南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 陳 輝 陶 雷 陳 青 蔣雪松金湖金龍祥漁業(yè)設(shè)備有限公司 呂石祥

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基于Fluent的挖藕機(jī)噴嘴仿真研究

南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 陳 輝 陶 雷 陳 青 蔣雪松
金湖金龍祥漁業(yè)設(shè)備有限公司 呂石祥

【摘要】針對(duì)浮筒式挖藕機(jī)，通過CFD軟件Fluent對(duì)其壓力倉以及噴嘴進(jìn)行建模與仿真。并對(duì)仿真得到的速度云圖、壓力云圖進(jìn)行分析，為噴嘴設(shè)計(jì)選擇提供依據(jù)，并且為下一步改進(jìn)設(shè)計(jì)提供結(jié)構(gòu)參數(shù)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】Fluent；挖藕機(jī)；噴嘴

本文受蘇北科技專項(xiàng)資金項(xiàng)目（BN2014127）、江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（PAPD）資助。

0　引言

計(jì)算流體力學(xué)（簡稱CFD）是20世紀(jì)60年代伴隨著計(jì)算科學(xué)與工程迅速崛起的一門學(xué)科分支，經(jīng)過50多年的快速發(fā)展，這門學(xué)科已經(jīng)是相當(dāng)成熟了。CFD通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示方法，在時(shí)間和空間上定量描述流場的數(shù)值解，從而達(dá)到對(duì)物理問題研究的目的。CFD應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)理論和方法，數(shù)值求解滿足不同流體運(yùn)動(dòng)和傳熱、傳質(zhì)規(guī)律的三大守恒定律，及附加的各種模型方程組成的非線性偏微分方程，得到確定條件下的數(shù)值解［1］。

而Fluent軟件是基于 CFD 軟件群的思想，針對(duì)各種復(fù)雜流動(dòng)及物理現(xiàn)象，采用不同的離散格式和數(shù)值方法，可以在特定的領(lǐng)域內(nèi)，使計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度達(dá)到最佳組合，高效解決各個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜流動(dòng)計(jì)算問題。Fluent開發(fā)的模擬軟件，可以用于模擬流體流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)和其他復(fù)雜的物理現(xiàn)象［2］。

1　問題分析

本文仿真的對(duì)象是浮筒式挖藕機(jī)的壓力倉以及噴嘴。浮筒式挖藕機(jī)的工作原理是：通過汽油機(jī)給挖藕機(jī)的水泵提供動(dòng)力，水先經(jīng)過濾網(wǎng)進(jìn)入到儲(chǔ)水室中，通過進(jìn)水管到達(dá)水泵內(nèi)，再通過出水管排入高壓水腔中，最后通過噴射系統(tǒng)噴出，噴嘴處于水平面以下，噴出來的水不斷沖刷、粉碎和推移水的泥土，從來使藕浮出水面即可。噴嘴的作用是讓高壓水腔中的具有一定壓力的水通過收縮的孔徑，進(jìn)一步的增大水壓，從而達(dá)到加速液體的目的［3］。采用Fluent軟件對(duì)噴嘴和壓力倉進(jìn)行模擬仿真，能夠?qū)娮斓脑O(shè)計(jì)改進(jìn)提供強(qiáng)有力的依據(jù)。

2　模型的建立及仿真分析

使用Fluent時(shí)，一般使用Gambit或者一個(gè)分離的CAD/CAE系統(tǒng)如Ansys，PRO/E等產(chǎn)生的幾何結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)絡(luò)，然后導(dǎo)入Fluent［3］.進(jìn)行網(wǎng)格的劃分和解算。Fluent包含4個(gè)版本的結(jié)算器，分別是：Fluent 2d， Fluent 3d， Fluent 2ddp和 Fluent 3ddp，同時(shí)提供了分離解、隱式耦合解、顯式耦合解三種不同的解格式。本文使用的是SolidWorks建立模型，fluent3d解算器。

2.1用SolidWorks建立噴嘴仿真模型

Fluent軟件本身不能建立模型，其自帶的建立模型的軟件Gambit僅僅只能建立一些比較簡單的三維幾何體，本文使用的壓力倉以及噴嘴形式較為復(fù)雜，不適合采用Gambit軟件，固本文采用的是用SolidWorks軟件建立三維模型，然后導(dǎo)入Fluent軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及解算。

2.2用Meshing對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分

Fluent的Meshing模塊其實(shí)就是以前版本的TGrid，可以導(dǎo)入網(wǎng)格文件和幾何文件。網(wǎng)格劃分分為邊界網(wǎng)格和體網(wǎng)格劃分兩部分。Meshing模塊可以對(duì)進(jìn)行了邊界網(wǎng)格劃分的模型進(jìn)行體網(wǎng)格劃分。本文采用了體網(wǎng)格劃分并設(shè)定邊界，結(jié)果如圖1所示。網(wǎng)格劃分結(jié)束后進(jìn)行了網(wǎng)格質(zhì)量檢查，確保不存在負(fù)體積。

圖1　網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.3計(jì)算求解

把SolidWorks創(chuàng)建的模型導(dǎo)入Fluent后，需要定義尺寸單位，本文為mm，在使用Meshing模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分以后，需要對(duì)劃分的網(wǎng)格進(jìn)行檢查，如果存在體積小于0的網(wǎng)格，則需要對(duì)網(wǎng)格類型及網(wǎng)格大小進(jìn)行調(diào)整，然后重新劃分網(wǎng)格［5］。求解過程還需要確定算法，定義材料，進(jìn)行邊界值設(shè)定。在初始化以后進(jìn)行迭代計(jì)算。最后對(duì)迭代結(jié)果進(jìn)行分析，后得出需要的結(jié)論。

本文采用Segregted算法，模型為K-epsilion，設(shè)定的的邊界條件為：進(jìn)口流速為4m/s，代次數(shù)為1000次。在完成1000次迭代以后得到的收斂結(jié)果如圖3所示。由圖2所示，沿X，Y，Z軸的流速分量收斂較快，幾乎同時(shí)收斂，同時(shí)可以看出，流速沿X，Y軸的分量幾乎完全一致，湍動(dòng)能相對(duì)于流速的收斂顯得更加的迅速。

圖2　噴嘴迭代次數(shù)計(jì)算收斂值圖

在迭代收斂以后，我們得到了壓力倉及噴嘴的內(nèi)部湍流模型的壓力分布云圖，如圖3所示，以及湍流流速矢量圖，如圖4所示。

由圖3可以看出，噴嘴的進(jìn)口及壁面壓力較小，經(jīng)過壓力了倉的增壓，以及噴嘴部分的增壓作用，在噴嘴的出口部分壓力達(dá)到了最大值23253.8pa。

由圖4可以看出，噴嘴的進(jìn)口處的速度為邊界條件設(shè)定的4m/ s，在經(jīng)過壓力了倉的增速作用后，在壓力倉中速度得到了一定的增加，最終在噴嘴出速度達(dá)到了最大值，最終速度為6.76m/s，相對(duì)于，進(jìn)口處的4m/s，得到了明顯的提升。

圖3　噴嘴壓力分布云圖

圖4　噴嘴速度分布矢量圖

3　結(jié)論

本文通過對(duì)挖藕機(jī)壓力倉以及噴嘴部分進(jìn)行仿真，分析了壓力倉和噴嘴對(duì)于射流速度的影響。仿真結(jié)果顯示，通過壓力倉和噴嘴的增壓增速作用，噴嘴處的增速效果比較明顯。通過較大的射流速度，挖藕機(jī)的挖藕效率能夠得到一定的保證。經(jīng)過本文的仿真分析，對(duì)于后期挖藕機(jī)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

［1］付曙光，曾良才，張曉明，陳新元.基于Fluent的高壓除鱗噴嘴湍流仿真模型［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，30：171-173.

［2］許瑞，杜長龍，曾銳，張佳佳.不同收縮角噴嘴的射流仿真研究［J］.礦山機(jī)械，2011，2（39）：36-39.

［3］尤俊，陳斯蓉.4OZ-3型自走式水壓蓮藕掘取機(jī)［J］.南方農(nóng)機(jī)，2000，（06）：9.

［4］許瑞，杜長龍，周浩，曾銳.基于Fluent的噴嘴型腔對(duì)射流影響的模擬仿真［J］.礦山機(jī)械，2010，38（19）：23-27.

［5］韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2004：201-249.

作者簡介：

陳輝（1990-），男，江蘇宿遷人，碩士生，現(xiàn)就讀于南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院。

通信作者：

蔣雪松（1979-），男，江蘇南通人，博士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程研究。