陳曉 龔艷 陳小兵 張曉 王果 繆友誼 劉德江

摘要：機(jī)械化高效施藥是目前對(duì)噴藥機(jī)械的基本要求，風(fēng)送植保機(jī)械被普遍使用，風(fēng)機(jī)是其中的關(guān)鍵部件，因此風(fēng)機(jī)的性能直接決定了植保機(jī)械的性能。采用正交試驗(yàn)方法對(duì)影響風(fēng)機(jī)的主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在FLUENT中對(duì)各個(gè)正交試驗(yàn)方案進(jìn)行分析得到，葉片數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響最大，葉片出口安裝角對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響最小。優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)方案與原風(fēng)機(jī)相比，風(fēng)機(jī)流量增加了3.92%，效率提高了17.07%。采用FLUENT對(duì)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行性能分析可以為優(yōu)化離心風(fēng)機(jī)性能提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：背負(fù)式噴霧噴粉機(jī);離心風(fēng)機(jī);葉輪;FLUENT;流場(chǎng)分析;正交試驗(yàn);優(yōu)化性能;最優(yōu)方案

中圖分類號(hào)： S49 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）16-0250-05

收稿日期：2018-03-29

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：2017YFD0200303）;江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（現(xiàn)代農(nóng)業(yè)）（編號(hào)：BE2016303）;現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)-西甜瓜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（編號(hào)：CARS-25）。

作者簡(jiǎn)介：陳 曉（1989—），女，山東德州人，碩士，研究實(shí)習(xí)員，主要從事植保施藥技術(shù)與裝備研究。

通信作者：龔 艷，碩士，研究員，主要從事植保施藥技術(shù)與裝備研究。Tel：（025）84346241;

背負(fù)式噴霧噴粉機(jī)是一種典型的小型植保機(jī)械，因其輕便、靈活、效率高的特點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于水稻、棉花、玉米、小麥、果樹等大面積農(nóng)作物病蟲害防治。背負(fù)式噴霧噴粉機(jī)的射程、霧化效果、噴量等關(guān)鍵指標(biāo)主要取決于離心風(fēng)機(jī)的性能。因此離心風(fēng)機(jī)是背負(fù)式噴霧噴粉機(jī)的關(guān)鍵部件，它的功用主要是產(chǎn)生高速氣流，將藥液破碎霧化或?qū)⑺幏鄞瞪?，并將之送向遠(yuǎn)方[1]。

背負(fù)式噴霧噴粉機(jī)上所使用的離心風(fēng)機(jī)均為小型高速離心風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)是風(fēng)送植保機(jī)械的核心部件，良好的風(fēng)機(jī)性能能夠提高霧滴噴灑的均勻性，提高沉積量，降低飄移量[2]。雖然目前存在的風(fēng)送式植保機(jī)械種類眾多，但是用于風(fēng)送式植保機(jī)械的風(fēng)機(jī)并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)送式植保機(jī)械具有射程遠(yuǎn)、霧化均勻、穿透性好、靶標(biāo)性好、霧滴飄移少等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于大田、果園等農(nóng)藥噴灑中[3]。配合不同的地理位置以及作物本身，風(fēng)送植保機(jī)械存在不同的種類。用于背負(fù)式噴霧噴粉機(jī)上的小型離心風(fēng)機(jī)由于轉(zhuǎn)速高等特點(diǎn)，離心風(fēng)機(jī)各個(gè)參數(shù)對(duì)其性能的影響并沒有明確的理論依據(jù)。因此針對(duì)不同的小型離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行流場(chǎng)分析以得到各個(gè)參數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)性能影響的研究很有必要。

1 離心風(fēng)機(jī)流場(chǎng)數(shù)值模擬

所有的流動(dòng)都必須滿足三大物理定律，即質(zhì)量守恒定律、動(dòng)力守恒定律以及能量守恒定律，相對(duì)應(yīng)地就可以得到對(duì)應(yīng)的質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程以及能量守恒方程。由于在離心風(fēng)機(jī)中不需要考慮傳熱問題，因此能量守恒方程不需要考慮在其中。

FLUENT中提供的湍流模型種類很多，但是目前還沒有適用于各種流動(dòng)的湍流模型，因此要根據(jù)實(shí)際解決的問題及其對(duì)精確度的要求選擇合適的湍流模型?？紤]到風(fēng)機(jī)實(shí)際的工作情況，本研究的湍流模型選擇為K-ε模型。K-ε模型又分為標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型、重整化（RNG） K-ε模型以及可實(shí)現(xiàn)K-ε模型。綜合考慮風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的實(shí)際情況，最終選擇K-ε模型中的可實(shí)現(xiàn)K-ε模型為本研究所用的湍流模型。

FLUENT中提供了多種壁面函數(shù)處理方法，例如標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法、非平衡壁面函數(shù)法以及增強(qiáng)壁面處理。標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法利用對(duì)數(shù)校正法提供了所必需的壁面邊界條件。考慮到離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，本研究選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法作為分析方法。

在流體流動(dòng)中建立的基本方程為偏微分方程，在理論上可以求得其解。但是由于問題本身的復(fù)雜性，并不易得到它們的解析解或者近似解析解。因此在FLUENT中出現(xiàn)了離散化的概念，離散化就是將無限空間中的有效個(gè)體映射到有限的空間中。離散化的目的是將連續(xù)的偏微分方程組及其定解條件按照特定的規(guī)則在計(jì)算區(qū)域的離散網(wǎng)格上轉(zhuǎn)換為代數(shù)方程，以得到連續(xù)系統(tǒng)的離散數(shù)值逼近解。在FLUENT中可以將控制方程的離散方法分為有限差分法、有限元法和有限體積法，本研究選擇的是有限體積法。

SIMPLE算法在1972年被提出并得到廣泛的應(yīng)用，是計(jì)算不可壓流場(chǎng)的主要方法，是后來對(duì)其算法進(jìn)行改進(jìn)與發(fā)展的基礎(chǔ)。SIMPLEC算法的基本思想與SIMPLE算法一致，但是對(duì)通量的修正方法進(jìn)行了改進(jìn)，加快了收斂速度。本研究中求解算法采用的是SIMPLEC算法。

在FLUENT中通常認(rèn)為殘差小于10-3時(shí)為收斂，因此在對(duì)離心風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析時(shí)，對(duì)變量的監(jiān)控指標(biāo)設(shè)定為10-3。

2 離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)模擬結(jié)果分析

2.1 離心風(fēng)機(jī)模型的建立

本研究的離心風(fēng)機(jī)主要被應(yīng)用在背負(fù)式噴霧噴粉機(jī)上，因此采用前向葉輪和前彎式葉片。在Pro/ENGINEER軟件中利用特征創(chuàng)建命令，完成風(fēng)機(jī)各個(gè)零部件的三維模型構(gòu)建。

本研究進(jìn)行離心風(fēng)機(jī)三維建模時(shí)，以型號(hào)為6HWF-20的背負(fù)式噴霧噴粉機(jī)上配備的離心風(fēng)機(jī)為基礎(chǔ)，對(duì)風(fēng)機(jī)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行單因素和多因素的優(yōu)化。6HWF-20上配備的離心風(fēng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

在Proe軟件中構(gòu)建的葉輪三維模型如圖1所示。

2.2 離心風(fēng)機(jī)的前處理

對(duì)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行FLUENT分析時(shí)，首先應(yīng)在GAMBIT中完成前處理。前處理主要包括網(wǎng)格的生成以及邊界條件的確定。

FLUENT中使用的是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)，主要的網(wǎng)格單元形式為二維的四邊形和三角形單元、三維的四面體核心單元以及六面體核心單元、棱柱和多面體單元。GAMBIT中的3D網(wǎng)格有3種，分別為Hex（六面體）網(wǎng)格、Hex/Wedge（六面體/楔形）網(wǎng)格以及Tet/Hybrid（四面體/混合形式）網(wǎng)格。風(fēng)機(jī)模型采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法，GAMBIT中劃分的網(wǎng)格如圖2、圖3所示。

離心風(fēng)機(jī)的邊界條件：設(shè)置風(fēng)機(jī)的入口邊界為速度進(jìn)口（VELOCITY INLET）;蝸殼的出口為壓力出口（PRESSURE OUTLET）;將進(jìn)口流道和葉輪流道相重合的面以及葉輪流道和蝸殼流道相互重合的面定義為交界面（INTERFACE）;將其余的面定義為壁面（WALL）;分別定義葉輪部分和蝸殼部分為流體介質(zhì)（FLUID），這樣就確定了動(dòng)域和靜域。

2.3 離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)分析

在FLUENT中完成交界面的建立，并進(jìn)行網(wǎng)格檢查，以保證網(wǎng)格檢查成功。在網(wǎng)格檢查成功后，按照“2.2”節(jié)中所提到的前處理完成設(shè)置。設(shè)定離心風(fēng)機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速為 5 000 r/min，完成初始化后對(duì)離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口速度、風(fēng)機(jī)靜壓、動(dòng)壓、全壓進(jìn)行計(jì)算。

圖4為離心風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為5 000 r/min下的速度矢量分布，可以看出，蝸殼內(nèi)的絕對(duì)速度分布比較好，但葉輪內(nèi)的速度在工作面上形成了低速區(qū)。風(fēng)機(jī)葉道間的流動(dòng)速度是不同

的，在靠近蝸殼出口處的葉道內(nèi)流速明顯比其他遠(yuǎn)離蝸殼出口的區(qū)域高。圖5為出口處的速度分布，其分布規(guī)律為從蝸殼外側(cè)到中心（0.1 m左右處）整體先減小后增大，靠近蝸殼外側(cè)處的速度偏高。圖6為風(fēng)機(jī)出口處的速度分布，在蝸殼外側(cè)處的速度較高，而且在蝸舌附近存在渦流，靠近蝸舌的葉片周圍也存在渦流現(xiàn)象。

圖7、圖8、圖9分別為在FLUENT中模擬所得到的風(fēng)機(jī)靜壓、 動(dòng)壓和全壓分布，可以看出，風(fēng)機(jī)的動(dòng)壓和全壓分布圖

相似，風(fēng)機(jī)的全壓主要是動(dòng)壓，在靠近蝸殼出口處的葉輪全壓和動(dòng)壓都要高于葉輪的其他區(qū)域。蝸殼內(nèi)部的靜壓較高，以旋轉(zhuǎn)軸為中心，除去靠近蝸殼出口處的葉輪一側(cè)，其他部分都是越靠近蝸殼外側(cè)，靜壓越高，靠近蝸舌處的壓力也較高。

在FLUENT中打開質(zhì)量流量報(bào)告可以得出，進(jìn)出口的質(zhì)量流量誤差很小，質(zhì)量流量是守恒的，且此風(fēng)機(jī)模型在模擬中，出口的流量顯示為0.461 kg/s，轉(zhuǎn)換為容積流量為 0.357 m3/s，風(fēng)機(jī)出口處的全壓值為5 016.55 Pa。

2.4 離心風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

影響離心風(fēng)機(jī)性能的關(guān)鍵部件為葉輪，而葉輪的性能主要取決于其結(jié)構(gòu)參數(shù)，葉片數(shù)量、葉片進(jìn)口安裝角、葉片出口安裝角和葉片厚度對(duì)風(fēng)機(jī)的性能都會(huì)產(chǎn)生影響[4]。但葉輪各個(gè)參數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響不同，?因此采用正交試驗(yàn)方法對(duì)

影響風(fēng)機(jī)性能的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行比較。

在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中必須明確3個(gè)概念：因素、水平和指標(biāo)。因素是指影響試驗(yàn)結(jié)果的不同原因。水平是指一個(gè)因素由于條件的變化而取的不同數(shù)值。指標(biāo)是指優(yōu)化的目標(biāo)。風(fēng)機(jī)的效率是反映風(fēng)機(jī)性能優(yōu)劣的指標(biāo)[5]，本研究選擇風(fēng)機(jī)的全壓效率作為正交試驗(yàn)的指標(biāo)。全壓效率的公式為

η=P×QN。

式中：P為離心風(fēng)機(jī)的全壓，Pa;Q為離心風(fēng)機(jī)的流量，m3/s;N為離心風(fēng)機(jī)的軸輸入功率，W。在本研究中為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將N作為常量處理，則可以采用P×Q的值代表效率，因此以?P×Q 作為效率判斷的標(biāo)準(zhǔn)。

由于在背負(fù)式噴霧噴粉機(jī)上用的離心風(fēng)機(jī)多為前彎式風(fēng)機(jī)，因此出口安裝角β2A一般的取值范圍為110°～170°;一般前彎葉片數(shù)Z的取值范圍為16～32張，但是強(qiáng)前彎葉輪的葉片數(shù)取值范圍為32～64張;進(jìn)口安裝角β1A的取值范圍為>60°，葉片厚度在理論上沒有限定取值范圍。根據(jù)各個(gè)參數(shù)的取值范圍，在正交試驗(yàn)優(yōu)化方案中各個(gè)參數(shù)的取值為葉片數(shù)：Z=26、32、38張;進(jìn)口安裝角：β1A=73°、82°、90°;出口安裝角：β2A=145°、153°、161°;葉片厚度：δ=1、2、4 mm，其他參數(shù)與最原始的風(fēng)機(jī)參數(shù)一致。根據(jù)影響風(fēng)機(jī)性能的4個(gè)因素及其對(duì)應(yīng)的3個(gè)水平，進(jìn)行L9（34）正交試驗(yàn)（表2、表3）。

通過正交試驗(yàn)表確定風(fēng)機(jī)的優(yōu)化方案，對(duì)相應(yīng)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行建模，并導(dǎo)入FLUENT中進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表4所示。

在優(yōu)化目標(biāo)中，首要的目標(biāo)是效率，以流量作為參考目標(biāo)。表5為各因素在同一水平上評(píng)價(jià)指標(biāo)Q×P的均值，其中R表示極差，為同一因素水平下最大值與最小值的差值。極差的大小表示該因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響程度，極差值越大，則該因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響越大[6]。

從極差可以看出，4個(gè)因素對(duì)風(fēng)機(jī)效率的影響主次關(guān)系為A>D>B>C，即對(duì)風(fēng)機(jī)效率這個(gè)指標(biāo)來說，對(duì)其影響程度從大到小依次為葉片數(shù)、葉片厚度、葉片進(jìn)口安裝角以及葉片出口安裝角。

以風(fēng)機(jī)效率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，A2D1B3C1為最優(yōu)組合，在表3中沒有該方案，因此對(duì)該方案進(jìn)行模擬驗(yàn)證，記為方案10。在該方案中，風(fēng)機(jī)的葉片數(shù)為32張，進(jìn)口安裝角為90°，出口安裝角為145°，葉片厚度為1 mm。對(duì)該方案下所使用的風(fēng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行建模，在FLUENT中進(jìn)行模擬分析。

圖10、圖11分別為方案10的速度矢量分布、風(fēng)機(jī)出口速度矢量分布。從風(fēng)機(jī)出口的速度矢量圖中可以看出，在蝸舌處存在渦流現(xiàn)象。圖12為方案10的風(fēng)機(jī)出口速度與原風(fēng)機(jī)出口速度，其中v1代表的是原風(fēng)機(jī)出口速度，v2代表的是方案10的風(fēng)機(jī)出口速度。從比較圖中可以看出，方案10的

風(fēng)機(jī)出口速度在蝸殼出口處遠(yuǎn)離葉輪的一側(cè)值比原風(fēng)機(jī)高。但是在靠近葉輪的蝸殼側(cè)方案10的風(fēng)機(jī)速度變化幅度比原風(fēng)機(jī)大。

圖13、圖14為方案10的風(fēng)機(jī)靜壓分布和全壓分布，可以看出，靜壓和全壓相較原始風(fēng)機(jī)都有所增加。在FLUENT中進(jìn)行模擬分析的結(jié)果如下：風(fēng)機(jī)的流量為0.371 m3/s，全壓為5 651.44 Pa，P×Q的結(jié)果為2 096.68。表6所示為風(fēng)機(jī)優(yōu)化前后性能。

從表6可以看出，方案10與原風(fēng)機(jī)相比，風(fēng)機(jī)流量增加了3.92%，效率提高了17.07%。風(fēng)機(jī)流量和效率都有了提升。方案10和方案4相比， 雖然風(fēng)機(jī)流量有了輕微下降， 但是下降幅度小，可以忽略，效率提高了1.21%，由于提高效率是優(yōu)化的主要目標(biāo)，因此認(rèn)為方案10為最優(yōu)方案。

3 結(jié)論

離心風(fēng)機(jī)是小型植保機(jī)械背負(fù)式噴霧噴粉機(jī)上的關(guān)鍵部件，其性能直接影響到背負(fù)式噴霧噴粉機(jī)的霧化效果、穿透性能等[7]。通過對(duì)離心風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析優(yōu)化，可從側(cè)面提高背負(fù)式噴霧噴粉機(jī)的性能。采用正交試驗(yàn)法對(duì)影響風(fēng)機(jī)中葉輪性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，主要得到以下結(jié)論：（1）FLUENT分析可以較為準(zhǔn)確地表示出離心風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)特征;（2）正交試驗(yàn)方法可以減少風(fēng)機(jī)優(yōu)化試驗(yàn)時(shí)的方案，能夠準(zhǔn)確地描述出各個(gè)因素對(duì)風(fēng)機(jī)性能影響的結(jié)果;（3）通過正交試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)風(fēng)機(jī)性能影響最大的是葉片數(shù)量，其次是葉片厚度，葉片的出口安裝角對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響最小。

雖然通過正交試驗(yàn)方法對(duì)風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行了優(yōu)化，但是優(yōu)化結(jié)果仍然需要試驗(yàn)驗(yàn)證，運(yùn)用FLUENT對(duì)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行分析，為優(yōu)化風(fēng)機(jī)性能提供了有效的數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周海燕，楊炳南，嚴(yán)荷榮，等. 我國(guó)高效植保機(jī)械應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展展望[J]. 農(nóng)業(yè)工程，2014，4（6）：4-6.

[2]魯渝北，張義云，祁大同，等. 離心通風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)部三維流動(dòng)的測(cè)量和分析[J]. 應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2002，19（3）：109-115.

[3]羅 凱，羅 鑫，黃 闖，等. 基于Fluent的多翼式離心風(fēng)機(jī)性能分析[J]. 流體機(jī)械，2014，42（7）：25-29.

[4]孫泳鋒，趙 軍，高 杰，等. 不同前盤結(jié)構(gòu)形式多翼離心風(fēng)機(jī)性能對(duì)比研究[J]. 流體機(jī)械，2014，42（1）：30-35，16.

[5]唐家鵬. FLUENT 14.0超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)[M]. 北京：人民郵電出版社，2013，30-31.

[6]徐長(zhǎng)棱，毛義軍，李 凱，等. 離心通風(fēng)機(jī)整機(jī)三維流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J]. 風(fēng)機(jī)技術(shù)，2005（5）：1-4.

[7]陳 魁. 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析[M]. 2版.北京：清華大學(xué)出版社，2005.