王國峰，任德志，金 釗，白雪衛(wèi)，宮元娟

（沈陽農(nóng)業(yè)大學工程學院，沈陽110161）

城市空氣環(huán)境監(jiān)測和研究數(shù)據(jù)表明，可吸入顆粒物（PM10）已成為我國城市大氣污染的首要污染物，污染物主要來源之一為農(nóng)業(yè)耕作揚塵[1]。可吸入顆粒物對人體健康危害極大，因此探究農(nóng)業(yè)耕作揚塵形成過程，分析環(huán)境風速對揚塵影響已經(jīng)成為亟待解決的問題[2-3]。自走式秸稈制粒機通過撿拾地面秸稈并粉碎，在風機的作用下，將塵土和秸稈混合在一起，形成空氣、塵土與秸稈混合物，經(jīng)風道排出形成揚塵現(xiàn)象，揚塵嚴重影響大氣環(huán)境以及農(nóng)民工作環(huán)境[4]。在農(nóng)業(yè)領域針對揚塵問題研究相對較少，在礦山機械、環(huán)境工程、制粒機工程等研究領域，關于揚塵問題的相關理論及研究方法較多[5-7]。叢曉春等[8]對開放性粉塵展開研究，利用Particle Source in Cell算法，使用數(shù)值仿真技術，實現(xiàn)定量預測露天礦粉堆料對環(huán)境造成的污染程度；張子文等[9]探討輸煤皮帶運煤期間揚塵運移擴散影響，運用雙流體模型，采用數(shù)值仿真手段，分析粉塵濃度分布規(guī)律；張瑤等[10]采用Discrete Particle Model（DPM）模型研究機動車在行駛中可吸入顆粒物的分布特征，分析車速、環(huán)境風速對汽車揚塵濃度的影響。文獻研究表明，車輛行駛速度和環(huán)境風速對揚塵的擴散有較大影響，對研究抑制車輛行駛的揚塵問題具有重要作用。數(shù)值方法是解決揚塵問題的有效手段，目前描述多相流動的計算方法主要有Euler 法、DPM法、DEM法以及耦合算法[11-16]。

為解決自走式秸稈制粒機行駛作業(yè)中的揚塵問題，本研究利用Euler混合多相流模型解決空氣與灰塵顆粒的耦合流動，采用動態(tài)網(wǎng)格模型解決制粒機行駛過程中動態(tài)響應過程。研究制粒機行駛速度和環(huán)境風速對揚塵擴散的影響，分析在不同時刻和觀測點的揚塵濃度分布和氣流速度間的關系。探究行駛作業(yè)中的秸稈制粒機揚塵擴散特征，為進一步抑制揚塵研究提供前期基礎。

1 模型與方法

1.1 物理模型

自走式秸稈制粒機秸稈撿拾粉碎輸送裝置如圖1，該結構包含風道出口、粉碎裝置、拋料板、風道、風道入口和螺旋輸送裝置。撿拾粉碎輸送裝置由拖拉機牽引形成一個自走式的制粒裝置，裝置在工作過程中，受粉碎、風機的風力吹送、環(huán)境風和制粒機運動等共同作用，形成作業(yè)揚塵，對農(nóng)民工作環(huán)境及周圍大氣環(huán)境產(chǎn)生嚴重影響。

1.2 數(shù)學模型

本研究建立了基于歐拉方程的混合多相流模型，以求解空氣與塵土顆粒間流動的相互作用；采用動態(tài)網(wǎng)格模型模擬制粒機與流體域間的動態(tài)運動，解決制粒機行駛過程中的動態(tài)響應問題[17-19]?；旌隙嘞嗔髂Ｐ褪且环N簡化的歐拉多相流模型，它假定在很短時間尺度內(nèi)局部達到平衡，用于模擬各相具有不同速度的多相流動，典型應用就是沉降問題?；旌夏Ｐ桶旌舷噙B續(xù)性方程、動量方程和第二相體積分數(shù)方程[20-25]。

圖1 自走式秸稈制粒機撿拾粉碎裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram about air duct of mobile straw briquetting machine

混合模型的連續(xù)方程為：

混合模型動量方程可以通過對所有相的動量方程求和來獲得：

根據(jù)第二相p的連續(xù)方程，可以得到第二相p的體積分數(shù)方程：

在不同行駛速度和環(huán)境風速條件下，動態(tài)網(wǎng)格模型用來描述自走式秸稈制粒機與流體域的相對運動關系。計算域變化，會影響計算域內(nèi)所有邊界的移動，移動邊界通過利用動態(tài)網(wǎng)格模型的網(wǎng)格重構控制方法，實現(xiàn)網(wǎng)格變形隨時間的實時更新，控制體內(nèi)的標量計算則通過包含網(wǎng)格運動的N-S方程進行動態(tài)求解，其控制體守恒方程為：

式中：φ為通用標量；Vs為控制體積（m3）；Ls為控制體積邊界；vg為動網(wǎng)格邊界運動速度（m·s-1），n為表面Ls的法向單位向量；Γ為擴散系數(shù)；Sφ為附加源項。

1.3 數(shù)值模型

為求解自走式秸稈制粒機揚塵擴散過程及擴散規(guī)律，對物理模型進行簡化，建立等比例數(shù)值仿真分析模型，其中，計算域為3m(X)×10m(Y)×4m(Z)(分別對應X、Y、Z 軸)長方體。模型如圖2，包括流體域頂面、后方出口、地面、風道入口、風道、前方進口、側墻以及儲料籠。在計算過程中，設置風道入口進風量與灰塵量；設置前方進口為環(huán)境風進口；頂面、后方出口和側墻設為壓力出口；在所有邊界中設置后方出口為靜止邊界，其他邊界為動邊界，動邊界網(wǎng)格會隨儲料籠運動進行網(wǎng)格實時更新。

簡化后的數(shù)值模型采用混合網(wǎng)格進行劃分，網(wǎng)格數(shù)量100萬。為提高計算精度，保證計算準確性，在大多數(shù)區(qū)域采用六面體網(wǎng)格，并對儲料籠結構進行網(wǎng)格局部加密處理，并對網(wǎng)格進行無關性驗證。數(shù)值模型的網(wǎng)格如圖3。

圖2 簡化后的數(shù)值模型Figure 2 Simplified numerical model

圖3 數(shù)值模型的網(wǎng)格Figure 3 Mesh of numerical model

2 結果與分析

2.1 制粒機行駛過程中的揚塵擴散研究

制粒機在行駛過程中帶動周圍空氣流動產(chǎn)生氣流，形成氣流拖曳力，對顆粒運動產(chǎn)生影響，進而影響到顆粒的運動分布規(guī)律，這種影響在高速運動制粒機中普遍存在。農(nóng)業(yè)機械田間行駛速度為2.5～10km·h-1。本研究選取行駛速度為2.5，5，7.5，10km·h-1，研究在行駛過程中制粒機的揚塵擴散狀況。選取行駛速度5km·h-1進行動態(tài)仿真分析，得到的揚塵顆粒動態(tài)擴散狀況如圖4?；覊m從風道入口進入，經(jīng)過1s 后流入儲料籠，2s 后灰塵顆粒通過儲料籠空隙向空間擴散，形成灰塵擴散。隨時間增加，制粒機前移，灰塵擴散影響加大。當制粒機行駛2.6s后，顆粒擴散分布基本不變，擴散基本穩(wěn)定。這表明灰塵顆粒的擴散穩(wěn)定時間較短，一旦自走式秸稈制粒機開始進行田間作業(yè)，灰塵迅速達到穩(wěn)定的工作狀態(tài)，對環(huán)境產(chǎn)生持續(xù)影響。灰塵顆粒通過儲料籠縫隙向四周擴散，增大灰塵橫向擴散程度。通過對灰塵濃度的觀察發(fā)現(xiàn)，與風道水平的中心區(qū)域顆粒濃度高，而儲料籠其它方向，顆粒濃度較低。

圖4 制粒機行駛過程中灰塵顆粒的動態(tài)擴散Figure 4 Dynamic diffusion of dust particles during vehicle driving

應用自走式秸稈制粒機對遼寧省黑山縣試驗基地的成熟期遼單588 號玉米秸稈進行田間試驗，作業(yè)速度5km·h-1，采用DTM-G2422 塵埃粒子濃度分析儀測量濃度，測量誤差±2%，采用手持式激光測距儀記錄測量點距車體距離，利用高清相機記錄揚塵動態(tài)擴散過程。圖5 為試驗過程中4～6.1s 期間揚塵擴散情況。隨著制粒機作業(yè)的開始，揚塵濃度迅速增加，揚塵的擴散范圍也增大，幾乎看不清車體。測量設備顯示在距離制粒機4m處，其濃度顯示為1.35kg·m-3。圖4 和圖5 分別是制粒機的動態(tài)工作過程的仿真和試驗結果，工作過程略有差異，不過最終揚塵分布所呈現(xiàn)的情況大致相同。隨著作業(yè)的開始，制粒機周圍揚塵濃度明顯增大，儲料籠周邊是濃度最為集中的區(qū)域，如要抑制揚塵擴散，首先需對儲料籠周邊結構進行改造，現(xiàn)有結構無法抑制揚塵的產(chǎn)生和擴散。

圖5 試驗過程Figure 5 Test procedure

選取行駛速度10km·h-1，計算域中心X-Y 截面的灰塵顆粒濃度分布（圖6），受風道進口氣流速度影響，灰塵顆粒在風道和整個中心截面上，呈拋物狀分布，中心濃度高；隨著灰塵顆粒從儲料籠拋出，顆粒流動速度降低，受氣流擾動作用，向四周擴散，隨著距離的增加，揚塵擴散濃度逐漸降低。為比較不同行駛速度對灰塵擴散的影響，在圖6 截面位置，選取5 個觀測點，從右向左依次定義為probe1、probe2、probe3、probe4、probe5。5 個探測點連線與儲料籠地面平行，每相鄰兩個探測點相距0.25m，probe1 距儲料籠水平距離0.15m，5 個觀測點水平距離覆蓋了灰塵顆粒在水平方向上的濃度變化范圍。利用5個觀察點，分析當行駛速度為2.5，5，7.5，10km·h-1時，不同時刻觀測點的灰塵濃度變化，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，觀測點濃度隨時間變化范圍較小。圖7選取5和10km·h-1兩種行駛速度，分析各點灰塵顆粒濃度隨時間的變化關系。

由圖7可知，行駛速度5和10km·h-1的所有探測點曲線幾乎重合，這說明兩者濃度分布規(guī)律基本一致，如以儲料籠為參照物，隨時間變化，灰塵擴散范圍不受制粒機行駛速度影響。在相同行駛速度下，制粒機在行駛到1.4s 時，觀測點濃度開始增加，當制粒機行駛2.6s 后，觀測點濃度分布趨于均勻，僅probe1 點濃度變化較大，其它觀測點幾乎不變。中心區(qū)域灰塵顆粒濃度可達32.6kg·m-3，probe5 的灰塵顆粒濃度為1.49kg·m-3，略高于空氣密度，說明此處受灰塵影響，影響程度較小。

圖6 制粒機行駛過程中灰塵的濃度分布圖Figure 6 Distribution of dust concentration during vehicle driving

圖7 觀測點灰塵濃度隨時間的變化關系Figure 7 Variation of dust concentration at observation point with time

為研究制粒機行駛速度對灰塵顆粒濃度的影響，在制粒機行駛中，對空間位置與灰塵顆粒濃度的關系進行研究。由圖8可知，制粒機在相同時間內(nèi)，由于行駛速度不同，行駛距離不同，導致灰塵在環(huán)境空間內(nèi)運動位置不同，位置差別導致灰塵對環(huán)境的影響不同。當制粒機以5km·h-1行駛，行駛2.6s時，距離起點3.61m，行駛4s時，距離起點5.58m，這段時間間隔內(nèi)制粒機行使距離和灰塵影響范圍為1.97m；相同時間內(nèi)，當制粒機以10km·h-1行駛，行駛2.6時，距離起點7.22m，行駛4s時，距離起點1.1m，這段時間間隔內(nèi)制粒機行使距離和灰塵影響范圍為3.88m。結果表明在相同時間間隔內(nèi)制粒機行駛速度越大，灰塵對環(huán)境的影響范圍越大。選取5km·h-1和10km·h-1兩種行駛速度，分析5個觀測點氣流速度隨時間的變化關系。由圖9可知，制粒機在啟動時，以10km·h-1行駛的制粒機觀測點速度要高于以5km·h-1行駛的制粒機。當制粒機行駛穩(wěn)定時（time=4s），以5km·h-1行駛制粒機觀測點 probe1 氣流速度為2.03m·s-1，probe5 氣流速度為2.18m·s-1，probe1～probe5 間氣流速度呈低-高-低變化，氣流擾動分布范圍恰好落在觀測區(qū)域內(nèi)。以10km·h-1行駛制粒機probe1 氣流速度為0.91m·s-1，隨觀測點位置向左移動，氣流速度逐漸增大，probe5 氣流速度為3.21m·s-1，氣流速度變化范圍遠大于觀測范圍。由此可知制粒機行駛速度增加，可增強流動區(qū)域氣流擾動，提高空氣誘導作用，進而影響灰塵顆粒濃度變化。通過對行駛速度的研究表明，制粒機行駛速度是導致?lián)P塵擴散范圍增大的重要因素。制粒機的行駛速度不會改變制粒機風道出口揚塵濃度，但是會影響出口氣流的流動速度和出口氣流的擾動程度，同時會增加制粒機的行駛距離，擴大揚塵濃度的擴散范圍。為抑制揚塵發(fā)生及影響范圍，在不影響設備作業(yè)的情況下，可通過減緩制粒機行駛速度，進而降低揚塵的擴散范圍。

圖8 觀測點灰塵濃度隨時間變化的空間位置關系Figure 8 Spatial position relationship of dust concentration at observation point

圖9 氣流速度隨時間的變化關系Figure 9 Variation of air velocity with time

2.2 環(huán)境風速對揚塵擴散的影響

農(nóng)業(yè)機械在田間作業(yè)過程中大多數(shù)暴露在大氣環(huán)境中，環(huán)境風對行駛制粒機影響是制粒機動態(tài)行駛的重要研究方向之一。根據(jù)中國氣象局于2001 年發(fā)布《臺風業(yè)務和服務規(guī)定》，風力等級劃分如表1。本研究選取環(huán)境風速為0，2.5，5，7.5，10 m·s-1共5 種環(huán)境風速進行數(shù)值分析，計算在不同風速下行駛制粒機灰塵濃度分布情況。

表1 風力等級Table 1 Wind rating

圖10為制粒機行駛速度5km·h-1，行駛4s時，不同環(huán)境風速下計算域中心X-Y截面的灰塵顆粒濃度分布情況。靜止風速與風速2.5m·s-1時，灰塵顆粒濃度分布基本相似。隨著風速增加，氣流影響開始顯著，灰塵顆粒濃度分布的拖尾現(xiàn)象增加，當風速為5m·s-1時，灰塵濃度分布受制粒機行駛影響有前傾趨勢，隨風速進一步增大，濃度成斜直分布，速度越大，傾斜角度越大，分布距離越遠，灰塵擴散距離越長，影響范圍越大。

在圖10中，選擇距儲料籠水平距離0.15m點，繪制濃度分布中心線，如各圖所示儲料籠出口處的線段，選取該線段上的位置信息和濃度分布數(shù)據(jù)，創(chuàng)建中心線位置與濃度分布關系（圖11），分析風速對灰塵擴散的影響。由圖11 可知，風速10m·s-1時，起始點最高濃度24.2kg·m-3，掉落地面最遠距離3.67m；風速靜止和輕風時，起始點最低濃度18.7kg·m-3，掉落地面距離1.14～1.23m之間。由圖11中曲線分布規(guī)律和數(shù)據(jù)可得，隨著環(huán)境風速增大，儲料籠內(nèi)灰塵顆粒成聚集狀，灰塵顆粒濃度增加；流出儲料籠后，由于環(huán)境風速影響，灰塵顆粒吹拂距離增大，擴散距離增長，灰塵對環(huán)境影響程度增大。

通過對環(huán)境風速的研究表明，環(huán)境風對揚塵擴散影響顯著，隨著風速的增大，儲料籠出口相同位置的揚塵顆粒聚集數(shù)量增多，揚塵濃度升高；同時環(huán)境風速的增加，還會提高揚塵的擴散距離，對抑制揚塵的形成產(chǎn)生嚴重影響。因此為了抑制揚塵的產(chǎn)生和擴散，可盡量選擇無風或風力較小的天氣環(huán)境條件下進行作業(yè)。

3 討論與結論

采用仿真分析方法對制粒機行駛過程中揚塵的研究已經(jīng)成為一種主要的研究方法。陳曦等[26]采用動網(wǎng)格技術模擬自卸卡車在不同速度下的動態(tài)運動特征，研究表明氣流擴散產(chǎn)生的剪切氣流和誘導氣流是灰塵顆粒飛揚的主要原因。陳慧敏等[27]利用數(shù)值方法分析了揚塵濃度分布和平均濃度隨時間的變化趨勢，得到了坦克動態(tài)行駛過程對揚塵濃度分布的影響規(guī)律。

圖10 不同環(huán)境風速下的灰塵濃度分布Figure 10 Distribution of dust concentration under different ambient wind speed

圖11 中心線位置與灰塵濃度的關系Figure 11 Relationship between the position of centerline and dust concentration

本研究通過仿真分析方法，對自走式制粒機作業(yè)過程中的揚塵開展研究，研究結果表明，自走式秸稈制粒機進行田間作業(yè)，灰塵會迅速對環(huán)境產(chǎn)生持續(xù)影響；灰塵顆粒在風道中心區(qū)域的濃度高于相同水平面的其他區(qū)域；灰塵顆粒通過儲料籠縫隙向四周擴散，距離設備越遠，顆粒濃度越低。在相同時間間隔內(nèi)制粒機行駛速度越大，灰塵對環(huán)境的影響范圍越大。當制粒機以5km·h-1行駛時，灰塵影響范圍1.97m；當制粒機以10km·h-1行駛時，灰塵影響范圍3.88m。行駛速度增加，可以增強流動區(qū)域氣流擾動，提高空氣的誘導作用，進而影響灰塵顆粒的濃度變化。當以儲料籠為參照物，隨時間變化，儲料籠后方固定位置的灰塵濃度分布不受制粒機行駛速度影響，濃度隨時間的變化規(guī)律基本一致。環(huán)境風速對灰塵擴散有較大影響，隨環(huán)境風速等級增大，灰塵顆粒吹拂距離增大，在風速方向上擴散距離增長，灰塵對環(huán)境影響程度擴大。風速10m·s-1時，起始點最高濃度24.2kg·m-3，掉落地面最遠距離3.67m；風速靜止和輕風時，起始點最低濃度18.7kg·m-3，掉落地面距離1.14～1.23m之間。為抑制揚塵的形成和擴散，可在無風或風力較小的天氣環(huán)境下，降低制粒機行駛速度進行作業(yè)。