李吉成等

摘要：：隨著谷物聯(lián)合收割機(jī)的作業(yè)寬度不斷增大，橫流風(fēng)機(jī)以其風(fēng)量大、結(jié)構(gòu)緊湊、出口氣流沿軸向分布均勻等優(yōu)點(diǎn)在大型聯(lián)合收割機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用。利用ANSYS Workbench（CFX）有限元分析平臺(tái)，對(duì)某型號(hào)聯(lián)合收割機(jī)橫流風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，橫流風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)的風(fēng)機(jī)出口處，有少量的回流出現(xiàn)；流場(chǎng)對(duì)葉片的作用力分布非常不均勻；ANSYS Workbench分析平臺(tái)簡(jiǎn)化了CFD分析過(guò)程，提高了分析效率，為橫流風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：橫流風(fēng)機(jī)；聯(lián)合收割機(jī)；流場(chǎng)；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：S225.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）09-0439-03

隨著谷物聯(lián)合收割機(jī)的作業(yè)寬度不斷增大，清選裝置常用的離心風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)出現(xiàn)了橫流氣體分布不均勻、動(dòng)力消耗大、機(jī)構(gòu)尺寸大等問(wèn)題，嚴(yán)重影響清選裝置的性能[1]。橫流風(fēng)機(jī)以其風(fēng)量大、結(jié)構(gòu)緊湊、出口氣流沿軸向分布均勻等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于大型聯(lián)合收割機(jī)。橫流風(fēng)機(jī)是一種特殊的風(fēng)機(jī)，其氣體流動(dòng)非常復(fù)雜，難以掌握[2]。人們從20世紀(jì)60年代開(kāi)始研究橫流風(fēng)機(jī)的工作特性，常用的方法是理論計(jì)算、試驗(yàn)，效率較低，成本較高。隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的出現(xiàn)，人們開(kāi)始利用其研究橫流風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)[3]。ANSYS Workbench將多種有限元分析軟件有機(jī)集成到一起，使各個(gè)分析模塊可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[4]，簡(jiǎn)化了分析過(guò)程，提高了效率。本研究主要利用CFX模塊、幾何模塊、Mesh模塊，對(duì)某型號(hào)聯(lián)合收割機(jī)的橫流風(fēng)機(jī)流場(chǎng)數(shù)值進(jìn)行模擬，得到了風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)模擬數(shù)據(jù)，主要有靜壓云圖、流場(chǎng)速度矢量圖、流場(chǎng)對(duì)風(fēng)機(jī)葉輪作用力云圖等，旨在為開(kāi)發(fā)谷物聯(lián)合收割機(jī)提供依據(jù)。

1分析模型

1.1橫流風(fēng)機(jī)工作原理

橫流風(fēng)機(jī)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(kāi)口式的結(jié)構(gòu)，開(kāi)口的尺寸一般是不對(duì)稱的，較大的為進(jìn)風(fēng)口，較小的為出風(fēng)口[5]。外殼包圍了部分葉輪，沒(méi)有外殼包圍的位置為入風(fēng)口，入口位置的葉輪稱為進(jìn)風(fēng)葉柵，外殼內(nèi)部的部分葉輪稱為出風(fēng)葉柵。橫流風(fēng)機(jī)與離心風(fēng)機(jī)及軸流風(fēng)機(jī)的工作原理完全不同，葉輪在外殼內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，葉輪的內(nèi)部靠近舌板的位置會(huì)形成1個(gè)偏心渦旋。這個(gè)偏心渦旋形成了1個(gè)低壓中心，風(fēng)機(jī)入口處的氣體在壓力差作用下，經(jīng)過(guò)進(jìn)風(fēng)葉柵，沿徑向進(jìn)入風(fēng)機(jī)內(nèi)部，沿徑向經(jīng)過(guò)出風(fēng)葉柵流出風(fēng)機(jī)。整個(gè)過(guò)程中，氣流的運(yùn)動(dòng)方向都是垂直于葉輪軸的，沒(méi)有橫向流動(dòng)[1]。

1.2分析模型

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

根據(jù)分析的需要，本研究按照橫流風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，利用參數(shù)化建模軟件Creo建立橫流風(fēng)機(jī)葉輪模型，如圖2所示，再利用布爾運(yùn)算，建立風(fēng)機(jī)流場(chǎng)，如圖3所示，根據(jù)流場(chǎng)的實(shí)際工作情況，將流場(chǎng)分為內(nèi)流場(chǎng)、外流場(chǎng)，內(nèi)流場(chǎng)是隨葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìn)行網(wǎng)格劃分。Mesh提供了多種網(wǎng)格劃分方法，如自動(dòng)網(wǎng)格劃分、六面體主導(dǎo)的網(wǎng)格劃分等，自動(dòng)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(dòng)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(chǎng)和外流場(chǎng)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(fēng)機(jī)的流道共含有416 452個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 647 708個(gè)單元。網(wǎng)格的質(zhì)量對(duì)分析過(guò)程和結(jié)果影響非常大。Skewness是常用的網(wǎng)格質(zhì)量檢驗(yàn)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(píng)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(jì)算域和邊界條件的設(shè)定

計(jì)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(fēng)機(jī)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(diǎn)是不計(jì)算空氣的可壓縮性和溫度變化。同時(shí)為計(jì)算域設(shè)定1個(gè)大氣壓的參考?jí)毫?。?nèi)部流場(chǎng)是隨葉輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)的，所以內(nèi)流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)類型設(shè)定為Rotating，轉(zhuǎn)速為101 rad/s，旋轉(zhuǎn)軸為x軸。計(jì)算域湍流模型的選擇對(duì)CFD計(jì)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(fēng)機(jī)外流場(chǎng)上設(shè)置風(fēng)機(jī)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(duì)壓力為零，即不限制風(fēng)機(jī)出口處的流體的方向、速度。流場(chǎng)模型的兩側(cè)設(shè)定為對(duì)稱邊界體；其他外殼部分設(shè)定為光滑固定無(wú)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(fēng)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(zhǎng)設(shè)定為001 s，收斂標(biāo)準(zhǔn)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(shí)候達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)。

3結(jié)果與分析

求解完成之后，通過(guò)CFX后處理，得到流場(chǎng)的流場(chǎng)靜壓云圖、流場(chǎng)全壓云圖、流場(chǎng)速度矢量圖等數(shù)據(jù)。如圖7所示，在風(fēng)機(jī)流場(chǎng)靜壓云圖中，靠近舌板出口葉柵的位置是1個(gè)低壓中心，也就是偏心渦旋。整個(gè)風(fēng)機(jī)流場(chǎng)的靜壓場(chǎng)以這個(gè)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(gè)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(fēng)機(jī)流場(chǎng)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(gè)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(fēng)機(jī)流場(chǎng)速度矢量圖中，可以看出空氣在流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)點(diǎn)速度的方向和大小，在風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)葉柵的各個(gè)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(fēng)葉柵后，氣體的流動(dòng)方向慢慢開(kāi)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(guò)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(gè)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(chǎng)對(duì)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(jìn)風(fēng)葉柵、出風(fēng)葉柵2個(gè)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(fēng)機(jī)的流場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化起到了關(guān)鍵作用，流場(chǎng)模擬的傳統(tǒng)法主要有計(jì)算法、試驗(yàn)法，工作量大，成本高，效率低，很難得到全面的流場(chǎng)數(shù)據(jù)[2]。本研究通過(guò)CFD技術(shù)分析聯(lián)合收割機(jī)橫流風(fēng)機(jī)流場(chǎng)的特性，得到以下結(jié)論：橫流風(fēng)機(jī)出口氣流沿軸向分布均勻，風(fēng)機(jī)的性能不受寬度的影響，非常適合大型聯(lián)合收割機(jī)的使用。入口處的外殼結(jié)構(gòu)不利于空氣流入風(fēng)機(jī)，出口處有回流的現(xiàn)象，可以通過(guò)優(yōu)化外殼結(jié)構(gòu)，提高風(fēng)機(jī)效率。流場(chǎng)對(duì)葉片的作用力與葉片的圓周位置有關(guān)，進(jìn)風(fēng)葉柵、出風(fēng)葉柵2個(gè)位置的葉片受力差別非常大。CFD分析結(jié)果為橫流風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)；ANSYS Workbench分析平臺(tái)簡(jiǎn)化了分析過(guò)程，提高了分析效率，有助于優(yōu)化設(shè)計(jì)人員在較短的時(shí)間內(nèi)、較低的成本下掌握全面的流場(chǎng)數(shù)據(jù)，促進(jìn)設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程，但是最終的結(jié)果仍需要試驗(yàn)驗(yàn)證。

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