基于Fluent的膜秆分离装置的数值模拟

季　峰，樊　军，刘梦霞

(新疆大学 机械工程学院，乌鲁木齐　830047)



基于Fluent的膜秆分离装置的数值模拟

季峰，樊军，刘梦霞

(新疆大学 机械工程学院，乌鲁木齐830047)

摘要：为了达到有效分离地膜的目的，研究了场地膜秆分离装置内流场的压力分布和速度分布，获得适合场地膜秆分离装置的进料口的尺寸，为场地膜秆分离装置的结构设计和优化提供了比较重要的理论依据。建立场地膜秆分离装置初始模型，采用Ansys里的Fluent模块对其腔体内流场的压力分布和速度分布进行了数值模拟，并对比分析所得的结果。结果表明：当进料口为无角度送料、腔体横截面长度为1 300mm、腔体横截面宽度为1 000mm时，腔体流场的压力分布总体均匀，下落粗棉杆和细棉杆的范围相对较大；当进料口为无角度送料、腔体横截面长度为1 300mm、腔体横截面宽度为1 000mm时，为合理工况，利于分离出地膜。

关键词：场地膜秆分离装置；数值模拟；流场分析；Fluent

0引言

地膜覆盖具有减少土壤水分流失、抑制杂草生长、提高大田地温的作用。目前，地膜的应用已经扩展到棉花及花生等经济农作物[1-3]。但是，地膜的存在使土壤很难吸收养分和水分，破坏土壤结构，使土壤盐碱化，最终残膜碎片的存在使农作物减产、土壤的循环利用率下降[4-7]。有关地膜分离装置的文献比较少，本文采用标准的k-ε湍流模型对场地膜秆分离装置内部流场做了数值模拟，得出其内部流场的压力分布和速度分布，为场地膜秆分离装置的优化设计提供了有效的方法。

1材料与方法

本研究是有关水平管道气力输送的，从风机吹出的正压气流通过送风口射出，与进料口出来的物料混合，进入水平管道。由于粗棉秆、细棉秆、地膜的悬浮速度不同，经过实验得出：粗棉秆的悬浮速度为10～8m/s，细棉秆的悬浮速度为8～6m/s，地膜的悬浮速度为2m/s。地膜与粗细棉秆的悬浮速度相差较大，因此利用其较大的速度差使物料依次落下，最后分离出地膜。

1.1　数学模型

由于地膜的分离过程十分复杂，涉及气固两相流，物料的形状、浓度、混合比及压力损失等都会影响流动状态，且计算参数难以确定，不适合定量观测研究。本文通过改变进料角度、腔体横截面长度和腔体横截面宽度来分析比较其流场内部的速度分布和压力分布，找到一种最佳的工作状态。

流体在管道内的流动为湍流流动[8]，定义管道内部的流场是不可压缩、定常等温流场，湍流流动采用k-ε模型[9-10]，在直角坐标下的各个控制方程如下：

质量守恒方程为

(1)

对于不可压缩的流体，密度ρ设定为常数，那么式(1)可化简为

(2)

(3)

(4)

(5)

Κ-ε湍流方程为

(6)

模型中的常数按照文献[11]，选取C1ε=1.44、C2ε=1.92、σk=1.0、σε=1.3，将这一数学模型进行数值模拟分析。

1.2　网格划分

用UG软件对实体进行建模，然后使用适用性很好的Tgrid混合网格对模型进行网格划分，生成的网格数大约为52 340。网格划分如图1所示。

图1　场地膜秆分离装置网格划分

1.3　边界条件的处理

根据管道的特点，设置送风口的类型为velocity-inlet,速度为10m/s，出口处类型设为outflow，进料口的类型设为velocity-inlet，速度为0m/s；假设在平衡状态下送料，物料和送风气流混合后，进入管道，管道的其他固定边界设为wall。

2结果与分析

2.1　初始模型的模拟分析

采用Ansys的Fluent模块对场地膜秆分离装置进行流场分析，模型的尺寸经过实地测量后得到的参数如下：

外形尺寸/mm：6 000×1 000×1 300

送风口尺寸/mm：600×150

进料口尺寸/mm：400×200

研究发现，黑水虻幼虫能够分泌己二酸，欧美许多国家利用己二酸较强的广谱抗菌能力，将黑水虻幼虫用于皮肤损伤(如烧伤和创伤愈合等)的临床处理，当己二酸浓度达到120 μg/ml时，可以有效抑制痢疾和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌等的生长[2]。Choi等从黑水虻幼虫体内直接提取分离出己二酸，可有效抑制革兰氏阴性菌(如肺炎克雷伯菌、淋病奈瑟菌、宋内志贺菌等)的活性[23]。

经过Fluent软件模拟分析装置内的流场，可以得到流场在整个腔体内的压力分布(见图2)和速度分布(见图3)。图2的横坐标为腔体的长度，纵坐标为流场压力；图3的横坐标为腔体的长度，纵坐标为流场速度。

图2　流场的压力分布

分析图2可以看出：流体在腔体前1/3处的压力为负值(即负压区);在腔体1/3位置往后，压力为正值(即正压区)，说明管道内部确实是从负压输送到正压输送的，在X>4 000mm范围内，压力基本保持不变。分析图3可以看出：流场在腔体内的速度逐渐减小，且腔体的前半部分速度分布不均匀，各点的速度分散，不够密集；在腔体的后半部分，速度分布较均匀，在X>4 000mm范围内，速度基本保持在2m/s以下。也就是说，初始模型不太合理，无法有效利用腔体空间。

图3　流场的速度分布

2.2　进料角度改变的模拟分析

送风口和进料口在腔体的侧面，且进料口在送风口的上面。初始模型中向进料口进料的方向为无角度进料，改变进料口的进料角度，分析进料口角度的变化对腔体内的流场分布的影响。根据经验和初始模型的模拟结果，进料口的角度不能为向上偏，所以分别设置进料口的角度为向下偏5°、向下偏10°和向下偏15°。在初始模型腔体的中心线上每隔100mm选一个点，共计选出60个点，计算出每个点所在面的压力和速度平均值，绘制成曲线，所绘制出的曲线图的横坐标为腔体长度，单位为dm；纵坐标为相对大气压，单位为Pa，分析比较进料口角度的改变对流场的压力分布和速度分布有什么影响。图4为进料口角度变化时流场压力沿着腔体长度的改变，图5为进料口角度变化时流场速度沿着腔体长度的改变。

图4　进料口角度改变压力的模拟分析

图5　进料口角度改变速度的模拟分析

分析图4可知：初始模型负压区的范围占整个腔体的32%(1 900/6 000)。当进料口角度为向下偏5°时，负压区范围明显增加，占整个腔体的40%(2 400/6 000)，较其他工况为较大，且负压值变大，进入正压区后，压力小于初始模型的压力；当进料口角度为向下偏10°时，负压区范围基本上没有发生改变，负压值明显变大，且有较大的波动性，进入正压区后，压力基本上与初始模型的压力相一致；当进料口角度为向下偏15°时，负压区范围基本上也没有变化，且负压值明显变大，波动性较大，进入正压区后，压力变化不大。即当进料角度下偏不大时，负压区范围变大，进入正压区后，压力小于初始模型的压力，随着进料角度的增加，负压区范围变化不大，但负压值明显增大，且负压波动性变大；进入正压区后，压力与初始模型的压力相一致。

分析图5可知：当改变进料口角度时，V>6m/s的范围都明显减小了，且流场的速度波动性很大，不利于分离出粗棉秆。当进料口角度为向下偏5°时，2m/s6m/s的范围都明显减小了。

综合分析进料口角度的改变对流场压力和速度的影响，得出结论：初始模型中，进料口角度为无角度进料时为合理工况。

2.3　腔体横截面长度改变的模拟分析

初始模型腔体的横截面为1 300mm×1 100mm的矩形，在腔体横截面宽度不变的前提下，改变腔体横截面的长度，分别设置腔体横截面长度为1 200mm和1 100mm，取点方法与前面相同，计算得到每个点所在面的压力及速度平均值，绘制出曲线，分析比较腔体横截面长度的改变对流场的压力分布和速度分布有什么影响。图6为腔体横截面长度变化时流场压力沿着腔体长度的改变，图7为腔体横截面长度变化时流场速度沿着腔体长度的改变。

图6　腔体横截面长度改变压力的模拟分析

分析图6可知：初始模型负压区的范围占整个腔体的32%(1 900/6 000)。当腔体横截面长度为1 200mm时，负压区范围减小，占整个腔体的27%(1 600/6 000)，且负压值的大小与初始模型的负压值大小相差不多，进入正压区后，压力变化不大；当腔体横截面长度为1 100mm时，负压区范围增大，占整个腔体的37%(2 200/6 000)，负压值明显变大，且负压值的波动性较大，进入正压区后，压力变化不大。即随着腔体横截面长度的减小，负压值变大且负压值的波动性变大，进入正压区后，压力基本无变化。

分析图7可知，当腔体横截面长度为1 200mm时，V>6m/s的范围明显减小了，且流场速度在腔体前1/3处变大很大，波动性很大，2m/s6m/s的范围更加减小了，且流场速度在腔体前1/3处变大较大，2m/s6m/s的范围明显减小了，且流场速度波动性变大，不利于分离出粗棉秆，2m/s

图7　腔体横截面长度改变速度的模拟分析

综上所述，当腔体横截面长度为1300mm时为合理工况。

2.4　腔体横截面宽度改变的模拟分析

初始模型腔体的横截面为1 300mm×1 100mm的矩形，在腔体横截面长度不变的前提下，改变腔体横截面的宽度，分别设置腔体横截面宽度为950mm和900mm，分析比较腔体横截面宽度的改变对腔体流场的压力和速度有何影响。图8为腔体横截面宽度改变时流场压力沿着腔体长度的改变，图9为腔体横截面宽度改变时流场速度沿着腔体长度的改变。

分析图8可知：初始模型负压区的范围占整个腔体的32%(1 900/6 000)。当腔体横截面宽度为950mm时，负压区范围基本保持不变，负压值变小，进入正压区后，压力基本与初始模型的压力相一致；当腔体横截面宽度为900mm时，负压区范围明显变大，占整个墙体的37%(2 200/6 000)，负压值明显变大，且负压值变化较大，波动性大，进入正压区后，压力小于初始模型的压力。即随着腔体横截面宽度的减小，负压区范围增大，负压值明显增大，且负压值的变化较大，波动性较大，进入正压区后，压力减小。

分析图9可知：当腔体横截面宽度为950mm时，V>6m/s的范围明显减小了，不能有效分离出粗棉秆，且流场的速度波动性较大，2m/s6m/s的范围和2m/s

综上所述，腔体横截面宽度为1 000mm时为合理工况。

图8　腔体横截面宽度改变压力的模拟分析

图9　腔体横截面宽度改变速度的模拟分析

3结论

1)随着进料角度的增加，负压区范围变化不大；但是负压值明显增大，且负压波动性变大；进入正压区后，压力与初始模型的压力相一致。

2)随着进料口角度的增大，流场速度的波动性增大，V>6m/s的范围都明显减小了。

3)随着腔体横截面长度的减小，负压值变大且负压值的波动性变大；进入正压区后，压力基本无变化。

4)随着腔体横截面长度的减小，V>6m/s的范围明显减小了，且流场速度波动性变大，不利于分离出粗棉秆，2m/s

5)随着腔体横截面宽度的减小，负压区范围增大，负压值明显增大，且负压值的变化较大，波动性较大，进入正压区后，压力减小；随着腔体横截面宽度的减小，V>6m/s的范围和2m/s

6)当进料口为无角度送料、腔体横截面长度为1 300mm、腔体横截面宽度为1 000mm时，为合理工况。

参考文献：

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Membrane Separation Device Based on Fluent Software ofNumerical Simulation

Ji Feng, Fan Jun, Liu Mengxia

Abstract：In order to achieve the goal of effective separation membrane, the flow field in the research field of film separation device of the pressure distribution and velocity distribution, obtained for a membrane separation device the size of the inlet, film separation device for field of structure design and optimization provides important theoretical basis. To establish a membrane separation unit initial model, using ansys fluent software module in the cavity in the body pressure distribution and velocity distribution of flow field numerical simulation, comparison and analysis the results. The results are:When feeding inlet to Angle, cavity cross section length is 1 300mm, the cavity body cross section width to 1 000mm, the cavity flow field of the overall uniform pressure distribution, the whereabouts of coarse cotton stalk and fine cotton stalk a relatively large range. The conclusion are: When feeding inlet to Angle, cavity cross section length is 1 300 mm, cavity when the cross section width is 1 000 mm for reasonable conditions, conducive to isolate mulch.

Key words：a membrane separation device; the numerical simulation； the flow field analysis; fluent

中图分类号：S223.5

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)12-0041-05

作者简介：季峰(1990-)，男， 江苏南通人，硕士研究生，(E-mail)843433919@qq.com。通讯作者：樊军(1965- )，男，乌鲁木齐人，副教授，(E-mail)1254255781@qq.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(11462021)

收稿日期：2015-11-19