基于Fluent的甘蔗收割机排杂装置气流场的模拟

黄 峥，孙芳媛，黄世醒，杨丹彤

(华南农业大学 南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室，广州 510642)



基于Fluent的甘蔗收割机排杂装置气流场的模拟

黄 峥，孙芳媛，黄世醒，杨丹彤

(华南农业大学 南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室，广州 510642)

采用商用计算流体力学(CFD)软件Fluent，对华南农业大学研制的HN4GDL-91型切段式甘蔗收割机排杂装置内部流场进行模拟。利用Pro/E建立三维实体模型，Gambit软件对模型进行网格划分，使用Fluent软件进行数值模拟，在TECPLOT中完成分析。根据实际条件需要设置边界条件，对排杂装置在不同转速下的速度场和压力场进行模拟，并对比模拟数据与实验数据，为甘蔗联合收割机排杂装置结构的设计和优化，以及提高排杂装置效率提供参考。

排杂装置；Fluent；数值模拟；切段式甘蔗收割机

0 引言

风机按气体流动方向的不同，可以分为以下几种：离心式、轴流式、贯流式及横流式等类型。风机技术在农作物收获机械技术中得到广泛应用，如粮食加工中的除尘、割前脱联合收割机、农业环境控制、喷雾机，以及谷物复脱分离和清选等等[1]。

排杂装置是切段式甘蔗联合收割机的重要部件，目前，国内外现有的切段式甘蔗收割机排杂装置，大多采用轴流风机排杂。即在甘蔗物料通道出口的上部设置一风机，该风机是转轴垂直地面、气流流向向上的轴流风机。工作时，甘蔗物料(主要包括被切成段的蔗段和碎叶)被从输送通道出口抛出，进入轴流风机叶轮下方风机入口行程的负压场，甘蔗物料中蔗叶等密度较小、受风面较大的杂质随气流进入风机通道，通过轴流风机通道向上，最终排出排杂装置[2]；密度较大、受风面积较小的蔗段则在重力作用下落入升运斗。虽然轴流风机具有流量大、风压小的特点，但为了能够让负压场覆盖整个输送通道出口，一般风机叶片直径都会比较大。当前，对于大直径、厚叶片、高转速的轴流风机形成的负压气流场的分析比较少。而且，国内外对于甘蔗联合收割机排杂装置的研究主要集中在现有装置性能研究及同收割机的匹配关系、从结构上优化排杂装置并通过实验验证以达到最优的排杂效果[3-6]等方面，同样尝试采用新方式排杂[1]。

利用计算流体动力学进行模拟已经逐渐成为了解流体在流体机械内部流动状况的一个重要手段。通过这种方式可以充分认识流体机械内流体的流动规律，并在此基础上，依据实际需要进行优化设计，从而减少实验研究的工作，缩短研究周期。本文采用ANSYS 12.1中的Fluent模块，对华南农业大学研制的切段式甘蔗联合收割机排杂装置在不同工况下流场进行了模拟和分析，为排杂装置的设计和优化提供基础。

1 计算模型

1.1 模型结构

华南农业大学研制的HN4GDL-91切段式甘蔗收割机的排杂装置由集流室、扇叶室、扇叶、出流室和传动轴组成，如图1所示。排杂装置内部采用3叶片式扇叶，扇叶直径为700mm，额定转速为2 000r/min。集流室内部装有3块导流板，采用内凹型设计，目的是为了缩小集流室气流入口，提升气压。

为方便对模拟后得到的数据进行分析，在Gambit建模中，将绝对坐标系和相对坐标系置于同一点，坐标原点位于下端进气口平面上，为扇叶转轴的中心线与进气平面的交点；X轴正向为气流流进方向，与扇叶转动中心线共线；Z轴正向为图1所示垂直图片向外，Y轴正向为气流出口方向[7]，坐标系具体位置如图1所示。

气流及甘蔗物料在排杂装置内的运动示意图如图2所示。集流室内轨迹表示甘蔗物料运动，穿过集流室、扇叶室、出流室的轨迹线表示气流运动轨迹。

图1 排杂装置

图2 气流和甘蔗物料轨迹示意图

1.2 网格划分

在Gambit中对模型进行网格划分。该排杂装置的出口和入口比较复杂，不在同一个平面上。为了在模拟仿真时尽可能地接近实际情况,方便设置出入口条件，同时在出入口延伸出圆柱型流体域，圆柱体截面积要比出入口面积大的多[8]。

由于要对整个排杂装置通道进行模拟计算，所以网格划分采用三维非结构化网格，能够很好地适应排杂装置的复杂结构，并对细节处进行网格加密处理[9]。最终整体网格图如图3所示。共生成约156万个四面体网格，经过CFD模拟数据分析，网格数目和质量符合检测要求。

图3 计算模型整体网格图

1.3 计算模型的选取

本排杂装置的模型包含旋转的动边界和静止的静边界，根据实际需要，将整个计算区域划分为5个区域:集流室、扇叶室、出流室和两个延伸流体域。旋转扇叶和排杂装置壁面之间的耦合采用了多参考系模型—Multiple Reference Frame,简称MRF。MRF模型的基本思想是把风道内流场简化为扇叶在某一位置的瞬时流场，将非定常问题用定常方法计算[10]。

1.4 边界条件和计算方法

边界条件和初始条件是控制方程有确定解的前提。设置气流入口：本文采用压强入口边界条件，定义表总压和静压都为0Pa。气流出口：采用压强出口边界条件，定义出口压力为0Pa，没有附加的压力。排杂装置及延伸流体域的内壁、传动轴壁面及叶片都采用壁面边界条件。整个流体域分成5块，流体域公共面设为interior。气流为不可压缩、稳定气流。计算设置操作压强(operating pressure)为101 325Pa，忽略重力对流场的影响。

根据判断流动为湍流的标准，对于内流而言，当Red>2 300 时，则流动一定为湍流[11]。所以，该气流场流动为湍流。目前，没有普遍使用的湍流模型，常用的湍流模型包括零方程模型、一方程(Spalart-Allmaras)模型、两方程模型(标准k-ε模型、RNGk-ε模型、Realizek-ε模型)，雷诺应力模型和大涡模拟模型。本文采用Realizek-ε模型。

2 排杂装置内部流场特性分析

利用TECPLOT软件对Fluent针对转速为960r/min模拟仿真后排杂装置内部流场的压强和速度矢量分布情况进行分析。

2.1 压强分析

本文将依据模拟仿真得到的数据分别对集流室和出流室压强进行阐述，以解析排杂装置内部的压强场分布情况。为更清晰的显示，本文压强图显示的均是相对模拟使用的操作压强(101 325Pa)的压强数值。

2.1.1 集流室压强分析

图4中(a)、(b)、(c)3个图分别为集流室在Z=0mm截面处的静压、动压和全压梯度云图。从图4中可以看出：压强分布比较均匀，层次分明：图4(a)中越靠近扇叶静压越低，即扇叶旋转产生的吸力越大，在靠近壁面，叶片下端区域静压明显低于其他区域；但由于左侧导流板的存在，右侧的静压明显要低于左侧的静压。图4(b)中越靠近扇叶动压越大，即切向风速也越大；但在左侧导流板上下都存在低压区。图4(c)在集流室中心区域相对全压都维持在-25～0Pa之间，分布均匀。

(a) 集流室 Z=0 mm静压

(b) 集流室Z=0mm动压

(c) 集流室Z=0mm全压图4 集流室静压、动压和全压梯度云图

2.1.2 出流室压强分析

图5中(a)、(b)、(c)3个图分别是出流室在Y=0mm截面处的静压、动压和全压梯度云图。由图5(a)可知：出流室沿出口方向压强降低，在出口下端压强较低。在图5(b)图中，出口方向中间区域的动压较大，即风速较高，就整个图的而言，动压分布很不均匀。

图6是集流室在X=1 000mm截面处的动压梯度云图。图6中的中心圆孔为传动轴的径向截面，气流的运动方向为从右到左。由图6可知：在传动轴后方形成明显的低压区；从动压图来看，压强并没有以Y=0mm平面对称，上侧壁面压力要高于下侧壁面。即排杂装置工作时，蔗叶和杂质会沿着上侧壁面飞出，与实际情况相符。结合图5来看，出流室内压强分布不均匀，究其原因是出流室结构不合理，造成气流紊乱。

(a) 出流室Z=0mm静压

(b) 出流室Z=0mm动压

(c) 出流室Z=0mm全压图5 出流室静压、动压和全压梯度云图

图6 出流室X=1000mm动压梯度图

2.2 速度分析

由图7风机在Z=0mm处的速度矢量图可知：在集流室的主要区域内，气流都呈现很好的一致性，导流板内凹型的设计并在没有在气流入口处产生漩涡，但在导流板上侧存在漩涡。在入口右侧同样存在涡流，形成原因为气流方向与壁面的夹角导致。气流进入扇叶，在扇叶中心轴后方都产生了不同强度的漩涡，该部分涡流产生的原因即为轮毂的结构和大小，气流在遭遇壁面后也是涡流形成的原因之一。同样。相对于集流室，出流室气流分布没有那么均匀，在出流室中沿出口方向中心区域风速大，且风向呈向下趋势，这与图5(b)显示的压强相一致。而且，在出流室出口处上部气流矢量跟下部气流矢量方向是相交的。

图7 风机Z=0mm速度矢量图

2.3 模拟数据与试验数据对比

利用Fluent对扇叶在5个转速(600、800、960、1 440、1 530r/min)条件下分别进行模拟。当转速不同时，排杂装置入口的流量不同，并对比华南农业大学李跃金的实验数据[12]，其值如图8所示。试验数据和仿真模拟数据基本吻合，出现了仿真数据略高于实验数据的情况，原因是模拟仿真是在完全一致环境条件下进行的，而实验数据会受到实验条件的制约和影响。可以认为，本文对排杂装置的模拟是适宜的，所选取的边界条件和计算方法是合适的。

图8 不同转速下排杂装置入口的流量

2.4 改进排杂装置内部结构

从图5出流室压强分布状况以及图7的速度矢量状况可知：出流室风速比扇叶室风速要低，风速矢量分布的密度也明显要比其他区域低，而且分布不均匀，各压强的分布也不均匀。结合在甘蔗收割机的田间试验中，出现随气流进入到出流室的甘蔗杂质又重新回到料斗中的状况。因此，对排杂装置在机械结构上进行改进，在扩大出流室容积的同时缩小出口。同时，对改进后的排杂装置在转速960r/min下进行模拟，得到出流室在Z=0mm处速度矢量图以及全压云图，如图9所示。

(a) 改进后出流室Z=0mm速度矢量图

(b) 改进后出流室Z=0mm全压云图图9 矢量图以及全压云图

对比图7和图9(a)可知：出流室气流速度分布更均匀，而且风速增大，但在传动轴左端还是出现漩涡；但从气流矢量轨迹来看，结构更加合理。对比图5(c)和图9(b)，出流室出口全压升高，全压的分布也更加均匀。因此，可以说对排杂装置的改进是有效的，这种布局是更加合理的。

3 结论

1)运用Fluent软件的MRF模型，实现了甘蔗收割机排杂清选装置内部气流场的数字化模拟和可视化；通过模拟得到了排杂装置内部气流场的运动状态、速度矢量分布和压强分布。

2)利用Fluent软件对切段式甘蔗收割机排杂装置内流场进行数值模拟，基于N-S方程和Realizek-ε湍流模型，并使用SIMPLEC算法。通过模拟得到的5种不同转速下排杂装置入口的流量，模拟结果和实验数据相吻合，验证了上述模拟方法是可行的。

3)通过对甘蔗收割机排杂装置内部气流场仿真的观测和分析，发现了气流场分布不均匀的位置和原因，对装置通道进行了改进，并对改进后的排杂装置进行模拟仿真。对比改进前排杂装置气流场，改进后装置有效地改善了排杂装置内部流场的速度矢量和压力分布。

[1] 解福祥,区颖刚,刘庆庭,等.甘蔗收获机排杂风机设计试验[J]. 农业工程学报, 2012(S1):8-14.

[2] 周勇,区颖刚,彭康益,等.4GZ-56型履带式甘蔗联合收机设计与试验[J].农业机械学报,2010(4):75-78.

[3] Inderbitzin, M,Beattie, R.Improving the harvestingand transport of whole crop harvested sugar cane[J].Proceedings of the Australian Society of SugarCane Technologists(CD-ROM),2012,34:11.

[4] Viator RP Viator R P,Richard EP Richard E P,Viator BJ Viator B J , et al.Sugarcane chopper harvester extractor fan and ground speed effects on yield and quality[J].Applied in Agriculture,2007,23(1):31-34.

[5] 张华,林兆里,罗俊,等.不同甘蔗品种的机械化收获损失研究[J].热带作物学报,2012(9):1590-1592.

[6] 区颖刚,彭钊,杨丹彤,等.我国甘蔗生产机械化的现状和发展趋势[C]//中国农业工程学会2009年学术年会,太谷：中国农业工程学会,2009.

[7] 田贵昌,李宝宽,陈中才.离心通风机内部压力场和流场分析[J]. 风机技术,2007(6):18-23.

[8] Asia Vital Components Co. Ltd. Mar. Fluent_软件对风扇的模拟分析[EB/OL].[2016-01-30].http://wenku.baidu.com/view/7612dd1dc281e53a5802ff41.html.

[9] 伍晨.地铁用轴流风机的CFD模拟[D].天津:天津大学, 2007.

[10] 田铖,张欢,由世俊,等.利用FLUENT软件模拟地铁专用流风机的内部流场(一)—对称翼叶片轴流风机[J].流体机械,2003(11):13-15.

[11] 李鹏飞,徐敏义,王飞飞.精通CFD—工程仿真与案例实战[M].北京;人民邮电出版社,2014：122-123.

[12] 李跃金.切段式甘蔗收割机输送排杂装置的设计与试验[D].广州:华南农业大学,2013.

Fluent Simulation of Inner-Flow-Field of Axial-excluder Devices for Sugarcane Harvester

Huang Zheng, Sun Fangyuan, Huang Shixing, Yang Dantong

(Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment，Ministry of Education，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China)

This artical Uses the commercial computational fluid dynamics (CFD) software Fluent to simulate the inner-flow-field excluder devices of the HN4GDL-91 sugarcane harvester which was invented by The South China Agricultural University.The 3-D solid model is first established in the Pro/E;Then meshing the model in the Gambit software;The Fluent software then compute the numerical simulation;Finally,with professional post-processing software Tecplot to had the result analyzed.The parameters are set by actual condition.The inner-flow-field simulations are done under different rotational speed.And the comparation between simulation data and the experimental data is done.This invastigation hope to guide the design and optimization of the axial-excluder devices used in sugarcane harvester, and improve the efficiency.

axial-excluder devices; Fluent; numerical simulation; cut type sugarcane harvester

2016-02-25

公益性行业(农业)科研专项(201003009)；“十二五”农村领域国家科技计划课题(2011BAD20B05)；国家国际科技合作项目(2011DFB70350)；国家甘蔗产业技术体系项目(CARS-20-4-1)

黄 峥(1988-),男,湖南邵东人，硕士研究生,(E-mail) hzaijs@ 126.com。

杨丹彤(1970-),男,广州人,副教授，硕士生导师，(E-mail) yangdt@scau.edu.cn。

S225.5+3

A

1003-188X(2017)03-0032-05