離心式除雪車揚雪筒內流場研究及結構優化

施志輝,劉彥哲,李麗

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)*

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離心式除雪車揚雪筒內流場研究及結構優化

施志輝,劉彥哲,李麗

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)*

針對現有的離心式除雪車出雪形狀松散的狀況，利用ANSYS CFX軟件對離心式除雪車的揚雪管內流道進行氣固兩相流的數值模擬與分析，得到內流道中氣固兩相流的實際參數分析結果，并根據仿真實驗結果針對幾個結構參數進行優化.通過優化揚雪筒的結構形狀確保雪在揚雪筒出口被拋出時有比較規范的形狀，同時降低離心風機的功耗，提高拋雪效率.

揚雪筒；氣固兩相流；數值模擬；結構優化

0 引言

我國北方地區的冬季持續時間較長，尤其東北地區，冬季長達7～8個月.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交通安全造成了極大的威脅，如果不及時清除積雪，很容易引發交通事故[1].除雪車的研制對于高效率的清除道路積雪有極為重要的意義.離心式除雪車應用廣泛，在除雪車中是非常典型的一種車型，然而國產除雪車有功耗大，除雪效率低，出雪形狀松散等問題[2].本文通過對揚雪筒內流道進行仿真模擬，分析不同結構形狀下的內流場從而提出相應的優化方案，使出雪口的出雪形狀更規則集中，同時又能減少離心風機功耗的目的.

1 揚雪筒結構形狀分析

離心式除雪車在向前行進時，集雪器將積雪傳遞進離心風機中，經過葉片加速后進入揚雪筒中，被拋出車外.揚雪筒的主要功能是用來控制揚雪的方向，可以把雪揚到指定的位置.使用揚雪筒揚雪時，由于雪和揚雪筒內壁的摩擦力，離心風機功耗增加，所以我們要盡可能的通過優化揚雪筒的結構形狀達到節能的目的.

圖1 揚雪筒

揚雪筒結構如圖1所示.雪通過揚雪筒時，只與上壁有接觸，故為了節約成本減輕整車重量，將揚雪筒下壁設計為鏤空結構.揚雪筒的橫截面為400 mm×420 mm，高為2 540 mm，如圖1所示分為四層結構，不使用時可收藏放倒，不影響除雪車駕駛員的視線.

本文將從對比揚雪管下壁面鏤空和封閉結構的內流場，以及對比出雪口折角處不同結構的流場來對揚雪管的機械結構進行優化.

2 內流道幾何模型的分析與建立

揚雪筒的簡化幾何模型如圖2所示.針對揚雪筒內流場復雜的流動性，為方便仿真計算，對仿真環境進行如下設定：

(1)除雪車行進速度為3.5 m/s，為能使雪順利從揚雪筒流出，經模擬可知離心風機的最佳出口速度為25～50 m/s；

(2)風機的出口速度為揚雪管入口速度，取50 m/s.內流道流體介質為空氣與雪粒子的混合物，根據除雪車實際工作環境，設定工作溫度為-18℃，積雪密度為179 kg/m3，粘滯系數為0.024 kg/(m·s)，雪粒子直徑取0.000 1 m，揚雪管外圍環境大氣壓為101 325 Pa，空氣密度為1.185 kg/m3，粘滯系數為1.83e-5 kg/(m·s).流體介質為不可壓縮；

圖2 揚雪筒簡化幾何模型

(3)忽略流體在流動過程中的溫度變化，只對其速度壓力場的分布進行研究；

(4)流體的重力加速度設定為9.81 m/s2；

(5)在流道的三維模型中設定專門的流體進口和流體出口.

根據提供的揚雪筒幾何模型，建立足夠大的大空間外流場計算域.通過ANSYS ICEM CFD軟件對計算域劃分全結構網格，并在揚雪管內壁表面附近進行網格加密，揚雪筒內流道計算區域的網格模型的網格單元數約為105萬，計算區域及網格示意圖如圖3所示.

圖3 計算區域及網格示意圖

3 數值模擬算法及邊界條件

本文主要研究空氣與雪粒混合物在揚雪管內流動過程中的運動狀態以及在揚雪管出口處的各參數分布，由于揚雪管入口速度較大，大于20 m/s，流動處于湍流狀態，因此本文選用k-ε湍流模型；同時考慮雪粒與空氣的氣固兩相流動，因此計算時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相外，還將固體顆粒看成足夠小的粒子，認為一小團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的“偽流體”；在數值計算方法上，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值精確性[3]；壁面條件為光滑壁面，氣相固相均無滑移；計算收斂的控制條件為：當每一個節點上的物理量前后計算值殘差小于10-4則視為收斂.

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

(1)揚雪筒入口面設置為速度入口Velocity inlet；

(2)當揚雪筒鏤空時，鏤空面也設置為出口面，揚雪筒出口面與外圍大氣環境是共用面，設置為Interface；

(3)揚雪筒壁面設置為無滑移Wall；

(4)外圍壁面設置為壓力出口.

4 揚雪筒不同結構形狀的內流場分析與優化

用CFX對揚雪筒內流道流場進行仿真模擬，結果如圖4所示.圖4(a)中揚雪筒下壁面鏤空處出現了明顯的渦流，這代表外部的空氣被倒吸進揚雪筒中，導致內部流體流動阻力大幅度增大，而空氣倒吸的能量是由離心風機提供的，這就導致離心風機功耗增大，除雪效率降低.從圖4(b)中可以看出，雪從揚雪筒中被拋出后，速度分布不均勻，這就導致出雪形狀松散，出現這個現象的原因是雪粒在揚雪筒內出現了速度分離.

(a)氣相速度矢量圖

(b)固相速度云圖

4.1 揚雪筒下壁結構的優化

由圖4可以看出，揚雪筒下壁面的鏤空結構不利于除雪.將揚雪筒下壁面看成封閉結構，出口面只有出雪口截面，用CFX進行數值模擬與仿真的結果如圖5所示.從圖5(a)中可以看出，在其他參數不變的情況上，若將揚雪筒下壁面封閉，則不會再從下壁面鏤空花處倒吸空氣，這將大大降低流體流動的阻力，離心風機的功耗也將減小，除雪效率增加.從圖5(b)中可以看出，雪被拋出揚雪筒之后，速度分布均勻，出口處雪較為集中，形狀規則.

(b)固相速度云圖

4.2 出雪口折角處的封閉結構

綜合圖5可以看出，揚雪筒下壁面封閉后不再出現空氣倒吸，卻導致流體在出雪口折角處固相出現了速度分離，氣相在出雪口出現渦流.出現這個現象的原因是，在封閉出雪口折角處時過渡不圓滑，導致雪在折角處出現速度分離[4]，因此揚雪筒內折角附近出現局部負壓區，導致空氣從外部倒吸進揚雪筒，造成能量損失.將折角處改為圓角過渡方式，用CFX進行數值模擬與仿真，結果如圖6所示.由圖6(a)可以看出，在揚雪筒圓弧過渡處，固相仍舊出現速度分離，但區域較圖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 對比分析

為了驗證改進的效果，在其余參數不變的情況下，改變入口處的速度，分別對原始結構和改進后的結構進行仿真模擬，并分別記錄兩種結構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，改進后的出口平均速度較原始設計要小，如入口速度為40 m/s時，改進設計的出口平均速度較原始設計要小7.7%，這也說明，雪粒固相在出口截面較原始設計要均勻流出.由圖8可以看出，改進后的壓力差明顯要小于原始設計的壓力差，如在40 m/s時，改進后較原始設計要小約19.4%，由于改進后揚雪筒內流動阻力減小，風機所做的功就相應減少，有利于降低離心風機的功耗.

圖7 固相出口平均速度隨入口速度的變化曲線

圖8 揚雪管內流動阻力隨入口速度的變化曲線

5 結論

在仿真實驗中，通過對揚雪筒內流道進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構較原始的鏤空結構可以有效的改善空氣倒吸，降低流動阻力，從而降低離心風機的功耗，提高除雪效率，同時使出雪形狀集中而規則.

[1]張佳，張宇濤，肖萍，等. 除雪機械現狀及發展趨勢[J]. 機械工程師，2014(7):31- 32.

[2]許立，姜寶偉. 離心式拋雪頭內流場分析及結構優化研究[J]. 機械設計與制造，2015(4):144- 146.

[3]高井輝. 基于CFX的離心式壓氣機內部流場數值研究[D]. 大連：大連理工大學，2011.

[4]歐順冰. 含沙水中混流式水輪機三維內流場的數值模擬[D]. 成都：西華大學，2012.

[5]謝龍漢，趙新宇. ANSYS CFX流體分析及仿真[M]. 北京：電子工業出版社，2013.

[6]邊麗娟. 清雪車拋雪離心風機特性與結構優化研究[D].長春：吉林大學， 2009.

[7]梅丹. 離心風機葉輪內氣固兩相流動及葉片磨損研究[D]. 武漢：武漢科技大學，2006.

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

遼寧省教育廳重點實驗室資助項目(LS2010023)

施志輝(1960-)，女，教授，碩士，主要從事數字化制造理論與技術研究

E-mail:shizhihui@163.com.

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