行驶速度和环境风速对自走式秸秆制粒机扬尘扩散的影响

王国峰，任德志，金 钊，白雪卫，宫元娟

（沈阳农业大学工程学院，沈阳110161）

城市空气环境监测和研究数据表明，可吸入颗粒物（PM10）已成为我国城市大气污染的首要污染物，污染物主要来源之一为农业耕作扬尘[1]。可吸入颗粒物对人体健康危害极大，因此探究农业耕作扬尘形成过程，分析环境风速对扬尘影响已经成为亟待解决的问题[2-3]。自走式秸秆制粒机通过捡拾地面秸秆并粉碎，在风机的作用下，将尘土和秸秆混合在一起，形成空气、尘土与秸秆混合物，经风道排出形成扬尘现象，扬尘严重影响大气环境以及农民工作环境[4]。在农业领域针对扬尘问题研究相对较少，在矿山机械、环境工程、制粒机工程等研究领域，关于扬尘问题的相关理论及研究方法较多[5-7]。丛晓春等[8]对开放性粉尘展开研究，利用Particle Source in Cell算法，使用数值仿真技术，实现定量预测露天矿粉堆料对环境造成的污染程度；张子文等[9]探讨输煤皮带运煤期间扬尘运移扩散影响，运用双流体模型，采用数值仿真手段，分析粉尘浓度分布规律；张瑶等[10]采用Discrete Particle Model（DPM）模型研究机动车在行驶中可吸入颗粒物的分布特征，分析车速、环境风速对汽车扬尘浓度的影响。文献研究表明，车辆行驶速度和环境风速对扬尘的扩散有较大影响，对研究抑制车辆行驶的扬尘问题具有重要作用。数值方法是解决扬尘问题的有效手段，目前描述多相流动的计算方法主要有Euler 法、DPM法、DEM法以及耦合算法[11-16]。

为解决自走式秸秆制粒机行驶作业中的扬尘问题，本研究利用Euler混合多相流模型解决空气与灰尘颗粒的耦合流动，采用动态网格模型解决制粒机行驶过程中动态响应过程。研究制粒机行驶速度和环境风速对扬尘扩散的影响，分析在不同时刻和观测点的扬尘浓度分布和气流速度间的关系。探究行驶作业中的秸秆制粒机扬尘扩散特征，为进一步抑制扬尘研究提供前期基础。

1 模型与方法

1.1 物理模型

自走式秸秆制粒机秸秆捡拾粉碎输送装置如图1，该结构包含风道出口、粉碎装置、抛料板、风道、风道入口和螺旋输送装置。捡拾粉碎输送装置由拖拉机牵引形成一个自走式的制粒装置，装置在工作过程中，受粉碎、风机的风力吹送、环境风和制粒机运动等共同作用，形成作业扬尘，对农民工作环境及周围大气环境产生严重影响。

1.2 数学模型

本研究建立了基于欧拉方程的混合多相流模型，以求解空气与尘土颗粒间流动的相互作用；采用动态网格模型模拟制粒机与流体域间的动态运动，解决制粒机行驶过程中的动态响应问题[17-19]。混合多相流模型是一种简化的欧拉多相流模型，它假定在很短时间尺度内局部达到平衡，用于模拟各相具有不同速度的多相流动，典型应用就是沉降问题。混合模型包含混合相连续性方程、动量方程和第二相体积分数方程[20-25]。

图1 自走式秸秆制粒机捡拾粉碎装置示意图Figure 1 Schematic diagram about air duct of mobile straw briquetting machine

混合模型的连续方程为：

混合模型动量方程可以通过对所有相的动量方程求和来获得：

根据第二相p的连续方程，可以得到第二相p的体积分数方程：

在不同行驶速度和环境风速条件下，动态网格模型用来描述自走式秸秆制粒机与流体域的相对运动关系。计算域变化，会影响计算域内所有边界的移动，移动边界通过利用动态网格模型的网格重构控制方法，实现网格变形随时间的实时更新，控制体内的标量计算则通过包含网格运动的N-S方程进行动态求解，其控制体守恒方程为：

式中：φ为通用标量；Vs为控制体积（m3）；Ls为控制体积边界；vg为动网格边界运动速度（m·s-1），n为表面Ls的法向单位向量；Γ为扩散系数；Sφ为附加源项。

1.3 数值模型

为求解自走式秸秆制粒机扬尘扩散过程及扩散规律，对物理模型进行简化，建立等比例数值仿真分析模型，其中，计算域为3m(X)×10m(Y)×4m(Z)(分别对应X、Y、Z 轴)长方体。模型如图2，包括流体域顶面、后方出口、地面、风道入口、风道、前方进口、侧墙以及储料笼。在计算过程中，设置风道入口进风量与灰尘量；设置前方进口为环境风进口；顶面、后方出口和侧墙设为压力出口；在所有边界中设置后方出口为静止边界，其他边界为动边界，动边界网格会随储料笼运动进行网格实时更新。

简化后的数值模型采用混合网格进行划分，网格数量100万。为提高计算精度，保证计算准确性，在大多数区域采用六面体网格，并对储料笼结构进行网格局部加密处理，并对网格进行无关性验证。数值模型的网格如图3。

图2 简化后的数值模型Figure 2 Simplified numerical model

图3 数值模型的网格Figure 3 Mesh of numerical model

2 结果与分析

2.1 制粒机行驶过程中的扬尘扩散研究

制粒机在行驶过程中带动周围空气流动产生气流，形成气流拖曳力，对颗粒运动产生影响，进而影响到颗粒的运动分布规律，这种影响在高速运动制粒机中普遍存在。农业机械田间行驶速度为2.5～10km·h-1。本研究选取行驶速度为2.5，5，7.5，10km·h-1，研究在行驶过程中制粒机的扬尘扩散状况。选取行驶速度5km·h-1进行动态仿真分析，得到的扬尘颗粒动态扩散状况如图4。灰尘从风道入口进入，经过1s 后流入储料笼，2s 后灰尘颗粒通过储料笼空隙向空间扩散，形成灰尘扩散。随时间增加，制粒机前移，灰尘扩散影响加大。当制粒机行驶2.6s后，颗粒扩散分布基本不变，扩散基本稳定。这表明灰尘颗粒的扩散稳定时间较短，一旦自走式秸秆制粒机开始进行田间作业，灰尘迅速达到稳定的工作状态，对环境产生持续影响。灰尘颗粒通过储料笼缝隙向四周扩散，增大灰尘横向扩散程度。通过对灰尘浓度的观察发现，与风道水平的中心区域颗粒浓度高，而储料笼其它方向，颗粒浓度较低。

图4 制粒机行驶过程中灰尘颗粒的动态扩散Figure 4 Dynamic diffusion of dust particles during vehicle driving

应用自走式秸秆制粒机对辽宁省黑山县试验基地的成熟期辽单588 号玉米秸秆进行田间试验，作业速度5km·h-1，采用DTM-G2422 尘埃粒子浓度分析仪测量浓度，测量误差±2%，采用手持式激光测距仪记录测量点距车体距离，利用高清相机记录扬尘动态扩散过程。图5 为试验过程中4～6.1s 期间扬尘扩散情况。随着制粒机作业的开始，扬尘浓度迅速增加，扬尘的扩散范围也增大，几乎看不清车体。测量设备显示在距离制粒机4m处，其浓度显示为1.35kg·m-3。图4 和图5 分别是制粒机的动态工作过程的仿真和试验结果，工作过程略有差异，不过最终扬尘分布所呈现的情况大致相同。随着作业的开始，制粒机周围扬尘浓度明显增大，储料笼周边是浓度最为集中的区域，如要抑制扬尘扩散，首先需对储料笼周边结构进行改造，现有结构无法抑制扬尘的产生和扩散。

图5 试验过程Figure 5 Test procedure

选取行驶速度10km·h-1，计算域中心X-Y 截面的灰尘颗粒浓度分布（图6），受风道进口气流速度影响，灰尘颗粒在风道和整个中心截面上，呈抛物状分布，中心浓度高；随着灰尘颗粒从储料笼抛出，颗粒流动速度降低，受气流扰动作用，向四周扩散，随着距离的增加，扬尘扩散浓度逐渐降低。为比较不同行驶速度对灰尘扩散的影响，在图6 截面位置，选取5 个观测点，从右向左依次定义为probe1、probe2、probe3、probe4、probe5。5 个探测点连线与储料笼地面平行，每相邻两个探测点相距0.25m，probe1 距储料笼水平距离0.15m，5 个观测点水平距离覆盖了灰尘颗粒在水平方向上的浓度变化范围。利用5个观察点，分析当行驶速度为2.5，5，7.5，10km·h-1时，不同时刻观测点的灰尘浓度变化，经分析发现，观测点浓度随时间变化范围较小。图7选取5和10km·h-1两种行驶速度，分析各点灰尘颗粒浓度随时间的变化关系。

由图7可知，行驶速度5和10km·h-1的所有探测点曲线几乎重合，这说明两者浓度分布规律基本一致，如以储料笼为参照物，随时间变化，灰尘扩散范围不受制粒机行驶速度影响。在相同行驶速度下，制粒机在行驶到1.4s 时，观测点浓度开始增加，当制粒机行驶2.6s 后，观测点浓度分布趋于均匀，仅probe1 点浓度变化较大，其它观测点几乎不变。中心区域灰尘颗粒浓度可达32.6kg·m-3，probe5 的灰尘颗粒浓度为1.49kg·m-3，略高于空气密度，说明此处受灰尘影响，影响程度较小。

图6 制粒机行驶过程中灰尘的浓度分布图Figure 6 Distribution of dust concentration during vehicle driving

图7 观测点灰尘浓度随时间的变化关系Figure 7 Variation of dust concentration at observation point with time

为研究制粒机行驶速度对灰尘颗粒浓度的影响，在制粒机行驶中，对空间位置与灰尘颗粒浓度的关系进行研究。由图8可知，制粒机在相同时间内，由于行驶速度不同，行驶距离不同，导致灰尘在环境空间内运动位置不同，位置差别导致灰尘对环境的影响不同。当制粒机以5km·h-1行驶，行驶2.6s时，距离起点3.61m，行驶4s时，距离起点5.58m，这段时间间隔内制粒机行使距离和灰尘影响范围为1.97m；相同时间内，当制粒机以10km·h-1行驶，行驶2.6时，距离起点7.22m，行驶4s时，距离起点1.1m，这段时间间隔内制粒机行使距离和灰尘影响范围为3.88m。结果表明在相同时间间隔内制粒机行驶速度越大，灰尘对环境的影响范围越大。选取5km·h-1和10km·h-1两种行驶速度，分析5个观测点气流速度随时间的变化关系。由图9可知，制粒机在启动时，以10km·h-1行驶的制粒机观测点速度要高于以5km·h-1行驶的制粒机。当制粒机行驶稳定时（time=4s），以5km·h-1行驶制粒机观测点 probe1 气流速度为2.03m·s-1，probe5 气流速度为2.18m·s-1，probe1～probe5 间气流速度呈低-高-低变化，气流扰动分布范围恰好落在观测区域内。以10km·h-1行驶制粒机probe1 气流速度为0.91m·s-1，随观测点位置向左移动，气流速度逐渐增大，probe5 气流速度为3.21m·s-1，气流速度变化范围远大于观测范围。由此可知制粒机行驶速度增加，可增强流动区域气流扰动，提高空气诱导作用，进而影响灰尘颗粒浓度变化。通过对行驶速度的研究表明，制粒机行驶速度是导致扬尘扩散范围增大的重要因素。制粒机的行驶速度不会改变制粒机风道出口扬尘浓度，但是会影响出口气流的流动速度和出口气流的扰动程度，同时会增加制粒机的行驶距离，扩大扬尘浓度的扩散范围。为抑制扬尘发生及影响范围，在不影响设备作业的情况下，可通过减缓制粒机行驶速度，进而降低扬尘的扩散范围。

图8 观测点灰尘浓度随时间变化的空间位置关系Figure 8 Spatial position relationship of dust concentration at observation point

图9 气流速度随时间的变化关系Figure 9 Variation of air velocity with time

2.2 环境风速对扬尘扩散的影响

农业机械在田间作业过程中大多数暴露在大气环境中，环境风对行驶制粒机影响是制粒机动态行驶的重要研究方向之一。根据中国气象局于2001 年发布《台风业务和服务规定》，风力等级划分如表1。本研究选取环境风速为0，2.5，5，7.5，10 m·s-1共5 种环境风速进行数值分析，计算在不同风速下行驶制粒机灰尘浓度分布情况。

表1 风力等级Table 1 Wind rating

图10为制粒机行驶速度5km·h-1，行驶4s时，不同环境风速下计算域中心X-Y截面的灰尘颗粒浓度分布情况。静止风速与风速2.5m·s-1时，灰尘颗粒浓度分布基本相似。随着风速增加，气流影响开始显著，灰尘颗粒浓度分布的拖尾现象增加，当风速为5m·s-1时，灰尘浓度分布受制粒机行驶影响有前倾趋势，随风速进一步增大，浓度成斜直分布，速度越大，倾斜角度越大，分布距离越远，灰尘扩散距离越长，影响范围越大。

在图10中，选择距储料笼水平距离0.15m点，绘制浓度分布中心线，如各图所示储料笼出口处的线段，选取该线段上的位置信息和浓度分布数据，创建中心线位置与浓度分布关系（图11），分析风速对灰尘扩散的影响。由图11 可知，风速10m·s-1时，起始点最高浓度24.2kg·m-3，掉落地面最远距离3.67m；风速静止和轻风时，起始点最低浓度18.7kg·m-3，掉落地面距离1.14～1.23m之间。由图11中曲线分布规律和数据可得，随着环境风速增大，储料笼内灰尘颗粒成聚集状，灰尘颗粒浓度增加；流出储料笼后，由于环境风速影响，灰尘颗粒吹拂距离增大，扩散距离增长，灰尘对环境影响程度增大。

通过对环境风速的研究表明，环境风对扬尘扩散影响显著，随着风速的增大，储料笼出口相同位置的扬尘颗粒聚集数量增多，扬尘浓度升高；同时环境风速的增加，还会提高扬尘的扩散距离，对抑制扬尘的形成产生严重影响。因此为了抑制扬尘的产生和扩散，可尽量选择无风或风力较小的天气环境条件下进行作业。

3 讨论与结论

采用仿真分析方法对制粒机行驶过程中扬尘的研究已经成为一种主要的研究方法。陈曦等[26]采用动网格技术模拟自卸卡车在不同速度下的动态运动特征，研究表明气流扩散产生的剪切气流和诱导气流是灰尘颗粒飞扬的主要原因。陈慧敏等[27]利用数值方法分析了扬尘浓度分布和平均浓度随时间的变化趋势，得到了坦克动态行驶过程对扬尘浓度分布的影响规律。

图10 不同环境风速下的灰尘浓度分布Figure 10 Distribution of dust concentration under different ambient wind speed

图11 中心线位置与灰尘浓度的关系Figure 11 Relationship between the position of centerline and dust concentration

本研究通过仿真分析方法，对自走式制粒机作业过程中的扬尘开展研究，研究结果表明，自走式秸秆制粒机进行田间作业，灰尘会迅速对环境产生持续影响；灰尘颗粒在风道中心区域的浓度高于相同水平面的其他区域；灰尘颗粒通过储料笼缝隙向四周扩散，距离设备越远，颗粒浓度越低。在相同时间间隔内制粒机行驶速度越大，灰尘对环境的影响范围越大。当制粒机以5km·h-1行驶时，灰尘影响范围1.97m；当制粒机以10km·h-1行驶时，灰尘影响范围3.88m。行驶速度增加，可以增强流动区域气流扰动，提高空气的诱导作用，进而影响灰尘颗粒的浓度变化。当以储料笼为参照物，随时间变化，储料笼后方固定位置的灰尘浓度分布不受制粒机行驶速度影响，浓度随时间的变化规律基本一致。环境风速对灰尘扩散有较大影响，随环境风速等级增大，灰尘颗粒吹拂距离增大，在风速方向上扩散距离增长，灰尘对环境影响程度扩大。风速10m·s-1时，起始点最高浓度24.2kg·m-3，掉落地面最远距离3.67m；风速静止和轻风时，起始点最低浓度18.7kg·m-3，掉落地面距离1.14～1.23m之间。为抑制扬尘的形成和扩散，可在无风或风力较小的天气环境下，降低制粒机行驶速度进行作业。