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        基于Fluent的挖藕機(jī)噴嘴仿真研究

        2016-07-01 01:39:47南京林業(yè)大學(xué)機(jī)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(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(guò)CFD軟件Fluent對(duì)其壓力倉(cāng)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(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(BN2014127)、江蘇高校優(yōu)勢(shì)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(jiǎn)稱(chēng)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(mén)學(xué)科分支,經(jīng)過(guò)50多年的快速發(fā)展,這門(mén)學(xué)科已經(jīng)是相當(dāng)成熟了。CFD通過(guò)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(chǎng)的數(shù)值解,從而達(dá)到對(duì)物理問(wèn)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(mǎn)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(xiàn)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(wèn)題。Fluent開(kāi)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(wèn)題分析

        本文仿真的對(duì)象是浮筒式挖藕機(jī)的壓力倉(cāng)以及噴嘴。浮筒式挖藕機(jī)的工作原理是:通過(guò)汽油機(jī)給挖藕機(jī)的水泵提供動(dòng)力,水先經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)入到儲(chǔ)水室中,通過(guò)進(jìn)水管到達(dá)水泵內(nèi),再通過(guò)出水管排入高壓水腔中,最后通過(guò)噴射系統(tǒng)噴出,噴嘴處于水平面以下,噴出來(lái)的水不斷沖刷、粉碎和推移水的泥土,從來(lái)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(guò)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(cāng)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(jiǎn)單的三維幾何體,本文使用的壓力倉(cāng)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(lèi)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(guò)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(cāng)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(guò)壓力了倉(cāng)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(guò)壓力了倉(cāng)的增速作用后,在壓力倉(cāng)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(guò)對(duì)挖藕機(jī)壓力倉(cāng)以及噴嘴部分進(jìn)行仿真,分析了壓力倉(cāng)和噴嘴對(duì)于射流速度的影響。仿真結(jié)果顯示,通過(guò)壓力倉(cāng)和噴嘴的增壓增速作用,噴嘴處的增速效果比較明顯。通過(guò)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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jiǎn)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。

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