双出风口四风道清选装置内部气流场仿真及试验

李 洋，徐立章，梁振伟

(江苏大学 农业装备工程学院，江苏 镇江 212013)

0 引言

清选装置内部气流场分布情况直接影响到联合收获机的清选损失率、籽粒含杂率及工作效率等关键性能[1]。我国传统水稻联合收获机通常采用单出风口三风道离心风机加双层振动筛结构形式的清选装置，随着我国水稻单产的迅速提高，收获喂入量逐步增加及家庭农场的形成，传统单出风口三风道清选装置在收获喂入量达到8.0～9.0kg/s时，存在清选损失率显著提高、籽粒含杂率增加、效率降低等难题，已无法满足高品质收获作业要求，而清选装置是其中的瓶颈之一，因此有必要开展清选装置结构及内部气流场分布的研究。

国内外专家学者和大型农机企业为改善清选装置内部气流场分布进行了大量研究与试验：K.L.Kenney等[2]运用CFD软件对清选室内部气流场进行了2D数值模拟，并根据模型搭建了试验台架，利用PIV系统对台架内部气流场进行了测定与验证；洋马公司[3]研发的AG600型半喂入式联合收获机采用由主风机、吸引风机、振动筛等部件组成的新型清选装置，实现了多风道清选，能够有效对脱出混合物进行扩散；马晓霞等[4]阐述了流体动力学分析方法，以风筛式清选装置中气流场的仿真分析为例，说明这种分析方法的有效性及优越性；于丽娟[5]设计了一种双出风口四风道清选装置，并分析了该清选装置的优点。

本文运用CFD软件分别对双出风口四风道清选装置和传统单出风口三风道清选装置内部气流场进行数值模拟与对比分析。在已搭建的双出风口四风道清选装置试验台上，以清选装置的鱼鳞筛开度、分风板倾角Ⅰ、分风板倾角Ⅱ为研究因素，进行多因素正交气流场测量试验，对试验结果进行了多指标极差分析，得到收获喂入量8.0～9.0kg/s工作环境下双出风口四风道清选装置的工作参数优化组合，并对其进行清选性能验证。

1 CFD数值模拟

1.1 多风道清选装置流道模型建立

根据切纵流谷物联合收获机实际内部结构和工作参数[6]，建立了传统单出风口三风道清选装置和双出风口四风道清选装置在额定工况下完整的流道模型，主要包括离心式风机、抖动板、回程板、鱼鳞上筛、编织下筛、锯齿尾筛及抖动胶皮等，如图1所示。此时，鱼鳞筛开度为22mm，分风板Ⅰ倾角为24°，分风板Ⅱ倾角为24°。

除风机外，上述两种流道模型外形尺寸及清选室内部结构完全相同，总宽度为990mm，总长度为1 980mm，风机叶轮直径为402mm，回程板与水平线呈6°夹角，编织下筛与水平面呈4°夹角，鱼鳞上筛位于编织筛上方100～140mm处；它们的区别在于所用风机不同，一种为单出风口三风道离心式风机，而另一种为双出风口四风道离心式风机。

1.风机左进风口 2.风机中间进风口 3.单出风口三风道离心式风机 4.风机右进风口 5.分风板Ⅰ 6.分风板Ⅱ 7.编织下筛 8.抖动胶皮 9.鱼鳞上筛 10.锯齿尾筛 11.茎秆杂余排出口 12.回程板 13.导风弧板 14.抖动板

1.风机左进风口 2.风机中间进风口 3.双出风口四风道离心式风机 4.风机右进风口 5.分风板Ⅰ 6.分风板Ⅱ 7.编织下筛 8.抖动胶皮 9.鱼鳞上筛 10.锯齿尾筛 11.茎秆杂余排出口 12.回程板 13.导风弧板 14.抖动板 15.风机上风道

1.2 划分网格及边界条件设定

采用Ansys Workbench软件中的ICEM模块划分网格，考虑到流道模型的体积较大及内部的复杂性，故对流道模型进行四面体非结构网格划分。由于流道模型中有离心式风机叶轮的旋转运动，因此采用多区域网格划分方法，为MRF多坐标系模型求解计算做准备。将单个流道模型划分为两块区域，即叶轮区域和清选室区域，相邻区域之间的网格交界面设置为Interface。对分块区域进行网格划分，并对离心式风机叶片、鱼鳞上筛、编织下筛和锯齿尾筛等位置进行了面网格划分和局部加密处理，以提高网格质量和精度，最后将分块区域网格进行了网格合并。合并完网格后，两个模型的网格数量分别为10 752 395、11 656 210个。

将网格模型导入FLUENT软件，不考虑温度、湿度等环境对气体的影响，同时忽略气体分子间的黏性力作用，采用标准K-ε湍流计算模型进行数值模拟。将离心式风机叶轮处的网格区域设置为MRF旋转区域，并设置旋转坐标轴和转速(均为1 500r/min)。离心式风机3(或4)个进风口的边界条件均设置为速度进口，模型出口边界条件设置为压力出口[7]。求解控制中的松弛因子采用默认设置，残差设置为0.000 1，迭代步数设置为4 000步。

1.3 数值模拟结果及分析

FLUENT计算收敛后，运用CFX软件后处理软件对两种模型的气流场进行处理与分析，得到其内部空间气流场流线图，如图2所示。

(a) 单出风口三风道清选装置内部气流场流线图

(b) 双出风口四风道清选装置内部气流场流线图

由数值模拟结果可知：

1)传统单出风口三风道清选装置和双出风口四风道清选装置的振动筛上方中部气流速度均在3.2～5.8m/s之间，能够有效对脱出混合物进行分层扩散[8]，振动筛后部的气流速度均有所回升(5.2～6.0m/s)，能够产生一定的负压，有助于将长茎秆和杂余排出机外。

2)传统单出风口三风道清选装置的振动筛上方前部基本不存在气流，而双出风口四风道清选装置由于其风机增加了上出风口，使振动筛上方前部也存在着气流，速度在2.5～4.8m/s之间，起到预清选的作用，轻杂余在未落到振动筛筛面前就被直接吹出机外，减轻了清选负荷。同时，该气流对振动筛前部脱出混合物的后移与扩散起到辅助作用，对大喂入量的工作环境适应性更好，有效防止脱出混合物在振动筛筛面堆积。

2 气流场测量试验

2.1 双出风口四风道清选试验台

为探寻大喂入量工作环境下双出风口四风道清选装置的工作参数对其内部气流场的影响，在本课题组已搭建完成的试验台上进行多因素正交气流场测量试验。试验台基本结构如图3所示。其多个工作参数实时可调，如离心式风机转速0～1 500r/min、鱼鳞筛开度18～26mm、分风板倾角Ⅰ20°～28°、分风板倾角Ⅱ20°～28°。

1.控制柜 2.给料装置 3.双出风口四风道离心式风机 4.籽粒搅龙 5.清选装置(包括抖动板、回程板、鱼鳞筛、编织筛、尾筛等) 6.杂余搅龙 7.变频驱动电机

2.2 气流场测试方法

在双出风口四风道清选试验台振动筛上方100mm水平面上均匀布置了42个气流速度测点，测点分布如图4所示。采用南京能兆科技有限公司生产的VS110型热线式风速仪对所布置的测点进行气流速度测量，风速测量范围为0.5～50m/s。该风速仪具有体积小、对气流场干扰较小及精度较高等优点，其测量数据可直接显示在控制柜计算机屏幕上。每组工况试验时，按照测点分布使用6根热线式风速仪(见图5)在筛面横向(Y向)移动7次即可全部测出42个测点的数据，可减少传统单点测量人为操作误差。

图4 测点分布示意图

1.热线式风速仪 2.鱼鳞筛

2.3 正交实试验安排

试验以双出风口四风道清选装置的鱼鳞筛开度、分风板倾角Ⅰ、分风板倾角Ⅱ为主要因素，进行正交试验因素与水平的安排，如表1所示。每组试验重复做3次，最终试验结果取3次试验结果的平均值。

表1 L9(34)正交试验方案

3 试验结果处理与分析

3.1 试验结果处理

根据脱出混合物悬浮速度测量试验结果[9]，气流速度在6.5m/s以内时，其值越大越有利于物料分层，清选效率越高。故分别取双出风口四风道清选装置振动筛前部14个测点、中部14个测点气流速度平均值作为衡量气流场好坏的两个评价指标。

振动筛后部气流速度回升程度越大，越有利于形成负压，使长茎秆、杂余更易被排出机外。本文取振动筛后部14个测点气流速度增幅作为衡量气流场好坏的第3个评价指标。振动筛后部气流速度增幅为

(1)

式中P—振动筛后部气流速度增幅(%)；

vm—振动筛后部第2列7个测点气流速度平均值(m/s)；

vn—振动筛后部第1列7个测点气流速度平均值(m/s)。

运用振动筛前、中部气流速度平均值、后部气流速度增幅为评价指标，得到正交试验结果如表2所示。

3.2 试验结果分析

振动筛前部气流速度平均值评价指标的正交分析结果如表3所示。

由表3可知：影响振动筛前部气流速度的最主要影响因素为分风板倾角Ⅰ，其次为鱼鳞筛开度及分风板倾角Ⅱ，工作参数优化组合为B3A3C1，此工况下振动筛前部气流速度平均值最大。另外，误差项D影响不显著，试验结果较为可靠。

表2 气流场测量试验结果

表3 振动筛前部气流速度平均值

振动筛中部气流速度平均值评价指标的正交分析结果如表4所示。

表4 振动筛中部气流速度平均值

由表4可知：影响振动筛中部气流速度的最主要影响因素为鱼鳞筛开度，其次为分风板倾角Ⅰ及分风板倾角Ⅱ，工作参数优化组合为A1B3C1，此工况下振动筛中部气流速度平均值最大。另外，误差项D影响不显著，试验结果较为可靠。

振动筛后部气流速度增幅评价指标的正交分析结果如表5所示。

表5 振动筛后部气流速度增幅

由表5可知：影响振动筛后部气流速度增幅的最主要影响因素为鱼鳞筛开度，其次为分风板倾角Ⅱ及分风板倾角Ⅰ，工作参数优化组合为A1C1B1，此工况下振动筛后部气流速度增幅最大。另外，误差项D影响不显著，试验结果较为可靠。

结合上述3种气流场评价指标的优化分析，得到双出风口四风道清选装置工作参数优化组合为A1B3C1，即在鱼鳞筛开度为18mm、分风板倾角Ⅰ为28°、分风板倾角Ⅱ为20°的工况下，双出风口四风道清选装置内部气流场分布情况达到最佳。

3.3 工作参数优化组合试验验证

将鱼鳞筛开度、分风板倾角Ⅰ、分风板倾角Ⅱ分别调节为18mm、28°、20°，按照同样测点布置对清选室内部气流场进行测量，得出此工况下振动筛前部气流速度平均值、振动筛中部气流速度平均值及振动筛后部气流速度增幅，并在试验台上进行了收获喂入量8.0～9.0kg/s工作环境清选性能验证，得到清选损失率及籽粒含杂率，如表6所示。

表6 工作参数优化组合试验结果

由表6可知：在此工况下，振动筛中部气流速度平均值显著优于其他工作参数组合下的数值，且振动筛前部气流速度平均值、振动筛后部气流速度增幅也优于大部分工作参数组合下的数值，同时清选损失率和籽粒含杂率都较低，满足大喂入量工作环境清选需求，证明了双出风口四风道清选装置内部气流场多指标参数优化方案的可行性。

4 结论

1)运用CFD软件分别对传统单出风口三风道清选装置和双出风口四风道清选装置内部气流场进行了数值模拟，并对数值模拟结果进行了比较与分析。结果表明：传统单出风口三风道清选装置的振动筛上方前部基本不存在气流，而双出风口四风道清选装置振动筛上方前部的气流速度在2.5～4.8m/s之间，起到预清选的作用，减轻了清选负荷，防止脱出混合物堆积，有利于提高清选效率。

2)在双出风口四风道清选试验台上进行了多因素正交内部气流场测量试验，对试验结果进行处理与分析后得到其工作参数优化组合：鱼鳞筛开度为18mm、分风板倾角Ⅰ为28°、分风板倾角Ⅱ为20°。此工况下，双出风口四风道清选装置内部气流场分布更有利于适应大入量收获工作环境。此外，对工作参数优化组合进行清选性能验证，其清选损失率和籽粒含杂率均满足清选需求。

参考文献：

[1] 李洪昌.风筛式清选装置理论及试验研究[D].镇江：江苏大学，2011.

[2] Kenney K L,Wright C T. Bryden K M.Virtual Engineering Approach to Developing Selective Harvest Technologies[C]//ASAE Paper No.056046. St.Joseph,Mich.:ASAE,2005.

[3] 晓周.洋马AG600超级半喂入联合收获机[J].农业机械化与电气化，2006(2)：55.

[4] 马晓霞,李耀明,徐立章.联合收割机风筛式清选装置中气流场的仿真研究[J].农机化研究，2007(1)：81-82.

[5] 于丽娟.双出风口多风道清选装置的设计及试验研究[D].镇江：江苏大学，2015.

[6] 王成红.切纵流联合收获机脱粒分离装置参数优化与试验研究[D]. 镇江：江苏大学，2014.

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[8] 李方.切纵流联合收割机清选装置性能试验及参数与结构优化[D]. 镇江：江苏大学，2014.

[9] 马培培.单纵轴流联合收获机清选装置结构优化与试验[D].镇江：江苏大学，2016.