商晓彬，陈 智，宋 涛，常佳丽，仇 义，陈利杰

(内蒙古农业大学 机电工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018)

土壤风蚀集沙仪数值模拟与降速性能分析

商晓彬，陈 智，宋 涛，常佳丽，仇 义，陈利杰

(内蒙古农业大学 机电工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018)

土壤风蚀；分流对冲式集沙仪；有限元分析；优化设计

集沙仪是研究土壤风蚀的一种重要装置，是观测风沙流结构和研究风沙运动规律的关键设备。为获得大量而精确的风蚀数据，需要不断地对集沙仪进行创新和优化设计。通过GAMBIT软件建模，以排气口最高风速、平均风速和排沙口最高风速、平均风速为目标函数，优化设计了排气管长度参数、排气管直径参数、排沙口距离参数、排沙口直径参数等，利用FLUENT软件对分流对冲式集沙仪进行仿真模拟，基于RNGk-ε湍流模型对分流对冲式集沙仪进行数值分析，得到结论：排气口最高风速受排气管长度影响很大，平均风速基本不受排气管长度影响；排气口最高风速、平均风速基本不受排沙口直径影响；排沙口最高风速与排沙口直径有关，随排沙口直径的增大逐渐降低，当排沙口直径增大到一定值时，排沙口最高风速不再下降，在某个值附近波动。

土壤风蚀是土壤在风力作用下剥蚀、分选、搬运的过程，不仅可以引起土壤质地变粗、结构变坏、肥力下降，而且会导致沙尘暴、扬沙等灾害，污染空气和水质[1]。在土壤风蚀治理研究中，认识并掌握土壤风蚀颗粒的运动规律，及时制定和采取有效的防治措施，对于提高土壤抗风蚀能力、有效控制土壤风蚀至关重要。土壤风蚀集沙仪能够采集风蚀过程中随风搬运的沙尘颗粒，可以观测单宽输沙率、总输沙率[2]与风速之间的关系，是观测风沙流结构和研究风沙移动规律的必备仪器,其结构的差异对于输沙率的测定和风沙流结构的研究有很大的影响[3]。因此，在宋涛等[4]设计的分流对冲式集沙仪基础上，利用FLUENT软件平台，对不同结构参数集沙仪进行数值模拟，分析风沙分离器内部气流运动规律，以排气口最高风速、平均风速和排沙口最高风速、平均风速为目标函数，对集沙仪风沙分离器排气管直径、排气管长度、排沙口直径、排沙口距离等参数进行优化设计，以期改良集沙仪设计，使风蚀量测量结果更加准确。

1 分流对冲式集沙仪数理模型

1.1 分流对冲式集沙仪工作原理

当气流作用于分流对冲式集沙仪的风向标时，进气口便正对风沙分离器，在风沙分离器分流对冲影响下，气流速度大幅度降低，当气流速度低于沙尘悬浮速度时，风沙开始分离，气体从排气口排出，沙尘则落入集沙盒。可见，风沙分离器是该集沙仪的关键部件，起到快速分离风沙的作用。

风沙分离器是基于分流对冲原理设计而成的，它是在进气管末端设计一个分流结构，迫使气流分流与对冲，以实现气流速度的大幅度降低，其结构模型如图1所示。风沙分离器分流对冲原理为气流于图2的A处在楔形体的作用下分成两股气流，这两股气流在分流结构外表面和风沙分离器内表面之间形成边界层内外流动，在B处附近发生对冲和涡旋[5]，相互对抗，从而实现气流速度的大幅度降低。

图1 分流对冲式集沙仪三维结构示意

1—进气管；2—楔形体；3—圆柱体；4—外壳

1.2 数值计算模型

RNGk-ε湍流模型对于中等以下的复杂流动，比如分离流、二次流、旋流等流动问题，精度较高[6]。在风沙分离器内部，受气流绕流和锥形壁面的回流影响，在分离腔和回流腔内出现大量的涡旋，并在整个流场内占据一定比例，故选用RNGk-ε湍流模型较为适合。

1.3 FLUENT软件边界类型选择

选择设置边界可以明确几何模型中那些代表模型边界的拓扑结构实体的物理特性和操作特性，选择合适的边界类型与适用场合。考虑到集沙仪工况为自由流风场，因此在进气口选择自由流速度入口类型的时候应该选择VELOCITY_INLET；集沙盒下面放置称量传感器，这就会使风沙分离器排沙口与集沙盒之间存在间隙，因此风沙分离器存在2个自由流出口(排沙口和排气口)，在选择自由流出口的边界类型时应选择OUTFLOW。风沙分离器中2个计算域之间的数据流通一般是通过排气管下端口传递，因此将排气管下端口选择公用交界面类型INTERFACE，其余边界默认WALL类型。设置进气口速度为13.8 m/s(强风条件)，水力直径为0.09 m，湍流强度为5%，然后对气流流通交界面(INTERFACE面)进行配对。

2 优化设计与数值模拟

2.1 设计方案

现用分流对冲式集沙仪排气管长度(H1)为30 mm、排气管直径(D1)为30 mm、排沙口距离(H2)为15 mm、排沙口直径(D2)为45 mm，结构示意如图3所示。

图3 分流对冲式集沙仪二维结构示意

对风沙分离器排气管长度、排气管直径、排沙口距离、排沙口直径等参数进行数值模拟。排气管长度分别取25、35、45 mm，排气管直径分别取5、15、25、30、35、45 mm，排沙口距离分别取5、15、25、35 mm，排沙口直径分别取20、35、50、65、75 mm。对这4个结构参数进行组合，利用GAMBIT软件建模，导入FLUENT环境进行模拟，观察不同组合参数下排气口和排沙口的最低风速，通过比较360个不同结构参数模拟后的结果，研究分流对冲式集沙仪内部气流的降速规律，得到一个最优的结构参数，从而降低排气口和排沙口的轴向速度，达到提高风沙分离效率的目的。

2.2 结果与分析

从360个仿真结果中选取了具有代表性的几组图进行对比，揭示风沙分离器内部气流的降速规律。

保持H1=45 mm、H2=25 mm、D2=20 mm不变，改变D1。从图4可以看出：D1=5 mm时，排气口最高风速、平均风速分别为41.401、36.695 m/s；D1=15 mm时，分别为4.969、3.766 m/s；D1=25 mm时，分别为2.905、1.292 m/s；D1=30 mm时，分别为2.909、1.040 m/s；D1=35 mm时，分别为2.855、0.969 m/s；D1=45mm时，分别为2.943、0.685 m/s。对比可以看出：排气口最高风速、平均风速受排气管直径影响很大；随着排气管直径逐渐增大，排气口风速逐渐降低；当排气管直径增大到25 mm时，排气口风速不再降低，最高风速在2.90 m/s附近波动。

图4 分流对冲式集沙仪排气口风速随排气管直径变化

保持D1=35 mm、H2=25 mm、D2=20 mm不变，只改变H1。从图5可以看出：H1=25 mm时，排气口最高风速、平均风速分别为1.450、1.044 m/s；H1=35 mm时，分别为2.180、0.806 m/s；H1=45 mm时，分别为2.850、0.969 m/s。对比可以看出，排气口最高风速受到排气管长度影响很大，而平均风速受到的影响不大。

图5 分流对冲式集沙仪排气口风速随排气管长度变化

保持H1=25 mm、D1=25 mm、H2=25 mm不变，只改变D2。D2=20 mm时，排气口最高风速、平均风速分别为2.131、1.517 m/s；D2=35 mm时，分别为2.130、1.517 m/s；D2=50 mm时，分别为2.130、1.519 m/s；D2=65 mm时，分别为2.130、1.518 m/s；D2=75 mm时，分别为2.130、1.514 m/s。对比可以看出，排气口最高风速、平均风速基本不受排沙口直径影响。

保持H1=35 mm、D1=25 mm、D2=75 mm不变，只改变H2。H2=5 mm时，排气口最高风速、平均风速分别为2.910、1.320 m/s；H2=15 mm时，分别为2.910、1.322 m/s；H2=25 mm时，分别为2.900、1.321 m/s；H2=35 mm时，分别为2.900、1.321 m/s。对比可以看出,排气口最高风速、平均风速基本不受排沙口距离的影响。

保持H1=35 mm、D2=35 mm、H2=25 mm不变，只改变D1。通过图6可以看出：D1=5 mm时， 排沙口最高风速、平均风速分别为2.331、0.864 m/s；D1=15 mm时，分别为1.454、0.840 m/s；D1=25 mm时，分别为2.179、0.836 m/s；D1=30 mm时，分别为2.180、0.837 m/s；D1=35 mm时，分别为1.455、0.809 m/s；D1=45 mm时，分别为2.906、1.039 m/s。对比可以看出，排沙口最高风速受排气管直径影响较大，排沙口平均风速受排气管直径影响较小。

图6 分流对冲式集沙仪排沙口风速随排气管直径变化

保持D1=30 mm、D2=35 mm、H2=25 mm不变，只改变H1。通过图7可以看出，H1=25 mm时，排沙口最高风速、平均风速分别为0.454、0.849 m/s；H1=35 mm时，分别为2.180、0.837 m/s；H1=45 mm时，分别为2.184、0.853 m/s。对比可以看出，排沙口最高风速受排气管长度影响较大，排沙口平均风速受排气管长度影响较小。

图7 分流对冲式集沙仪排沙口风速随排气管长度变化

保持D1=25 mm、H1=25 mm、H2=25 mm不变，只改变D2。通过图8可以看出：D2=20 mm时，排沙口最高风速、平均风速分别为2.840、2.257 m/s；D2=35 mm时，分别为2.130、0.835 m/s；D2=50 mm时，分别为2.130、0.581 m/s；D2=65 mm时，分别为2.130、0.472 m/s；D2=75 mm时，分别为2.130、0.389 m/s。对比可以看出：排沙口最高风速随排沙口直径的增大有所降低，但排沙口直径增大到35 mm的时候，排沙口的最高风速不再继续下降，而是在速度2.13 m/s附近波动；排沙口平均风速受排沙口直径影响较大， 随着排沙口直径增大，平均风速逐渐降低。

图8 分流对冲式集沙仪排沙口风速随排沙口直径变化

保持D1=25 mm、H1=45 mm、D2=75 mm不变，只改变H2。通过图9可以看出：H2=5 mm时，排沙口最高风速、平均风速分别为2.180、0.583 m/s；H2=15 mm时，分别为1.452、0.520 m/s；H2=25 mm时，分别为1.454、0.442 m/s；H2=35 mm时，分别为2.178、0.346 m/s。对比可以看出：排沙口最高风速受排沙口距离影响较大，排沙口平均风速受排沙口距离影响较小。

图9 分流对冲式集沙仪排沙口风速随排沙口距离变化

2.3 优化方案

将仿真结果进行整理，可得到有关排气口风速和排沙口风速的数据，以排气口风速、排沙口风速为纵坐标，以结构参数为横坐标，规定横坐标为1的点对应结构参数为D1=5 mm、H1=25 mm、D2=20 mm、H2=5 mm，横坐标为2的点对应结构参数为D1=5 mm、H1=25 mm、D2=20 mm、H2=15 mm，依此类推，并将变化不明显的数据去掉，绘制成如图10的折线图。从图10中找到排气口风速、排沙口风速都较低的参数为D1=25 mm、H1=25 mm、D2=75 mm、H2=15 mm。

图10 不同结构参数的排气口风速和排沙口风速

3 结 论

通过GAMBIT软件建模，利用FLUENT软件进行仿真模拟，改进了分流对冲式集沙仪排气管直径、排气管长度、排沙口直径、排沙口距离四部分的参数，对360个不同结构参数的集沙仪进行数值模拟，对比后得出的主要结论如下：①排气口最高风速、平均风速与排气管直径有关，随着排气管直径逐渐增大，排气口风速逐渐降低，当排气管增大到一定值时，排气口风速不再降低，在某个值附近波动。②排气口最高风速受排气管长度影响很大，平均风速基本不受排气管长度影响。③排气口最高风速、平均风速基本不受排沙口直径影响。④排气口最高风速、平均风速受排沙口距离的影响很小。⑤排沙口最高风速受排气管直径影响较大，平均风速受排气管直径影响较小。⑥排沙口最高风速与排气管长度有较大关系，平均风速与排气管长度关系不大。⑦排沙口最高风速与排沙口直径有关，随排沙口直径的增大逐渐降低，当排沙口增大到一定值时，排沙口最高风速不再下降，在某个值附近波动;排沙口平均风速受排沙口直径影响较大，随着排沙口直径增大，平均风速逐渐降低。⑧排沙口最高风速受排沙口距离影响较大，平均风速受排沙口距离影响较小。⑨以排气口最高风速、平均风速和排沙口最高风速、平均风速为目标函数，对分流对冲式集沙仪进行有限元分析，优化设计了排气管长度参数、排气管直径参数、排沙口距离参数、排沙口直径参数，当D1=25 mm、H1=25 mm、D2=75 mm、H2=15 mm时，排气口最高风速、平均风速和排沙口最高风速、平均风速都较低，集沙仪集沙效率较高。

[1] 麻硕士,陈智.土壤风蚀测试与控制技术[M].北京:科学出版社,2010:32-33.

[2] 董光荣,李长治,金炯,等.关于土壤风蚀风洞模拟实验的某些结果[J].科学通报,1987,32(4):297-301.

[3] 董治宝,郑晓静.中国风沙物理研究50 a(Ⅱ)[J].中国沙漠,2005,25(6):795-815.

[4] 宋涛,陈智,麻乾,等.分流对冲式集沙仪设计与性能试验[J].农业机械学报,2015,46(9):173-177,197.

[5] 王亚玲,刘应中,缪国平.圆柱绕流的三维数值模拟[J].上海交通大学学报,2001,35(10):1464-1469.

[6] 孙智一,吴晓蓉.计算流体力学数值模拟方法的探讨及应用[J].水利科技与经济,2008,14(2):126-128.

(责任编辑 李杨杨)

国家自然科学基金资助项目(41361058，41161045)

S157

A

1000-0941(2017)02-0038-04

商晓彬(1991—)，男，河北邢台市人，硕士研究生，主要从事机械测控及自动化技术研究；通信作者陈智(1962—)，男，内蒙古察右前旗人，教授，博士生导师，主要从事工程测试及其技术装备研究。

2016-06-25