分别对喉管高度、落粒出风管高度、落粒口管锥角及进风管壁面内半径4个对气流场影响较大的参数进行实验[10]，以得到优化流场的结构参数组合。

根据L9(34)正交试验表，实验分为9组试验如表1所示。利用Fluent15.0分别对集粮箱进行四因素三水平的数值模拟,并监测出风口、入料口及最大气流速度，观察入料箱及出风管是否有旋流现象。

表1 正交试验因素水平表

4.3 数值模拟结果及分析

通过对集粮箱的9组正交试验，在相同流体时间下计算结果如表2所示。

根据试验结果，出风口风速均高于11.6m/s，入料箱内部存在回旋风无法避免，用散点趋势图来表示4因素影响因子对风速的影响。由图6可知：随喉管高度的增加，箱内A、B、C3点风速均呈下降趋势，在喉管高度大于30mm后，最大风速下降最为明显。由图7可知：当落粒出风管高度增加时，风速有下降的趋势，但在高度大于65mm后，场内风速变化有所减缓。由图8可知：落粒口管锥角对3点处风速的影响各不相同，其中对于出风口风速影响较小，随着锥角增大，场内最大风速呈同向变化，入料口出风速在锥角大于30°后变化平稳。由图9可知：进风管壁面内半径对3点处风速的影响最小，在进风管壁面内半径大于1 400mm时，入料口及最大风速均呈回升趋势。在9组试验中，入料箱内部始终会伴随回旋风，并部分沿箱体斜壁面吹至入料口。

表2 正交试验分组及结果表

图6 喉管高度对风速的影响

图7 落粒出风管高度对风速的影响

图8 落粒口管锥角对风速的影响

图9 进风管壁面内半径对风速的影响

4.4 试验数据分析

对主要目标箱内回旋风速进行极差直观分析，如表3所示。

表3 箱内回旋风速极差分析结果

表4 入料口风速极差分析结果

由极差分析结果看出：影响回旋风速的重要顺序为Z、W、Y、X。目标回旋风速要取极小值，减小粮食脱出物在运输途中的干扰，所以对于影响因子较大的Z因素选取Z2,W因素选取W3。由于对集粮箱流场分析进行的是多目标优化的正交试验，因此采用综合平衡分析的原则。结合表4的结果，影响入料口风速的重要顺序为X、Y、W、Z，对于入料口风速影响因子较大的是X、Y。考虑到入料口正向风速越大，越利于脱出物的吸附归拢，避免悬浮杂粒的沸腾影响粮食颗粒的下落，因此X因素选取X1,Y因素选取Y1，所以最佳结构参数为X1Y1Z2W3。优化后集粮箱内部气流场的压力分布云图、等长速度矢量图及速度云图如图10～图12所示。

图10 集粮箱气流场压力分布云图

图11 集粮箱气流场等长速度矢量图

图12 集粮箱气流场速度云图

数值模拟表明：气流从入口处开始，随着弯曲管道截面积的减小，风速逐渐增大，直至喉管后部达到最大值；而静压力值逐步下降，在出风管道内形成局部负压，远低于其余各处的静压值，宜于速度方向汇聚，造成入料箱向出口管内补风，有利于颗粒的吸入。在随后的出风管内风速缓慢下降，静压值有所回升，负压特征消除。由此得到出风口风速36.20m/s，入料口平均风速0.53m/s，在入料口处存在部分回流气流，回流速度通过监测最高速度达到1.53m/s，出风管内无明显的旋流，综合数据优于正交试验中所得的结果。

5 结论

1)运用Fluent 15.0对集粮箱进行9组正交试验模拟计算，分析四因素对风速的影响大小，监测当入口风速为23.2m/s时，出风口处和入料口处的风速大小。结果表明：落粒口管锥角和进风管壁面内半径对回流流速影响明显，入料口风速对喉管高度及落粒出风管高度变化敏感。

2)通过仿真试验得到集粮箱有效结构参数组合：喉管高度25mm，落粒出风管高度60mm，落粒口管锥角30°，进风管壁面内半径1 800mm。入料箱内风速及压强变化均匀，大大减少了箱体内部籽粒杂质的沸腾对粮食颗粒下落受阻的影响，满足集粮箱粮食气力输送的要求，对于提高小区收割机的清洁率和降低残留率有重要的意义。

[1] 张海军，韩正晟，王丽维.小区种子收获机械的研究现状与发展[J].湖南农业科学，2008(6): 102-104, 139.

[2] 张学强.基于EDEM-FLUENT耦合的气力输送装置的设计与研究[D].成都：西华大学, 2015.

[3] 曹宪周，鲁选民.气力输送技术的发展及其在粮食行业中的应用[J].粮食与饲料工业，2011(6): 14-18.

[4] 闻邦椿，刘树英，陈照波，等.机械振动理论及应用[M].北京: 高等教育出版社, 2009.

[5] 江涛，吴崇友，伍德林.基于Fluent的联合收割机风筛选流场仿真分析[J].中国农机化学报，2015, 36(3): 26-29.

[6] Kashayap M M P A C. Air Velocity Requirement for Winnowing Operations[J].Journal of Agricultural Engineering Research，1966, 11(1): 24-32.

[7] Moureau V, Lartigue G, Sommerer Y, et al.Numerical methods for unsteady compressible multi-component reacting flows on fixed and moving grids[J].Journal of Computational，2005, 202(2): 710-736.

[8] 蒋燕华，杨茉，郭春笋，等.文丘里管内非对称流动的数值模拟[J].化工学报，2014, 65(z1): 223-228.

[9] 郭丽红.小区小麦联合收割机气流清选装置研究[D].成都：西华大学, 2014.

[10] 陈作炳，豆海建，陈思维，等.文丘里管流场的数值研究[J].应用研究，2005(4): 61-63.

Grain Collecting Bin Based on Fluent

Chen Sixua, Wang Shuanga.b, Liao Mina,b, Li Qingtaoa, Lu Jinzhua

(a.School of Mechanical Engineering; b.Key Laboratory of Fluid and Power Machinery of Ministry of Education, Xihua University，Chengdu 610039，China)

In order to improve the condition of wheat grain fluidized particle deposition in grain collecting bin on plot harvester and enhance the grain transmission capacity, the distribution regularity of the air flow field in the grain collecting bin was studied in depth. The vibration response was obtained according to the operating vibration model based on the dynamics software ADAMS. The numerical simulation on the grain collecting bin was conducted in software Fluent 15.0, and orthogonal experiments were carried out by changing four parameters: the height of the throat, the height of particle air outlet pipe, the cone angle of the dropping mouth, and the inner radius of the air inlet pipe. The results were obtained by means of analysis and comparison. Experiments showed that the effective structural parameters were as follows: the height of the throat was 25mm, the height of particle air outlet pipe was 60mm, the cone angle of the dropping mouth was 30°, and the inner radius of the inlet pipe was 1800mm, the parameters of which were favorable to the wind transportation in grain collecting bin.

grain collecting bin； vibration； CFD； air flow field

2016-11-07

国家重点研发计划项目(2016YFD0700400)；四川省应用基础研究计划项目(2014JY0055)；流体及动力机械教育部重点实验室(西华大学)研究课题(szjj2016-011, JYBFX-YQ-1)

陈思旭(1991- )，男，四川遂宁人，硕士研究生，(E-mail)517145249@qq.com。

王 霜(1974- )，男，四川彭山人，教授，博士，硕士生导师，(E-mail)wsh@mail.xhu.edu.cn。

S225；S220.39

A

1003-188X(2018)01-0034-06