场地膜秆分离装置送风口尺寸改变的数值模拟
2016-03-23刘梦霞王春耀范雷刚罗建清
刘梦霞，王春耀，范雷刚，罗建清
(新疆大学 机械工程学院，乌鲁木齐 830047)
场地膜秆分离装置送风口尺寸改变的数值模拟
刘梦霞，王春耀，范雷刚，罗建清
(新疆大学 机械工程学院，乌鲁木齐830047)
摘要：为达到有效分离地膜的目的，建立了场地膜秆分离装置的三维计算流体力学模型，采用Fluent软件对场地膜秆分离装置内的流场进行数值模拟分析，改变分离装置送风口的几何尺寸，分析比较其内部流场的压力分布速度分布。结果表明：在送风口和进料口的相对位置为100mm、送风口宽度为200mm和送风口长度为600mm时最为合理，为场地膜秆分离装置的结构设计和性能改进提供了参考。
关键词：场地膜秆分离装置；Fluent；流场分析；数值模拟
0引言
地膜的应用使得农作物的产量得到大幅度提高，且获得了显著的经济效益，被人们称誉为农业上的“白色革命”[1-2]。然而，地膜的应用在为农业生产带来了巨大经济效益的同时产生了负作用，即残留地膜可以引起作物减产，残留地膜量越多，作物减产的幅度就越大，所以地膜的回收和分离迫在眉睫[3]。回收地膜过程中，往往掺杂着粗棉秆和细棉秆等杂质，分离装置尤为重要。分离后的地膜经过再加工可以回收再利用。目前，国内外关于场地膜杆分离装置的文献较少。本文采用了流场的数值模拟技术，对不同工况下的场地膜秆分离装置进行模拟仿真，对其内部流场的压力分布及速度分布进行研究，为场地膜秆分离装置的设计和性能改进提供必要依据。
1方法
1.1 场地膜秆分离装置的工作原理
水平气力输送的场地膜秆分离装置的工作原理主要是根据物料的悬浮速度的不同，最后分离出地膜。具体如下：从风机吹出的正压气流和从进料口下落的物料混合后一起进入腔体，在腔体负压的作用下进行输送，腔体内部逐渐由负压输送转化为正压输送，最终输送出了物料。经过实地测量，粗棉秆的悬浮速度为8～10m/s，细棉秆的悬浮速度为6～8m/s，地膜的悬浮速度为2m/s，地膜与粗细棉杆的悬浮速度相差较大，因此利用其较大的速度差，物料依次下落，最后分离出地膜。
1.2 数学模型
本文通过比较送风口和进料口的相对位置、送风口宽度和送风口长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[4-6]，定义管道内部的流场为不可压缩、定常等温流场。湍流流动采用k-ε模型[7-8]，在直角坐标下的各个控制方程为
1)质量守恒方程。
(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)
2)守恒方程(即N-S方程)。
(3)
(4)
(5)
3)k-ε湍流方程。
(6)
模型中的常数按照文献[9]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。
1.3 网格划分和边界条件
1.3.1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。
1.3.2边界条件
根据腔体的特点，设置送风口的类型设为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；管道的其他固定边界设为wall。
2数值模拟过程及结果分析
2.1 初始模型的模拟分析
采用Ansys的Fluent模块对场地膜杆分离装置进行流场分析，经过实地测量，得到模型的尺寸参数如下：
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
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速度分布(见图1)和压力分布(见图2)。图1中的横坐标为腔体的长度，纵坐标为流场速度；图2中的横坐标为腔体的长度，纵坐标为流场压力。
图1 流场的速度分布
图2 流场的压力分布
通过分析图1和图2可以看出：流体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>400mm范围内，速度基本保持在2m/s以下；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>400mm范围内，压力基本保持不变。也就是说，送风口和进料口的相对位置为275mm、送风口宽度为150mm、送风口长度为600mm的初始模型不太合理，不能有效利用腔体空间。
2.2 送风口和进料口的相对位置改变的模拟分析
送风口和进料口在腔体的侧面，且进料口在送风口的上面。初始模型送风口和进料口的相对位置为100mm，保持送风口位置不变，改变送风口和进料口的相对位置，分别设置其相对位置为50mm和150mm，在腔体的中心线上每隔100mm选出一个点，共计选出60个点，计算得到每个点所在面的压力以及速度平均值，绘制出曲线。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。图3为送风口和进料口的相对位置改变时流场压力沿着腔体长度的改变，图4为送风口和进料口的相对位置改变时流场速度沿着腔体长度的改变。
分析图3可知：初始模型负压区范围占整个腔体的32%(1 900/6 000)。当送风口和进料口的相对位置为150mm时，负压区的范围与初始模型负压区的范围基本一致，负压值大小明显变大；相较于其他两种工况，负压值较大，进入正压区后，压力小于初始模型的压力。当送风口和进料口的相对位置为50mm时，负压区的范围减小，但其负压值大于初始模型的负压值；进入正压区后，压力小于初始模型的压力。也就是说，随着送风口和进料口的相对位置的增加或减小，负压区的范围基本保持不变，负压值变大，正压区内，压力小于初始模型的压力。
分析图4可知：当送风口和进料口的相对位置为150mm时，流场速度几乎没有大于6m/s的，即无法分离出粗棉秆，最终达不到分离地膜的目的。当送风口和进料口的相对位置为50mm时，V>6m/s的范围减小了，减小到整个腔体的23%(1 400/6 000)；2m/s 综上所述，送风口和进料口的相对位置为100mm时最为合适。 图3 送风口和进料口的相对位置改变的压力的模拟分析 图4 送风口和进料口的相对位置改变的速度的模拟分析 初始模型送风口宽度为150mm，在送风口长度不变的前提下，改变送风口的宽度，分别设置为130、200、220、240mm，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，分析比较送风口宽度的改变对流场的压力分布和速度分布有什么影响。图5为送风口宽度改变时流场压力沿着腔体长度的改变，图6为送风口宽度改变时流场速度沿着腔体长度的改变。 图5 送风口宽度改变压力的模拟分析 图6 送风口宽度改变速度的模拟分析 分析图5可知：当送风口的宽度为130mm时，负压区的范围明显减小了，较其他工况，负压区范围较小，且负压值小于初始模型的负压值，负压值波动性大；进入正压区后，压力大于初始模型的压力。当送风口的宽度为200mm时，负压区范围基本与初始模型的负压区范围一致，其负压值相较于其他工况较大；进入正压区后，在1 900mm 分析图6可知：当送风口宽度为130mm时，流场速度大于6m/s的范围基本没有，不能分离出粗棉杆，不符合分离地膜的目的。当送风口宽度为200mm时，V>6m/s的范围基本上与初始模型的范围一致，且2m/s 综合考虑送风口宽度对流场压力分布和速度分布的影响，当送风口宽度为200mm时最为合理。 初始模型送风口长度为600mm，在送风口宽度不变的情况下，改变送风口的长度，分别设置为580、620、650mm，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，分析比较送风口长度的改变对流场的压力分布和速度分布的影响。图7为送风口长度改变时流场压力沿着腔体长度的改变，图8为送风口长度改变时流场速度沿着腔体长度的改变。 分析图7可知：当送风口长度为580mm时，负压区范围明显增大，占整个腔体的57%(3 400/6 000)。在X<800mm范围内，负压值小于初始模型的压力，但在X>800mm的负压区范围内，负压值明显大于初始模型的压力；进入正压区后，压力值小于初始模型的压力值。当送风口长度为620mm时，负压区范围明显增大，占整个腔体的52%(3 100/6 000)，相较于其他工况，负压值较大；进入正压区后，压力明显减小，相较于其他工况，压力值较小。当送风口长度为620mm时，负压区范围明显增大，负压区范围较大，占整个腔体的72%(4 300/6 000)，但负压值波动性很大，很不稳定；进入正压区后，压力小于初始模型的压力。也就是说，随着送风口长度的增加或减小，负压区范围明显增大，且其负压值稳定性变差。 分析图8可知：当送风口长度为580mm时，流场速度基本上没有大于6m/s的，不能分离粗棉秆，不符合分离地膜的要求。当送风口长度为620mm时，V>6m/s的范围减小，2m/s 综上所述，送风口长度为600mm最为合理。 图7 送风口长度改变压力的模拟分析 图8 送风口长度改变速度的模拟分析 3结论 1)随着送风口和进料口的相对位置的增加或减小，负压区的范围基本保持不变，负压值变大，正压区内，压力小于初始模型的压力。随着送风口和进料口的相对位置的增加或减小，V>6m/s的范围和2m/s 2)随着送风口宽度的增加，负压区范围增大，负压值变大，且进入正压区后，压力先小于初始模型的压力，一段距离后，压力大于初始模型的压力。随着送风口宽度的减小，负压区范围减小，负压值减小；随着送风口宽度的增加，V>6m/s的范围基本上与初始模型的范围一致，2m/s 3)随着送风口长度的增加或减小，负压区范围明显增大，且其负压值稳定性变差。随着送风口长度的增加，V>6m/s的范围减小，2m/s 参考文献： [1]申丽霞,王璞,张丽丽.可降解地膜对土壤、温度水分及玉米生长发育的影响[J].农业工程学报,2011,27(6):25-30. [2]何文清,严昌荣,赵彩霞,等.我国地膜应用污染现状及其防治途径研究[J].农业环境科学学报,2009,28(3):533-538. [3]许香春,王朝云.国内外地膜覆盖栽培现状及展望[J].中国麻业,2006,28(1):6-11. [4]宋广哲.气力输送喷射器内部流动特性的数值模拟分析[D].沈阳：东北大学,2011. [5]谢灼利.密相悬浮气力输送过程及其数值模拟研究[D].北京：北京化工大学,2001. [6]黎明. 用离散单元法对密相栓流气力输送的数值模拟研究[D].北京：北京化工大学,2001. [7]周国民.高浓度粉体气力输送特性试验研究及其数值模拟[D]. 杭州：浙江大学,2005. [8]王锐,王建军,赵艳,等.催化裂化装置四旋分离系统内气相流场的数值研究[J].石油炼制与化工,2014,45(10):77-83. [9]田虎楠. 梳齿式采棉机气力输棉系统的研究[D].乌鲁木齐:新疆大学,2012. A Membrane Separation Device Size Change of the Numerical Simulation of Air Supply Outlet Liu Mengxia, Wang Chunyao, Fan Leigang， Luo Jianqing Abstract：In order to reach the goal of effective separation membrane, the establishment of a membrane separation device of three-dimensional computational fluid dynamics model, the fluent software is adopted to a membrane separation device within the flow field numerical simulation analysis, the change of geometry size, air supply outlet of comparative analysis of its internal stress distribution of the flow field velocity distribution, concludes that the relative position of air supply outlet and inlet is 100 mm, the width of air supply outlet is 200 mm, and the most reasonable air diffuser length is 600 mm. For a membrane separation device for the structure design and performance improvement. Key words：a membrane separation device； fluent； the flow field analysis； the numerical simulation 中图分类号：S223.5 文献标识码：A 文章编号：1003-188X(2016)10-0017-05 作者简介：刘梦霞(1991- )，女，石家庄人，硕士研究生，(E-mail)1229230892@qq.com。通讯作者：王春耀(1956- )，男，四川万源人，教授，硕士生导师，(E-mail)wangchun_yao@126.com。 基金项目：国家自然科学基金项目(51465054) 收稿日期：2015-11-18
2.3 送风口宽度改变的模拟分析
2.4 送风口长度改变的模拟分析
