基于Star-CCM+軟件在農(nóng)業(yè)機(jī)械教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐

王鵬飛 李昕昊 李建平 劉洪杰 楊欣

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071000)

引言

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械的快速發(fā)展，機(jī)械化水平逐步走向高端化和智能化，為加快農(nóng)業(yè)機(jī)械的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，需提升農(nóng)業(yè)機(jī)械人才綜合素養(yǎng)[1-3]。在“新工科”的教學(xué)背景下，實(shí)踐教學(xué)成為了培養(yǎng)人才的重要手段，與傳統(tǒng)工科人才相比，“新工科”人才需要更高的工程素養(yǎng)和更強(qiáng)的創(chuàng)新能力[4]。針對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的教學(xué)，更需要應(yīng)用與實(shí)踐相結(jié)合，將數(shù)字仿真技術(shù)放到教學(xué)過(guò)程中，讓學(xué)生在應(yīng)用中實(shí)踐操作，在實(shí)踐中應(yīng)用理論知識(shí)[5-7]。本文通過(guò)對(duì)果園多風(fēng)道噴霧機(jī)內(nèi)部風(fēng)送系統(tǒng)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行研究，應(yīng)用AIP三維軟件對(duì)送風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部風(fēng)道進(jìn)行建模，將模型在Star-CCM+軟件中進(jìn)行CFD流體模擬仿真。Star-CCM+軟件是一款集合三維建模、網(wǎng)格劃分、計(jì)算求解的流體仿真軟件。本文通過(guò)對(duì)Star-CCM+軟件的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，可以使學(xué)生在農(nóng)業(yè)機(jī)械的學(xué)習(xí)中通過(guò)應(yīng)用與實(shí)踐相結(jié)合的方法，理解并掌握模型的建立方法和分析技巧。

1 送風(fēng)系統(tǒng)模擬仿真過(guò)程

1.1 三維模型建立

在AIP三維軟件中建立風(fēng)道整體模型，將風(fēng)機(jī)模型按位置與風(fēng)道進(jìn)行裝配，如圖1所示。

將上述裝配好的模型導(dǎo)入到Star-CCM+軟件中，進(jìn)行網(wǎng)格顯示，如圖2所示，并保存文件。

圖2 Star-CCM+軟件導(dǎo)入模型

在Star-CCM+軟件中進(jìn)行模型表面檢查，并填補(bǔ)流體域，建立流體域模型，如圖3所示。

圖3 流體域模型建立

1.2 軟件操作流程

在模型建立完成后，指定每個(gè)表面的邊界類型，分割形成特定的邊界表面，依次打開幾何—零部件—鈍狀體—表面—面節(jié)點(diǎn)，右鍵單擊面節(jié)點(diǎn)，然后從彈出來(lái)的菜單中選擇“通過(guò)塊進(jìn)行分割”。在幾何場(chǎng)景中選擇低X方向的面，根據(jù)需要旋轉(zhuǎn)幾何。在零部件表面名稱字段鍵入入口，面會(huì)從場(chǎng)景中刪除，而屬于父零件的表面管理器節(jié)點(diǎn)內(nèi)出現(xiàn)新表面，點(diǎn)擊創(chuàng)建。

圖4 創(chuàng)建新表面界面

設(shè)置邊界類型，定義邊界條件，將入口邊界類型更改為滯止入口，出口定義為壓力出口，滑移壁面和內(nèi)壁面保持默認(rèn)的壁面類型，保存模擬。

創(chuàng)建網(wǎng)格化模型，單擊網(wǎng)格1節(jié)點(diǎn)并選擇網(wǎng)格化模型，在網(wǎng)格1模型選擇對(duì)話框中選擇面網(wǎng)格組合框的表面重構(gòu)，選擇可選模型組合框的多面體網(wǎng)格生成器和棱柱層網(wǎng)格生成器，啟動(dòng)模型如圖5所示。設(shè)置網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸0.25m，棱柱層數(shù)為5，其它按軟件默認(rèn)數(shù)值計(jì)算。設(shè)置完成后生成體網(wǎng)格，如圖6所示。

圖5 網(wǎng)格模型設(shè)置界面

圖6 網(wǎng)格示意圖

網(wǎng)格設(shè)置完成后，選擇物理模型，在Star-CCM+中，根據(jù)物理連續(xù)體定義物理模型，在本文中，流體是湍流且可以壓縮。耦合流體模型與默認(rèn)K-Epsilon湍流模型結(jié)合使用。右鍵單擊連續(xù)體—物理1節(jié)點(diǎn)，然后選擇模型，出現(xiàn)物理模型選擇對(duì)話框，如圖7所示。由于本文涉及理想化氣體(空氣)，因此請(qǐng)從材料組合框中選擇氣體單選按鈕。由于已激活自動(dòng)選擇推薦模型復(fù)選框，因此物理模型選擇對(duì)話框可以在做出選擇時(shí)自動(dòng)選擇某些默認(rèn)模型，從而引導(dǎo)完成整個(gè)模型選擇過(guò)程。在連續(xù)體內(nèi)激活某些模型時(shí)還需要在此連續(xù)體內(nèi)激活其它模型。如，連續(xù)體包含液體或氣體，則還需要流體模型；此連續(xù)體擁有流體模型后，其還需要粘性模型(無(wú)粘性、層流或湍流)；如果激活了液體連續(xù)體內(nèi)的湍流，則選擇湍流模型；如果出現(xiàn)需要選擇附加模型提示，則是提醒尚有未完成的模型選擇。此模擬需要以下選擇：從流體組合框中選擇耦合流；從狀態(tài)方程組合框中選擇理想氣體；自動(dòng)選擇耦合能量模型；從時(shí)間組合框中選擇定常；從粘滯項(xiàng)組合框中選擇湍流；從雷諾平均湍流組合框中選擇K-Epsilon湍流；自動(dòng)選擇可實(shí)現(xiàn)K-Epsilon兩層和兩層全y+壁面處理模型。模型設(shè)置網(wǎng)層完成后保存模擬。

圖7 物理模型選擇界面

內(nèi)置風(fēng)機(jī)為旋轉(zhuǎn)模型，設(shè)置旋轉(zhuǎn)域，指定模擬初始條件，設(shè)置風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2000r·min-1。為了使入口處馬赫數(shù)約為0.75，以前使用等熵關(guān)系確定給定總溫度下的入口總壓力和出口靜壓。如果出口靜壓等于一個(gè)大氣壓(絕對(duì)值)，并且靜態(tài)溫度為300K，則入口總壓力為164904Pa(絕對(duì)值)。入口總溫度為344.8K，邊界值指定為表壓。因此，使用默認(rèn)參考?jí)毫?01325Pa(一個(gè)大氣壓)，將入口總壓力設(shè)置為63579Pa(表壓)。出口靜壓為0Pa(表壓)，即默認(rèn)值。

設(shè)置求解器參數(shù)和停止條件，選擇停止條件—最大步數(shù)節(jié)點(diǎn)，將最大步數(shù)設(shè)置為500，保存模擬。最后創(chuàng)建標(biāo)量和矢量場(chǎng)景以顯示模擬結(jié)果。右鍵單擊場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)，選擇新建場(chǎng)景—標(biāo)量(矢量)，創(chuàng)建中間軸線截面，以顯示內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)流線，保存模擬。創(chuàng)建監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)各出風(fēng)口處的風(fēng)速值，以得到最終的分析結(jié)果。

在上述操作全部設(shè)置完成后，點(diǎn)擊運(yùn)行指令，待運(yùn)行結(jié)束后保存模擬。

2 仿真結(jié)果輸出與分析

在場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)中選擇新建場(chǎng)景—幾何節(jié)點(diǎn)，右鍵單擊衍生零部件節(jié)點(diǎn)，并選擇新建零部件—截面—平面，拖動(dòng)光標(biāo)選取中軸線截面，設(shè)置截面形式為壓力云圖和速度矢量云圖，呈現(xiàn)方式如圖8所示。壓力云圖能夠分析出風(fēng)道內(nèi)部在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的壓力呈現(xiàn)情況，速度矢量云圖通過(guò)流線能夠看出內(nèi)部氣流場(chǎng)的分布情況。

圖8 結(jié)果分析圖

3 結(jié)語(yǔ)

在農(nóng)業(yè)機(jī)械的教學(xué)過(guò)程中，既要注重理論知識(shí)的培養(yǎng)，又要注重應(yīng)用與實(shí)踐，而Star-CCM+軟件對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的教學(xué)起到了較大的輔助作用，充分鍛煉學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，開拓學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。因此，將Star-CCM+軟件引入到教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中是一種非常有效的教學(xué)方法，有效提高了教學(xué)質(zhì)量和效率。讓學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過(guò)程中理論與實(shí)踐相結(jié)合，深入理解并掌握農(nóng)業(yè)機(jī)械的建模及分析方法。通過(guò)對(duì)多風(fēng)道噴霧機(jī)送風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部風(fēng)道進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，以及分析仿真結(jié)果，讓學(xué)生在實(shí)際操作過(guò)程中掌握流體分析求解過(guò)程，有利于對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的深入了解以及對(duì)軟件的操作流程的熟悉。