施志輝,劉彥哲,李麗

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

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離心式除雪車揚(yáng)雪筒內(nèi)流場(chǎng)研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

施志輝,劉彥哲,李麗

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

針對(duì)現(xiàn)有的離心式除雪車出雪形狀松散的狀況，利用ANSYS CFX軟件對(duì)離心式除雪車的揚(yáng)雪管內(nèi)流道進(jìn)行氣固兩相流的數(shù)值模擬與分析，得到內(nèi)流道中氣固兩相流的實(shí)際參數(shù)分析結(jié)果，并根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果針對(duì)幾個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.通過優(yōu)化揚(yáng)雪筒的結(jié)構(gòu)形狀確保雪在揚(yáng)雪筒出口被拋出時(shí)有比較規(guī)范的形狀，同時(shí)降低離心風(fēng)機(jī)的功耗，提高拋雪效率.

揚(yáng)雪筒；氣固兩相流；數(shù)值模擬；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

我國(guó)北方地區(qū)的冬季持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，尤其東北地區(qū)，冬季長(zhǎng)達(dá)7～8個(gè)月.而冬季行車的最大安全隱患就是道路積雪和冰雪路面，尤其高速公路積雪對(duì)交通安全造成了極大的威脅，如果不及時(shí)清除積雪，很容易引發(fā)交通事故[1].除雪車的研制對(duì)于高效率的清除道路積雪有極為重要的意義.離心式除雪車應(yīng)用廣泛，在除雪車中是非常典型的一種車型，然而國(guó)產(chǎn)除雪車有功耗大，除雪效率低，出雪形狀松散等問題[2].本文通過對(duì)揚(yáng)雪筒內(nèi)流道進(jìn)行仿真模擬，分析不同結(jié)構(gòu)形狀下的內(nèi)流場(chǎng)從而提出相應(yīng)的優(yōu)化方案，使出雪口的出雪形狀更規(guī)則集中，同時(shí)又能減少離心風(fēng)機(jī)功耗的目的.

1 揚(yáng)雪筒結(jié)構(gòu)形狀分析

離心式除雪車在向前行進(jìn)時(shí)，集雪器將積雪傳遞進(jìn)離心風(fēng)機(jī)中，經(jīng)過葉片加速后進(jìn)入揚(yáng)雪筒中，被拋出車外.揚(yáng)雪筒的主要功能是用來控制揚(yáng)雪的方向，可以把雪揚(yáng)到指定的位置.使用揚(yáng)雪筒揚(yáng)雪時(shí)，由于雪和揚(yáng)雪筒內(nèi)壁的摩擦力，離心風(fēng)機(jī)功耗增加，所以我們要盡可能的通過優(yōu)化揚(yáng)雪筒的結(jié)構(gòu)形狀達(dá)到節(jié)能的目的.

圖1 揚(yáng)雪筒

揚(yáng)雪筒結(jié)構(gòu)如圖1所示.雪通過揚(yáng)雪筒時(shí)，只與上壁有接觸，故為了節(jié)約成本減輕整車重量，將揚(yáng)雪筒下壁設(shè)計(jì)為鏤空結(jié)構(gòu).揚(yáng)雪筒的橫截面為400 mm×420 mm，高為2 540 mm，如圖1所示分為四層結(jié)構(gòu)，不使用時(shí)可收藏放倒，不影響除雪車駕駛員的視線.

本文將從對(duì)比揚(yáng)雪管下壁面鏤空和封閉結(jié)構(gòu)的內(nèi)流場(chǎng)，以及對(duì)比出雪口折角處不同結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)來對(duì)揚(yáng)雪管的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化.

2 內(nèi)流道幾何模型的分析與建立

揚(yáng)雪筒的簡(jiǎn)化幾何模型如圖2所示.針對(duì)揚(yáng)雪筒內(nèi)流場(chǎng)復(fù)雜的流動(dòng)性，為方便仿真計(jì)算，對(duì)仿真環(huán)境進(jìn)行如下設(shè)定：

(1)除雪車行進(jìn)速度為3.5 m/s，為能使雪順利從揚(yáng)雪筒流出，經(jīng)模擬可知離心風(fēng)機(jī)的最佳出口速度為25～50 m/s；

(2)風(fēng)機(jī)的出口速度為揚(yáng)雪管入口速度，取50 m/s.內(nèi)流道流體介質(zhì)為空氣與雪粒子的混合物，根據(jù)除雪車實(shí)際工作環(huán)境，設(shè)定工作溫度為-18℃，積雪密度為179 kg/m3，粘滯系數(shù)為0.024 kg/(m·s)，雪粒子直徑取0.000 1 m，揚(yáng)雪管外圍環(huán)境大氣壓為101 325 Pa，空氣密度為1.185 kg/m3，粘滯系數(shù)為1.83e-5 kg/(m·s).流體介質(zhì)為不可壓縮；

圖2 揚(yáng)雪筒簡(jiǎn)化幾何模型

(3)忽略流體在流動(dòng)過程中的溫度變化，只對(duì)其速度壓力場(chǎng)的分布進(jìn)行研究；

(4)流體的重力加速度設(shè)定為9.81 m/s2；

(5)在流道的三維模型中設(shè)定專門的流體進(jìn)口和流體出口.

根據(jù)提供的揚(yáng)雪筒幾何模型，建立足夠大的大空間外流場(chǎng)計(jì)算域.通過ANSYS ICEM CFD軟件對(duì)計(jì)算域劃分全結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并在揚(yáng)雪管內(nèi)壁表面附近進(jìn)行網(wǎng)格加密，揚(yáng)雪筒內(nèi)流道計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格模型的網(wǎng)格單元數(shù)約為105萬(wàn)，計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格示意圖如圖3所示.

圖3 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格示意圖

3 數(shù)值模擬算法及邊界條件

本文主要研究空氣與雪?；旌衔镌趽P(yáng)雪管內(nèi)流動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及在揚(yáng)雪管出口處的各參數(shù)分布，由于揚(yáng)雪管入口速度較大，大于20 m/s，流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，因此本文選用k-ε湍流模型；同時(shí)考慮雪粒與空氣的氣固兩相流動(dòng)，因此計(jì)算時(shí)在多相流模型中選擇“Inhomogeneous Hydrodynamic Equations”即非均勻相兩相流模擬，此方法除將氣體視為連續(xù)相外，還將固體顆?？闯勺銐蛐〉牧Ｗ樱J(rèn)為一小團(tuán)流體就可以包含足夠多的固體顆粒，所以也可將固體顆粒視為連續(xù)的“偽流體”；在數(shù)值計(jì)算方法上，選用基于有限元的有限體積法，此種算法融合了有限體積法的守恒特性和有限元法的數(shù)值精確性[3]；壁面條件為光滑壁面，氣相固相均無(wú)滑移；計(jì)算收斂的控制條件為：當(dāng)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的物理量前后計(jì)算值殘差小于10-4則視為收斂.

主要考慮入口流體全部為雪粒的流動(dòng)情況，即入口流體雪粒的體積分?jǐn)?shù)為100%，雪粒入口速度范圍為30～50 m/s.本次模擬設(shè)置的邊界條件如下所示：

(1)揚(yáng)雪筒入口面設(shè)置為速度入口Velocity inlet；

(2)當(dāng)揚(yáng)雪筒鏤空時(shí)，鏤空面也設(shè)置為出口面，揚(yáng)雪筒出口面與外圍大氣環(huán)境是共用面，設(shè)置為Interface；

(3)揚(yáng)雪筒壁面設(shè)置為無(wú)滑移Wall；

(4)外圍壁面設(shè)置為壓力出口.

4 揚(yáng)雪筒不同結(jié)構(gòu)形狀的內(nèi)流場(chǎng)分析與優(yōu)化

用CFX對(duì)揚(yáng)雪筒內(nèi)流道流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果如圖4所示.圖4(a)中揚(yáng)雪筒下壁面鏤空處出現(xiàn)了明顯的渦流，這代表外部的空氣被倒吸進(jìn)揚(yáng)雪筒中，導(dǎo)致內(nèi)部流體流動(dòng)阻力大幅度增大，而空氣倒吸的能量是由離心風(fēng)機(jī)提供的，這就導(dǎo)致離心風(fēng)機(jī)功耗增大，除雪效率降低.從圖4(b)中可以看出，雪從揚(yáng)雪筒中被拋出后，速度分布不均勻，這就導(dǎo)致出雪形狀松散，出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象的原因是雪粒在揚(yáng)雪筒內(nèi)出現(xiàn)了速度分離.

(a)氣相速度矢量圖

(b)固相速度云圖

4.1 揚(yáng)雪筒下壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

由圖4可以看出，揚(yáng)雪筒下壁面的鏤空結(jié)構(gòu)不利于除雪.將揚(yáng)雪筒下壁面看成封閉結(jié)構(gòu)，出口面只有出雪口截面，用CFX進(jìn)行數(shù)值模擬與仿真的結(jié)果如圖5所示.從圖5(a)中可以看出，在其他參數(shù)不變的情況上，若將揚(yáng)雪筒下壁面封閉，則不會(huì)再?gòu)南卤诿骁U空花處倒吸空氣，這將大大降低流體流動(dòng)的阻力，離心風(fēng)機(jī)的功耗也將減小，除雪效率增加.從圖5(b)中可以看出，雪被拋出揚(yáng)雪筒之后，速度分布均勻，出口處雪較為集中，形狀規(guī)則.

(b)固相速度云圖

4.2 出雪口折角處的封閉結(jié)構(gòu)

綜合圖5可以看出，揚(yáng)雪筒下壁面封閉后不再出現(xiàn)空氣倒吸，卻導(dǎo)致流體在出雪口折角處固相出現(xiàn)了速度分離，氣相在出雪口出現(xiàn)渦流.出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象的原因是，在封閉出雪口折角處時(shí)過渡不圓滑，導(dǎo)致雪在折角處出現(xiàn)速度分離[4]，因此揚(yáng)雪筒內(nèi)折角附近出現(xiàn)局部負(fù)壓區(qū)，導(dǎo)致空氣從外部倒吸進(jìn)揚(yáng)雪筒，造成能量損失.將折角處改為圓角過渡方式，用CFX進(jìn)行數(shù)值模擬與仿真，結(jié)果如圖6所示.由圖6(a)可以看出，在揚(yáng)雪筒圓弧過渡處，固相仍舊出現(xiàn)速度分離，但區(qū)域較圖5(a)要小.由圖6(b)可以看出，固相在出雪口外的速度分布較圖5(b)更均勻.

(a)速度矢量圖

(b)速度分布圖

4.3 對(duì)比分析

為了驗(yàn)證改進(jìn)的效果，在其余參數(shù)不變的情況下，改變?nèi)肟谔幍乃俣?，分別對(duì)原始結(jié)構(gòu)和改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬，并分別記錄兩種結(jié)構(gòu)在不同入口速度下出口截面的固相速度和壓力差，整理成如下曲線圖，如圖7、圖8所示.由圖7可以看出，改進(jìn)后的出口平均速度較原始設(shè)計(jì)要小，如入口速度為40 m/s時(shí)，改進(jìn)設(shè)計(jì)的出口平均速度較原始設(shè)計(jì)要小7.7%，這也說明，雪粒固相在出口截面較原始設(shè)計(jì)要均勻流出.由圖8可以看出，改進(jìn)后的壓力差明顯要小于原始設(shè)計(jì)的壓力差，如在40 m/s時(shí)，改進(jìn)后較原始設(shè)計(jì)要小約19.4%，由于改進(jìn)后揚(yáng)雪筒內(nèi)流動(dòng)阻力減小，風(fēng)機(jī)所做的功就相應(yīng)減少，有利于降低離心風(fēng)機(jī)的功耗.

圖7 固相出口平均速度隨入口速度的變化曲線

圖8 揚(yáng)雪管內(nèi)流動(dòng)阻力隨入口速度的變化曲線

5 結(jié)論

在仿真實(shí)驗(yàn)中，通過對(duì)揚(yáng)雪筒內(nèi)流道進(jìn)行氣固兩相流的仿真分析可知，下壁面封閉并將出雪口拐角處改為圓角過渡的結(jié)構(gòu)較原始的鏤空結(jié)構(gòu)可以有效的改善空氣倒吸，降低流動(dòng)阻力，從而降低離心風(fēng)機(jī)的功耗，提高除雪效率，同時(shí)使出雪形狀集中而規(guī)則.

[1]張佳，張宇濤，肖萍，等. 除雪機(jī)械現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 機(jī)械工程師，2014(7):31- 32.

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Internal Flow Field Analysis and Structure Optimization of Snow Outlet Piping

SHI Zhihui,LIU Yanzhe,LI Li

(School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Aimed at the ruleless and loose shape of the removal snow that out of the existing centrifugal snow-clear machine, gas-solid two phase flow numerical simulation analysis of snow outlet piping internal flow field was provided by ANSYS CFX, and the conclusion of inner flow passage of gas-solid two phase flow is obtained by actual parameter analysis. The structure parameters of snow outlet piping are optimized based on the simulation results. Through the mechanical structure optimization of snow outlet piping, ensuring snow has a fairy standard shape when it is thrown out of snow outlet piping, reducing power consumption of snow throwing centrifugal fan device and improving the efficiency of throwing snow at the same time.

snow outlet piping; gas-solid two phase flow; numberical simulation; structure optimization

1673- 9590(2017)01- 0053- 04

2016- 01- 11

遼寧省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(LS2010023)

施志輝(1960-)，女，教授，碩士，主要從事數(shù)字化制造理論與技術(shù)研究

E-mail:shizhihui@163.com.

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