场地膜秆分离装置送风方式改变下的流场模拟

刘梦霞 王春耀 罗建清

摘要：建立场地膜秆分离装置初始模型，采用ansys软件的“Fluent”模块对其腔体内流场压力分布、速度分布进行数值模拟。结果表明：当送风速度为14 m/s，水平送风，送风口中心与腔体中心距离为125 mm时，腔体流场的压力分布总体均匀，腔体内下落粗棉秆和细棉秆的范围相对较大，该工况下最合理，有利于地膜分离。

关键词：场地膜秆；分离装置；流场；送风

中图分类号： S225.91文献标志码：

文章编号：1002-1302（2016）08-0432-03

地膜在我国现代农业生产中起着举足轻重的作用，但是如不解决好废旧地膜回收问题，则会污染农田和生活环境，对我国农业可持续发展构成威胁[1-3]。废旧地膜中往往掺杂着粗棉秆、细棉秆等杂质，所以废旧地膜分离工作尤为重要，分离出的地膜可以回收再利用，从而有效节约资源，保护环境[4-7]。目前国内外有关场地膜秆分离装置的研究尚不完全。本研究采用流场数值模拟技术，对不同送风方式下场地膜秆分离装置进行仿真，对其内部流场的压力分布和速度分布进行研究，以期为场地膜秆分离装置设计提供依据。

1场地膜秆分离装置的工作原理

[JP3]从风机吹出的正压气流与从进料口下落的物料混合后一起进入腔体，在腔体负压的作用下进行输送，腔体内部逐渐由负压输送转化为正压输送，最终输送出物料。经实地测量，粗棉秆的悬浮速度为8～10 m/s，细棉秆的悬浮速度为6～8 m/s，地膜的悬浮速度为2 m/s，地膜与棉秆的悬浮速度相差较大，因此利用其较大的速度差，物料依次落下，最后分离出地膜。

2基本参数和控制方程

通过改变送风速度、送風角度、送风口位置，比较其流场内部的速度分布、压力分布，找到其最佳工作状态。

流体在管道内的流动为湍流流动[8-10]，定义管道内部的流场是不可压缩、定常等温流场，湍流流动采用k-ε模型[11-14]，在直角坐标下的各控制方程如下。

3.1边界条件

根据腔体特点，将送风口类型设为“velocity-inlet”，送风速度设为10 m/s，出口处类型设为“outflow”，进料口类型设为“velocity-inlet”，送风速度设为0 m/s。假设在平衡状态下送料，物料和送风气流混合后进入管道，管道的其他固定边界设为“wall”。

3.2网格划分

用UG软件对实体进行建模，然后使用适用性很好的Tgrid混合网格对模型进行网格划分，生成的网格数约为 52 340 个，网格划分结果如图1所示。

4结果与分析

4.1初始模型的模拟分析

[CM（24]采用ansys软件的“Fluent”模块对场地膜秆分离装置进[CM）]

[FK（W10][TPLMX1.tif][FK）]

行流场分析，经过实地测量得到相关尺寸参数：外形尺寸 6 000 mm×1 000 mm×1 300 mm，送风口尺寸600 mm×150 mm，进料口尺寸400 mm×200 mm。

经过“Fluent”模块模拟分析装置内的流场，可以得到流场在整个腔体内的压力分布（图2）和速度分布（图3）。

由图2可见，流体在腔体前1/3处的压力为负值，即负压区；从腔体1/3位置往后，压力为正值，即正压区。说明管道内部是从负压输送到正压，在腔体长度X>4 000 mm 范围内，压力基本保持不变。由图3可见，流场在腔体内的速度从前往后逐渐减小，且腔体前半部分速度分布不均匀，各点速度分散，不够密集，腔体后半部分速度分布较均匀，在X>4 000 mm 范围内，速度基本保持在2 m/s以下。也就是说，初始模型不太合理，不能有效利用腔体空间。

4.2送风速度改变的模拟分析

在腔体中心线上每隔100 mm选1个点，共選出60个点，计算每个点所在面的压力和速度平均值，绘制成曲线。将送风速度分别提高为12、14、16 m/s，比较送风速度改变对流场压力分布和速度的影响。

由图4可见，当送风速度提高到12 m/s时，负压值变大，但是负压区范围减小，气体进入正压区后，压力大于初始模型的压力，变化较平稳；当送风速度提高到14 m/s时，负压区范围明显扩大，且负压值大于其他工况的负压值；当送风速度提高到16 m/s时，负压区范围扩大，且负压值增大，但是其增加范围和幅度小于送风速度为14 m/s的工况。

由图5可见，当送风速度提高到12 m/s时，在送风速度v≥6 m/s的范围内，流场速度大于初始模型速度；在v≤6 m/s 的范围内，流场速度小于初始模型速度，且v≥6 m/s的范围和2 m/s≤v≤6 m/s的范围都比初始模型小，没有达到优化目的；当送风速度提高到14 m/s时，只有在 1 900 mm≤X≤2 500 mm范围内，流场速度小于初始模型速度（v≤2 m/s忽略不计），有利于棉秆下落，且v≥6 m/s 的范围和2 m/s≤v≤6 m/s 的范围都比初始模型大，达到了优化目的；当送风速度提高到16 m/s时，v≥6 m/s的范围和 2 m/s≤v≤6 m/s的范围明显比初始模型大，但是流场速度在腔体前1/3处波动十分剧烈，不利于棉秆分离。即随着送风速度加快，v≥6 m/s 的范围和2 m/s≤v≤6 m/s 的范围与初始模型相比流场速度增大（送风速度12 m/s情况下例外）。

[FK（W10][TPLMX5.tif][FK）]

综合考虑送风速度加快对腔体内流场压力、速度的影响，可知当送风速度提高到14 m/s时，负压区范围明显增大，且负压值大于其他工况的负压值，有利于物料进入，v≥6 m/s的范围和2 m/s≤v≤6 m/s的范围都比初始模型大，达到了优化目的。

4.3送风角度改变的模拟分析

初始模型的送風角度为0，即水平送风。改变送风角度，将送风角度向上偏5°和向下偏5°，取点方法与前面相同，计算每個点所在面的压力及速度平均值，绘制成曲线，比较改变送风角度对流场压力分布和速度分布的影响。

由图6可见，当送风角度向上偏移5°时，负压区范围明显增大，约占整个腔体的72%，且负压值相较于其他2种工况变大；正压区范围相对很小，约占整个腔体的28%。当送风角度向下偏移5°时，负压区范围减小，且负压值小于初始模型的负压值；进入正压区后，压力大于初始模型的压力。即送风角度上偏，负压区范围明显增大，负压值变大，正压区范围缩小，正压值变小；送风角度下偏，负压区范围减小，负压值变大，正压区范围增大，正压值变大。

由图7可见，当送风角度向上偏移5°时，流场速度基本上不高于6 m/s，即分离不出粗棉秆；2 m/s≤v≤6 m/s的范围在腔体前端13%处，腔体剩余部分v≤2 m/s，没有充分利用腔体，这种工况不合理；当送风角度向下偏移5°时，v≥6 m/s 的范围明显减小，且只有在腔体长度X≤800 mm范围内，流场速度大于初始模型速度，其他范围流场速度小于初始模型的流场速度，2 m/s≤v≤6 m/s的范围也减小，整体情况不如水平送风的工况好。

综上，随着送风角度增加，流场速度减小，且送风角度向上偏的流场速度小于送风角度向下偏的流场速度，水平送风为最合理工况。

4.4送风口位置改变的模拟分析

按照上述方法取点，计算每个点所在面的压力和速度平均值，绘制成曲线，比较改变送风口位置对流场压力分布和速度分布的影响。初始模型送风口中心距离腔体中心275 mm，改变送风口中心与腔体中心的距离分别为200、125、50、0 mm（即送风口在腔体中心位置）。

由图8可见，当送风口中心与腔体中心距离为200 mm时，负压区范围较其他工况更大，进入正压区后，1 900 mm≤X≤2 500 mm范围内，压力小于初始模型压力，在X≥2 500 mm 范围内，压力值大于初始模型压力。当送风口中心与腔体中心距离为125 mm时，负压区范围较初始模型增大，且负压区压力值大于初始模型压力值，有利于物料进入腔体，进入正压区后，1 900 mm≤X≤2 800 mm范围内，压力值小于初始模型压力值，在X≥2 800 mm范围内，压力值大于初始模型压力。当送风口中心与腔体中心距离为50 mm时，负压值范围基本保持不变，但是负压值明显增大，且波动性大，很不稳定，进入正压区后，压力值与初始模型压力值相差不大。当送风口中心与腔体中心距离为0 mm时，负压区范围明显减小，且负压值小于初始模型负压值，不利于物料进入，进入正压区后，压力大于初始模型压力。即送风口位置越往下，负压区范围偏小。

由图9可见，当送风口中心与腔体中心距离为200 mm时，在X≤1 300 mm范围内，流场速度明显加快，即靠近腔体前端，流场速度明显加快，v≥6 m/s的范围稍减小，2 m/s≤v≤6 m/s的范围基本与初始模型一致。当送风口中心与腔体中心距离为125 mm时，v≥6 m/s的范围基本与初始模型一致，2 m/s≤v≤6 m/s的范围较其他工况更大，有利于分离出细棉秆，v≤2 m/s的范围较小，提高了腔体利用率。当送风口中心与腔体中心距离为50 mm时，流场内速度明显降低，几乎没有v≥6 m/s的范围，达不到分离棉秆的目的。送风口中心与腔体中心距离为0 mm时，流场内速度相较于其他工况更低，没有v≥6 m/s的范围，达不到分离棉秆的目的。即送风口位置靠上，v≥6 m/s的范围偏大。

综上，当送风口中心与腔体中心距离为125 mm时，负压区范围较初始模型增大，且负压区压力值大于初始模型压力值，有利于物料进入腔体，在大部分正压区范围内，压力值大于初始模型压力，有利于物料输送，且2 m/s≤v≤6 m/s的范围较其他工况更大，有利于分离出细棉秆，v≤2 m/s的范围较小，提高了腔体利用效率。

5结论

随着送风速度加快，v≥6 m/s的范围和2 m/s≤v≤6 m/s 的范围流场速度与初始模型相比增大（送风速度 12 m/s 情况下例外）；当送风速度提高到14 m/s时，负压区范围明显增大，且负压值大于其他工况的负压值，有利于物料进入，v≥6 m/s 的范围和2 m/s≤v≤6 m/s的范围流场速度与初始模型相比都比初始模型大。

送风角度上偏，负压区范围明显增大，负压值变大，正压区范围缩小，正压值变小；送风角度下偏，负压区范围减小，负压值变大，正压区范围增大，正压值变大；随着送风角度增加，流场速度减小，且送风角度向上偏的流场速度小于送风角度向下偏的流场速度，水平送风为最合理工况。

送风口位置越往下，负压区范围越小，送风口位置靠上，v≥6 m/s 的范围偏大。当送风口中心与腔体中心距离为 125 mm 时，负压区范围较初始模型增大，且在负压区压力值大于初始模型压力值，大部分正压区压力值大于初始模型压力，有利于物料输送，且2 m/s≤v≤6 m/s的范围流场速度较其他工况更大，有利于分离出细棉秆，v≤2 m/s的范围流场速度较小，提高了腔体利用效率。

参考文献：

[1]李建强. 流体力学在工程建设中的应用[J]. 华东交通大学学报，2001，18（3）：66-67.

〖FQ（162。54，ZX，DY-W〗[KH4D]

[2]李自仁. 乌苏市实施废旧地膜回收与利用技术的主要经验与做法[J]. 农业机械，2012，32（11）：55-56.

[3]韩长军. 实施废旧地膜回收保障农业生态环境[J]. 吉林农业，2014（15）：2-3.

[4]周明冬，秦晓辉，候洪，等. 新疆农田废旧地膜污染治理现状及建议[J]. 环境与可持续发展，2014，39（5）：171-174.

[5]Wong M H，Chui V W. Toxicity tests of soil contaminated by recycling of scrap plastics[J]. Biomedical and Environmental Sciences，1990，3（1）：81-89.

[6]Cui T，Song K L，Zhang S B. Research on utilizing recycled plastic to make environment-friendly plywood[J]. Forestry Studies in China，2010，12（4）：218-222.

[7][JP3]Khan W S，Asmatulu R，Davuluri S，et al. Improving the economic values of the recycled plastics using nanotechnology associated studies[J]. Journal of Materials Science & Technology，2014，30（9）：854-859.

[8]王学坚，许岩韦. 基于Fluent的省煤器输灰管弯头流场数值模拟[J]. 能源工程，2012，1（1）：48-50.

[9]包福兵，林建忠，吴法理，等. 粉煤灰管道气力输送特性的研究[J]. 流体机械，2005，33（7）：15-19，59.[ZK）]

[10]张鹏. 颗粒物料气力输送流体动力特性与控制的仿真研究[D]. 合肥：合肥工业大学，2003.

[11]马清亮，王维新，刘克毅，等. 软摘锭采棉机采摘头三维流场的数值模拟及试验研究[J]. 石河子大学学报：自然科学版，2011，29（6）：762-766.

[12]韩彦杰. 固体热载体气力输送的数值模拟[D]. 昆明：昆明理工大学，2011.

[13]夏鵬. 炭黑气力输送气固两相流的模拟分析與实验研究[D]. 青岛：青岛科技大学，2011.

[14]匡世波. 基于离散单元法气力输送的数值模拟研究[D]. 沈阳：东北大学，2009.

[15]田虎楠. 梳齿式采棉机气力输棉系统的研究[D]. 乌鲁木齐：新疆大学，2012.