基于FLUENT的离心风机性能优化

陈㊀晓ꎬ龚㊀艳ꎬ陈小兵ꎬ等.基于ＦＬＵＥＮＴ的离心风机性能优化[Ｊ].江苏农业科学ꎬ２０１９ꎬ４７(１６):２５０－２５４.

ｄｏｉ:１０.１５８８９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００２－１３０２.２０１９.１６.０５５

基于ＦＬＵＥＮＴ的离心风机性能优化

陈㊀晓ꎬ龚㊀艳ꎬ陈小兵ꎬ张㊀晓ꎬ王㊀果ꎬ缪友谊ꎬ刘德江

(农业部南京农业机械化研究所ꎬ江苏南京２１００１４)

㊀㊀摘要:机械化高效施药是目前对喷药机械的基本要求ꎬ风送植保机械被普遍使用ꎬ风机是其中的关键部件ꎬ因此风

机的性能直接决定了植保机械的性能ꎮ采用正交试验方法对影响风机的主要参数进行优化ꎬ在ＦＬＵＥＮＴ中对各个正交试验方案进行分析得到ꎬ叶片数对风机性能的影响最大ꎬ叶片出口安装角对风机性能的影响最小ꎮ优化后的风机方案与原风机相比ꎬ风机流量增加了３.９２％ꎬ效率提高了１７.０７％ꎮ采用ＦＬＵＥＮＴ对离心风机进行性能分析可以为优化离心风机性能提供理论依据ꎮ

㊀㊀关键词:背负式喷雾喷粉机ꎻ离心风机ꎻ叶轮ꎻＦＬＵＥＮＴꎻ流场分析ꎻ正交试验ꎻ优化性能ꎻ最优方案㊀㊀中图分类号:Ｓ４９㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀文章编号:１００２－１３０２(２０１９)１６－０２５０－０５收稿日期:２０１８－０３－２９

基金项目:国家重点研发计划(编号:２０１７ＹＦＤ０２００３０３)ꎻ江苏省重点研发计划(现代农业)(编号:ＢＥ２０１６３０３)ꎻ现代农业产业技术体系建设专项－西甜瓜产业技术体系(编号:ＣＡＲＳ－２５)ꎮ

作者简介:陈㊀晓(１９８９ )ꎬ女ꎬ山东德州人ꎬ硕士ꎬ研究实习员ꎬ主要从事植保施药技术与装备研究ꎮＥ－ｍａｉｌ:ｃｈｅｎｘｉａｏ６１０５＠１６３.ｃｏｍꎮ通信作者:龚㊀艳ꎬ硕士ꎬ研究员ꎬ主要从事植保施药技术与装备研究ꎮＴｅｌ:(０２５)８４３４６２４１ꎻＥ－ｍａｉｌ:ｎｎｎＧｏｎｇｙａｎ＠ｑｑ.ｃｏｍꎮ

㊀㊀背负式喷雾喷粉机是一种典型的小型植保机械ꎬ因其轻

便㊁灵活㊁效率高的特点已被广泛应用于水稻㊁棉花㊁玉米㊁小麦㊁果树等大面积农作物病虫害防治ꎮ背负式喷雾喷粉机的射程㊁雾化效果㊁喷量等关键指标主要取决于离心风机的性能ꎮ因此离心风机是背负式喷雾喷粉机的关键部件ꎬ它的功

用主要是产生高速气流ꎬ将药液破碎雾化或将药粉吹散ꎬ并将之送向远方[１]ꎮ

背负式喷雾喷粉机上所使用的离心风机均为小型高速离

心风机ꎮ风机是风送植保机械的核心部件ꎬ良好的风机性能能够提高雾滴喷洒的均匀性ꎬ提高沉积量ꎬ降低飘移量[２]ꎮ虽然目前存在的风送式植保机械种类众多ꎬ但是用于风送式植保机械的风机并没有统一标准ꎮ风送式植保机械具有射程远㊁雾化均匀㊁穿透性好㊁靶标性好㊁雾滴飘移少等特点ꎬ因此被广泛应用于大田㊁果园等农药喷洒中[３]ꎮ配合不同的地理

位置以及作物本身ꎬ风送植保机械存在不同的种类ꎮ用于背负式喷雾喷粉机上的小型离心风机由于转速高等特点ꎬ离心风机各个参数对其性能的影响并没有明确的理论依据ꎮ因此针对不同的小型离心风机进行流场分析以得到各个参数对风机性能影响的研究很有必要ꎮ１㊀离心风机流场数值模拟

所有的流动都必须满足三大物理定律ꎬ即质量守恒定律㊁动力守恒定律以及能量守恒定律ꎬ相对应地就可以得到对应的质量守恒方程㊁动量守恒方程以及能量守恒方程ꎮ由于在离心风机中不需要考虑传热问题ꎬ因此能量守恒方程不需要考虑在其中ꎮ

ＦＬＵＥＮＴ中提供的湍流模型种类很多ꎬ但是目前还没有

适用于各种流动的湍流模型ꎬ因此要根据实际解决的问题及其对精确度的要求选择合适的湍流模型ꎮ考虑到风机实际的工作情况ꎬ本研究的湍流模型选择为Ｋ－ε模型ꎮＫ－ε模型又分为标准Ｋ－ε模型㊁重整化(ＲＮＧ)Ｋ－ε模型以及可实现Ｋ－ε模型ꎮ综合考虑风机运动的实际情况ꎬ最终选择Ｋ－ε模型中的可实现Ｋ－ε模型为本研究所用的湍流模型ꎮ

ＦＬＵＥＮＴ中提供了多种壁面函数处理方法ꎬ例如标准壁

面函数法㊁非平衡壁面函数法以及增强壁面处理ꎮ标准壁面函数法利用对数校正法提供了所必需的壁面边界条件ꎮ考虑到离心风机内部的结构比较复杂ꎬ本研究选择标准壁面函数法作为分析方法ꎮ

在流体流动中建立的基本方程为偏微分方程ꎬ在理论上可以求得其解ꎮ但是由于问题本身的复杂性ꎬ并不易得到它们的解析解或者近似解析解ꎮ因此在ＦＬＵＥＮＴ中出现了离散化的概念ꎬ离散化就是将无限空间中的有效个体映射到有限的空间中ꎮ离散化的目的是将连续的偏微分方程组及其定解条件按照特定的规则在计算区域的离散网格上转换为代数方程ꎬ以得到连续系统的离散数值逼近解ꎮ在ＦＬＵＥＮＴ中可以将控制方程的离散方法分为有限差分法㊁有限元法和有限体积法ꎬ本研究选择的是有限体积法ꎮ

ＳＩＭＰＬＥ算法在１９７２年被提出并得到广泛的应用ꎬ是计

算不可压流场的主要方法ꎬ是后来对其算法进行改进与发展的基础ꎮＳＩＭＰＬＥＣ算法的基本思想与ＳＩＭＰＬＥ算法一致ꎬ但是对通量的修正方法进行了改进ꎬ加快了收敛速度ꎮ本研究中求解算法采用的是ＳＩＭＰＬＥＣ算法ꎮ

在ＦＬＵＥＮＴ中通常认为残差小于１０－３时为收敛ꎬ因此在对离心风机的内部流场进行分析时ꎬ对变量的监控指标设定为１０－３ꎮ

２㊀离心风机内部流场模拟结果分析２.１㊀离心风机模型的建立

本研究的离心风机主要被应用在背负式喷雾喷粉机上ꎬ

因此采用前向叶轮和前弯式叶片ꎮ在Ｐｒｏ/ＥＮＧＩＮＥＥＲ软件

中利用特征创建命令ꎬ完成风机各个零部件的三维模型构建ꎮ本研究进行离心风机三维建模时ꎬ以型号为６ＨＷＦ－２０的背负式喷雾喷粉机上配备的离心风机为基础ꎬ对风机的各个参数进行单因素和多因素的优化ꎮ６ＨＷＦ－２０上配备的离心风机主要结构参数如表１所示ꎮ

表１　离心风机主要结构参数

名称符号尺寸叶轮进口直径(ｍｍ)Ｄ０１５８

叶片进口直径(ｍｍ)Ｄ１１６６

叶轮外径(ｍｍ)Ｄ２２２２

叶片数(张)Ｚ３２张

叶片进口安装角(ʎ)β１Ａ７３

叶片出口安装角(ʎ)β２Ａ１５３

叶片出口宽度(ｍｍ)ｂ２３６㊀㊀在Ｐｒｏｅ软件中构建的叶轮三维模型如图１所示ꎮ

２.２㊀离心风机的前处理

对离心风机进行ＦＬＵＥＮＴ分析时ꎬ首先应在ＧＡＭＢＩＴ中完成前处理ꎮ前处理主要包括网格的生成以及边界条件的确定ꎮ

ＦＬＵＥＮＴ中使用的是非结构化网格技术ꎬ主要的网格单元形式为二维的四边形和三角形单元㊁三维的四面体核心单元以及六面体核心单元㊁棱柱和多面体单元ꎮＧＡＭＢＩＴ中的３Ｄ网格有３种ꎬ分别为Ｈｅｘ(六面体)网格㊁Ｈｅｘ/Ｗｅｄｇｅ(六面体/楔形)网格以及Ｔｅｔ/Ｈｙｂｒｉｄ(四面体/混合形式)网格ꎮ风机模型采用非结构网格划分方法ꎬＧＡＭＢＩＴ中划分的网格如图２㊁图３所示ꎮ

离心风机的边界条件:设置风机的入口边界为速度进口(ＶＥＬＯＣＩＴＹＩＮＬＥＴ)ꎻ蜗壳的出口为压力出口(ＰＲＥＳＳＵＲＥＯＵＴＬＥＴ)ꎻ将进口流道和叶轮流道相重合的面以及叶轮流道和蜗壳流道相互重合的面定义为交界面(ＩＮＴＥＲＦＡＣＥ)ꎻ将其余的面定义为壁面(ＷＡＬＬ)ꎻ分别定义叶轮部分和蜗壳部分为流体介质(ＦＬＵＩＤ)ꎬ这样就确定了动域和静域ꎮ

２.３㊀离心风机内部流场分析

在ＦＬＵＥＮＴ中完成交界面的建立ꎬ并进行网格检查ꎬ以保证网格检查成功ꎮ在网格检查成功后ꎬ按照 ２.２ 节中所提到的前处理完成设置ꎮ设定离心风机叶轮的转速为５０００ｒ/ｍｉｎꎬ完成初始化后对离心风机出风口速度㊁风机静压㊁动压㊁全压进行计算ꎮ

图４为离心风机在转速为５０００ｒ/ｍｉｎ下的速度矢量分布ꎬ可以看出ꎬ蜗壳内的绝对速度分布比较好ꎬ但叶轮内的速度在工作面上形成了低速区ꎮ

风机叶道间的流动速度是不同的ꎬ在靠近蜗壳出口处的叶道内流速明显比其他远离蜗壳出口的区域高ꎮ图５为出口处的速度分布ꎬ其分布规律为从蜗壳外侧到中心(０.１ｍ左右处)整体先减小后增大ꎬ靠近蜗壳外侧处的速度偏高ꎮ图６为风机出口处的速度分布ꎬ在蜗壳外侧处的速度较高ꎬ而且在蜗舌附近存在涡流ꎬ靠近蜗舌的叶片周围也存在涡流现象ꎮ

㊀㊀图７㊁图８㊁图９分别为在ＦＬＵＥＮＴ中模拟所得到的风机静压㊁动压和全压分布ꎬ可以看出ꎬ风机的动压和全压分布图