黃 崢，孫芳媛，黃世醒，楊丹彤

(華南農業(yè)大學 南方農業(yè)機械與裝備關鍵技術省部共建教育部重點實驗室，廣州 510642)

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基于Fluent的甘蔗收割機排雜裝置氣流場的模擬

黃 崢，孫芳媛，黃世醒，楊丹彤

(華南農業(yè)大學 南方農業(yè)機械與裝備關鍵技術省部共建教育部重點實驗室，廣州 510642)

采用商用計算流體力學(CFD)軟件Fluent，對華南農業(yè)大學研制的HN4GDL-91型切段式甘蔗收割機排雜裝置內部流場進行模擬。利用Pro/E建立三維實體模型，Gambit軟件對模型進行網格劃分，使用Fluent軟件進行數值模擬，在TECPLOT中完成分析。根據實際條件需要設置邊界條件，對排雜裝置在不同轉速下的速度場和壓力場進行模擬，并對比模擬數據與實驗數據，為甘蔗聯合收割機排雜裝置結構的設計和優(yōu)化，以及提高排雜裝置效率提供參考。

排雜裝置；Fluent；數值模擬；切段式甘蔗收割機

0 引言

風機按氣體流動方向的不同，可以分為以下幾種：離心式、軸流式、貫流式及橫流式等類型。風機技術在農作物收獲機械技術中得到廣泛應用，如糧食加工中的除塵、割前脫聯合收割機、農業(yè)環(huán)境控制、噴霧機，以及谷物復脫分離和清選等等[1]。

排雜裝置是切段式甘蔗聯合收割機的重要部件，目前，國內外現有的切段式甘蔗收割機排雜裝置，大多采用軸流風機排雜。即在甘蔗物料通道出口的上部設置一風機，該風機是轉軸垂直地面、氣流流向向上的軸流風機。工作時，甘蔗物料(主要包括被切成段的蔗段和碎葉)被從輸送通道出口拋出，進入軸流風機葉輪下方風機入口行程的負壓場，甘蔗物料中蔗葉等密度較小、受風面較大的雜質隨氣流進入風機通道，通過軸流風機通道向上，最終排出排雜裝置[2]；密度較大、受風面積較小的蔗段則在重力作用下落入升運斗。雖然軸流風機具有流量大、風壓小的特點，但為了能夠讓負壓場覆蓋整個輸送通道出口，一般風機葉片直徑都會比較大。當前，對于大直徑、厚葉片、高轉速的軸流風機形成的負壓氣流場的分析比較少。而且，國內外對于甘蔗聯合收割機排雜裝置的研究主要集中在現有裝置性能研究及同收割機的匹配關系、從結構上優(yōu)化排雜裝置并通過實驗驗證以達到最優(yōu)的排雜效果[3-6]等方面，同樣嘗試采用新方式排雜[1]。

利用計算流體動力學進行模擬已經逐漸成為了解流體在流體機械內部流動狀況的一個重要手段。通過這種方式可以充分認識流體機械內流體的流動規(guī)律，并在此基礎上，依據實際需要進行優(yōu)化設計，從而減少實驗研究的工作，縮短研究周期。本文采用ANSYS 12.1中的Fluent模塊，對華南農業(yè)大學研制的切段式甘蔗聯合收割機排雜裝置在不同工況下流場進行了模擬和分析，為排雜裝置的設計和優(yōu)化提供基礎。

1 計算模型

1.1 模型結構

華南農業(yè)大學研制的HN4GDL-91切段式甘蔗收割機的排雜裝置由集流室、扇葉室、扇葉、出流室和傳動軸組成，如圖1所示。排雜裝置內部采用3葉片式扇葉，扇葉直徑為700mm，額定轉速為2 000r/min。集流室內部裝有3塊導流板，采用內凹型設計，目的是為了縮小集流室氣流入口，提升氣壓。

為方便對模擬后得到的數據進行分析，在Gambit建模中，將絕對坐標系和相對坐標系置于同一點，坐標原點位于下端進氣口平面上，為扇葉轉軸的中心線與進氣平面的交點；X軸正向為氣流流進方向，與扇葉轉動中心線共線；Z軸正向為圖1所示垂直圖片向外，Y軸正向為氣流出口方向[7]，坐標系具體位置如圖1所示。

氣流及甘蔗物料在排雜裝置內的運動示意圖如圖2所示。集流室內軌跡表示甘蔗物料運動，穿過集流室、扇葉室、出流室的軌跡線表示氣流運動軌跡。

圖1 排雜裝置

圖2 氣流和甘蔗物料軌跡示意圖

1.2 網格劃分

在Gambit中對模型進行網格劃分。該排雜裝置的出口和入口比較復雜，不在同一個平面上。為了在模擬仿真時盡可能地接近實際情況,方便設置出入口條件，同時在出入口延伸出圓柱型流體域，圓柱體截面積要比出入口面積大的多[8]。

由于要對整個排雜裝置通道進行模擬計算，所以網格劃分采用三維非結構化網格，能夠很好地適應排雜裝置的復雜結構，并對細節(jié)處進行網格加密處理[9]。最終整體網格圖如圖3所示。共生成約156萬個四面體網格，經過CFD模擬數據分析，網格數目和質量符合檢測要求。

圖3 計算模型整體網格圖

1.3 計算模型的選取

本排雜裝置的模型包含旋轉的動邊界和靜止的靜邊界，根據實際需要，將整個計算區(qū)域劃分為5個區(qū)域:集流室、扇葉室、出流室和兩個延伸流體域。旋轉扇葉和排雜裝置壁面之間的耦合采用了多參考系模型—Multiple Reference Frame,簡稱MRF。MRF模型的基本思想是把風道內流場簡化為扇葉在某一位置的瞬時流場，將非定常問題用定常方法計算[10]。

1.4 邊界條件和計算方法

邊界條件和初始條件是控制方程有確定解的前提。設置氣流入口：本文采用壓強入口邊界條件，定義表總壓和靜壓都為0Pa。氣流出口：采用壓強出口邊界條件，定義出口壓力為0Pa，沒有附加的壓力。排雜裝置及延伸流體域的內壁、傳動軸壁面及葉片都采用壁面邊界條件。整個流體域分成5塊，流體域公共面設為interior。氣流為不可壓縮、穩(wěn)定氣流。計算設置操作壓強(operating pressure)為101 325Pa，忽略重力對流場的影響。

根據判斷流動為湍流的標準，對于內流而言，當Red>2 300 時，則流動一定為湍流[11]。所以，該氣流場流動為湍流。目前，沒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、兩方程模型(標準k-ε模型、RNGk-ε模型、Realizek-ε模型)，雷諾應力模型和大渦模擬模型。本文采用Realizek-ε模型。

2 排雜裝置內部流場特性分析

利用TECPLOT軟件對Fluent針對轉速為960r/min模擬仿真后排雜裝置內部流場的壓強和速度矢量分布情況進行分析。

2.1 壓強分析

本文將依據模擬仿真得到的數據分別對集流室和出流室壓強進行闡述，以解析排雜裝置內部的壓強場分布情況。為更清晰的顯示，本文壓強圖顯示的均是相對模擬使用的操作壓強(101 325Pa)的壓強數值。

2.1.1 集流室壓強分析

圖4中(a)、(b)、(c)3個圖分別為集流室在Z=0mm截面處的靜壓、動壓和全壓梯度云圖。從圖4中可以看出：壓強分布比較均勻，層次分明：圖4(a)中越靠近扇葉靜壓越低，即扇葉旋轉產生的吸力越大，在靠近壁面，葉片下端區(qū)域靜壓明顯低于其他區(qū)域；但由于左側導流板的存在，右側的靜壓明顯要低于左側的靜壓。圖4(b)中越靠近扇葉動壓越大，即切向風速也越大；但在左側導流板上下都存在低壓區(qū)。圖4(c)在集流室中心區(qū)域相對全壓都維持在-25～0Pa之間，分布均勻。

(a) 集流室 Z=0 mm靜壓

(b) 集流室Z=0mm動壓

(c) 集流室Z=0mm全壓圖4 集流室靜壓、動壓和全壓梯度云圖

2.1.2 出流室壓強分析

圖5中(a)、(b)、(c)3個圖分別是出流室在Y=0mm截面處的靜壓、動壓和全壓梯度云圖。由圖5(a)可知：出流室沿出口方向壓強降低，在出口下端壓強較低。在圖5(b)圖中，出口方向中間區(qū)域的動壓較大，即風速較高，就整個圖的而言，動壓分布很不均勻。

圖6是集流室在X=1 000mm截面處的動壓梯度云圖。圖6中的中心圓孔為傳動軸的徑向截面，氣流的運動方向為從右到左。由圖6可知：在傳動軸后方形成明顯的低壓區(qū)；從動壓圖來看，壓強并沒有以Y=0mm平面對稱，上側壁面壓力要高于下側壁面。即排雜裝置工作時，蔗葉和雜質會沿著上側壁面飛出，與實際情況相符。結合圖5來看，出流室內壓強分布不均勻，究其原因是出流室結構不合理，造成氣流紊亂。

(a) 出流室Z=0mm靜壓

(b) 出流室Z=0mm動壓

(c) 出流室Z=0mm全壓圖5 出流室靜壓、動壓和全壓梯度云圖

圖6 出流室X=1000mm動壓梯度圖

2.2 速度分析

由圖7風機在Z=0mm處的速度矢量圖可知：在集流室的主要區(qū)域內，氣流都呈現很好的一致性，導流板內凹型的設計并在沒有在氣流入口處產生漩渦，但在導流板上側存在漩渦。在入口右側同樣存在渦流，形成原因為氣流方向與壁面的夾角導致。氣流進入扇葉，在扇葉中心軸后方都產生了不同強度的漩渦，該部分渦流產生的原因即為輪轂的結構和大小，氣流在遭遇壁面后也是渦流形成的原因之一。同樣。相對于集流室，出流室氣流分布沒有那么均勻，在出流室中沿出口方向中心區(qū)域風速大，且風向呈向下趨勢，這與圖5(b)顯示的壓強相一致。而且，在出流室出口處上部氣流矢量跟下部氣流矢量方向是相交的。

圖7 風機Z=0mm速度矢量圖

2.3 模擬數據與試驗數據對比

利用Fluent對扇葉在5個轉速(600、800、960、1 440、1 530r/min)條件下分別進行模擬。當轉速不同時，排雜裝置入口的流量不同，并對比華南農業(yè)大學李躍金的實驗數據[12]，其值如圖8所示。試驗數據和仿真模擬數據基本吻合，出現了仿真數據略高于實驗數據的情況，原因是模擬仿真是在完全一致環(huán)境條件下進行的，而實驗數據會受到實驗條件的制約和影響。可以認為，本文對排雜裝置的模擬是適宜的，所選取的邊界條件和計算方法是合適的。

圖8 不同轉速下排雜裝置入口的流量

2.4 改進排雜裝置內部結構

從圖5出流室壓強分布狀況以及圖7的速度矢量狀況可知：出流室風速比扇葉室風速要低，風速矢量分布的密度也明顯要比其他區(qū)域低，而且分布不均勻，各壓強的分布也不均勻。結合在甘蔗收割機的田間試驗中，出現隨氣流進入到出流室的甘蔗雜質又重新回到料斗中的狀況。因此，對排雜裝置在機械結構上進行改進，在擴大出流室容積的同時縮小出口。同時，對改進后的排雜裝置在轉速960r/min下進行模擬，得到出流室在Z=0mm處速度矢量圖以及全壓云圖，如圖9所示。

(a) 改進后出流室Z=0mm速度矢量圖

(b) 改進后出流室Z=0mm全壓云圖圖9 矢量圖以及全壓云圖

對比圖7和圖9(a)可知：出流室氣流速度分布更均勻，而且風速增大，但在傳動軸左端還是出現漩渦；但從氣流矢量軌跡來看，結構更加合理。對比圖5(c)和圖9(b)，出流室出口全壓升高，全壓的分布也更加均勻。因此，可以說對排雜裝置的改進是有效的，這種布局是更加合理的。

3 結論

1)運用Fluent軟件的MRF模型，實現了甘蔗收割機排雜清選裝置內部氣流場的數字化模擬和可視化；通過模擬得到了排雜裝置內部氣流場的運動狀態(tài)、速度矢量分布和壓強分布。

2)利用Fluent軟件對切段式甘蔗收割機排雜裝置內流場進行數值模擬，基于N-S方程和Realizek-ε湍流模型，并使用SIMPLEC算法。通過模擬得到的5種不同轉速下排雜裝置入口的流量，模擬結果和實驗數據相吻合，驗證了上述模擬方法是可行的。

3)通過對甘蔗收割機排雜裝置內部氣流場仿真的觀測和分析，發(fā)現了氣流場分布不均勻的位置和原因，對裝置通道進行了改進，并對改進后的排雜裝置進行模擬仿真。對比改進前排雜裝置氣流場，改進后裝置有效地改善了排雜裝置內部流場的速度矢量和壓力分布。

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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

公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項(201003009)；“十二五”農村領域國家科技計劃課題(2011BAD20B05)；國家國際科技合作項目(2011DFB70350)；國家甘蔗產業(yè)技術體系項目(CARS-20-4-1)

黃 崢(1988-),男,湖南邵東人，碩士研究生,(E-mail) hzaijs@ 126.com。

楊丹彤(1970-),男,廣州人,副教授，碩士生導師，(E-mail) yangdt@scau.edu.cn。

S225.5+3

A

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