原粮风选机气固两相流数值模拟的研究
摘 要：目前，用于原粮初清的设备，除杂效果不好并且效率低，所以研究专门用于原粮初清的风选设备显得很重要。本文采用计算流体动力学CFD方法，运用FLUENT软件对市场上主流的原粮风选机进行了数值模拟。对于原粮风选机设计及结构优化具有参考价值，具有相当重要的现实和工程意义。
关键词：原粮风选机；数值模拟；气固两相流；DPM
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.269
1 前言
风选设备的种类虽多，但基本组成都大体相同，主要包括风选室、风机、除尘装置、进料装置、机架。风选室是整个设备的关键结构，一般风选室分为有风区和无风区，其结构会决定风的走向，对风选机的除杂效果有很大影响[1-2]。所以本文使用 SOLIDWORKS 软件建立风选室流体分析模型；利用专业的前处理软件 ANSYS ICEM CFD 来划分网格；把网格导入 FLUENT 软件中，定义求解模型、定义边界条件、初始化流场、定义监视器；最后迭代计算、后处理。
2 流体分析模型的建立
模型建立：原粮颗粒从物料入口进入风选室内，经过水平气流后，原粮和杂质分离，落入不同的物料出口，含尘气流经气流出口排出风选室。
网格划分：本文将整个三维计算域划分为27万左右的网格单元数目，包含接近5万个节点，经检查，网格质量都大于0.38，满足计算要求。
设置边界条件：
（1）对于没有定义的边界都默认为壁面条件（wall），默认为无滑移边界条件。
（2）输入湍流参数Intensity and Hydraulic Diameter（湍流强度 I 和水力直径DH）。
本文选用湍流强度和水力直径，湍流强度按下式计算：
（1）
式中，—分别为湍流脉动速度与平均速度（m/s）
—按当量直径DH计算得到的雷诺数，无量纲，按下式计算：
（2）
式中u—空气运动粘滞系数（m2/s）。
最后选择 FLUENT_V6 作为求解器进行求解。
3 风选参数对气相流场的影响
影响风选室内流场分布的因素很多，而数值模拟要花费很长的时间，很难在有限的时间内对所有因素都进行一一研究，本文在风选室总高度、气流入口位置的基本结构参数不变的情况下，只分别考察气流方向、气流入口形状及气流出口位置对风选室内流场分布的影响。
3.1 气流方向对气相流场的影响
风速选取较优速度 8m/s 时，分析不同气流倾角对气相流场分布的影响。得到各种气流方向时流场内各个位置上速度、压力的分布以及流场的湍流结构。
随着气流倾角的增大，整个流场的湍流强度有逐渐减小的趋势；当进风角度为20°、25°时，随着进风角度的增大，气流速度的水平分量逐渐减小，对原粮颗粒的水平作用力也在不断减小，因此物料中的轻杂水平运动距离减小，分选效果逐渐降低。
3.2 气流入口形状对气相流场的影响
综合分析，采用矩形截面的气流入口，流场内部气压大小、气压梯度、流场的速度大小和方向以及整个流场的湍流结构较其他方案都有一定优势，所以选择矩形入风口是科学合理的。
3.3 气流出口位置对其影响
当气流出口方向水平或是 45°斜向上时，流场压力分布较气流出口竖直向上时合理得多，尤其是气流出口 45°斜向上时，流场的压力变化范围为-26.28～23.77Pa，整个流场包括气流出口附近在内，压力变化梯度很小，更重要的这种结构避免了气流出口附近压力过小而产生回流的现象。
3.4 改进后气相流场的模拟结果与分析
通过前面的模拟分析，我们找到了最佳的气流倾角、气流入口形状及气流出口位置，通过分析得出这种结构的改进可以得到更理想的分选流场，本节将用跟前面相同的参数设置，采用相同的模拟方法进行重新模拟。
流场内部的气流流动状态很顺畅，整个流场的压力分布较合理，并且流场的压力梯度变化变小，压力的变化范围为-33.91～13.37Pa，最小值-33.91Pa出现在气流出口附近，避免了气流出口附近压力过小而产生回流的现象；流场的速度分布也有所改进，气流出口处气流速度稳定在 8.5m/s 左右，为后续处理创造了条件。总之，改进结构后，流场的各物理量的分布较改进之前合理，可以得到较理想的风选流场。
4 结论
在风选室总高度、气流入口位置的基本结构参数不变的情况下，只分别考察气流方向、气流入口形状及气流出口位置对风选室内流场分布的影响。从模拟结果中可以得到：
（1）分析了气流倾角为10°、15°、20°、25°时的流场模拟结果，得出气流倾角β在15°～20°时可以得到比较理想的风选流场。
（2）分析不同气流入口形状（截面分别是直角梯形、外大内小锥形、外小内大锥形）对流场分布的影响，得出采用矩形截面的气流入口，流场内部气压大小、气压梯度、流场的速度大小和方向以及整个流场的湍流结构较其他方案都有一定优势，所以选择矩形入风口是科学合理的。
（3）分析气流出口不同位置时对流场分布的影响，得出当气流出口 45°斜向上时可以得到较理想的分选流场。
（4）分析改进结构后的流场模拟结果，得出改进结构后流场的各物理量的分布较改进之前合理，可以得到较理想的分选流场
颗粒粒径越小，流场湍流扩散对其运动轨迹的影响越大。经过数学验算和数值模拟，得到适合小麦颗粒风选的最佳风速为 6m/s，适合玉米颗粒风选的最佳风速为 9m/s，适合稻谷颗粒风选的最佳风速为 7m/s。
参考文献：
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[3]纪兵兵，陈金瓶.ANSYS ICEM CFD网格划分技术实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2012（01）.