基于有限元方法的采棉机集棉筒气流场分析与优化

吾尔科木·冉合木，古丽巴哈尔·托乎提，买买提明·艾尼，热依汗古丽·木沙

（1.新疆大学机械工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047；2.塔城地区市场监管局特种设备检验检测所，新疆 塔城 834700）

1 引言

气力输送系统是采棉机主要的棉花输送方式[1]，实际运行过程中，采棉头将部分棉枝、棉桃和棉叶等同时采收，籽棉与棉枝、棉桃、棉叶、土尘等硬颗粒含杂物在气流的推动下混合形成气-柔-刚多体多相混合颗粒群[2-3]，该颗粒群具有结构不规则、密度不同、体积易变、易缠绕等特性，这种被送物体所需的气力大于棉花所需的实际悬浮速度，从而导致采棉机在实际作业过程中容易引起集棉筒内部堵塞问题。

采棉机气力输送系统的设计，需要保证气力输送管道内部气流速度大于多相混合颗粒群所需临界速度，从而避免输棉管道和集棉筒内部堵塞问题。

由于从理论方面提出多体混合物输送临界值难度大[4]，因此过去经常以加大风机风量和减少含杂率的方法去解决集棉筒堵塞问题[5]，实践证明，加大风机风量会引起集棉筒内部出现湍流和提高含杂率的现象，不能够确切地解决集棉筒内部堵塞问题。

近些年来，许多研究者关于不同的采棉机气力输送装置进行研究，文献[6-8]对统收式采棉机气力输送系统内部流场动力学研究，根据物料物理特性确定风速风压，同时在输送管道内设计一种除杂装置。

文献[9]将各种不同类型的物料输送系统进行比较，对梳齿式采棉机输送管道内部出现涡流现象进行优化与改进；文献[10-12]对垂直摘锭式采棉机风机内部流场和输送管道弯曲程度与输送风量的关系进行研究。

这里以改变集棉筒结构尺寸和边界条件为研究手段，通过Fluent软件对不同结构参数和边界条件的集棉筒内部气流场进行仿真分析，提出解决集棉筒堵塞问题的新方法和技术参数，为籽棉气力输送系统的优化设计提供参考。

2 气力输棉系统工作原理

2.1 采摘头工作原理

垂直摘锭式采棉机由三组采摘头组成，每一组采摘头分为左右采摘器，采摘器由两组采摘滚筒、三组脱棉刷、动力系统、机架、引导板、输送管道等关键部件组成，采摘滚筒将棉花采摘下来，并将其输送到脱面刷工作空间，脱棉刷与滚筒相互转动，将棉花送入输送管道集棉筒，再通过输送系统将棉花输送到集棉箱内部，采摘头结构，如图1所示。

图1 某采棉机采摘头工作原理图Fig.1 Working Schematic Diagram of Cotton Picking Head of a Cotton Picker

2.2 输棉系统工作原理

吸送式输棉系统是采棉机主要的棉花输送方式，是利用气流能量，在密闭管道内沿气流方向输送颗粒状物料[13-14]。

本采棉机输棉系统由风机、输送管道、集棉筒等基本部件组成，在负压风机吸附力的作用下将采摘的棉花吸附到集棉筒，并通过输送管道输送到集棉箱内，输棉系统结构，如图2所示。

图2 输送系统工作原理Fig.2 Working Principle of Cotton Conveying System

3 集棉筒数值建模及方法

3.1 集棉筒结构主参数及网格划分

输棉系统集棉筒是一种管状结构，总高度0.81m，横截面由半圆与矩形组合而成，半圆半径R为0.12m，矩形宽度0.08m，出口尺寸与管状横截面一致，入口是矩形结构，高度L为0.64m，宽度0.06m，处于长度方向采摘系统置外侧，集棉筒结构主要尺寸、出入口与视图方向，如图3所示。

图3 集棉筒主要结构参数及气流出入口Fig.3 Parameters of Cotton Collector and Airflow Outlet and Inlet

为分析集棉筒结构尺寸对其内部流场的影响，以集棉筒入口几何尺寸设为设计变量，改变籽棉吸入口高度（入口1的长度L）建立了四种不同的结构，在保证集棉筒入口宽度B不变的情况下，改变籽棉吸入口几何高度L，其结构主要几何参数，如表2所示。

表1 不同结构主参数Tab.1 Main Parameters of Structural Optimization

表2 连接口速度数据Tab.2 Connection Port Speed Data

按照优化结构几何参数建立了集棉筒结构三维模型，并选用四面体单元以自动网格划分的方式对集棉筒结构进行了划分网格，其中最大网格尺寸为5mm。网格划分结果，如图4所示。

图4 不同籽棉吸入口高度的集棉筒网格模型Fig.4 Mesh of Cotton Collector with Different Cotton Suction Port Height

3.2 基本假设和边界条件

假定气力风机转速恒定，管道内流动定常，集棉筒内部的物料受重力、入口压力和出口压力的影响。为了数值分析模型与实际集棉筒边界条件吻合，其入口速度与脱棉刷风速测定值为准，取值为8m/s；出口速度为负压输送管道与集棉筒连接处的速度值，测试风机最高转速下连接口速度，如表3所示。

可知风机转速最大值1395r/min时，连接口速度为41.8m/s，考虑实际试验环境，选取风机流量安全因数0.95[13]，则连接口速度确定为40m/s；集棉筒内部气流流速最小值大于混合籽棉团12m/s[15-16]。

4 计算结果与分析

4.1 集棉筒速度场分析

集棉筒入口位于采摘器外侧方向，其内部流场不对称，为了便于观察不同方向流场分布，图4视图a、b、c、d、e方向，采用Fluent数据处理Streamline模块，设置籽棉物理参数，调整速度场衰减系数显示速度场流动方向，并提取速度云图，分析不同集棉筒结构内部流场变化规律。各结构速度云图及颗粒流动状况，如图5所示。

图5 四种结构的速度流线分布云图Fig.5 Velocity Distribution Field Nephogram of 4 Types

如图5所示，集棉筒入口尺寸的变化对内部速度场的影响不是很大，四种结构背着进口方向的底部拐角处流体速度都低于混合籽棉团的悬浮速度值，在集棉筒底部容易产生堵塞现象；随着进口高度的降低，集棉筒内部流体速度值局部变小，在b端面局部拐角处产生湍流，湍流强度随着入口高端的增大局部减弱，在入口上部区域湍流基本消失；由于集棉筒结构不对称，入口位置处于一侧，结构存在突变从而容易导致湍流现象。

集棉筒内部流通速度场参数不稳定，结构突变处产生湍流，高度方向流体速度值变化率大等问题导致集棉筒内部产生棉花逆行、回旋或棉花落地、堆积、堵塞等问题的主要影响因素。

为解决以上问题，在集棉筒结构1模型的基础上，在底部设计如图3（e）的正向上方的速度入口，并设置底部速度入口大小为0m/s（自由入口）、15m/s、20 m/s，并进行了数值模拟，提取了集棉筒内部速度场和压力场，不同入口速度下集棉筒管道内部速度场云图，如图6所示。

图6 不同入口速度和边界条件下集棉筒内部速度流线分布云图Fig.6 Velocity Distribution Field Nephogram of Cotton Collector Inside with Different Inlet Velocity and Boundary Condition

如图6所示，集棉筒底部设置速度入口能够避免湍流现象，底部入口速度可以加强内部速度场稳定性。

其中底部封闭状态和自由入口状态下同样存在底部速度偏低、有湍流和速度场不稳定等现象；底部速度入口为15m/s情况下，湍流现象基本消失，流体速度从底部向上逐渐变大，集棉筒基本符合集棉筒输送棉花的技术要求；底部速度入口为20m/s情况下，无湍流现象，流体速度方向基本上符合集棉筒输棉方向，同时处处满足大于混合籽棉悬浮速度的工作需求。

分析图7可知，集棉筒管道内部流体速度随着高度的增加线性增大，在底部封闭和自由入口条件下的速度变化率较大，底部速度恒等于零，在高度200mm以下处处速度都小于混合籽棉团悬浮速度（12m/s），速度变化率大导致集棉筒管道内部流场处于不稳定状态，因此这两种状态不能够完成正常输棉工作；在集棉筒底部施加于一定的入口速度18m/s，发现集棉筒管道内部流速都大于混合籽棉团悬浮速度，速度变化率相对较小，能够实现稳定状态；

图7 籽棉吸入口高度与几何中心速度关系Fig.7 Relationship Between Cotton Height and Geometric Center Velocity

在入口速度36m/s的条件下，集棉筒管道内部速度大幅度增大，入口速度随着集棉筒管道内部的动量增大，这种状态下虽然流速都大于籽棉悬浮速度，但是底部悬浮速度过高会引起强制吸入土尘和棉花秸秆等问题，同时会增大湍流动能、湍流强度、湍流耗散率等，所以底部进口速度的选取不易过大，建议在（12～18）m/s范围内比较合理。

4.2 集棉筒内压力场分析

管道内速度场反映流体运动的速度，对控制域内部流体进行流场分析，压力差也具有决定性意义，管道内压力反映被输送物料所受的外力大小，在吸送式籽棉输送系统中压力值为负压，负压值越大物体所受到外力越大。

根据几何中心速度值用标点提取的方法，同样提取集棉筒横截面几何中心高度方向分布的压力值，在不同边界条件下，集棉筒内部高度方向压力分布，如图8所示。

图8 籽棉吸入口高度与几何中心压力关系Fig.8 Relationship Between Cotton Height and Geometric Center Pressure

由压力分布图8可知，随着高度的增大，管道内负压值相应的增大，并且在底部速度入口为零的情况下压力值变化是一种抛物形式，其入口速度越低压力值变化率越快，且底部施加速度入口降低了管道内部负压值，这是因为底部速度入口处于正压、出口处于负压状态。在吸送式和压送式综合输送状态下，负压与正压以线性叠加导致负压值降低。若集棉筒内部流速偏大并保持恒定状态，则集棉筒侧向入口压力值偏低，将导致集棉筒不能较好的收集籽棉，从而可确定集棉筒底部速度入口速度不需要太大，能够满足内部速度值大于混合籽棉团悬浮速度即可。

4.3 数值计算与风洞试验误差对比

理论速度是在简化物理模型的基础上所得的结果，其与实际速度值有一定的误差，为了确保理论计算数据可靠性，制作了集棉筒实体模型，同时搭建了集棉筒可控性风速风压气力试验平台，测试平台结构及原理，如图9所示。

图9 集棉筒速度场测试试验台Fig.9 Test Bench for Speed Field of Cotton Collector

测试平台风机流量4700m3/h，全压13.2Pa，转速可用CFC610变频器调节（0～2900）r/min范围，输送管道长度1m和7m（底部正压管道）；集棉筒最大出口速度为42m/s，底部入口速度通过调节7m长管道的缠绕率，可调范围为（15～38）m/s；风速计安装在三脚架上，三脚架高度调节范围（0～650）mm。

通过调节集棉筒出入口速度值，高度方向每50mm为测量单位，管道横截面几何中心为测试点，测试进口高度650mm处的13组数据。

由于条件限制，本试验测试选用底部入口在自由速度入口和36m/s的两种情况，再以定点理论计算方法，在集棉筒模拟数据中提取与试验测试相应测试点相同位置的速度值，试验值与理论计算值对比图，如图10所示。

数值分析和实测数据结果都表明，集棉筒管道内部流体速度随着高度的增加线性增大，在底部自由入口条件下的速度变化率较大，底边速度恒等于零，随着高度的增大速度值相应的增大，在高度（0～200）mm处速度都小于混合籽棉团悬浮速度12m/s，因此这两种状态不能够完成正常输棉工作；从集棉筒底部施加36m/s的入口速度结果可看出集棉筒底部流速都增大，大于混合籽棉团悬浮速度。同时由实验结果得知，理论计算结果与试验值基本吻合，底部自由入口试验数据相对误差为1.2%，底部入口速度为36m/s试验数据相对误差为1.5%，考虑测速仪误差值、试验平台尺寸精度及边界条件等偏差，这些误差值是可以忽略不计，即确定理论计算结果基本吻合实测结果，以上集棉筒的数值建模方法可行和数值计算结果可靠。

5 总结

（1）集棉筒内部速度场和压力场分布的不均匀，集棉筒底部风速小于混合籽棉团悬浮速度，集棉筒内部存在旋涡等问题是导致集棉筒堵塞的主要因素。

（2）集棉筒背着进口方向的底部拐角处风速都很小，低于混合籽棉团的漂浮速度值12m/s，集棉筒结构不对称，入口与出口方向在结构上存在突变，容易产生湍流现象，因此改变集棉筒入口尺寸，对内部速度场运动机理影响不是很大。

（3）将吸送式输棉系统转换为吸压组合输送系统，能够保证集棉筒内籽棉的场通输送。

具体条件是，在集棉筒底部入口2处施加速度大于混合籽棉团悬浮速度值12m/s 的速度入口，建议佘施加风速大小在（12～18）m/s范围，这样可保证集棉筒内部流速大于混合籽棉团悬浮速度，同时能够消除集棉筒内部旋涡现象，进一步解决集棉筒堵塞问题。