基于Solidworks Flow Simulation的物料管道氣力輸送仿真研究

李建平 劉洪杰 王鵬飛 趙建國 陳春皓

(河北農業大學機電工程學院，河北 保定 071000)

引言

在經濟發展的過程中，農業機械的使用減少了農業勞動力的投入，提高了農業生產率，為勞動力的非農轉移創造了條件[1]，但農業勞動力的減少需要提高剩余農業勞動力的效率，以少數優秀的勞動力負責原有的農業勞動，這就必須擴大高素質農機人才數量，增大高等院校招生規模的同時，著力提高教學質量[2]。在蘋果的生產作業中，采收是最耗時費力的環節，采收作業質量的好壞直接影響蘋果的運輸、加工及銷售[3]。利用氣力輸送管道運輸蘋果可減少工人彎腰放果的動作，提高工作效率，并可減少蘋果的損傷。但管道內氣體分布、通氣量等均對輸送效率有影響，因此對輸送管道內的氣體進行分析具有重要意義。

楊少坤等[4]利用Solidworks Flow Simulation對大口徑非標管道進行了優化設計，分析了氣流速度的影響因素，得出了管道長度對氣流速度影響的擬合方程。劉曉凱等利用Solidworks Flow Simulation對不同閥板結構形式進行了流場計算，得到斜跨桁架式閥板的流通能力優于豎直筋板式閥板[5]。兌亞貞等應用Solidworks Flow Simulation介紹了求解偏心半球閥流阻系數、流量系數的方法，并可應用到其他類型閥門[6]。張伯春通過對回轉窯熱風管道的簡化模型和模擬管道內的空氣流動，介紹了Solidworks Flow Simulation的主要功能，并對回轉窯熱風管道的結構設計加以分析[7]。本文通過測量應用于果園內輸送蘋果的管道，利用Solidworks軟件對輸送管道等比建模，應用Solidworks Flow Simulation軟件對模型進行流體仿真，對輸送管道內的流體分布、壓力大小等進行分析，進而指導學生應用仿真技術模擬氣力輸送管道工作，達到教學的目的。

1 輸送管道模擬仿真過程

1.1 Solidworks Flow Simulation軟件介紹

Flow Simulation是一款完全集成于Solidworks的軟件，采用經過檢驗的計算流體力學(CFD)技術計算Solidworks模型內外的流體(氣體或流體)流動，以及因對流、輻射和傳導而對模型產生的熱傳遞，Flow Simulation的突出特點是直觀清晰且便捷易用的界面，其中包括指定計算數據的預處理器、用于監視和控制計算的協同處理器以及查看所得結果的后處理器，可用于研究獲得的結果并開展參數計算[8]。

1.2 三維模型的建立

本文主要分析果園內采摘蘋果，利用氣力輸送管道將采摘的蘋果運輸到果筐時，輸送管道內流體分布的規律。工作時，風機通過進風管道向輸送管道內吹風，保護蘋果緩慢低損降落，蘋果采摘后由輸送管道上方的入口進入，經過螺旋型輸送管道的運輸后，由輸送管道的出口落入到果筐內。在Solidworks內建立輸送管道的三維模型，如圖1所示，模型與實際輸送管道的比例為1∶1。

圖1 輸送管道模型

1.3 仿真項目的構建

利用Solidworks軟件繪制好模型后，加載Flow Simulation插件，將進風管道及輸送管道所有的出口進行封蓋處理，以確保管道模型具有密閉的內部體積，單擊“向導”命令，打開“項目名稱”對話框，輸入項目名稱“輸送管道”，點擊下一步[9]；設置“單位系統”，選擇標準單位“S(m-kg-s)”，點擊下一步；由于流場分布在輸送管道內部，因此選擇“分析類型”為“內部，排除不具備流動條件的腔”，忽略空穴的作用，設置重力的方向及大小，由于建模時Z方向表示豎直方向，因此設置Z方向重力加速度為-9.8m·s-2，點擊下一步；添加流體為“空氣”，流動類型選擇“層流和湍流”，由于輸送管道內流場分布較復雜，選擇“層流和湍流”后軟件可根據仿真情況來計算，精度較高[10]，點擊下一步，完成創建，如圖2所示。

圖2 設置向導步驟

1.4 仿真數據的輸入

1.4.1 設置計算域

根據以上步驟構建好仿真項目后，設置計算域，模型外圍的灰色長方形空間即為計算域，根據模型尺寸更改計算域大小，計算域越大，計算時間越長、計算要求越嚴格，計算域將模型完全包裹其中即可[11]，如圖3所示。

1.4.2 設置邊界條件

邊界條件為求解區域邊界上所求解的變量值[9]，在分析樹上單擊“邊界條件”，插入邊界條件，選擇進風管道入口處的封面，流動開口類型選擇“入口體積流量”，輸入垂直于面的體積流量數值為2m3·s-1，

圖3 設置計算域

即為進風參數；插入邊界條件，選擇輸送管道入口與出口的封蓋，壓力開口類型選擇“靜壓”，即為大氣壓；單擊剖視圖，再次插入邊界條件，選擇進風管道及輸送管道的內壁，壁面類型選擇“理想壁面”，如圖4所示。

圖4 設置邊界條件

1.4.3 設置全局目標

在分析樹上單擊“目標”圖標，選擇“插入全局目標”，可根據需求選擇參數勾選，選擇“靜壓、動壓、總壓”，均勾選平均值即可，勾選的檢測目標太少，求解分析精度不夠，勾選太多，軟件計算量太大，因此勾選需要分析的參數即可，如圖5所示。

圖5 設置全局目標

1.4.4 劃分網格

在分析樹上單擊“網格”，選擇“全局網格”，全局網格劃分方式有2種，分別為自動與手動，全局網格對話框用于更改控制構建初始計算網格的自動Flow Simulation過程的參數，全局初始網格由生成的基礎網格與細化設置定義[11]。

自動網格劃分指用于控制基礎網格單元數量的初始網格級別及在模型的狹長通道內進行網格的默認程序，“初始網格的級別”控制基礎網格的數量，級別越高，網格數量越多，且網格尺寸越小，但占用的CPU時間及計算內存也會增加；“最小縫隙尺寸”指模型內最小縫隙處的尺寸，設置為小于模型內最小縫隙的尺寸時，模型內縫隙處網格劃分數量增加，網格更精細[11]；勾選“高級通道細化”可進一步將模型內連接處、轉角處的網格進行細化；“顯示基礎網格”可顯示當前網格級別下網格劃分的最大尺寸，便于工作人員了解網格劃分的程度。

手動網格劃分為制定數量的單元格構建基礎網格，并對該基礎網格進行局部拉伸與收縮，拆分特定類型的基礎網格，細化指定網格以更好地解析狹長通道，細化網格的固體特征，或解析曲度和物質接觸面[11]。“基礎網格”為計算域區域的尺寸，可設置X、Y、Z方向的網格數量，進而調整網格劃分級別；可調整“細化網格”內“細化流體網格的級別”，每提高1級，計算域內網格數量總體增加到8倍；調整“邊界處的網格細化級別”，每提高1級，模型內邊界處的網格數量增加到8倍，但模型內其余網格級別不變；“通道”選項下的“跨通道網格特征數”與“最大通道細化級別”可控制狹長通道內的網格細化，設置通道的細化程度時，滿足以上2條要求之一，通道網格細化便會結束。普通模型進行手動網格劃分時，利用以上功能便可實現。本文所用模型較簡單，采用自動網格劃分功能即可，初始網格級別設置為5級，勾選高級通道細化選項，確定，如圖6所示。點擊“運行”選項，出現求解器頁面，可觀察到仿真的網格數量、迭代次數、迭代時間等，等待求解結束即可進行仿真結果的分析，如圖7所示。

圖6 網格劃分

圖7 求解器頁面

2 仿真結果輸出與分析

2.1 網格劃分結果

網格劃分的優劣對仿真結果有顯著的影響，網格數量過多，仿真計算的時間變長，對電腦的性能要求越高；網格數量過少，可能導致仿真結果無法收斂，計算精度降低。因此在進行仿真前要進行網格的無關性檢驗，尋找適合的網格數。輸送管道的網格劃分情況如圖8所示，進風管道與輸送管道連接處結構較復雜，此處網格劃分程度較高，輸送管道整體呈螺旋型，內壁較光滑，此處網格劃分程度較低。如圖7所示，總網格數量為45696個，迭代次數為365次。

圖8 輸送管道網格劃分情況

2.2 切面圖

切面圖為顯示參數分布的剖切視圖。在分析樹上單擊“切面圖”，選擇“插入”，選擇指定的剖面或平面，設置剖面偏移量，“顯示類型”可選擇“等高線、等值線、矢量、流線、網格”，通常選擇“等高線”即可，設置等高線參數、等高線級別，為了更直觀地觀測參數分布，也可勾選“3D輪廓圖”。由于模型為螺旋輸送管道，切面圖不能完整地觀測到輸送管道內部的壓力分布，因此，本文不選擇切面圖。

2.3 流動跡線圖

“流動跡線”用于將流動跡線顯示為流動流線，流動跡線是一條曲線，其上任意點處的流速矢量都與該曲線相切，可以直觀、形象地顯示出氣體在管道內的流動動畫。在分析樹上單擊“流動跡線”，選擇“插入”，選擇進風管道的封蓋，設置跡線點數為100，跡線類型分為“靜態跡線和動態跡線”2種，選擇跡線類型為靜止跡線時，“將跡線畫為”可選擇“導管、線條、帶箭頭的線、條帶、球、箭頭、平箭頭”，設置箭頭的大小，設置線寬，“顏色標準”可選擇“靜壓、相對壓力、速度等”，設置圖形透明度，本文選擇“箭頭與球”，箭頭大小為0.012m，顏色標準為相對壓力，點擊確定，如圖9所示。選擇跡線類型為動態跡線時，設置內容與靜態跡線相同，點擊確定后，可在項目上右擊“播放”，即可觀察到模型內相應跡線流動及分布的情況。

圖9 靜態跡線圖

2.4 粒子研究

粒子研究可用于顯示物理粒子的跡線并獲取有關粒子行為的各種信息，包括因粒子與壁面的相互作用而產生的壁面侵蝕或粒子材料累積效應，物理粒子為指定材料的恒定質量的球形粒子，通過顯示物理粒子的跡線可以查看具有質量的粒子在流場中的分布情況[11]。這些粒子并不影響流動，但流動會影響粒子的速度和溫度。研究粒子需要指定粒子進入點、初始粒子屬性、粒子材料和壁面條件。可以選擇啟用重力并計算總累計質量流量和總侵蝕質量流量[11]。

2.5 XY圖

XY圖用于顯示參數指定方向或路徑的變化情況。在分析樹上點擊“XY圖”，選擇“插入”，選擇模型的路線軌跡或者草圖曲線，確定橫坐標類型，可選擇“長度、模型X、模型Y、模型Z”，“參數”可在下方勾選需要分析的內容，調整模型精度，控制草圖與線性段的近似程度，點擊確定，可得到參數隨著長度變化的曲線圖，右擊曲線圖，可將圖形導出到Excel表內進行格式調整，如圖10所示。

圖10 XY圖

在上述操作全部設置完成后，點擊保存模擬，方便下次繼續分析。

3 結語

在農業機械的教學過程中，理論知識培養與實際應用均對學生素養有重要作用，利用Solidworks Flow Simulation軟件對農業機械的教學有較好的輔助作用，可鍛煉學生的動手能力、開拓學生的創新思維、培養學生思考解決問題的方法。本文利用管道氣力輸送的模型，對軟件的操作流程、注意事項等進行了總結，讓學生在實際操作中掌握流體分析的求解過程，對學生了解農業機械知識及利用軟件有重要意義。