基于Fluent的风筛式清选室气流场的仿真

余波　王强　王霜

摘要：丘陵山区适用的小型半喂入联合收割机结构紧凑，对清选效率的要求高，而气流场对于风筛式清选装置清选性能有重要影响，因此研究整个清选室的气流场分布规律，有利于进一步提高收割机的清选效率。为获得清选室气流分布规律，采用正交试验方法进行设计。针对4LBZ-105型半喂入联合收割机风筛式清选室的特点，运用Creo软件建立了清选室型腔计算域模型，利用ICEM CFD软件进行了网格划分，通过Fluent软件对离心风机风速、吸引风机风速、离心风机倾角、百叶窗筛夹角4个参数变化时的清选室气流场进行了三维数值仿真。根据仿真试验结果，分析这4个参数对气流场的影响规律，得到杂质有效分离的参数：离心风机风速为12m/s，吸引风机风速为6m/s，离心风机倾角为25°，百叶窗筛夹角为40°。

关键词：气流场；风筛式清选室；数值仿真；联合收割机；Fluent；湍流模型

中图分类号： S226.5 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）07-0358-03

气流和筛子相配合的清选方式有较高的清选效率，在联合收割机中被广泛应用。风筛式清选装置由风扇、筛子组成，筛子由杆件支撑或悬吊作往复运动，风扇多为吹出型。谷粒混合物由于筛子振动被送至筛子前端，轻杂靠气流场作用被吹走，大杂由尾筛排除，谷粒通过筛孔流入螺旋推运器（搅龙）进入粮仓[1]。清选室的气流分布对整个清选过程有着重要影响，研究清选室的气流场分布规律可以优化清选结构、提升清选效率[2-4]。近年来，计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）软件被运用于农机设备的流场研究[5-7]，其可行性得到了国内外学者的认可。为了提高适于丘陵山区的收割机清选效率，以4LBZ-105型半喂入联合收割机为试验样机，采用正交试验方法，利用Fluent进行清选室气流场数值模拟，得到清选室气流场分布，分析清选装置的主要参数对气流场的影响规律。

1 气流场数学模型

气体动力学微分控制方程如下。

连续方程：

式中：ρ为空气密度，kg/m3；u为流体流动速度，m/s；t为时间，s；μ为动力黏度，Pa·s；p为静态压力，N；ρui′uj′为Reynalds压力，N；k为湍动能，Pa/s；ε为湍流耗散率，m2/s2；μt为湍流黏度，Pa·s；Gk为平均速度梯度引起的湍动能，Pa/s；Gb为浮力影响引起的湍动能，Pa/s；YM为可压缩湍流扩张对总耗散率的影响，Pa/s；σk为湍动能对应的Prandtl数；σε为耗散率对应的Prandtl数；Cμ、C1ε、C2ε、C3ε为Fluent中的模型常数；Si、Sk、Sε为源项；gi为重力i的分量，N；Prt为湍动Prandtl数；β为热膨胀系数；T为温度，℃；Mt为马赫数。

2 结构模型与计算模型

4LBZ-105型半喂入联合收割机风筛式清选装置的大致结构见图1，整个清选室内部的气流由离心风机、吸引风机共同作用产生。

考虑到4LBZ-105型半喂入联合收割机风筛式清选室结构的复杂性，以及生成网格对模拟精度的影响，在保证计算区域与实际流动区域一致性的情况下，对计算域模型进行适当的简化。下筛采用的是孔径较大的编织筛，对流场的影响较小，因而进行了省略。利用Creo绘制清选室型腔计算域模型，如图2所示。为了仿真分析，构建不同风机倾角（20°、25°、30°）、筛子夹角（26°、32°、40°）9种组合的三维模型。将建立好的三维模型导入到ICEM CFD中进行网格划分，采用不同的网格尺寸划分不同面域；体网格类型采用Tetra/Mixed，生成方式采用Robust（Octree）。

3 求解方法和边界条件

在初始环境下，由于清选室内气流场分布状态未知，求解方式采用基于压力的SIMPLE非耦合隐式求解算法，离散格式为二阶迎风格式，设置工作压力为1个标准大气压[8]；边界条件：离心风机进风口、吸引风机吸风口为速度入口，出风口设置为自由出口，其他设置保持为默认状态。将各个试验方案的mesh文件导入到Fluent软件中进行迭代计算，设置收敛残差为0.001，通过后处理得到监控点的气流速度。

4 清选室气流场分析

4.1 试验原理

要得到洁净的籽粒就必须尽可能地排出杂质，根据风选理论，筛孔处的上升气流速度超过杂质的漂浮速度，则杂质不会从筛孔漏下；筛孔处的上升气流速度过大，籽粒通过筛孔会受阻，甚至不能有效通过筛孔，反而会降低清选效率。出风口的气流速度也应该在保证籽粒不被吹出的同时杂质被有效吹离。如图3所示，倾斜气流以与筛面成θ角度的速度v作用于物料，垂直向上的气流速度 需要克服物料漂浮速度，满足：vy=vsinθ，vy>vl。

根据文献[1，9]，如表1所示，要能够有效分离杂质，则筛面应满足6 m/s

4.2 正交试验方案及结果

为了分析离心风机风速、吸引风机风速、离心风机倾角及百叶窗筛夹角对清选室气流场的影响规律，进行了4因素3水平的正交仿真试验，因素水平设计见表2，分别考察筛面中心筛孔A点、出风口中心B点的风速。

根据L9（34）正交试验表[10]，在Fluent中安排9组仿真试验，试验分组及计算结果见表3。

4.3 试验数据分析

根据仿真试验结果，将各因素水平变化的情况通过散点趋势图表示，如图4-a、图4-b、图4-c、图4-d所示。由图4-a可以看出，离心风机的风速变化对筛面上、出风口的风速影响较为明显；随着离心风机风速的逐渐加大，筛面上、出风口的风速均有较明显增加的趋势。由图4-b可以看出，吸引风机的风速变化对筛面上、出风口的风速影响有所不同；随着吸引风机的风速逐渐加大，筛面上的风速有所增加，出风口的风速则逐渐减小。过大的吸引风速会导致杂质无法被吹出清选室。由图4-c可以看出，当离心风机倾角增加时，筛面上的风速呈上升趋势，出风口的风速呈下降趋势；而当离心风机倾角大于25°时，出风口的风速有回升趋势。由图4-d可以看出，当百叶窗筛夹角增加时，筛面上的风速呈上升趋势，出风口的风速变化平稳。大的百叶窗筛夹角有利于筛面气流对杂质与颗粒的分层作用。

根据表3得到的试验数据，4号试验所得到的仿真试验数据满足清选要求。因此，得到满足清选要求的试验参数组合为W2X1Y2Z3。图5为根据参数组合W2X1Y2Z3得到的清选室气流场速度矢量，可以看出：在2个风机的共同作用下形成比较流畅的气流场，在百叶窗筛孔处流场的方向、大小有所改变，最终流场向着出风口处流出，有利于将杂质吹出清选室。

5 结论

利用ANSYS软件中集成的Fluent对清选室气流场进行数值模拟计算，得到了整个清选室的气流场分布，计算出气流场中筛面上中点、出风口气流速度。

采用正交仿真试验，分析离心风机风速、吸引风机风速、离心风机倾角及百叶窗筛夹角对清选室气流场的影响，其中百叶窗筛夹角对清选室的筛面气流场的分层影响较大。

通过仿真试验得到籽粒与杂质有效分离的参数组合：离心风机风速为12 m/s，吸引风机风速为6 m/s，离心风机倾角为25°，百叶窗筛夹角为40°。

参考文献：

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