抛送式秸秆粉碎还田机风场模拟[1]

2007年8月农业机械学报第38卷第8期抛送式秸秆粉碎还田机风场模拟3王学农　李从权　史建新　陈　发　董远德 【摘要】　对抛送式秸秆粉碎还田机进行三维建模,应用CFD 技术对其风场进行了模拟研究。

采用湍流模型和S I M PL E 算法进行求解,通过对速度分布场分析,初步得出了甩刀刀柄迎风面积、留茬高度、刀尖间隙、前(后)风口高度、侧面间隙等因素对风场影响的基本规律。

关键词:秸秆　粉碎还田　风场模拟　CFD 中图分类号:S 224129文献标识码:AResearch on Si m ula ti ng the W i nd F ield of the F ieldStraw Chopper w ith Throw i ng Cotton Sta lkW ang Xuenong 1　L i Congquan 2　Sh i J ianx in 2　Chen Fa 1　Dong Yuande2(11X inj iang A cad e m y of A g ricu ltu ra l S cience 21X inj iang A g ricu ltu ra l U n iversity )Abstract32D m odels of the field straw chopp er w ere con structed and the w ind fields w ere si m u lated by CFD .T he tu rbu len t flow p attern and S I M PL E algo rithm w ere u sed in the w ind si m u lati on .T he basic law s of structu re p aram eters such as the w idth of kn ife handle ,the heigh t of the stubb les ,the distance betw een the kn ife and shell ,the heigh t of fron t and back and side w ind ou tlets that affected the w ind field w ere ob tained .T hese law s p rovided a basis fo r design ing the chopp er .Key words Stalk ,B reak ing and m u lch ing ,W ind field si m u lati on ,CFD收稿日期:2006-03-093新疆维吾尔自治区高新技术资助项目(项目编号:200513119)王学农　新疆农业科学院农业机械化研究所　副研究员,830091　乌鲁木齐市李从权　新疆农业大学机械交通学院　硕士生,830052　乌鲁木齐市史建新　新疆农业大学机械交通学院　教授　通讯作者陈　发　新疆农业科学院农业机械化研究所　研究员董远德　新疆农业大学机械交通学院　硕士生 引言地膜回收关键是膜秆分离,秸秆粉碎还田机与残膜回收机联合作业是解决膜秆分离的有效方法[1]。

2005年新疆农科院农机化所开始研制4JLM -1800型悬挂式秸秆粉碎还田及残膜回收联合作业机,该机工作时操作灵活,粉碎后的秸秆能被定向抛出,但存在吸地膜现象。

为了探究吸膜的原因,以抛送式秸秆粉碎还田机模型为研究对象,借助计算机流体力学技术[2](com p u tati onal flu id dynam ics ,简称CFD )模拟其风场,重点探讨甩刀迎风面积、前后风口高度、留茬高度、刀尖与挡板间的间隙和两侧板与地面间隙等参数对风场的影响。

1　建模与计算111　模型建立模型的主要尺寸来自4JLM -1800型悬挂式秸秆粉碎还田及残膜回收联合作业机中的抛送式秸秆粉碎机,见图1。

模型分为壳体和刀辊两部分。

刀辊上的甩刀长175mm 、宽75mm 。

甩刀在刀辊上径向等角度分布、轴向对称分布,以保证刀辊平衡和不漏切[3～4]。

刀辊在壳体里高速旋转,将棉秆切断、揉碎并抛向指定位置。

在不影响计算结果的前提下,为便于运算,对实体作适当简化,在U G 软件上建立抛送式秸秆粉碎还田机的三维模型。

由于在模拟中需改变模型的参数,共建立22个模型。

图1　抛送式秸秆粉碎还田机简图F ig .1　Sketch of the field straw chopper1.地面2.前风口3.机壳4.碎秆抛出口5.刀辊6.侧面风口7.后风口112　初始化将上部碎秆抛出口空气压力设为零,粉碎机下部进出口空气的四面压力设为零。

采用四面体网格形式进行划分:空气和刀辊轴划分为50mm ,甩刀划分为10mm 。

设刀辊回转速度Ξ=198rad s ,精度不低于0101。

113　计算流动的风场遵循质量、动量和能量守恒等定律,利用有限元技术和这些定律联立的方程组可求出风场的速度大小和方向等参数。

建立的方程如下[2,5～6]:质量守恒定律5Θ5t+div (Θu )=0(1)动量守恒定律5(Θu )t +div (Θu u )=div (Λgrad u )-5p x +S u (2)5(Θv )5t +div (Θv u )=div (Λgrad v )-5p 5y+S v (3)5(Θw )5t +div (Θw u )=div (Λgrad w )-5p 5z +S w (4)能量守恒定律5(ΘT )t +div (Θu T )=div kc pgrad T +S T (5)气体状态方程p =ΘR T(6)式中　Θ——密度 t ——时间u ——速度矢量u 、v 、w ——矢量u 在x 、y 、z 轴上的分量T ——温度 div ()——散度S u 、S v 、S w ——动量守恒方程的广义源相联立以上6个方程可解出x 、y 、z 方向的速度、温度、压力和密度等6个未知量。

求解时对动量守恒方程作时间平均处理。

由于粉碎机内风场是湍流,在实际求解时要补充湍流方程和湍流耗散率方程来反映湍流特性。

计算时采用有限元体积法,离散格式采用一阶迎风格式。

2　模拟结果与分析211　甩刀形状对风场的影响利用U G 软件建立秸秆粉碎机模型并转换为Paraso lid (3x t )文件,然后把该文件导入CFD 分析软件。

采用3组甩刀进行模拟运算:a 组甩刀形状保持不变,刀刃宽度等于刀柄宽度等于75mm ;b 组刀刃宽度保持不变,刀柄宽度减为30mm ;c 组刀刃宽度保持不变,刀柄宽度减为20mm ;模拟时,刀辊转速均设为198rad s ,精度不低于0101。

图2　a 组甩刀中截面模拟云图F ig .2　M ap of m iddle secti on图2为a 组甩刀运算结果的模拟截面,该截面过刀辊轴线中点且与轴线垂直。

在图1所示的坐标系中,在该模拟截面上选取9个坐标点,分别为1:(10,30)、2:(90,30)、3:(170,30)、4:(250,30)、5:(330,30)、6:(410,30)、7:(490,30)、8:(570,30)、9:(650,30),根据这9个坐标点的风速模拟结果绘制成a 组甩刀工作时壳体内风速折线图,用同样的方法可得b 、c 组甩刀工作时壳体内风速折线图,如图3所示。

图3　3种刀形风速对照图F ig .3　Cu rves of w ind speeds fo r 3k inds of kn ives由图3可知甩刀刀柄迎风面积减少,风场强度降低,因此减少刀柄迎风面积有利于减轻对地膜的吸附作用。

212　风口高度h 2对风场的影响挡板距地面高度,即风口高度h 2对后风口风速影响较大,因此改变h 2尺寸进行风场模拟。

h 2从120mm 开始,以10mm 的增量增加至200mm 。

对每种h 2高度的模型进行模拟后截取典型截面,建立图4所示风场云图。

图中颜色越浅的部分表示风速越大;颜色越深的部分风速越小。

从图中可以看出强风区位于风口中上部,弱风区位于上部和下部。

在图1所示坐标中,在后风口位置取8个点。

各点坐标分别为1:(640,110)、2:(640,93)、3:(640,85)、4:(640,73)、5:(640,61)、6:(640,49)、7:(640,37)、8:(640,25)。

图5为跟踪每次模拟结果中同一坐标点的风速绘制出的风速曲线图。

由图5可知:位于强风区中的4个坐标点的风速86农　业　机　械　学　报2007年　图4　后风口风速截面图F ig .4　M ap of w ind speed fo r back in let secti on图5　h 2变化时各点风速对照图F ig .5　Cu rves of w ind speeds fo r differen t h 2随h 2增大而增加,而弱风区中的4个坐标点的风速随h 2增大呈减小趋势;强风区离地面相对较远,且随着h 2增大向上移动,对地膜的吸附影响较小。

产生地膜吸附作用的主要是靠近地面的风。

因此,增大h 2可减少甩刀对地膜的吸附作用。

213　刀尖间隙S 1、S 2对风场的影响刀尖与前、后挡板间的间隙S 1、S 2也是粉碎机设计中的重要参数,S 1、S 2的变化对风场会产生较大的影响。

建立前间隙S 1为0、10、20、30mm 等4种模型,对每种模型进行风场模拟。

在图1所示坐标中取7个坐标点,各点坐标分别为1:(580,10)、2:(580,30)、3:(580,50)、4:(580,70)、5:(580,90)、6:(580,110)、7:(580,130)。

根据模拟结果绘制出图6所示风速曲线图。

由图6可以看出,点1、点2的速度线几乎在一起,即S 1的变化对靠近地面的风速影响不大。

在一定高度范围内,如点2～点5间,随着S 1增大风速减小。

图6　S 1变化时各点风速对照图F ig .6　Cu rves of w ind speeds fo r differen t S 1 用同样的方法研究刀尖与挡板后间隙S 2对风场的影响。

取7个坐标点,1:(10,10)、2:(10,30)、3:(10,50)、4:(10,70)、5:(10,90)、6:(10,110)、7:(10,130)。

根据模拟结果绘制出图7所示风速曲线图。

图7　S 2变化时各点风速对照图F ig .7　Cu rves of w ind speeds fo r differen t S 2由图7可知S 2对风速的影响规律与S 1相同。

即越靠近地面,间隙的变化对风速影响越小,在一定高度范围内,随着S 2增大风速减小。

此外,研究了h 2不变情况下留茬高度h 1对风场的影响。