导向式气力采摘系统流动特性研究

张全忠，热合买提江·依明，买买提明·艾尼，2，夏先伟

(1.新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐830047；2.乌鲁木齐佰博机电科技有限公司，新疆乌鲁木齐830011)

0 前言

气力输送系统是采棉机的重要功能部件，利用它可将采摘头采摘的棉花通过气力输送至集棉箱内。采棉机实际作业过程中，由于采摘头采摘效率偏低、棉花棉桃早熟较多、采摘头外围部件与棉株碰撞等因素会使得部分棉花落地，导致一定的经济损失。本文作者提出一种导向式气力采摘系统，是新型的采摘方式，通过在采摘头前方设计一种新型的吸棉机构吸附棉株上容易脱落的籽棉，以降低落地棉的损失率。

目前，国内外相关学者主要对采棉机输送系统中管道易塞、输送不畅采取相关措施，以解决落地棉较多问题。虽然从理论方面进行了优化，在一定程度上提高了采棉机作业效率，但未考虑到容易脱落的棉花，在采棉机工作中引起的相互碰撞易使得籽棉掉落。本文作者针对上述问题，综合考虑导致棉花落地的诸多因素，对采摘头导向器进行优化设计，提高采棉机采摘效率、减少落地棉。但是，导向器结构的设计需要有一定的理论基础，因此通过实际经验总结设计几种新型导向式气力采摘系统，再通过有限元方法对不同的结构模型进行气流场分析。

1 导向式气力采摘系统

导向式气力采摘系统由吸棉系统和输送系统组成。

1.1 输棉系统工作原理

负压式输送系统是采棉机的主要输送方式。负压式输送系统又称气流输送系统，利用气流能量，在密闭管道内沿气流方向输送颗粒状物料。气力输送系统具有设备简单、结构紧凑、操作方便、占地较小、安全可靠等优点。该导向式气力采摘系统由风机、输棉管道、分流器、吸棉装置、导向器等组成，在风机提供的负压吸力作用下将籽棉吸附到吸棉器内，通过输棉管道把棉花输送至集棉箱。

1.2 吸棉系统工作原理

采棉机采摘头前方设有一种扁管状的导向器，在实际作业过程中起到梳理棉株和拨拉棉杆等作用，但是导向器的存在会将成熟过早的棉花碰撞脱落在地。新型导向式气力采摘系统是在导向器表面增加几个吸风口，通过负压风力吸附容易脱落的棉花，再通过原始的输棉系统将吸附的棉花输送至集棉箱。新型导向式气力采摘系统由吸棉口、吸棉器及输送管道等关键部件组成。气力采棉装置结构如图1所示。

图1 气力采棉装置工作原理

2 导向式气力采摘装置建模

2.1 理论计算

设吸力采棉装置的吸口直径为,吸棉口速度为(m/s),吸棉口直径为,给定吸口速度为60 m/s，吸棉口数量为。

(1)

2.2 几何模型

根据棉花茎秆物理特性可知，吸棉装置的几何模型和结构尺寸对导向式气力采摘系统有很大影响,因此需要确定吸棉装置几何模型、结构尺寸和边界参数。导向式吸棉装置采用以下4种几何模型：

导向器总高度为1.2 m、最大宽度为0.4 m,将吸棉装置设置于导向器内，上端为吸口，其侧面设有吸棉口，如图2所示。

(1)结构1中选用圆形管道为几何模型，每组管道表面设有10个吸棉口，吸棉装置由2组圆形管道组合而成，共设有20个吸棉口，因输送风量在管道内逐渐损失，因此设计吸棉管道直径逐渐缩小来提高管道内的输送风力；

(2)结构2中根据导向器的形状，将吸棉装置设计为上端小下端大且向前端倾斜一定角度的几何模型，其吸棉装置表面设有16个吸棉口；

(3)结构3中选用正方体模型，前表面设有6个吸棉口，后表面连接吸棉管道，其吸棉装置由3组正方体模型组合而成，共设有18个吸棉口；

(4)结构4中选用圆柱体模型，前表面设有16个吸棉口，后表面连接吸棉管道。

图2 吸棉装置主要结构

通过公式(1)可得到不同气力采棉装置的边界参数，如表1所示。

表1 吸棉装置边界参数

3 计算方法和网格划分

3.1 计算方法

考虑到影响气力采摘系统性能的参数比较多，以采棉机导向式气力吸棉输送系统为例；吸棉口处的风速大于棉桃的悬浮速度，忽略风机到吸棉口的风量损 失。气体在输棉管道内流动时，认为流体在管道内是湍流流动。根据吸棉装置的特点，设吸棉装置内部流场为不可压、定常且等温流场，湍流采用-湍流模型，则在直角坐标下相应的控制方程和连续性方程由质量守恒定律推导而来，适用于可压缩和不可压缩流动,流场内的气体流动可用下述模型描述：

连续方程:

(2)

式中：为流体的密度；流体流速。

动量守恒方程：

(3)

-湍流方程：

(4)

3.2 网格划分

以结构1模型为例，按照不同结构几何参数建立吸棉装置结构三维模型，并把模型导入Fluent的前处理软件Gambit中进行网格划分。选用四面体单元以自动网格划分的方式对吸棉装置模型结构进行网格划分，生成网格总数约为25万、网格最大尺寸为5 mm。同时，检查网格质量为0.85，对质量较差的网格进行修改，从而保证计算的准确性。吸棉装置网格模型如图3所示。

图3 吸棉装置网格模型

4 结果与分析

4.1 导向式采棉装置流场分析

采用Fluent数据处理模块Streamline，分别模拟计算出吸棉装置模型内部流线、吸棉口速度和压力分布规律，如图4、图5所示。

图4 4种结构的速度流线分布云图

图5 4种结构的压力分布云图

由图4可知：不同结构的吸棉装置模型对内部速度影响较大，4种结构都采用负压吸送式，给定吸口速度为60 m/s。由图(a)可知：当速度取值为20～160 m/s时，管道内流线较为平滑，无湍流形成，但其管道内部流线颜色由绿色转变为蓝色，吸棉口速度由黄色逐渐变为绿色，说明该结构吸棉口速度分布在70～120 m/s之间，吸棉口最值差为50 m/s。由图(b)可知：当速度取值为20～88 m/s时，吸棉装置内流线流向清晰可见，无明显涡流形成，但其内部流线颜色由淡黄色转变为蓝色，吸棉口速度由淡红色转变为绿色，说明该结构吸棉口速度分布在50～88 m/s之间，吸棉口最值差为38 m/s。由图(c)可知：当速度取值为50～80 m/s时，吸棉装置内流线混乱，有许多湍流形成，其内部流线均为蓝色，吸棉口速度基本保持为绿色和淡绿色，说明该结构吸棉口速度分布在56～70 m/s之间，最值差为14 m/s。由图(d)可知：当速度取值为6～44 m/s时，吸棉装置内流线平滑，内部无明显湍流形成，但在吸棉口附近有少量涡流形成，这是因为吸棉口与内部流线相垂直，因此吸棉口流线因改变方向而形成少量涡流，内部流线颜色由红变为蓝色再转化为浅绿色或淡黄色，吸棉口速度基本呈现出橘黄色，说明该结构吸棉口速度分布在38～42 m/s之间，最值差为4 m/s。

由图5(a)可以看出：当压力取值为-12～-2 kPa时，管道内部颜色由淡蓝色变为深黄色，吸棉口处压力颜色变化明显，说明该结构内部压力变化较大，其速度变化较大。由图(b)可以看出：当压力取值为-6～-1.6 kPa时，吸棉装置内颜色变化大，吸棉口处压力颜色变化明显，说明该结构内部压力变化大，其速度变化大。由图(c)可以看出：当压力取值为-4～-1 kPa时，吸棉装置内部颜色变化小，吸棉口处压力颜色变化不明显，说明该结构内部压力变化小，内部速度变化小。由图(d)可以看出：当压力取值为-1.4～-1 kPa时，吸棉装置内颜色变化较小，吸棉口处压力颜色基本为黄色，说明该结构内部压力变化较小，其速度变化小。

4.2 导向式吸棉装置吸棉口速度分析

当吸口速度为60 m/s时，选用模型结构中16个吸棉口的速度和压力分别绘制出吸棉口平均速度和压力折线图,如图6、图7所示。

图6 吸棉口平均速度 图7 吸棉口平均压力

由图6可知：吸棉装置吸棉口速度随着结构模型的变化而改变，结构1吸棉口平均速度曲线变化率最大，吸棉装置吸棉口速度最值差为33 m/s；结构2吸棉口平均速度曲线变化率较大，吸棉装置吸棉口速度最值差为27.3 m/s;结构3吸棉口平均速度曲线变化率小，吸棉装置吸棉口速度最值差为4.7 m/s，但此结构需要3组模型组合,结构较为复杂;结构4吸棉口平均速度曲线变化率较小，吸棉装置吸棉口速度最值差为2.4 m/s，基本趋于一条直线。

由图7可知：结构1吸棉口平均压力曲线变化率最大，吸棉装置吸棉口压力最值差为4 726 Pa；结构2吸棉口平均压力曲线变化率较大，吸棉装置吸棉口压力最值差为2 290 Pa；结构3吸棉口平均压力曲线变化率小，吸棉装置吸棉口压力最值差为334 Pa；结构4吸棉口平均压力曲线变化率低，吸棉装置吸棉口压力最值差为127 Pa,内部压力场保持稳定。

综上所述，前3种吸棉结构内部流场参数变化不定，与理论计算相比，其结构内部压力产生突变，使得结构内流场不稳定，吸棉口平均速度变化较大，因此前3种结构不适合作为吸棉装置模型结构；由结构4分析结果看出，其内部流场基本平滑无涡流形成，与理论计算数值相比误差较低，同时能够满足气力吸棉工作需求。

5 总结

为提高采棉机工作效率，基于导向器的结构与采摘头工作原理，结合采摘条件，确定导向式气力吸棉输送装置优化模型。为实现气力吸棉装置最优吸输模型，对气力吸棉装置设计了相同结构参数下不同的结构模型，并进行了详细的理论分析、数值建模和仿真分析,得到以下结论：

(1)根据棉株物理特性,通过吸棉装置的理论计算和数值分析等方法，提出气力吸棉口吸附速度大于40 m/s，从而保障吸力输棉系统能够稳定吸附籽棉且吸棉装置内无堵塞；

(2)吸棉装置结构对吸棉口速度和内部流线影响较大，由模型分析结果可知吸棉口速度与理论计算速度相差较大，内部流速存在突变现象，使得吸棉装置内产生诸多湍流，影响输送效率；

(3)当吸棉装置为圆柱体模型时，吸棉口速度与理论相差较小，合理地分配了内部速度与压力场流线，它具有结构简单、操作方便、性能稳定、经济实用等优点。