沈宇峰，吳明亮*，官春云

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) a.工學(xué)院；b.油料作物研究所，湖南 長沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙410128；3.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙410128)

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旋風(fēng)分離筒進(jìn)料高度對(duì)筒內(nèi)氣相流場(chǎng)分布的影響

沈宇峰1a,2,3，吳明亮1a,2,3*，官春云1b,3

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) a.工學(xué)院；b.油料作物研究所，湖南 長沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙410128；3.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙410128)

摘 要：為了解進(jìn)料高度對(duì)旋風(fēng)分離筒內(nèi)氣相流場(chǎng)分布的影響，提高風(fēng)力清選裝置的清選效果，以湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的5TY–100型油菜脫粒機(jī)旋風(fēng)分離筒為研究對(duì)象，利用Gambit對(duì)3種進(jìn)料高度(50、150、250 mm)的旋風(fēng)分離筒建模，導(dǎo)入FLUENT中模擬仿真。模擬仿真結(jié)果表明：進(jìn)料高度不影響旋風(fēng)分離筒內(nèi)渦核的軸向空間尺寸，但對(duì)旋風(fēng)分離筒內(nèi)的負(fù)壓、氣流速度、切向速度及渦核體積產(chǎn)生影響，進(jìn)料高度越小，旋風(fēng)分離筒內(nèi)部的負(fù)壓值越小，氣流速度值、切向速度值、渦核體積越大。綜合分析可得，進(jìn)料高度越小，物料的清選效果越好。

關(guān) 鍵 詞：旋風(fēng)分離筒；進(jìn)料高度；氣相流場(chǎng)；模擬仿真

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旋風(fēng)分離器通過頂部風(fēng)機(jī)的作用，使分離筒內(nèi)部氣流旋轉(zhuǎn)，并在筒內(nèi)形成一個(gè)渦流區(qū)，同時(shí)分離筒中間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)柱體區(qū)域，稱之為渦核。由于渦核的存在，質(zhì)量較大的物料因受到的離心力大被甩向旋風(fēng)分離筒筒壁并沿筒壁螺旋下滑至落料口，而質(zhì)量較輕的輕雜物則在渦核中心隨氣流導(dǎo)出機(jī)體外部，實(shí)現(xiàn)物料的分離[1–6]。旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，被廣泛應(yīng)用于南方丘陵山地的微型聯(lián)合收獲機(jī)的物料清選。由于聯(lián)合收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)限制及待分選物料存在較大的差異，為擴(kuò)大不同物料間的分選范圍和分選效果，提高旋風(fēng)分離筒的分選適應(yīng)性，有必要研究旋風(fēng)分離筒的工作參數(shù)的影響因素。查文煒等[7]研究了部分結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)旋風(fēng)分離筒內(nèi)速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的影響，得到旋風(fēng)分離筒較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)：矩形進(jìn)風(fēng)口的高寬比為2，柱體直徑4倍于進(jìn)風(fēng)口的寬度。李紅等[8]利用 Fluent 軟件研究不同形狀的入口截面對(duì)切向速度和壓降的影響，認(rèn)為在相同的入口面積下，入口高寬比大的旋風(fēng)分離筒的分離效率較好。Ci Hui等[9]研究不同壁面粗糙度對(duì)氣相流場(chǎng)和渦流長度的影響，結(jié)果表明，壁面粗糙度越大，渦流長度越小，分離效率降低。這些研究大多是圍繞旋風(fēng)分離筒本身的結(jié)構(gòu)尺寸的變化對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)的影響，而對(duì)于物料切向進(jìn)入旋風(fēng)分離筒內(nèi)的物料輸送管道與旋風(fēng)分離筒聯(lián)接位置(即物料進(jìn)料高度)對(duì)筒內(nèi)氣相流場(chǎng)的影響尚未涉及。筆者以湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的5TY–100型油菜脫粒機(jī)的旋風(fēng)分離筒為研究對(duì)象，利用Fluent軟件對(duì)進(jìn)料高度變化對(duì)筒內(nèi)氣相流場(chǎng)的影響進(jìn)行研究，以期得到旋風(fēng)分離筒較優(yōu)的進(jìn)料高度。

1 旋風(fēng)分離清選系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

旋風(fēng)分離清選系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作過程為：待清選物料在螺旋輸送器、揚(yáng)谷器的作用下，通過物料輸送管道切向進(jìn)入旋風(fēng)分離筒內(nèi)。吸雜風(fēng)機(jī)通過密封的吸雜管在旋風(fēng)分離筒內(nèi)部產(chǎn)生渦核，由于渦核的存在，輕雜物從中間的渦核區(qū)域內(nèi)快速被吸走而排出機(jī)外，質(zhì)量較大的籽粒則沿筒壁螺旋下滑至分離筒的出口，完成物料分選的全過程。

圖1　 旋風(fēng)分離清選系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of the structure of the cyclone separating cleaning system

2 模型及網(wǎng)格的劃分

由于旋風(fēng)分離筒內(nèi)的氣相流場(chǎng)涉及復(fù)雜的強(qiáng)旋三維流場(chǎng)，很難從理論上分析其氣相流場(chǎng)的分布狀況，因而借助于FLUENT軟件[10–12]對(duì)不同進(jìn)料高度旋風(fēng)分離筒內(nèi)部的氣相流場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真分析。

依據(jù)文獻(xiàn)[13]，旋風(fēng)分離筒內(nèi)徑320 mm，筒體高度300 mm，進(jìn)料口尺寸為100 mm×100 mm，吸雜管直徑120 mm，出糧口直徑120 mm，上下錐角分別為45°和60°。取以分離筒圓柱體下底面中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，平行于進(jìn)料管軸線方向向右為X軸正方向，垂直于紙面向里為Y軸正方向，旋風(fēng)分離筒中心線向上為Z軸正方向，建立符合右手法則的三維坐標(biāo)系，如圖2中所示。進(jìn)料高度H(50、150 、250 mm)定義為進(jìn)料口中心點(diǎn)到XY平面的距離，運(yùn)用 GAMBIT對(duì)確定進(jìn)料高度的旋風(fēng)分離筒進(jìn)行建模，并采用分區(qū)組合法將旋風(fēng)筒分離成幾個(gè)結(jié)構(gòu)塊后依次劃分網(wǎng)格[14]，最終共劃分87 780個(gè)六面體網(wǎng)格單元，最后將模型導(dǎo)入 FLUENT 中求解計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理和分析。

圖2　旋風(fēng)分離筒網(wǎng)格劃分Fig.2 The cyclone tube grid

3 計(jì)算方法與邊界條件

因旋風(fēng)分離筒內(nèi)部產(chǎn)生三維強(qiáng)旋流，其流場(chǎng)復(fù)雜多變，所以選擇(RNG)k–ε模型。采用控制容積法對(duì)控制方程組進(jìn)行離散化處理，對(duì)其離散格式選用QUICK選項(xiàng)，壓力梯度選用SIMPLEC方法，采用PRESTO算法求解，由于是旋轉(zhuǎn)占優(yōu)的流動(dòng)，所以需選擇Swirl Dominated Flow 選項(xiàng)。

進(jìn)料口處的邊界條件設(shè)定為速度入口，為使物料能切向拋入式進(jìn)入旋風(fēng)分離筒，設(shè)定進(jìn)料口速度10 m/s；由于排雜口連接吸風(fēng)機(jī)，呈負(fù)壓狀態(tài)，故邊界條件設(shè)定為壓力出口，表壓強(qiáng)值設(shè)為–1 100 Pa，落料口與大氣相連，邊界條件設(shè)定為壓力進(jìn)口，表壓強(qiáng)設(shè)定為0 Pa。

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 進(jìn)料高度對(duì)旋風(fēng)分離筒內(nèi)壓力和速度的影響

在旋風(fēng)分離筒內(nèi)部分別選取平行于XY平面、平面參數(shù)方程分別為 Z=0、Z=100、Z=200、Z=300 的4個(gè)截面進(jìn)行仿真分析，得到分離筒內(nèi)壓強(qiáng)和速度分布(圖3、圖4)。結(jié)果表明，不同進(jìn)料高度下，旋風(fēng)分離筒內(nèi)部區(qū)域均呈負(fù)壓狀態(tài)，且為軸對(duì)稱分布，總體表現(xiàn)為進(jìn)料高度越大，負(fù)壓值越大，速度值越小。

圖3　不同進(jìn)料高度下的總壓強(qiáng)分布Fig.3 Total pressure of cyclone separator under different feeding height

圖4　不同進(jìn)料高度下的速度分布Fig.4 Velocity of cyclone separator under different feeding height

4.2 進(jìn)料高度對(duì)旋風(fēng)分離筒內(nèi)切向速度的影響

旋風(fēng)分離筒內(nèi)的切向速度主導(dǎo)物料各組分作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，決定物料的分離效果。不同進(jìn)料高度下的切向速度分布如圖5所示。結(jié)果表明，分離筒內(nèi)部的切向速度分布呈“W”型，不同進(jìn)料高度對(duì)其切向速度的影響較大，切向速度的總體是進(jìn)料高度越大，其切向速度值越小。

圖5　不同進(jìn)料高度下的切向速度分布Fig.5 Tangential velocity of cyclone separator under different feeding height

4.3 進(jìn)料高度對(duì)旋風(fēng)分離筒內(nèi)軸向靜態(tài)壓力的影響

旋風(fēng)分離筒內(nèi)中心軸的靜態(tài)壓力分布可反映出其內(nèi)部旋渦的位置，即靜態(tài)壓力急劇變化的點(diǎn)為旋渦的尾端。為了解進(jìn)料高度對(duì)筒內(nèi)軸向靜態(tài)壓力的影響，以旋風(fēng)分離筒中心軸上一點(diǎn)的Z軸坐標(biāo)為坐標(biāo)橫軸，該點(diǎn)的靜態(tài)壓強(qiáng)值為縱軸，得到圖6所示的不同進(jìn)料高度下的軸向靜壓分布。結(jié)果表明，不同進(jìn)料高度下的軸向靜態(tài)壓力分布基本相同，進(jìn)料高度并不影響其筒內(nèi)的軸向靜態(tài)壓強(qiáng)分布，即進(jìn)料高度并不影響渦核的軸向空間尺寸。

圖6　不同進(jìn)料高度下的軸向靜態(tài)壓強(qiáng)分布Fig.6 Axial static pressure profile of cyclone separator under different feeding height

圖7　不同進(jìn)料高度下的渦核體積分布Fig.7 Vortex core distribution at different feedingheight

4.4 進(jìn)料高度對(duì)旋風(fēng)分離筒內(nèi)渦核體積的影響

圖7表明，在Z=0 mm、Z=100 mm的截面上，不同進(jìn)料高度下的旋風(fēng)分離筒均表現(xiàn)為：在半徑為50 mm的圓柱體區(qū)域內(nèi)，其壓力最小，基本為0，速度達(dá)到最大值約為23 m/s；在半徑為50 mm的環(huán)形區(qū)域外，其壓力逐漸增大，速度逐漸減小，由此可得，在Z=0 mm、Z=100 mm的截面上，不同進(jìn)料高度的旋風(fēng)分離筒的渦核半徑均為 50 mm，但在Z=200 mm、Z=300 mm的截面上，隨著進(jìn)料高度的增大，其渦核半徑逐漸減小，隨著進(jìn)料高度的增大，其渦核體積逐漸減小。

5 結(jié)論

對(duì)3種進(jìn)料高度的旋風(fēng)分離筒內(nèi)部的氣相流場(chǎng)進(jìn)行的模擬仿真結(jié)果表明，進(jìn)料高度越大，負(fù)壓值越大，速度值越小。分離筒內(nèi)部的切向速度分布基本呈“W”型，進(jìn)料高度對(duì)其切向速度的影響較大，進(jìn)料高度越大，切向速度值越小。進(jìn)料高度并不影響渦核的軸向空間尺寸，但隨著進(jìn)料高度的增大，其渦核體積逐漸減小。

綜合分析模擬仿真結(jié)果，進(jìn)料高度越小，其物料的圓周旋轉(zhuǎn)分離運(yùn)動(dòng)越顯著，且物料的有效分離空間也越大，因而對(duì)于特定的旋風(fēng)分離筒，其進(jìn)料高度應(yīng)取最低值。

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[14] 于勇．FLUENT入門與進(jìn)階教程[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，2008．

責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立

Effect of the feeding height on the distribution of gas-phase flow field in a cyclone separator

Shen Yufeng1a,2,3，Wu Mingliang1a,2,3*，Guan Chunyun1b,3
(1.a.College of Engineering; b.Institute of Oil, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2.Hunan Province Modern Agricultural Equipment Engineering Technology, Changsha 410128, China; 3.Collaporative Innovation Center of Grain and Oil Crops in South China, Changsha 410128, China)

Abstract:In order to understand the influence of feeding height on the distribution of gas phase flow field in a cyclone separator and improve the cleaning efficiency of the wind cleaning device. A cyclone separator in 5TY–100 type rape thresher developed by Hunan Agricultural University was modeling by using gambit for 3 kinds of feeding height (50, 150 and 250 mm). The model was imported into the fluent to simulation. The simulation results showed that the feeding height does not affect the axial size of the vortex core in the cyclone separator, which had an effect on the negative pressure, airflow velocity, tangential velocity and vortex core volume. As a decrease in the feeding height, the negative pressure in the cyclone separator decreased, and the gas flow velocity, tangential velocity and vortex core increased. It is found that a high material cleaning efficiency could be achieved on the lower feeding height.

Keywords:cyclone separator; feeding height; gas phase flow field; simulation

中圖分類號(hào)：S226.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007?1032(2016)03?0339?05

收稿日期：2015–12–04 修回日期：2016–03–18

基金項(xiàng)目：湖南省政府重大專項(xiàng)(湘府閱[2014]35號(hào))；農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目(2014GB2D200230)；湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2015B277)

作者簡介：沈宇峰(1991—)，男，湖北隨州人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究，359736619@qq.com；*通信作者，吳明亮，博士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究，mlwu@hunau.edu.cn