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        基于Fluent的挖藕機噴嘴仿真研究

        2016-07-01 01:39:47南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院蔣雪松金湖金龍祥漁業(yè)設(shè)備有限公司呂石祥
        電子世界 2016年10期

        南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(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的挖藕機噴嘴仿真研究

        南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(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】針對浮筒式挖藕機,通過CFD軟件Fluent對其壓力倉以及噴嘴進行建模與仿真。并對仿真得到的速度云圖、壓力云圖進行分析,為噴嘴設(shè)計選擇提供依據(jù),并且為下一步改進設(shè)計提供結(jié)構(gòu)參數(shù)依據(jù)。

        【關(guān)鍵詞】Fluent;挖藕機;噴嘴

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

        0 引言

        計算流體力學(xué)(簡稱CFD)是20世紀(jì)60年代伴隨著計算科學(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通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示方法,在時間和空間上定量描述流場的數(shù)值解,從而達到對物理問題研究的目的。CFD應(yīng)用計算流體力學(xué)理論和方法,數(shù)值求解滿足不同流體運動和傳熱、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,針對各種復(fù)雜流動及物理現(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),使計算速度、穩(wěn)定性和精度達到最佳組合,高效解決各個領(lǐng)域的復(fù)雜流動計算問題。Fluent開發(fā)的模擬軟件,可以用于模擬流體流動、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

        本文仿真的對象是浮筒式挖藕機的壓力倉以及噴嘴。浮筒式挖藕機的工作原理是:通過汽油機給挖藕機的水泵提供動力,水先經(jīng)過濾網(wǎng)進入到儲水室中,通過進水管到達水泵內(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,進一步的增大水壓,從而達到加速液體的目的[3]。采用Fluent軟件對噴嘴和壓力倉進行模擬仿真,能夠?qū)娮斓脑O(shè)計改進提供強有力的依據(jù)。

        2 模型的建立及仿真分析

        使用Fluent時,一般使用Gambit或者一個分離的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].進行網(wǎng)格的劃分和解算。Fluent包含4個版本的結(jié)算器,分別是:Fluent 2d, Fluent 3d, Fluent 2ddp和 Fluent 3ddp,同時提供了分離解、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軟件中進行網(wǎng)格劃分以及解算。

        2.2用Meshing對網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分

        Fluent的Meshing模塊其實就是以前版本的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模塊可以對進行了邊界網(wǎng)格劃分的模型進行體網(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)束后進行了網(wǎng)格質(zhì)量檢查,確保不存在負體積。

        圖1 網(wǎng)格劃分結(jié)果

        2.3計算求解

        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模塊進行網(wǎng)格劃分以后,需要對劃分的網(wǎng)格進行檢查,如果存在體積小于0的網(wǎng)格,則需要對網(wǎng)格類型及網(wǎng)格大小進行調(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,進行邊界值設(shè)定。在初始化以后進行迭代計算。最后對迭代結(jié)果進行分析,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,幾乎同時收斂,同時可以看出,流速沿X,Y軸的分量幾乎完全一致,湍動能相對于流速的收斂顯得更加的迅速。

        圖2 噴嘴迭代次數(shù)計算收斂值圖

        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到了最大值23253.8pa。

        由圖4可以看出,噴嘴的進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到了最大值,最終速度為6.76m/s,相對于,進口處的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

        本文通過對挖藕機壓力倉以及噴嘴部分進行仿真,分析了壓力倉和噴嘴對于射流速度的影響。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,對于后期挖藕機的結(jié)構(gòu)改進提供了依據(jù)。

        參考文獻

        [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,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[J].南方農(nóng)機,2000,(06):9.

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

        [5]韓占忠,王敬,蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應(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)機械化工程研究。

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