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      聯(lián)合收割機橫流風機流場的數(shù)值模擬

      2015-10-20 16:15:40李吉成等
      江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2015年9期
      關(guān)鍵詞:聯(lián)合收割機數(shù)值模擬流場

      李吉成等

      摘要::隨著谷物聯(lián)合收割機的作業(yè)寬度不斷增大,橫流風機以其風量大、結(jié)構(gòu)緊湊、出口氣流沿軸向分布均勻等優(yōu)點在大型聯(lián)合收割機上得到了廣泛的應(yīng)用。利用ANSYS Workbench(CFX)有限元分析平臺,對某型號聯(lián)合收割機橫流風機的流場進行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明,橫流風機的性能基本不受寬度的影響,出口氣流沿軸向分布均勻;在該橫流風機的風機出口處,有少量的回流出現(xiàn);流場對葉片的作用力分布非常不均勻;ANSYS Workbench分析平臺簡化了CFD分析過程,提高了分析效率,為橫流風機的優(yōu)化設(shè)計提供了準確數(shù)據(jù)。

      關(guān)鍵詞:橫流風機;聯(lián)合收割機;流場;數(shù)值模擬

      中圖分類號:S225.3 文獻標志碼: A文章編號:1002-1302(2015)09-0439-03

      隨著谷物聯(lián)合收割機的作業(yè)寬度不斷增大,清選裝置常用的離心風機和軸流風機出現(xiàn)了橫流氣體分布不均勻、動力消耗大、機構(gòu)尺寸大等問題,嚴重影響清選裝置的性能[1]。橫流風機以其風量大、結(jié)構(gòu)緊湊、出口氣流沿軸向分布均勻等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于大型聯(lián)合收割機。橫流風機是一種特殊的風機,其氣體流動非常復(fù)雜,難以掌握[2]。人們從20世紀60年代開始研究橫流風機的工作特性,常用的方法是理論計算、試驗,效率較低,成本較高。隨著計算流體力學(xué)(CFD)的出現(xiàn),人們開始利用其研究橫流風機的工作特性,但是由于CFD軟件不完善,不能很好地研究、優(yōu)化橫流風機[3]。ANSYS Workbench將多種有限元分析軟件有機集成到一起,使各個分析模塊可以進行數(shù)據(jù)交換[4],簡化了分析過程,提高了效率。本研究主要利用CFX模塊、幾何模塊、Mesh模塊,對某型號聯(lián)合收割機的橫流風機流場數(shù)值進行模擬,得到了風機的流場模擬數(shù)據(jù),主要有靜壓云圖、流場速度矢量圖、流場對風機葉輪作用力云圖等,旨在為開發(fā)谷物聯(lián)合收割機提供依據(jù)。

      1分析模型

      1.1橫流風機工作原理

      橫流風機主要由葉輪、外殼、舌板等部件組成(圖1)。外殼是兩端封閉、徑向開口式的結(jié)構(gòu),開口的尺寸一般是不對稱的,較大的為進風口,較小的為出風口[5]。外殼包圍了部分葉輪,沒有外殼包圍的位置為入風口,入口位置的葉輪稱為進風葉柵,外殼內(nèi)部的部分葉輪稱為出風葉柵。橫流風機與離心風機及軸流風機的工作原理完全不同,葉輪在外殼內(nèi)轉(zhuǎn)動時,葉輪的內(nèi)部靠近舌板的位置會形成1個偏心渦旋。這個偏心渦旋形成了1個低壓中心,風機入口處的氣體在壓力差作用下,經(jīng)過進風葉柵,沿徑向進入風機內(nèi)部,沿徑向經(jīng)過出風葉柵流出風機。整個過程中,氣流的運動方向都是垂直于葉輪軸的,沒有橫向流動[1]。

      1.2分析模型

      本研究采用的分析模型為某型號聯(lián)合收割機的橫流風機,風機的主要參數(shù)如表1所示。表1橫流風機的結(jié)構(gòu)參數(shù)

      根據(jù)分析的需要,本研究按照橫流風機的結(jié)構(gòu)尺寸,利用參數(shù)化建模軟件Creo建立橫流風機葉輪模型,如圖2所示,再利用布爾運算,建立風機流場,如圖3所示,根據(jù)流場的實際工作情況,將流場分為內(nèi)流場、外流場,內(nèi)流場是隨葉輪轉(zhuǎn)動的部分,并將模型以IGS格式導(dǎo)入到ANSYS Workbench中。

      2分析預(yù)處理

      2.1網(wǎng)格劃分

      劃分流體網(wǎng)格的軟件有很多, 本研究采用Workbench中的Mesh模塊進行網(wǎng)格劃分。Mesh提供了多種網(wǎng)格劃分方法,如自動網(wǎng)格劃分、六面體主導(dǎo)的網(wǎng)格劃分等,自動網(wǎng)格劃分是綜合多種劃分方法的網(wǎng)格劃分。本研究限制內(nèi)流道網(wǎng)格大小為6 mm,網(wǎng)格劃分方式設(shè)定為自動網(wǎng)格劃分;外流道網(wǎng)格大小限制為8 mm,劃分方式設(shè)定為六面體主導(dǎo)的網(wǎng)格劃分,并將內(nèi)流場和外流場的關(guān)聯(lián)度設(shè)置為1,劃分好的網(wǎng)格如圖4所示。

      橫流風機的流道共含有416 452個節(jié)點,1 647 708個單元。網(wǎng)格的質(zhì)量對分析過程和結(jié)果影響非常大。Skewness是常用的網(wǎng)格質(zhì)量檢驗工具,其值分布在0~1之間,越靠近0,網(wǎng)格質(zhì)量越好,反之質(zhì)量越差[4]。本研究的網(wǎng)格質(zhì)量Skewness評估如圖5所示。在圖中98%的網(wǎng)格分布在0~0.5之間,網(wǎng)格質(zhì)量良好,符合分析要求。

      2.2計算域和邊界條件的設(shè)定

      計算域和邊界條件的設(shè)定主要包括選擇流體介質(zhì)、定義邊界條件等重要參數(shù)。CFX提供了多種流體材料,橫流風機內(nèi)空氣的壓力和溫度變化不是很大,所以選擇的材料是25 ℃下的,這種材料與理想空氣相比,最大的特點是不計算空氣的可壓縮性和溫度變化。同時為計算域設(shè)定1個大氣壓的參考壓力。內(nèi)部流場是隨葉輪一起轉(zhuǎn)動的,所以內(nèi)流場的運動類型設(shè)定為Rotating,轉(zhuǎn)速為101 rad/s,旋轉(zhuǎn)軸為x軸。計算域湍流模型的選擇對CFD計算結(jié)果的影響也非常大,CFX提供多種湍流模型,如K-Epsilon模型、K-Omiga模型等。本研究選擇的K-Epsilon模型,其收斂性較好[6]。在風機外流場上設(shè)置風機的入口、出口,入口的流速假設(shè)為恒定的4 m/s,方向垂直于入口邊界向內(nèi);出口設(shè)定為自由邊界,相對壓力為零,即不限制風機出口處的流體的方向、速度。流場模型的兩側(cè)設(shè)定為對稱邊界體;其他外殼部分設(shè)定為光滑固定無滑移的壁面條件。

      2.3求解設(shè)定和求解

      求解格式主要有3種:高階求解模式、迎風格式求解、指定混合因子。其中高階求解模式的精度較高,本研究采用的就是高階求解模式;迭代步數(shù)設(shè)定為400步,步長設(shè)定為001 s,收斂標準設(shè)定為RMS,其值設(shè)定為1.0×10-4。求解的殘差曲線如圖6所示,可以看出曲線在390次迭代的時候達到收斂標準。

      3結(jié)果與分析

      求解完成之后,通過CFX后處理,得到流場的流場靜壓云圖、流場全壓云圖、流場速度矢量圖等數(shù)據(jù)。如圖7所示,在風機流場靜壓云圖中,靠近舌板出口葉柵的位置是1個低壓中心,也就是偏心渦旋。整個風機流場的靜壓場以這個偏心渦旋為中心成不規(guī)則的圓環(huán)狀,離偏心渦旋中心的距離越大,靜壓力就越大。葉片正面和背面的附近的靜壓力是不同的,其差值隨葉片圓周位置的不同而不同。圖7中的a、b是垂直于葉輪軸2個不同位置截面的靜壓云圖,其靜壓力分布基本一致。如圖8所示,在風機流場全壓云圖中,渦旋位置的全壓力值是最小的。最大壓力分布在外殼后臂和葉輪之間的位置。葉片的正面和背面附近的全壓力差值不大,有些位置的全壓力差基本為零。圖8中的a、b是垂直于葉輪軸2個不同位置截面的全壓云圖,其壓力分布基本一致。 如圖9所示,在風機流場速度矢量圖中,可以看出空氣在流場內(nèi)各個點速度的方向和大小,在風機進風葉柵的各個位置都有氣體流入,其中左側(cè)方向較為一致,右側(cè)則較為混亂。在空氣流出出風葉柵后,氣體的流動方向慢慢開始平行于外殼后臂。在出口的上部,有少量的氣體回流,可以通過調(diào)整外殼的結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化[7]。圖9中的a、b是垂直于葉輪軸2個不同位置截面的速度矢量圖,其分布基本一致。如圖10所示,在流場對葉片的壓力作用分布云圖中,不同圓周位置的葉片受到的壓力不一樣;進風葉柵、出風葉柵2個位置的葉片受力差別非常大;葉片兩面壓力差隨葉片圓周位置的不同而不同。

      4結(jié)論與討論

      橫流風機的流場數(shù)據(jù)對風機的設(shè)計和優(yōu)化起到了關(guān)鍵作用,流場模擬的傳統(tǒng)法主要有計算法、試驗法,工作量大,成本高,效率低,很難得到全面的流場數(shù)據(jù)[2]。本研究通過CFD技術(shù)分析聯(lián)合收割機橫流風機流場的特性,得到以下結(jié)論:橫流風機出口氣流沿軸向分布均勻,風機的性能不受寬度的影響,非常適合大型聯(lián)合收割機的使用。入口處的外殼結(jié)構(gòu)不利于空氣流入風機,出口處有回流的現(xiàn)象,可以通過優(yōu)化外殼結(jié)構(gòu),提高風機效率。流場對葉片的作用力與葉片的圓周位置有關(guān),進風葉柵、出風葉柵2個位置的葉片受力差別非常大。CFD分析結(jié)果為橫流風機的優(yōu)化設(shè)計提供參考數(shù)據(jù);ANSYS Workbench分析平臺簡化了分析過程,提高了分析效率,有助于優(yōu)化設(shè)計人員在較短的時間內(nèi)、較低的成本下掌握全面的流場數(shù)據(jù),促進設(shè)計優(yōu)化過程,但是最終的結(jié)果仍需要試驗驗證。

      參考文獻:

      [1]呂明杰,孫偉,常建國. 谷物聯(lián)合收割機清選橫流風機的設(shè)計[J]. 農(nóng)機化研究,2012,34(8):90-92,97.

      [2]趙京華,趙學(xué)篤,張振京,等. 橫流式農(nóng)用清選風機內(nèi)部氣體流動數(shù)值模擬研究[J]. 吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報,1989(3):57-63.

      [3]谷嘉錦. 橫流風機的流場和聲場分析[J]. 流體機械,1996(4):6-8,11.

      [4]丁欣碩,凌桂龍. ANSYS Workbrnch 14.5有限元分析案例詳解[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2014:87-92.

      [5]楊波,鐘芳源. 橫流風機內(nèi)部偏心渦特性分析[J]. 流體機械,1999(9):22-25.

      [6]叢高偉. 離心通風機內(nèi)部流場的數(shù)值模擬分析與比較[D]. 大連:大連理工大學(xué),2006.

      [7]馬中蘇,趙學(xué)篤,孫永海,等. 橫流風機基本工作原理及反風現(xiàn)象的研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,1993,24(2):96-101.endprint

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