复杂摘棉气力输送系统流固耦合数值建模与流场分析

夏先伟，买买提明·艾尼,2，古丽巴哈尔·托乎提，张全忠

(1.新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐 830047；2.乌鲁木齐佰博机电科技有限公司，新疆乌鲁木齐 830002)

0 前言

我国棉花无论是种植面积还是产量都位于世界前列。但是与先进植棉大国相比，我们的棉花生产方式落后、经营规模小、劳动生产率低、生产成本比较高[1]。因此，研制出国产采棉机显得尤为重要。采棉机中采棉头是采摘工作中重要的部分，由吸力输棉装置、采棉装置、传动装置等组成，直接关系到机器的采摘效率和采净率等系列问题。由于采棉头结构复杂并伴随着采摘与脱棉等复杂的运动以及籽棉的输送功能，在工作过程中难免存在堵塞以及输送不流畅的情况。研究者针对这些问题对采棉头在结构、运动方式和材料等方面进行研究，对其进行优化与改进。马清亮等[2]对软摘锭采棉机采摘头三维流场进行数值模拟及试验研究，探究物料在分离过程中受到流体不同风速、滚筒转速等影响因素下的运动规律；张智明等[3]就水平摘锭时采棉机的采摘结构进行虚拟设计与运动仿真，探讨摘锭运动轨迹的合理性；高广娣等[4]通过三维扫描的方法对水平式采摘头的结构进行分析，避免因撞落造成落地棉的产生；张宏文等[5]以胶棒滚筒作为棉花采摘工作部件，可以有效减少和避免打断棉枝和采摘未成熟的棉铃；杨红杰[6]对统收式采棉机气力输送系统内部流场动力学进行研究，根据物料特性确定风速风压，并在输送管道内设计一种除杂装置；田虎楠[7]将各种不同类型的物料输送系统进行比较，对梳齿式采棉机输送管道内部进行优化与改进；木合塔尔·克力木等[8]对垂直摘锭式采棉机风机内部流场和输送管道弯曲程度与输送风量的关系进行研究。

目前，并没有对采棉装置内部的复杂运动和吸力输棉装置对采棉装置内部流场影响的研究。文中针对这一问题，对采棉装置及吸力输棉装置进行数值建模，并通过使用Fluent中的滑移网格和UDF(User-Defined Function)来模拟采棉装置内部各部分运动；对产生的内部流场进行分析，探讨在吸力输棉装置中不同进口速度对采棉装置内部流场的影响，以找到在采棉装置中输送籽棉较为理想的速度，也为之后的采棉装置的设计和优化提供相应的参考。

1 采棉头工作原理与数值建模

垂直摘锭式采棉机由3组滚筒式采棉头组成(见图1)，每一组采棉头分为左、右两组采摘头，每组采摘头由棉花采摘系统和负压式吸力输棉系统组成。棉花采摘系统由两组串联采棉滚筒和柔性摘锭、3组脱棉刷、动力系统、机架和引导板等关键部件组成，而负压式吸力输棉系统由负压入口(集棉筒)辅助实现。

图1 滚筒式采棉头结构及工作原理

为了方便对采棉头内部流场的分析，根据简单的对称原理，选取一组采摘头进行分析，并根据采摘头工作要求建立复杂摘棉气力输送系统示意图，如图2所示。在采棉机运行过程中，液压马达驱动完成采棉滚筒自转(顺时针)和柔性摘锭的公转(顺时针)运动。柔性摘锭的自转则需要通过皮带来完成，不同的区域摘锭的旋转方向不同，所需要完成的工作任务也不同。当柔性摘锭运动到区域A时，通过皮带作用使自身反转(逆时针)将棉花从棉株上采摘下来；当柔性摘锭运动到区域B中，通过皮带使自身正转(顺时针)和滚筒一起到脱棉输棉区域C中与脱棉刷自转(顺时针)相互运动，使得棉花脱落进入输棉通道。通过气力的作用下将棉花送入输送到集棉筒中，完成对棉花的采摘与输送。

图2 复杂摘棉气力系统示意

2 数值计算及边界条件设置

2.1 湍流模型的选择

连续性方程、动量方程和能量方程是研究流体力学重要的三大理论方程[9]。

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

流体在采棉装置中的流动可以认为是定常湍流流动，采用κ-ε湍流模型，采棉装置内部的密度变化较小，对流场分析基本没有影响，不考虑能量方程。

文中研究选用YAKHOT及ORZAG提出的RNGκ-ε模型。在RNGκ-ε模型中，通过大尺度运动和修正后的黏度项来体现小尺度的影响，而使这些尺度运动有系统地从控制方程中去除，所得到的κ方程和ε方程与标准κ-ε模型非常相似[9]：

ρε-Ym+Sκ

(3)

(4)

与标准κ-ε模型对比，克服了标准κ-ε模型在强旋流和流线弯曲流动时产生的失真现象。RNGκ-ε模型是通过修正黏性项的方法，去除了小尺度的运动。由RNG理论可得：C1g=1.42，C2g=1.68。其他参数Gκ=0.084 5。

2.2 柔性摘锭的运动建模

在采棉装置中柔性摘锭的工作主要由自转、公转和正反转运动等组成。在采摘过程中，采棉滚筒自转带着摘锭公转，同时摘锭在自己的位置上通过皮带接触实现自转。当摘锭反转到采摘区域时采摘棉花；当摘锭正转到脱棉输棉区域时，摘锭进行与采摘时候相反的旋转方式，与脱棉刷接触运动，将棉花脱下来进入输棉通道。

采棉装置中柔性摘锭在采棉滚筒边缘上进行公转和自转运动，在自转运动过程中伴随着不同区域上的正反转，摘锭上面某一点的运动方式[10]即为摘锭进行采摘时的运动轨迹。设柔性摘锭公转、自转运动的轨迹为圆上点A到点B所形成的运动轨迹，如图3所示，其轨迹方程为

图3 摘锭上点A到点B的运动轨迹

(5)

式中：R为采摘滚筒的半径；r为柔性摘锭的半径；θ为滚筒和摘锭公转的角度；α为摘锭自转的角度，其中θ=ω1t，当0≤θ≤180°时，α=ω2t，摘锭反转实现采摘功能；当180°<θ<360°时，α=-ω2t，摘锭正转实现脱棉功能。

2.3 网格运动

在Fluent中网格瞬态的运动方式有针对区域运动的滑移网格和针对边界及区域运动的动网格[11]。对比这两种运动方式，动网格的运动指的是边界的运动，更接近物体实际的运动方式，但在运动过程中容易出现负体积现象。在处理自转和公转问题时，容易在运行过程中出现偏离公转轨道的情况。滑移网格的运动是区域的运动，它不涉及网格的更替，因此不会产生负体积。由于采棉装置内部各部分的运动比较复杂，针对这一问题，对运动描述采用的方式为滑移网格和UDF来指定某一个区域的特定运动。采用UDF中的DEFINE_ZONE_MOTION宏来指定摘锭的运动，其中的origin参数表示摘锭的圆心坐标变化，omega参数实现摘锭的公转、自转和正反转的运动。脱棉刷和采摘滚筒的运动则采用滑移网格的方式来实现自转运动。在运动过程对网格进行动态调整，模拟柔性摘锭运动过程中既存在跟随采棉滚筒的公转运动，也存在自转运动，同时实现摘棉和脱棉正反转运动方向的转换。

2.4 边界条件设置

买买提明·艾尼团队针对采棉机的吸力装置(集棉筒)的气力输送特性进行研究。通过对集棉筒的深入研究，风机的转速对集棉筒入口处的速度影响较大。在风机转速平稳时，集棉筒在风机的作用下吸力入口处的速度与集棉筒的高度有关且速度在0～35 m/s之间。实际工作中随着风机转速的增加，相应的吸力入口的速度也增大。采棉机运行过程中，采棉滚筒的公转与摘锭的自转和公转以及脱棉刷的自转运动等合理地配合是影响采棉效率的重要因素。文中所研究的采摘系统内部中各部分的转速参数如表1所示。

表1 采摘系统内部各部分参数

以JX-013型棉花品种作为测试对象，推导棉团直径、密度、质量与漂浮速度之间的关系，得到不同的密度状态下的悬浮临界速度为4.63(松散状态、密度为30 kg/m3)～8.59 m/s(半压实状态，密度为110 kg/m3)，在机采棉过程中籽棉基本属于松散状态，偶尔有半压实状态。但是通过测定最大的密度是60 kg/m3，其对应的悬浮速度为6.45 m/s 。因此，确定悬浮速度为4.63～6.45 m/s。

在气力输送过程中，满足物料正常输送的条件下，由下列公式求得[12]：

vG=cvt

(6)

式中：vG为气流的速度，m/s；c为速度增大系数，其取值范围为1.9～2倍；vt为物料悬浮速度，m/s。

由上式选取速度增大系数为2，计算得到的籽棉气力输送速度为9.26～12.9 m/s。其中在自由进口处的速度为0.1 m/s。

3 计算过程与分析

3.1 采棉装置的建模与网格划分

考虑到采棉装置内部结构较多且复杂，并且流体域的网格数量较大，对计算机性能要求较高以及引导板处可能存在湍流现象，研究采用二维平面模型代替三维模型简化计算并对外部的引导板处进行优化。

根据滑移网格的特点对采棉装置内部流场区域进行网格划分。采用三角形网格，网格大小为1 mm。单元总计40万，平均质量0.97。其中，在采棉装置内部各区域中，采棉滚筒和脱棉刷区域只有单独的自转运动，而摘锭存在多种运动，当0≤θ≤180°时，摘锭反转；当180°<θ<360°时，摘锭正转。在脱棉刷区域中心转动。每个区域之间的交接面用interface连接，解决不同区域之间数据无法交流的问题如图4所示。

图4 采棉装置区域网格划分

3.2 采棉装置内部流场分析

运动中的采棉装置中的流场在每一个时刻的变化都比较大。因此，选择t=2.5 s时内部流场比较稳定的时间进行分析。在出口速度为30 m/s时，通过图5可以观察出：引导板优化后的采棉装置内部的湍流现象较少，将有利于气力对籽棉的输送，减少堵塞情况的发生。由于采棉装置采用二维图形进行仿真模拟，所以根据集棉筒自由进口处的速度范围，设定采棉装置的出口速度为10、20、25、30 m/s，分析采棉装置内部的流场分布(见图6)及压力分布情况(见图7)。为了分析输棉通道区域内的速度，通过分析采棉装置出口速度30 m/s时内部流线图，根据流线与脱棉刷旋转方向的不同将输棉通道区域分为顺流区域和逆流区域。其中，顺流区域为流线与脱棉刷的旋转方向相同的A～F平面，逆流区域为流线与脱棉刷的旋转方向相反的G～L平面，如图8所示，通过测量顺、逆流区域中各个平面平均速度大小来对采棉装置内部的流场进行分析，如图9所示。

图5 2.5 s时出口速度30 m/s时采棉装置内部流线

图6 2.5 s时不同速度出口下的内部速度云图

图7 2.5 s时不同速度出口下的内部压力云图

图8 顺逆流区域各个平面的位置图

通过对不同出口速度的采棉装置内部的流场、压力云图以及在输棉区域中逆、顺流区域中不同平面的速度变化大小的分析：

(1)对比图6，吸力输棉装置的速度对采棉装置内部流场的变化影响很大。因此，通过自身的复杂旋转运动产生的速度比较小，不能满足输送籽棉的要求，需要通过合理控制吸力输棉装置速度大小才能将籽棉输送出去。

(2)对比图6、7、9中的速度、压力云图以及顺、逆流区域中不同平面的速度，满足籽棉气力输送速度范围为9.26～12.9 m/s，运动到2.5 s时出口速度为25 m/s时，采棉装置内部的速度和压力云图分布较为均匀，同时在输棉区域达到气力输送要求，相对输送效果较好。

(3)在相同的出口速度下，对比图9中顺流区域平面与逆流区域平面的速度大小，顺流区域平面的速度比较大，更加有利于籽棉的输送。

图9 2.5 s时顺逆流区域不同位置平面速度大小

4 结论

通过使用滑移网格与UDF来模拟采棉装置中复杂的运动，并对不同出口速度下的内部流场进行研究。研究发现：采棉装置自身的运动不能满足输送要求，需要合理地控制吸力输棉装置速度大小才能把籽棉成功输送；在运动到2.5 s时，出口速度为25 m/s时输送籽棉的效果较好；同时也发现在输棉区域中流线与脱棉刷旋向相同的时候速度更大，有利于籽棉输送。对采棉装置的数值建模和流场分析方法能够为之后的设计与优化提供相应的参考。