软摘锭采棉机采摘头三维流场的数值模拟及试验研究

马清亮，王维新，刘克毅，叶伟，瞿端阳

（石河子大学机械电气工程学院，石河子832003）

软摘锭采棉机采摘头三维流场的数值模拟及试验研究

马清亮，王维新，刘克毅，叶伟，瞿端阳

（石河子大学机械电气工程学院，石河子832003）

针对统收式采棉机采摘头内物料在气力输送过程中造成的堵塞问题，需研究物料在分离过程中受到流体在不同风速、滚筒转速等影响因素下的运动规律。本文利用流体力学软件Fluent对4MBR－2型统收式软摘锭采棉机采摘头的内部流场进行三维模拟，分析了采摘头内部在不同风速及滚筒转速下的流场特性，并对计算得出的风速与试验测得的数值进行对比，结果表明二者的最大相对误差小于7%，同时得出了风速在20m／s和25m／s时采摘头内流场的速度分布和压力分布。模拟分析表明，入口风速在20m／s时，在出料口附近有明显的湍流成型，是造成物料堵塞的主要原因。

采棉机；采摘头；三维流场；数值模拟

新疆作为优质棉的主产区，随着种植面积的增加以及劳动力的短缺，采用采棉机采收不仅可以提高采收效率，而且可以降低采收成本。2011年初，新疆兵团提出要用5年左右时间全面实现采棉机械化，计划2011年种植机采棉23.3万hm2，约占棉花播种总面积的一半［1］。然而目前新疆采棉机主要依赖于进口，其中最具有代表性的是美国DEERER／CASE的水平摘锭采棉机，其优点是工作效率高，稳定性能好。该机的水平摘锭结构复杂，虽然对此已经有一定的研究［2］，但是由于其购置和使用费高，维修不方便，实现全面推广仍有一定的难度，因此，在当前形式下大力发展本土采棉机，不仅可以作为现行采棉机种类的一种补充，而且在自主研制过程中也具有了极大的潜力和动力。

近年来，石河子胜凯公司与石河子大学机电学院等相关科研单位合作研制成功了FS4M－2R和4MBR－3型滚筒式软摘锭采棉机，其结构简易，造价低廉，符合新疆棉花采收的需要。近3年的田间试验发现，该机存在以下问题：采摘物（主要包括籽棉、铃壳、棉桃、棉叶，棉秆等）在采摘后，会出现混杂在一起的现象，而且在输送过程中，由于籽棉属纤维物质，很容易粘附在其它采摘物上，这样不仅会造成输送系统不通畅，运行工作效率偏低，而且在清杂系统中也不易分离，降低了棉花品质［3］。因此，要实现该采棉机的顺利投产，其输送易堵塞的问题急需解决。张宏文等［4］通过对在胶棒滚筒棉花采摘头的设计与试验中对棉花采摘率等相关影响因素进行了实验测试，证明了滚筒转速、风速等因素对物料输送会有较大影响；叶伟［5］和刘克毅［6］通过软摘锭采棉机气力输送系统的设计及仿真的研究，对风机出口至分流管的流场进行模拟，得出了通过设置几种不同角度的导向板、曲率弯管的方法使得流场分布更加均匀。但是，从目前田间的劳作经验、实验研究角度以及考虑管道流场分布来对物料输送的影响因素进行的研究来看，采摘头内由正压风输送物料的堵塞依然存在。因此，本文利用流体软件Fluent对采摘头内部流场分析进行数值模拟，通过对流场的分析，得出物料产生堵塞的原因，为减少堵塞、提高输送效率提供研究基础。

1 采摘头结构及参数设计

1.1 简化的采摘头结构［7－8］

研究对象以FS4M－2R型滚筒式软摘锭采棉机改进的试验台样机进行试验研究，结构示意图如图1所示。在采收过程中，棉株从进棉口经过导棉器向内压缩，由2根对称滚筒上的摘锭击打使籽棉脱落，在摘锭作用力及风力的共同作用下，进入到侧面的输送区内，经过出料口进入到后续的输送装置中。

图1 采摘头结构示意图Fig.1Schematic diagram of the Brush－roll Stripper

1.2 参数设计

1.2.1 采摘头结构及配套动力

建立的采摘头模型结构尺寸与实际尺寸均比例为1∶1，外廓尺寸为1385mm×690mm×905mm；滚筒长度为1150mm，直径105mm；进风口直径100mm；出料口直径260mm；风机的设计参数为：叶轮外径400mm，内径270mm；配套动力为4 kW，额定转速2800r／min。

1.2.2 进出口风速测试结果分析

由于需要采摘头在短时间内通过气力把采收的定量的棉花输送到出料口，在此过程中，由于受到相关阻力等因素的影响，会使风速逐渐降低。孔珑［9］对气体－固体颗粒两相流在管内流型的研究表明，当通过管道的空管气流速度v由高到低变化时，会出现以下情况：

（1）均匀流，即v大于经济气流v1许多时，颗粒群在气流中跳跃悬浮输送；

（2）疏密流，即v速度降低，但仍大于v1时，重力的影响变得显著起来，大部分颗粒仍悬浮输送，但管底颗粒则是滚动前进；

（3）沙丘流及柱状流则是v小于v1并降到沉积速度时，颗粒群开始沉降，气流速度遇到阻力不断降低，颗粒会继续沉降，直至堵塞。

在棉厂中对籽棉的实际风速测定值分别为：沉降速度6～12m／s，起步速度10～15m／s，悬浮速度18～22m／s。为满足籽棉的输送通畅，须要保证空管速度不得低于经济气流速度并降低到沉积速度，并且要满足把籽棉从其他物料中相分离的标准，这要求采摘头内入口风速要大于悬浮速度。结合采收实际经验及颗粒悬浮理论值等因素，考虑对风速分别在20m／s和25m／s及滚筒转速在350～400r／min采棉机的采净率较高时的流场变化进行分析。

2 数值模拟

2.1 计算区域及网格生成

数值模拟计算采取FS4M－2R型采摘头内部流场流动空间作为计算区域，气流从采摘头进风口进入，经过侧面的输送槽，最后从出料口吹出。根据设计参数，采用Solidworks建立的采摘头内部滚筒及风道模型，将其保存为ACIS格式，然后导入前处理软件GAMBIT软件对流场区域进行网格划分。由于将整机作为计算区域，结构比较复杂，因此采取非结构化四面体网格来划分，其优点是对复杂边界模型作用明显，适应性较强。网格总数为1294670，经过质量Grid Quality检查，网格的等角斜率和等尺斜率都小于0.8，说明网格质量良好，设定为标准收敛精度。

计算域及网格划分如图2所示。

图2 计算区域及网格单元图Fig.2Computational domain and unstructured mesh

2.2 计算模型

由于计算区域属于一种高雷诺数模型区域，因此选用标准κ－ε双方程湍流模型求解，其中包括κ－湍流动能方程（J）和ε－耗散率方程（%）［10］：

式（1）、（2）中：Gκ是湍流动能；YM是过渡扩散产生的波动；C1、C2、C3是常数，C1＝1.44，C2＝1.92，C3＝0.09；σκ

－是κ方程湍流Prandtl数；σκ－是ε方程湍流Prandtl数；Sκ和Se用户定义。

2.3 计算方法

求解器选用三维定常流场隐式分离求解器，采用有限积分法离散控制方程，选用标准壁面函数为近壁面流动模拟，其中连续性方程和动量方程采用二阶迎风格式，松弛因子选取参数采取软件中的默认值，压力－速度耦合选择SIMPLE算法，这样可以提高收敛精度，使计算更加精确。

2.4 边界条件

在Fluent计算中，首先对网格质量进行检查，保证最小体积是正值。设置进口边界条件为速度进口（v为流体速度），对滚筒转速进行设置（ω为滚筒转速）时，采用MRF方法求解，设置滚筒WALL在Fluent中改为interface，这样2个区域中的数据才能交流。然后给定初始条件v1＝20m／s，v2＝25 m／s，ω1＝5.5r／s，ω2＝6.5r／s；设置出口边界条件为压力出口，给定标准大气压条件作为边界值；流动边界采用软件默认的无滑移壁面条件。

3 模拟结果与分析

通过Fluent的计算与分析，分别得出了采摘头内流场流速在20m／s、25m／s及滚筒转速在5.5r／s、6.5r／s时的压力、速度分布及各自矢量图，由此可以分析出流体在流动过程中的运动形式，为进一步优化影响因子提供了研究依据。

图3是进口速度在20m／s时的速度矢量图和压力分布图，图4是进口速度在25m／s时的速度矢量图和压力分布图，图5是在入口风速为20m／s，滚筒转速分别为5.5r／s和6.5r／s时的速度矢量图。

图3 20m／s时的截面（Y＝100）速度矢量图（a）及压力分布图（b）Fig.3The velocity vectors and static pressure of the 20m／s section（Y＝100）

图4 25m／s时的截面（Y＝100）速度矢量图（a）及压力分布图（b）Fig.4The velocity vectors and static pressure of the 25m／s section（Y＝100）

图5 20m／s时 W＝5.5r／s（a）、W＝6.5r／s（b）时的截面（Y＝100）速度矢量图Fig.5The roller rotary speed in 5.5r／s and 6.5r／s vectors of the 20m／s section（Y＝100）

从图3a可见：随着流体的行进，速度在逐渐衰减，且流道中气流出现了回流现象，这对物料的正常输送会造成影响；随着气流速度的增加，回流对物料输送过程的影响在逐渐降低，并且流体主要还是集中在侧面输送槽道中，满足籽棉的输送要求。

从图3b可以看出：由于回流出现在出料口附近，因此出料口处所受的压力较之图4b回流远离出料口处要大，而图4b中显示流道内压力没有太大突变，整体压力分布较均匀，对物料的输送影响较低。

从图5可知：在速度一定的情况下，随着滚筒转速的增加，流体对物料在受到气力等共同作用下运动产生了很大的影响。

4 模拟结果与试验值比较

入风口速在20m／s和25m／s时的出口气流速度数值模拟及试验结果的对比分析如图6a和图6b所示。根据测试的方法采取等面积法［11］，结合软件分析结果，选取离出料口方向截面（X＝250～550 mm）为测试位置，将流体通过的截面等距离划分，在截面Z轴上取3个点，X轴上取4点，以入口风速20m／s（Y＝100mm）为例，将测试结果同软件分析的数值模拟结果进行比较，对比结果如图6c所示。

由图6a和图6b可知：实测值与理论值的最大误差率分别在5%和7%左右，且模拟值与测量值曲线大致相同。

图6c显示了入口速度在20m／s时，在离出料口处250mm～550mm处气流的变化，其趋势基本一致，流体速度从左到右经历了由大变小，再逐渐变大的过程。这说明在此处有湍流存在，致使气流回旋，同时造成高速气流冲击出料口壁面，使得压力也变大。气流在此回绕，就易会引起物料堵塞。

图6 20m／s时的出口风速模拟值与测量值的对比Fig.6Comparison of simulated velocities with values in the outlet of 20m／s，25m／s and in the position of Y＝100mm of 20m／s

5 结论

（1）采用流体软件Fluent对采摘头的数值模拟分析，直观地得到了不同风速下采摘头内部压力场和速度场的分布情况，清晰地分析出物料输送过程中所受到的影响因子，通过改变输送风速与转速达到物料通畅的要求，这样不仅降低了成本，也节约了时间。

（2）通过数值模拟与试验验证，得出实测值与模拟值的最大误差率在7%以内，并且对回流现象做出验证，证明了软件模拟的正确性与可行性，并因此得了可靠的风速范围在20～25m／s之间。

（3）研究得出了采摘头内物料受正压风和滚筒转速影响时流体的速度及压力分布情况，为进一步提高研究准确性，还需要对在两相流体运动中物料颗粒的分布形态建立运动学方程并进行相关的试验验证。

［1］http：／／info.textile.hc360.com／2011／05／101005405085.shtml.

［2］毕新胜，王维新，吴传宇，等.采棉机水平摘锭的工作原理及力学分析［J］.石河子大学学报：自然科学版，2007，25（6）786－789.

［3］Wanjura D F，Brashears A D.Factors influencing cotton stripper performance［J］.Trans ASAE，1983，26：54－58.

［4］张宏文，康敏，傅秀清，等.胶棒滚筒棉花采摘头的设计与试验［J］.农业工程学报，2011，27（2）：109－113.

［5］叶伟.软摘锭采棉机气力输送系统设计与仿真［D］.石河子：石河子大学，2010：57－66.

［6］刘克毅.统收式采棉机风送系统设计及动力学模型研究［D］.石河子：石河子大学，2011：44－46.

［7］赵岩，王维新.FS4M－2R滚筒式软摘锭采棉机的设计［J］.新疆农机化，2008（5）：13－14.

［8］马娟，王维新，赵岩.滚筒式采棉机采摘头的设计与研究［J］.农机化研究，2010，32（2）：120－122.

［9］孔珑.两相流体力学 ［M］.北京：高等教育出版社，2004：107－109.

［10］王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［11］王娟，王春光，王芳.基于Fluent的9R－40型揉碎机三维流场数值模拟［J］.农业工程学报，2010，26（2）：165－169.

Experiment and Numerical Simulation on Three－dimensional Turbulence Air flow of the Brush－roll Stripper

MA Qingliang，WANG Weixin，LIU Keyi，YE Wei，QU Duanyang
（College of Machinery and Electricity Engineering，Shihezi University，Shihezi 832003，China）

According to the congestion problem of the materials in the transportation process caused by fluid in the Brush－roll Stripper，it is essential to study the movement law of fluid under different wind speed and roller rotary speed，which are the main influencing factors.In this essay，the three dimensional inner flow fields of 4MBR－2brush－roll stripper will be simulated with Fluent software.The simulated results show its properties under different wind speed and roller rotary speed of the flow fields.By comparing numerical simulation curves with experiment data，the outcome shows that the relative error of two sets of data is less than 7%，and the distributions of pressure and velocity of flow fields were obtained from the simulated results under the wind speed of 20m／s and 25m／s.By analyzing the simulated results of flow field，when the wind speed reach the 20m／s，a reversed flow is formed in the outlet，which could cause a block.Therefore，it is found more superior conveying wind speed range could save more time and labor costs.

brush－roll Stripper；flow fields；computer simulation

S225.911

A

1007－7383（2011）06－0762－05

2011－09－03

石河子大学研究生创新基金项目（YJCX2010－Y16）

马清亮（1987－），男，硕士生，专业方向为农业机械化工程；e－mail：maqingliang.2008＠163.com。

王维新（1958－），男，教授，从事农业机械化作业及机器系统研究；e－mail：wwx＿mac＠shzu.edu.cn。