聯合收割機橫流風機流場的數值模擬

李吉成等

摘要：：隨著谷物聯合收割機的作業寬度不斷增大，橫流風機以其風量大、結構緊湊、出口氣流沿軸向分布均勻等優點在大型聯合收割機上得到了廣泛的應用。利用ANSYS Workbench（CFX）有限元分析平臺，對某型號聯合收割機橫流風機的流場進行了數值模擬。結果表明，橫流風機的性能基本不受寬度的影響，出口氣流沿軸向分布均勻；在該橫流風機的風機出口處，有少量的回流出現；流場對葉片的作用力分布非常不均勻；ANSYS Workbench分析平臺簡化了CFD分析過程，提高了分析效率，為橫流風機的優化設計提供了準確數據。

關鍵詞：橫流風機；聯合收割機；流場；數值模擬

中圖分類號：S225.3 文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）09-0439-03

隨著谷物聯合收割機的作業寬度不斷增大，清選裝置常用的離心風機和軸流風機出現了橫流氣體分布不均勻、動力消耗大、機構尺寸大等問題，嚴重影響清選裝置的性能[1]。橫流風機以其風量大、結構緊湊、出口氣流沿軸向分布均勻等優點被廣泛應用于大型聯合收割機。橫流風機是一種特殊的風機，其氣體流動非常復雜，難以掌握[2]。人們從20世紀60年代開始研究橫流風機的工作特性，常用的方法是理論計算、試驗，效率較低，成本較高。隨著計算流體力學（CFD）的出現，人們開始利用其研究橫流風機的工作特性，但是由于CFD軟件不完善，不能很好地研究、優化橫流風機[3]。ANSYS Workbench將多種有限元分析軟件有機集成到一起，使各個分析模塊可以進行數據交換[4]，簡化了分析過程，提高了效率。本研究主要利用CFX模塊、幾何模塊、Mesh模塊，對某型號聯合收割機的橫流風機流場數值進行模擬，得到了風機的流場模擬數據，主要有靜壓云圖、流場速度矢量圖、流場對風機葉輪作用力云圖等，旨在為開發谷物聯合收割機提供依據。

1分析模型

1.1橫流風機工作原理

橫流風機主要由葉輪、外殼、舌板等部件組成（圖1）。外殼是兩端封閉、徑向開口式的結構，開口的尺寸一般是不對稱的，較大的為進風口，較小的為出風口[5]。外殼包圍了部分葉輪，沒有外殼包圍的位置為入風口，入口位置的葉輪稱為進風葉柵，外殼內部的部分葉輪稱為出風葉柵。橫流風機與離心風機及軸流風機的工作原理完全不同，葉輪在外殼內轉動時，葉輪的內部靠近舌板的位置會形成1個偏心渦旋。這個偏心渦旋形成了1個低壓中心，風機入口處的氣體在壓力差作用下，經過進風葉柵，沿徑向進入風機內部，沿徑向經過出風葉柵流出風機。整個過程中，氣流的運動方向都是垂直于葉輪軸的，沒有橫向流動[1]。

1.2分析模型

本研究采用的分析模型為某型號聯合收割機的橫流風機，風機的主要參數如表1所示。表1橫流風機的結構參數

根據分析的需要，本研究按照橫流風機的結構尺寸，利用參數化建模軟件Creo建立橫流風機葉輪模型，如圖2所示，再利用布爾運算，建立風機流場，如圖3所示，根據流場的實際工作情況，將流場分為內流場、外流場，內流場是隨葉輪轉動的部分，并將模型以IGS格式導入到ANSYS Workbench中。

2分析預處理

2.1網格劃分

劃分流體網格的軟件有很多， 本研究采用Workbench中的Mesh模塊進行網格劃分。Mesh提供了多種網格劃分方法，如自動網格劃分、六面體主導的網格劃分等，自動網格劃分是綜合多種劃分方法的網格劃分。本研究限制內流道網格大小為6 mm，網格劃分方式設定為自動網格劃分；外流道網格大小限制為8 mm，劃分方式設定為六面體主導的網格劃分，并將內流場和外流場的關聯度設置為1，劃分好的網格如圖4所示。

橫流風機的流道共含有416 452個節點，1 647 708個單元。網格的質量對分析過程和結果影響非常大。Skewness是常用的網格質量檢驗工具，其值分布在0～1之間，越靠近0，網格質量越好，反之質量越差[4]。本研究的網格質量Skewness評估如圖5所示。在圖中98%的網格分布在0～0.5之間，網格質量良好，符合分析要求。

2.2計算域和邊界條件的設定

計算域和邊界條件的設定主要包括選擇流體介質、定義邊界條件等重要參數。CFX提供了多種流體材料，橫流風機內空氣的壓力和溫度變化不是很大，所以選擇的材料是25 ℃下的，這種材料與理想空氣相比，最大的特點是不計算空氣的可壓縮性和溫度變化。同時為計算域設定1個大氣壓的參考壓力。內部流場是隨葉輪一起轉動的，所以內流場的運動類型設定為Rotating，轉速為101 rad/s，旋轉軸為x軸。計算域湍流模型的選擇對CFD計算結果的影響也非常大，CFX提供多種湍流模型，如K-Epsilon模型、K-Omiga模型等。本研究選擇的K-Epsilon模型，其收斂性較好[6]。在風機外流場上設置風機的入口、出口，入口的流速假設為恒定的4 m/s，方向垂直于入口邊界向內；出口設定為自由邊界，相對壓力為零，即不限制風機出口處的流體的方向、速度。流場模型的兩側設定為對稱邊界體；其他外殼部分設定為光滑固定無滑移的壁面條件。

2.3求解設定和求解

求解格式主要有3種：高階求解模式、迎風格式求解、指定混合因子。其中高階求解模式的精度較高，本研究采用的就是高階求解模式；迭代步數設定為400步，步長設定為001 s，收斂標準設定為RMS，其值設定為1.0×10-4。求解的殘差曲線如圖6所示，可以看出曲線在390次迭代的時候達到收斂標準。

3結果與分析

求解完成之后，通過CFX后處理，得到流場的流場靜壓云圖、流場全壓云圖、流場速度矢量圖等數據。如圖7所示，在風機流場靜壓云圖中，靠近舌板出口葉柵的位置是1個低壓中心，也就是偏心渦旋。整個風機流場的靜壓場以這個偏心渦旋為中心成不規則的圓環狀，離偏心渦旋中心的距離越大，靜壓力就越大。葉片正面和背面的附近的靜壓力是不同的，其差值隨葉片圓周位置的不同而不同。圖7中的a、b是垂直于葉輪軸2個不同位置截面的靜壓云圖，其靜壓力分布基本一致。如圖8所示，在風機流場全壓云圖中，渦旋位置的全壓力值是最小的。最大壓力分布在外殼后臂和葉輪之間的位置。葉片的正面和背面附近的全壓力差值不大，有些位置的全壓力差基本為零。圖8中的a、b是垂直于葉輪軸2個不同位置截面的全壓云圖，其壓力分布基本一致。 如圖9所示，在風機流場速度矢量圖中，可以看出空氣在流場內各個點速度的方向和大小，在風機進風葉柵的各個位置都有氣體流入，其中左側方向較為一致，右側則較為混亂。在空氣流出出風葉柵后，氣體的流動方向慢慢開始平行于外殼后臂。在出口的上部，有少量的氣體回流，可以通過調整外殼的結構加以優化[7]。圖9中的a、b是垂直于葉輪軸2個不同位置截面的速度矢量圖，其分布基本一致。如圖10所示，在流場對葉片的壓力作用分布云圖中，不同圓周位置的葉片受到的壓力不一樣；進風葉柵、出風葉柵2個位置的葉片受力差別非常大；葉片兩面壓力差隨葉片圓周位置的不同而不同。

4結論與討論

橫流風機的流場數據對風機的設計和優化起到了關鍵作用，流場模擬的傳統法主要有計算法、試驗法，工作量大，成本高，效率低，很難得到全面的流場數據[2]。本研究通過CFD技術分析聯合收割機橫流風機流場的特性，得到以下結論：橫流風機出口氣流沿軸向分布均勻，風機的性能不受寬度的影響，非常適合大型聯合收割機的使用。入口處的外殼結構不利于空氣流入風機，出口處有回流的現象，可以通過優化外殼結構，提高風機效率。流場對葉片的作用力與葉片的圓周位置有關，進風葉柵、出風葉柵2個位置的葉片受力差別非常大。CFD分析結果為橫流風機的優化設計提供參考數據；ANSYS Workbench分析平臺簡化了分析過程，提高了分析效率，有助于優化設計人員在較短的時間內、較低的成本下掌握全面的流場數據，促進設計優化過程，但是最終的結果仍需要試驗驗證。

參考文獻：

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