聯(lián)合收割機橫流風機流場的數(shù)值模擬

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。

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