新型农田风蚀集沙仪排沙口降速问题研究

宋　涛，陈　智，司志民，宣传忠

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特　010018)



新型农田风蚀集沙仪排沙口降速问题研究

宋涛，陈智，司志民，宣传忠

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特010018)

摘要：农田土壤风蚀会导致土壤质量退化，甚至出现荒漠化。防止农田土壤退化，研究其风蚀机理是关键，而集沙仪是研究土壤风蚀的必需仪器。随着自动控制理论在各行业的广泛应用，为集沙仪配备自动采集系统是一个发展趋势。由于集沙仪排沙口气流对称重天平的冲击是引起数据波动的主要来源，所以降低集沙仪排沙口气流速度是很关键的。为此，提出了设计一台新型农田风蚀集沙仪以解决排沙口降速问题的新思路。首先，阐述了新型农田集沙仪的设计原理；随后，通过数值模拟方法对其关键部件风沙分离器进行了数值模拟，得出了其内部速度矢量场模拟图；最后，通过烟流试验和风洞试验对数值模拟结果进行了验证。结果表明：数值模拟结果是可靠的；当新型农田集沙仪受强风环境影响时，其排沙口气流的降速幅度达84%，可较好地缓解排沙口气流对称重天平的冲击。该研究也可为新型农田集沙仪的后续研究提供理论支持。

关键词：农田风蚀集沙仪；数值模拟；烟流试验；风洞试验

0引言

农田土壤风蚀是农田土壤中细粒物质、土壤养分和有机质在风力作用下发生吹蚀、搬运与沉积的过程，是我国北方旱作农业区所面临的严重问题[1]。我国每年因风蚀造成的地表土壤流失量相当于全国耕地每年被剥去1cm厚的肥土层，损失的氮、磷、钾养分相当于4 400万t的化肥，超过了我国化肥1年的施用量[2]。当吹蚀风速大于农田土壤可蚀性颗粒的起动风速时，可蚀性颗粒便会脱离地表而随风移动，以悬移、跃移和蠕移3种形式进行输送，不仅造成地表细粒物质、土壤养分和有机质的大量流失，而且也影响农作物的正常生长，产生大范围的粉尘污染，影响人类身体健康和社会经济持续稳定发展[3]。农田土壤风蚀缘于气候、土壤和植被等多个风蚀影响因子的综合作用，但不同的耕作方式和种植模式对农田风蚀的影响也很大[4]。研究农田土壤风蚀机理，阐释风蚀气候侵蚀力的特点和对农田生态环境的主要危害，可以对农田进行有针对性的保护性耕作，进而减轻农田土壤侵蚀和沙尘暴的发生。

风沙流结构表征了土壤可蚀性颗粒在搬运层内随垂直高度的分布特征及变化规律，而研究风沙流结构可以认识土壤可风蚀性颗粒运动的起动机制和运动特征，对农田土壤风蚀的防治工作有着重要的指导意义[1]。农田土壤风蚀集沙仪是一种能够采集农田土壤风蚀过程中随风搬运的沙尘颗粒的设备，是观测风沙流结构所必需的仪器。

传统的农田风蚀集沙仪在采集沙尘数据时，通常是先让风沙流撞击挡板或壁面，再依靠重力作用实现沙尘的收集；然后拆卸集沙盒，进行称重。随着自动控制理论的广泛应用，自动采集系统将会不断完善，风蚀观测活动将变得宽时空、大尺度，数据采集工作更会具备较高的准确性和时效性。近几年，德国UGT公司在SUSTRA集沙仪上安装了一套沙尘数据自动采集系统，使得沙尘数据采集工作变得实时、便捷。然而，当这套SUSTRA数据采集系统工作在强风环境(风速大约为10.8～13.8m/s)时，排沙口气流对称重天平的冲击却是无法避免的，这也是引起数据波动的主要来源，所以降低集沙仪排沙口气流速度是非常关键的。

为此，本文提出了设计一台新型农田风蚀集沙仪以解决排沙口降速问题的新思路：在集沙仪内部安装一个风沙分离器，并在风沙分离内部设计一个分流结构，在分流结构和壁面结构的影响下，排沙口气流可以实现大幅度降速，进而缓解排沙口气流对称重天平的冲击。

1新型农田风蚀集沙仪设计原理

1.1总体结构及工作原理

新型农田风蚀集沙仪主要由风向标、防护罩、固定块、61828深沟球轴承、底座、风沙分离器、旋转座、集沙盒和自动采集系统(含称重天平)等组成，如图1所示。其工作原理是：将新型集沙仪放置在已发生风蚀或即将发生风蚀的耕作农田上，当风力作用于风向标时，采集口就会正对侵蚀风向，在风沙分离器内部结构影响下，进入集沙仪的风沙发生分离，气体从排气管排出，沙尘则落入集沙盒，自动采集系统记录沙尘质量和采集时间。称重天平是自动采集系统的关键部件，除了称重沙尘外，不能受到风沙分离器排沙口气流的冲击，否则会引起数据的较大波动。尤其是受强风环境影响时，排沙口气流速度随之上升，对称重天平的冲击也会增大。因此，降低风沙分离器排沙口气流速度是很有必要的。

1.风向标　2.采集口　3.风沙分离器　4.排沙口

1.2设计理论

当新型农田风蚀集沙仪工作在强风环境的农田(风速约10.8～13.8m/s)时，工作条件设定为标准大气压、温度20℃。若集沙仪进气管道的水力直径为0.028m，则气流的雷诺数可达30 000。

气流在如此高的雷诺数下进入集沙仪风沙分离器，势必会处于完全湍流状态；当发生圆柱绕流时，圆柱后面的“涡街”就会变得更加无规则性和非周期性，同时出现大量涡旋。如图2所示，在边界层内，附着流动是主要流动形式，越靠近壁面，速度越小，当气流在边界层尾部发生分离时，则会出现涡旋；在边界层外，自由绕流是主要流动形式，在绕流尾部也会出现涡旋。当涡旋发生时，一部分气流在逆压梯度的作用下形成逆流，与后续来流相互作用。设作用力为F，在时间Δt>0内，存在冲量F·Δt>0，又由动量守恒定律F·Δt=m·Δv可知，存在动量m·Δv>0，这说明气流在相互作用时产生了动量损耗，气流速度降低。

图2　绕流现象

图3　绕流示意图

由圆柱绕流的压强系数公式得

cp=1-4sin2θ

由此可知：在绕流过程中，随着坐标θ从0°～180°，气流的压强p会出现先减后增现象。如图3所示，存在p2

其中，c为常数；压强p与流速v成反比，即当压强p增加时，气流速度则会减少。这就是说，当θ从90°～180°(即绕流至圆柱后面)时，气流的速度就会降低。

可见，只要结构体符合圆柱绕流条件，气流就会在结构体后面发生降速。基于这个圆柱绕流理论，本文在集沙仪的风沙分离器内部设计了一个分流结构。该结构由楔形体和排气管组成，如图4所示。

1.3锥形壁面结构对气流的降速影响

气流在分流结构后面发生对冲后，由于受到分流结构外表面和风沙分离器外壳的约束，势必会被迫下行。然而，当气流在下行过程中遭遇锥形壁面结构时，就会对锥形壁面产生剪切力影响，同时也会受到锥形壁面的反作用力，进而迫使气流改变流动方向，甚至逆流而回(见图5)，与下行中的后续气流相互作用，从而引起气流速度再次降低。

图4　分流结构的设计原理图

图5　锥形壁面与气流的相互作用

因此，从上述的理论分析看，该新型农田风蚀集沙仪的风沙分离器采用分流结构和锥形壁面结构可以实现气流速度的两次降低。

2速度矢量场数值模拟

GAMBIT是为FLUENT、POLYFLOW、 FIDAP、ANSYS等解算器生成和导出所需要的网格的前处理软件，可以保证在复杂的几何区域内直接划分出高质量的四面体、六面体网格或混合网格。本文利用该软件建立风沙分离器的三维模型，并进行网格划分，进气口设置为velocity_inlet类型(即自由流入口)，排气口和排沙口设置为outflow类型(即自由流出口)，排气管下端口与上筒体连接处设置为interface类型(即流通交界面)。边界条件设置完毕后，保存成msh格式文件。

打开ANSYS FLUENT软件，通过import指令读取msh文件，统一单位成毫米，并进行网格尺寸检查，防止最小网格小于0；选择k-ε标准湍流模型，进行流通交界面interface配对；设置inlet时，取入口速度为13.5m/s(强风条件)，湍流强度为4.2%，水力直径为0.028m。由于气流相对速度远远小于音速，故将其按不可压缩流体进行处理，其余设置默认。初始化赋值后进行计算，得出其速度适量场分布图如图6所示。由图6看出：气流以13.5 m/s速度进入风沙分离器，经分流对冲后，其流速大幅度降低且沿侧壁面下移，在锥筒部位再次出现大幅度降低；一部分气流以约1.72m/s的速度从排气口排出，另一部分气流则在排沙口降至2.11m/s以下，降速幅度约84.3%。

图6　风沙分离器流场的数值模拟

3烟流试验

3.1 试验目的

根据烟流的运动轨迹和浓度变化，验证烟流在对冲之后的运动方式和衰减情况与数值模拟的结果是否一致。

3.2试验方法及结果分析

由于烟雾机喷出的烟雾为白色，所以烟流试验选在无外界风力干扰、夜晚无光照的环境下进行，将13.5m/s(强风)和3.5m/s(微风)作为烟流的入口速度。试验前，将白色光源朝上放置在透明风沙分离器下端，调整光线透过风沙分离器，保证能清晰地看到风沙分离器内部；塑料导气管一端连接烟雾机的出烟口，另一端连接Testo 425热敏风速仪；缓慢调整烟雾机的出烟量，待烟流达到预定试验速度后，关闭烟雾机，将连接风速仪的一端接到风沙分离器的进气口；再将GB2450C高速摄像机固定在实验台上，对准风沙分离器的侧面。试验时，依次开启高速摄像机和烟雾机，录制烟流流动的动态过程，待烟流充满风沙分离器之后，立即关闭烟雾机和高速摄像机。两个试验风速的操作方法一致，待烟流试验完毕后，从两个烟流试验视频中分别截取4个画面。

图7显示，烟流在分流结构后面发生对冲后，沿侧壁面下行，其流动情形与图6的数值模拟结果是一致的。

图7　烟流速度13.5m/s

图8显示：烟流在分流对冲后，下行速度明显减缓，未到达锥筒部位便开始向右侧散开，并逐步变淡。这说明，对冲后的烟流速度出现了大幅度衰减，其衰减幅度与图6的数值模拟结果是一致的。

图8　烟流速度3.5m/s

4风洞验证试验

4.1试验目的

根据风洞流场试验结果，验证新型农田风蚀集沙仪排沙口降速情况与数值模拟结果是否一致。

4.2试验方法及结果分析

风洞试验选在内蒙古农业大学自制的0FDY-1.2移动式风蚀风洞实验室。该风洞能较好地模拟农田自然风，风速由0～18m/s连续可调，轴向几乎没有压力损失，壁面对风洞流场性能影响很小[5]。

试验前，在风沙分离器上设计8个测点，其位置与图6标记的8个位置点一致。这8个测点预先密封，试验过程中必须始终保持2个自由出口(即排气口和排沙口)，放置于楔形试验罩内；再将楔形试验罩放置于距风洞口150cm处的实验段(见图9)，进气口对准来流方向和风洞中心轴线。试验时，将Testo 425热敏风速仪探头放置于风沙分离器1号测点，探头传感器正对来流方向，并将探杆和孔之间的空隙密封，开启风机，稳定风速在13.5m/s左右(强风条件)，待风速仪数据显示稳定后，随机读取10个瞬态值；采用同样的试验方法测定2～8号测点的风速，每个测点随机读取10个瞬态值，取其均值。将上述8个位置点风速的试验均值和数值模拟结果进行对比(见图10)可知：两种结果都是先增后减，变化趋势是一致的，降速幅度也是相近的，均达到84%以上。

1.风机　2.蜂窝器　3.装有风沙分离器的楔形试验罩

图10　试验结果与数值模拟结果的对比

5结论

1)通过烟流试验和风洞流场验证，说明新型农田风蚀集沙仪的风沙分离器内部速度矢量场的数值模拟结果是可靠的。

2)针对强风环境，传统农田风蚀集沙仪一般采用扩大通路法实现集沙仪内部风速的大幅度降低；而本文设计的新型农田风蚀集沙仪则采用分流对冲法和锥形壁面结构相结合，进而实现了排沙口气流速度的大幅度降低，降速幅度达84%以上，较好地减缓了排沙口气流对称重天平的冲击。

此外，新型农田风蚀集沙仪的大幅度降速性能对集沙仪的集沙效率是否有较大影响，以及能收集到多大粒径，都需要作进一步的试验验证。

参考文献：

[1]麻硕士,陈智.土壤风蚀测试与控制技术[M].北京:科学出版社,2010.

[2]胡立峰,张海林,陈阜.北方农牧交错带农田风蚀成因与防治[J].中国水土保持,2006(5):9-10.

[3]范志华. 基于LABVIEW的地表径流含沙量测量系统的研究[D].长春:吉林大学,2009.

[4]妥德宝,段玉.带状留茬间作对防治干旱地区农田风蚀沙化的生态效应[J].华北农学报,2002,17(4):63-67.

[5]董治宝,孙宏义,赵爱国.WITSEG集沙仪风洞用多路集沙仪[J].中国沙漠,2003,23(6):714-720.

Study on the Deceleration Issue of a New Sand Sampler for Farmland Erosion

Song Tao, Chen Zhi, Si Zhimin,Xuan Chuanzhong

(College of Machine and Electronics Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：Farmland soil erosion would lead to degradation of soil quality, even desertification, preventing degradation of farmland soil, the key was to study the erosion mechanism,a sand sampler was the essential equipment. With the automatic control theory was widely used in various industries,Equiping a sand sampler with automatic collection system was a trend, Due to the attacking of flushing-port flow on weighing scales was the main source of data fluctuations caused,so it was the critical to reduce flushing-port flow rate. For this reason, this paper proposed a new way to resolve a flushing-port deceleration problem though designing a new sand sampler for farmland erosion. First,expounding the design principles of a new sand sampler for farmland erosion,then carryed out a numerical simulation on a wind-sand separator that was its key part, obtained a drawing simulation of its internal velocity vector, Finally,carried out a test verify on the simulation results though a smoke flow test and a wind tunnel test. The conclusion was that the simulation results were reliable.When a new sand sampler for farmland erosion affected by windy conditions, spin-down rate of flushing-port flow was up to 84%,could better alleviate the attacking of flushing-port flow on weighing scales,This study also provided theoretical support for the new follow-up study on a new sand sampler for farmland erosion.

Key words：a new sand sampler for farmland erosion;a numerical simulation; a smoke flow test;a wind tunnel test

文章编号：1003-188X(2016)06-0230-05

中图分类号：S288

文献标识码：A

作者简介：宋涛(1979-)，男，山东泰安人，博士研究生，(E-mail)stsong925@163.com。通讯作者：陈智(1962-)，男，内蒙古察右前旗人，教授，博士生导师，(E-mail)sgchenzhi@imau.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金项目(41361058，41161045)

收稿日期：2015-05-07