籽棉残膜分离装置关键区域数值模拟与试验测试对比研究 毕业论文

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1、籽棉残膜分离装置关键区域数值模拟与试验测试对比研究摘要：为了验证利用Fluent数值模拟方法对分离装置关键区域内流场仿真的正确性，将分离室入口处风速分别设定为7.55、8.37、9.37、10.39和12.84m/s，在分离室入口不同风速条件下，对小滚筒上方关键区域风速分布进行数值模拟分析，并将各入口风速对应的仿真值与基于虚拟仪器的籽棉残膜分离装置测试系统的采集值进行对比分析。试验结果表明：仿真值与系统采集值吻合程度较高，仿真值与采集值差异较小，最大误差小于0.64m/s，当入口风速为10.39m/s时，仿真值与测试值误差小于0.30m/s

2、。本研究为籽棉残膜分离装置仿真设计奠定了基础。关键词：分离装置；Fluent；网状滚筒；数值模拟0引言棉花是中国新疆及兵团主要的经济作物，2013年新疆兵团机采棉种植面积已达到34.7万hm2，机械采收率为58.9%[1-2]。随着劳动力成本的不断增加[3]，棉花机械化收获已成为必然趋势，但由于新疆独特的地膜栽培模式，在机械采收过程中容易混入一定量残留地膜，以至于异性纤维含量超标，导致机采籽棉质量等级下降[4]。目前国外较先进检测异性纤维的方法主要有超声波检测[5]、光电检测[6]、图像检测[7-10]等，但其检测设备价格比较昂贵，且检测不

3、理想。而国内主要使用机械清除方法，清除结构和原理比较单一，不能有效清除残膜等异性纤维[11-16]。为有效剔除籽棉中残膜，作者所在课题组根据前期棉花加工厂气力输送的特点，提出了正压加网状滚筒式的残膜分离方案，并成功研制机采籽棉残膜分离机组，有效的解决了籽棉和残膜机械化分离问题[17-19]，同时为减少转运压实对后续分离造成的困难，又提出将机采籽棉残膜清除从棉花加工环节前移至收获环节[20-21]。但在实际生产试验中发现，籽棉残膜分离装置的入口风速和小滚筒上方关键区域的风速对残膜分离率和籽棉带出比有较大的影响。为保证籽棉残膜分离装置能够达到理

4、想的分离效果，需掌握分离室内关键区域风速。流体仿真技术是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流、化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于航天设计、汽车设计、生物医学工业、化工处理工业、涡轮机设计、半导体设计等诸多工程领域[22-23]。作者所在课题组前期利用Fluent对分离装置布风板结构进行了数值模拟[24]、籽棉带出机理进行了仿真分析[19]和籽棉运动曲线进行了仿真分析[18]，都得到了最佳的结果。为了验证Fluent的数值模拟方法对分离装置内关键区域流场仿真的正确性，以网状滚筒式籽棉残膜分离装置为试验台，利用搭建的测试系统对不同入口风

5、速条件下分离装置关键区域不同位置速度分布进行采集分析，并将试验测得的风速分布信息与仿真得到的关键区域内流场的速度分布信息进行对比，揭示试验值与仿真值的吻合程度，验证仿真模拟的有效性。1测试系统组成及工作原理1.1系统结构组成如图1所示，测试系统由风速传感器、直流24V稳压电源、SCB-68接线端子、SHC68-68-EPM屏蔽线、PXI-6251高速数据采集卡和显示器等部分组成。图1系统结构图Fig.1Systemstructure1.1.1风速传感器选型根据测量原理选用能感受风力并转换成有一定线性对应关系输出信号的风速传感器，风速传感器有

6、三杯式、热式和超声波式等几种，根据残膜分离装置的分离室空间和安装可行等实际情况，本实验选用天津凯士达仪器仪表有限公司生产的KV621系列带显示的热式风速传感器，其参数如表1所示。表1风速传感器参数传感器型号量程精度输出方式工作电压温度范围分辨率KV6210~40m/s4%0~10V24V-18~100℃0.01m/s1.1.2风速传感器布设根据风速传感器和小滚筒前侧壁的尺寸，在小滚筒前侧壁两侧位置及中间位置各开3个孔，固定传感器。在实际测量过程中，根据斜筒出口尺寸及小滚筒上方关键区域空间尺寸，设定关键区域为小网状滚筒上边缘以上5cm至残膜出

7、口下边缘以下约30cm的流场区域（图1中橙色梯形区域），合理选取三层9个位置作为测量点，小滚筒上方关键区域竖直方向取三个平面，即L、M、N平面。平面内各点位置具体参数如下：L平面从上到下第一行按从里往外方位依次为600mm、420mm、220mm深度处作为测试点1'、2'、3'；L平面第二行按从里往外方位依次为640mm、440mm、220mm深度处作为测试点4'、5'、6'；L平面第三行按从里往外方位依次为680mm、460mm、220mm深度处作为测试点7'、8'、9'。按L平面方位依次得到平面M和平面N测试点为1、1"、2、2"、3、

8、3"、4、4"、5、5"、6、6"、7、7"、8、8"、9、9"，如图1所示。1.2工作原理系统整体工作流程如图1所示。安装固定好风速传感器，用直流24V稳压电源对其供电，传感器