吳亮亮，李英釵，檀海斌，蘭印超，石學(xué)萍

(國家半干旱農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，石家莊 050000)

逆向工程(Reverse Engineering, RE)又稱逆向設(shè)計(jì)或反求工程，是將現(xiàn)有產(chǎn)品轉(zhuǎn)化成工程技術(shù)模型和概念模型，進(jìn)而進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng)造的過程。近些年，隨著技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，逆向工程作為一種新型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，因其在吸收國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)、縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)周期和降低成本等方面具有明顯的優(yōu)勢，而被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、醫(yī)療、模具、雕刻等工業(yè)領(lǐng)域[1,2]。

隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程的逐步深入和推進(jìn)，農(nóng)業(yè)機(jī)械正逐步向大型化、自動(dòng)化、精密化方向發(fā)展，這對農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)提出了更高的要求?；旆蕯嚢柩b置作為自動(dòng)灌溉施肥系統(tǒng)的重要組成部分，其關(guān)鍵部件攪拌器的設(shè)計(jì)、應(yīng)用、優(yōu)化選型和攪拌效果評價(jià)目前還主要是依靠工程師的經(jīng)驗(yàn)，缺乏相應(yīng)的理論作為指導(dǎo)[3]，嚴(yán)重制約了我國農(nóng)業(yè)智能水肥一體化技術(shù)的進(jìn)一步深入和推廣。

本文以目前應(yīng)用最為廣泛的混肥攪拌器-三葉推進(jìn)攪式拌器為研究對象，基于逆向工程，對具有復(fù)雜曲面的攪拌器葉片進(jìn)行逆向重構(gòu)，并通過先進(jìn)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件對攪拌器性能進(jìn)行數(shù)值模擬，旨在為灌溉施肥系統(tǒng)的混肥攪拌裝置的應(yīng)用和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 基于逆向工程攪拌器葉片重構(gòu)

1.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

本文選用3DX-II兩目標(biāo)準(zhǔn)型非接觸式面掃描儀對混肥攪拌裝置中應(yīng)用最為廣泛的三葉式旋轉(zhuǎn)攪拌器進(jìn)行掃描，掃描儀精度0.01 mm。攪拌器葉片材質(zhì)為不銹鋼，需在其表面噴涂一層很薄的白色噴漆后，再噴少量顯像劑，最后在特征位置粘貼定位點(diǎn)，攪拌器葉片處理如圖1所示；通過掃描得到攪拌器葉片點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖1 攪拌器葉片處理

圖2 攪拌器葉片點(diǎn)云數(shù)據(jù)

1.2 攪拌器葉片模型重構(gòu)及偏差分析

基于逆向工程研究流程主要分為3個(gè)階段：首先對掃描設(shè)備采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，生成STL格式的模型文件可直接用于快速成型；然后利用專業(yè)的逆向建模軟件，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合以生成三維實(shí)體模型；最后把三維實(shí)體模型導(dǎo)入CAE/CFD有限元軟件中進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能的預(yù)測和結(jié)構(gòu)的再設(shè)計(jì)，其流程圖如圖3所示。

圖3 逆向工程研究流程

圖4為攪拌器葉片逆向重構(gòu)模型，為了獲取重構(gòu)模型的精度情況，通過逆向建模軟件中自帶的偏差分析模塊對重構(gòu)模型與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差分析，設(shè)定偏差上下線為±0.1 mm[4, 5]，軟件自動(dòng)計(jì)算擬合曲面和原始數(shù)據(jù)之間的偏差并通過云圖顯示，結(jié)果如圖5所示，攪拌器葉片95%以上面積區(qū)域偏差都小于0.1 mm(圖中深色顯示區(qū)域表示在設(shè)定偏差范圍以內(nèi))，因此，利用該方法構(gòu)建的攪拌器葉片模型精度較高。

圖4 攪拌器葉片逆向重構(gòu)模型

圖5 偏差分析云圖

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算域建模及網(wǎng)格劃分

基于攪拌器葉片重構(gòu)實(shí)體模型，通過ICEM軟件對攪拌器流場計(jì)算域建模，如圖6所示：其中攪拌槽直徑D=800 mm，液面高度取H=D，攪拌槳直徑d=300 mm，攪拌軸直徑d0=16 mm。本研究采用多重參考系模型(MRF)[6, 7]，把槳葉及其附近流體區(qū)域定義為運(yùn)動(dòng)區(qū)域，采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系；其他區(qū)域定義為靜止區(qū)域，采用靜止坐標(biāo)系；兩部分通過設(shè)置interface邊界以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。由于攪拌器葉片區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并對攪拌器葉片區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，最終網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為805 779個(gè)，如圖7所示。

圖6 攪拌器整體計(jì)算域

圖7 攪拌器非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

2.2 物理模型和邊界條件

利用Fluent17.0學(xué)術(shù)版軟件實(shí)現(xiàn)混肥攪拌器攪拌性能的CFD仿真。本研究對象為尿素顆粒和水的混合物，顆粒平均直徑1 mm，密度1 332 kg/m3[8]，固體相體積分?jǐn)?shù)取10%(灌溉施肥過程中肥水混合的質(zhì)量比一般為1∶10，即50 kg的尿素與500 L的水進(jìn)行混合)。本研究選用多相流模型中比較嚴(yán)格的雙歐拉多相流模型，將多相流視為相互滲透的連續(xù)介質(zhì)[9, 10]，在隱士壓力求解器環(huán)境下進(jìn)行模擬；湍流模型選用對高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)可更好處理的RNGk-ε模型，其具體控制方程見文獻(xiàn)[11]，壓力速度耦合方式選用Phase Coupled SIMPLE算法，所有變量均采用一階迎風(fēng)差分格式進(jìn)行離散，設(shè)置收斂精度10-3。

邊界條件設(shè)置：攪拌槽體壁面設(shè)置為靜止壁面，壁面函數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)型壁面函數(shù)，攪拌軸壁面和攪拌槳壁面設(shè)置為運(yùn)動(dòng)壁面，攪拌速度設(shè)置為130 r/min(攪拌裝置配套電機(jī)功率0.75 kW，廠家建議攪拌速度130 r/min)，自由液面設(shè)置為對稱壁面約束條件，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬。

3 結(jié)果分析

在攪拌速度130 r/min，槳葉離攪拌槽底距離200 mm的情況下，攪拌槽內(nèi)流體速度分布情況如圖8所示。在攪拌作用下攪拌槽內(nèi)流體獲得切向速度，在橫截面上繞攪拌軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖8(a)所示；速度大小呈中間大、兩頭小的趨勢分布，靠近攪拌槽壁面的速度近乎為零，切向速度最大值在攪拌槳葉片端部位置附近。如圖8(b)所示，在攪拌作用下攪拌槽內(nèi)流體獲得較大的軸流速度，在槽內(nèi)軸截面形成一個(gè)完整的主循環(huán)區(qū)域，整體循環(huán)效果明顯；在攪拌器下方形成錐形的弱循環(huán)區(qū)域，弱循環(huán)區(qū)域的存在不利于固體顆粒的懸浮和溶解，會造成固體顆粒在攪拌槽底部大量堆積，因此，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量減小這部分區(qū)域的影響范圍。

圖8 攪拌槽內(nèi)流體速度分布情況圖

圖9為固體體積分布云圖，從圖9可明顯看出：在攪拌速度130 r/min，攪拌器底端距攪拌槽槽底距離200 mm情況下，攪拌槽底部固體顆粒大量堆積，整體攪拌混合效果不好，不足以滿足水肥一體化對肥液濃度均勻性的要求。

圖9 固體體積分布云圖

4 不同工況下混合效果對比分析

4.1 不同攪拌速度對混合效果的影響

保證槳葉離槽底距離h=200 mm不變，分別對攪拌速度N=130、180、300和380 r/min 4種情況下進(jìn)行計(jì)算。隨著攪拌速度從130 r/min增加到380 r/min，攪拌槽內(nèi)流體具有的切向速度和軸向速度都隨之增大，攪拌槽內(nèi)固體體積分?jǐn)?shù)分布趨于均勻，混合效果得到改善，但槳葉下方仍然存在固體顆粒堆積區(qū)域(固體體積分?jǐn)?shù)數(shù)值很高的區(qū)域)，見圖10。如圖11所示，隨攪拌速度的增加，固體堆積范圍減小，混合效果得到改善，但攪拌槽底固體顆粒堆積區(qū)域并不能完全消除；并且隨著攪拌速度的增加，攪拌功率亦增大，即耗能增加。

圖10 不同攪拌速度下流體速度分布曲線圖

圖11 不同攪拌速度下攪拌槽內(nèi)固體體積分布云圖

4.2 不同槳葉離底高度對混合效果的影響

保證攪拌速度N=300 r/min不變，槳葉離底距離分別取h=80 mm=D/10、120、160和200 mm 4種情況，得到攪拌槽內(nèi)流型圖和固相體積分布圖，如圖12和圖13所示。軸向流主要對流體起循環(huán)作用，對流體的整體混合效果起著至關(guān)重要的作用[12,13]。從圖12和圖13可明顯看出，隨槳葉離底高度的降低攪拌槽內(nèi)流體軸向速度大小基本不變，主循環(huán)區(qū)域整體下移，槳葉下方形成的弱循環(huán)區(qū)域范圍減小，攪拌槽底部錐形堆積區(qū)域范圍逐漸減小并并消失。當(dāng)槳葉距底距離為80 mm時(shí)，槽內(nèi)最大固相體積分?jǐn)?shù)為36%，主要存在于攪拌槽壁面附近及邊角處位置，整體混合效果良好。

圖12 不同槳葉離底高度下攪拌槽內(nèi)流場分布矢量圖

考慮到槳葉離底高度減小，攪拌槽頂液面附近區(qū)域流體速度減小，混合效果減弱，這將不利于槽內(nèi)整體混合效果的提高；一般水肥混合初始狀態(tài)，固體肥料顆粒沉積在攪拌槽底高度位置80～100 mm處。因此，槳葉離底高度不能太小，綜合考慮各因素的影響，槳葉離底高度h=120 mm適宜。

5 結(jié) 語

(1)基于逆向工程，利用非接觸式面三維掃描儀對攪拌器葉片進(jìn)行掃描，在采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對其模型進(jìn)行重構(gòu)及偏差分析，結(jié)果顯示：攪拌器葉片重構(gòu)模型90%以上的區(qū)域精度達(dá)到0.1 mm以內(nèi)，模型精度較高。

圖13 不同槳葉離底高度下攪拌槽內(nèi)固體體積分?jǐn)?shù)分布云圖

(2)在攪拌器逆向重構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，通過學(xué)術(shù)版軟件Fluent17.0對攪拌器性能進(jìn)行CFD仿真，結(jié)果顯示：在攪拌作用下槽內(nèi)流體一方面具有切向速度繞攪拌軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；另一方面攪拌槽內(nèi)流體獲得較大的軸流速度，在軸截面形成一個(gè)完整的主循環(huán)區(qū)域，整體循環(huán)效果明顯；在攪拌器下方形成錐形的弱循環(huán)區(qū)域，弱循環(huán)區(qū)域的存在不利于固體顆粒的懸浮和溶解，會造成固體顆粒在攪拌槽底部大量堆積。

(3)隨著攪拌速度的增加，槽底固體顆粒堆積區(qū)域范圍減小，混合效果得到改善，但固體顆粒堆積區(qū)并沒有完全消除；并且隨著攪拌速度的增加，攪拌功率亦增大，即耗能增加。

(4)當(dāng)攪拌速度300 r/min保持不變，隨著槳葉離槽底高度的減小，攪拌器的混合效果得到了明顯的改善。當(dāng)h=80=D/10時(shí)，槽底固體堆積區(qū)完全消失，但綜合考慮攪拌器實(shí)際應(yīng)用情況，選擇h=120 mm。為混肥攪拌器的實(shí)際應(yīng)用和優(yōu)化選型提供了一定的參考依據(jù)