鞠易甫，施伟辰

（上海海事大学物流工程学院，上海201306）

基于Fluent的联合收割机旋风分离筒气固两相流模拟

鞠易甫，施伟辰

（上海海事大学物流工程学院，上海201306）

本文主要设计一种联合收割机内的旋风分离筒，使其实现小麦、稻谷和油菜的清选。以RNG k-ε模型分析湍流流场。使用Fluent的DPM模型进行分析。数值模拟实验得到结论：当入口速度为4 m/s，排杂口表压为-2 000 Pa时，小麦清选效果最好；当入口速度为4 m/s，排杂口表压为-2400 Pa，稻谷清选效果最好；当入口速度为4 m/s，排杂口表压为-1 000 Pa，油菜清选效果最好。最后改变小麦杂质的直径和密度，再次进行清选，观察发现当直径为2～3 mm，密度为200～350 kg/m3时，小麦的籽粒和杂质清选效果较好。

气流清选；旋风分离筒；Fluent；气固两相流

清选装置是联合收割机中非常重要的组成部分。大量实验证明[1]，联合收割机清选装置的设计和使用不当是粮食损失的一个重要的原因。当其设计不当时，清选的效果不佳，影响收获谷物的品质。清选系统主要分为气流清选和振动筛选两个大类。气流清选是利用收割后的不同物料在气流中的受力不同、运动轨迹不同而分离的。

1 气流清选的原理和三维模型的建立

联合收割机经过收割、脱粒等工序之后得到饱满籽粒和与其大小相近的杂质，需要进入清选装置分离两种物料。气流清选的原理是利用两种颗粒的悬浮速度不同，在气流中的运动轨迹不同而将其分离出来[2]。物料先进入扬谷风机获得抛射的初速度，然后通过抛射管进入旋风分离筒。吸杂风机通过风管连接旋风分离筒，其工作时对内吸气，使桶内产生负压。混合物在进入旋风分离筒之后随气流做旋转运动，较重的籽粒向下运动进入集料盘，较轻的杂质由于负压的作用向上运动进入风管，最后由吸杂风机吸出，整体结构如图1.虽然清选装置在联合收割机内有很长时间的应用历史，但旋风清选装置还是依靠经验来设计，需要使用软件模拟内部的流场和颗粒场，为分离筒的设计提供经验。

图1 气流清选系统[3]

旋风分离筒的研究主要分为实验法和计算机数值模拟法两种。其中模拟法方便快捷，无需对同一模型多次试验，可直接绘制筒内气流场云图，观察颗粒相轨迹。先使用Solidworks建立三维模型，然后使用Meshing划分网格。旋风分离筒由筒体、进口（inlet）、排杂口（outlet1）和排粮口（outlet2）组成。籽粒和杂质随气流进入分离筒，经过清选最终籽粒从排粮口落出，杂质从排杂口排出[4]。

分离筒在中间的圆筒和入口处划分为结构网格，在上下椎体划分为非结构网格，整体网格划分如图2，共有309 903个节点。

图2 旋风分离筒的结构和划分的网格

2 计算方法和边界条件

2.1 计算模型

使用RNG k-ε模型[5]模拟湍流，与标准k-ε模型的方程很接近但有以下两个不同点[6]：

（1）修正湍流粘度系数，更好地模拟弯曲程度较大的流动

（2）在ε方程中增加了反应时均应变率Eij的项，这样方程不仅与流体的流动情况有关，还与空间坐标有关。

其控制方程组如下：

其中：k为湍流动能，ε为湍动耗散率，αk和αε为k与ε的普朗特数，为湍流系数，μeff为湍流粘度，Gk为湍流动能。

2.2 边界条件的设定

2.2.1 气体相的设置：

设置气流场为空气，密度ρ为1.225 kg/m3，黏度μ为1.789 4×10-5Pa·s.将inlet设置为速度入口（velocity-inlet），排杂口和排粮口设置为压力出口（pressure-outlet），排粮口由于基本没有气流流出，因此设置为0，其余位置设置成壁面（wall）。数值计算方法选择为SIMPLE算法，压力梯度相为PRESTO[7].由于是旋涡流场，在RNG k-ε设置中对Swirl dominated flow打勾。

2.2.2 颗粒相的设置

在入口处加入两种籽粒和杂质。进入的速度方向与入口垂直。当颗粒到达排杂口或排粮口时停止追踪，到其他位置时反弹。在DPM中设置排杂口为escape，排粮口为trap，其余位置设置为reflect[8].

3 清选效果的分析

3.1 清选效果的衡量指标

将接触到排粮口的颗粒视为被捕捉，接触到排杂口的颗粒视为逃逸。定义捕捉率为被捕捉的颗粒数除以进入分离筒的颗粒总个数，逃逸率为逃逸的颗粒数除以进入分离筒的颗粒总个数。

3.2 小麦清选效果的分析

设置入口速度为4～8 m/s，排杂口表压为-3 000～-1 500 Pa，小麦籽粒捕捉率和杂质逃逸率的变化情况如表1和表2.

表1 小麦籽粒捕捉率和杂质逃逸率

观察表1可知，入口速度为4 m/s时，排杂口压力为-2 000 Pa，清选效率最高，效果如图3.

图3 小麦、稻谷和油菜清选效果图

3.3 稻谷清选效果的分析

设置分离筒入口速度为4～8 m/s，排杂口表压为-2 400～-1 200 Pa，稻谷籽粒捕捉率和杂质逃逸率的变化情况如表2.

表2 稻谷籽粒捕捉率和杂质逃逸率

观察表2可知，入口速度为4 m/s时，排杂口压力为-2 400 Pa，清选效率最高效果如图3.

表3 油菜籽粒捕捉率和杂质逃逸率

3.4 油菜清选效果的分析

设置分离筒入口速度为4～8 m/s，排杂口表压为-2 500～-1 000 Pa，油菜籽粒捕捉率和杂质逃逸率的变化情况如表3.

由观察表3可知，当入口速度为4 m/s时，排杂口压力为-1 000 Pa，清选效率最高，效果如图3.

4 小麦杂质清选的优化

设置入口速度4 m/s，排杂口表压为-2 000 Pa，将小麦杂质的直径取为2～4 mm，密度设置为200～350 kg/m3，清选效果如表4.

表4 优化籽粒参数后，籽粒捕捉率和杂质逃逸率

观察表4可知，当改变杂质的直径和密度时，杂质的清选效率发生了比较大的变化，籽粒的清选没有太大变化。当小麦杂质直径2～3 mm，密度200～300 kg/m3时，小麦籽粒和杂质的清选效果都较好。

5 总结

通过联合收割机的旋风清选装置可以清选小麦、稻谷和油菜。对于小麦，入口速度为4 m/s，排杂口压力为-2 000 Pa时，籽粒捕捉率和杂质逃逸率都为100%，小麦清选效果最好；对于稻谷，入口速度为4 m/s，排杂口压力为-2 400 Pa时，籽粒捕捉率和杂质逃逸率都为100%，稻谷清选效果最好；对于油菜，入口速度为4 m/s排杂口压力为-1 000 Pa时，籽粒捕捉率和杂质逃逸率都为100%，油菜清选效果最好。

对于杂质参数进行优化，小麦杂质直径取为2～4 mm，密度取为200～350 kg/m3，观察清选效率的变化情况，发现当小麦杂质直径为2～3 mm，密度为200～300 kg/m3时，小麦清选效果较好。

籽粒捕捉率和杂质逃逸率的变化情况和颗粒的运动轨迹数据都可为进一步的优化提供指导。

[1]李舟.小型联合收割机清选装置设计与试验研究[D].长沙：中南林业科技大学，2016.

[2]胡小钦.贯流式谷物清选装置设计及性能试验研究[D].杭州：浙江理工大学，2013.

[3]唐倩雯，尹健.谷物气流清选系统的仿真研究[J].湖北农业科学，2012，51（09）：1890-1894.

[4]郭丽红.小区小麦联合收割机气流清选装置研究[D].成都：西华大学，2014.

[5]Yakhot V，Orszag S A.Renormalization group analysis of tur bulence.I.Basic theory[J].Journal of Scientific Computing，1986，1（1）：3-51.

[6]王福军.计算流体动力学分析[M].北京：清华大学出版社，2004.

[7]汪林.旋风分离器气固两相流数值模拟及性能分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.

[8]李强.旋风除尘器优化设计及分离特性研究[D].长沙：中南大学，2008.

Gas-solid Two Phase Flow Simulation of Cyclone Separator for Combine Harvester Based on Fluent

JU Yi－fu，SHI Wei－chen
（Shanghai Maritime University，School of Logistics Engineering，Shanghai 201306，China）

This paper mainly designs and researches the separator cylinder which can be used in cleaning wheat，rice，and rape.The fluent turbulence model is RNG k-ε.The DPM model is used for the analysis.The numerical simulation has come to the conclusion.When the inlet velocity is 4m/s and the outlet pressure is-2 000 Pa，the cleaning effect of wheat is good;when the inlet velocity is 4m/s and the outlet pressure is-2 400 Pa，the cleaning effect of rice is good;when the inlet velocity is 4m/s and the outlet pressure is-1 000 Pa，the cleaning effect of rape is good.Finally，change the diameter and density of impurities.When the diameter is 2~3 mm and the density is 200~350 kg/m3，the cleaning effect of grain and impurities is good.

airflow cleaning；cyclone separator；fluent；gas-solid coupling

S225.3

A

1672-545X（2017）06-0155-03

2017-03-05

作者介绍：鞠易甫（1992－），男，辽宁大连人，在读硕士研究生，研究方向为机械动态性能分析；施伟辰（1960-），男，陕西西安人，教授，博士，研究方向为新型固体材料守恒律。