挖藕機噴嘴形狀對淤泥沖刷效果影響分析

王文麗 ， 陳金利 ， 畢方淇 ， 李 志

（淄博市農業機械研究所，山東 淄博 255038）

蓮藕經濟價值較大，深受廣大人民群眾青睞，在我國種植區域廣泛，遍布華南、西南、長江流域等地[1-3]。但蓮藕不易采摘，每年因無法及時采摘而導致的浪費較大，不利于蓮藕產業的長遠發展[4]。

當前，針對不同的種植環境，具有結構創新的挖藕機正被一步步研發推廣[5-8]。采用數值分析的方式對挖藕機進行研究已成為課題研究的重要手段，張自健等[9]利用EDEM-Fluent耦合模擬射流沖擊不同顆粒直徑的土壤的過程。曹威龍等[10]基于Fluent對挖藕機水管道進行了仿真分析，發現調整噴頭出口截面直徑可顯著改善噴頭出水壓力均勻性。但暫無研究對噴嘴形狀對淤泥沖刷效果的影響進行分析。

為此，本文通過噴嘴處Fluent流場分析，進一步分析挖藕機不同噴嘴形狀對淤泥的沖刷效果，以期獲得不同噴嘴形狀對淤泥沖刷效果的影響。

1 模型建立

通過SolidWorks建立模型，建立三種相同橫截面積的噴口形狀，如圖1所示，其橫截面積為314 mm2，噴嘴形狀分別為工況1圓形；工況2，10 mm×31.4 mm矩形；工況3，20 mm×15.7 mm矩形。

圖1 噴口形狀

根據噴口形狀建立三維模型，三維模型噴嘴圓柱段直徑40 mm，長200 mm，圓錐段長度450 mm，噴嘴外為藕塘外流域，直徑2 000 mm，深度1 000 mm。如圖2所示。

圖2 噴嘴及外流域三維模型

2 控制方程

對于流場分析，提出如下假設：

1）工作介質為不可壓縮連續流體；

2）流場計算收斂后處于穩定狀態，流場物理量只與空間歐拉坐標有關，而與時間無關；

流場按納維-斯托克斯方程（N-S方程）和連續性基本微分方程共同計算。

納維-斯托克斯方程（ N-S方程）為：

其中拉普拉斯算子：

式中，X、Y、Z分別為3個坐標方向的質量力，N；ρ為流體密度，kg/m3；p為壓強，Pa；μ為速度，m/s；υ為運動學黏性系數，m2/s。

3 數值模擬

根據三維模型采用ICEM進行六面體漸變式網格劃分，分布律采用Geometric，Ratio1.05，最小網格尺寸3 mm，最大網格尺寸25 mm，劃分后網格如圖3所示。

圖3 網格劃分

網格劃分后將其導入Fluent，旋流模型采用SSTk-ω模型，入口為速度入口，速度為2 m/s。底面為淤泥區域，采用壁面wall替代，藕塘外流域圓柱側面為壓力出口，出口壓力為0 Pa；

為提高收斂速度，壓力速度耦合采用Coupled算法，進行穩態計算。將全部算例計算至收斂。

4 結果及分析

圖4為三工況數值計算的動壓延模型中軸線上分布情況。

圖4 動壓延模型中軸線上分布情況

通過圖4，對比1、2工況，工況2在噴嘴出口處動壓最高，但相比其他工況，噴出的水在離開噴嘴后，其動壓衰減較快；工況1在噴嘴出口處動壓最低，相比其他工況，噴出的水在離開噴嘴后，其動壓衰減較慢。對比1、3工況，工況3無論是最大動壓還是動壓衰減情況都要優于工況1。

挖藕機在采藕時，當噴嘴緊貼淤泥時，增大噴嘴出口處動壓，有利于提高采挖效率，但由于藕塘深淺不一，這種情況很難保證。為此，在工作時，不僅要考慮水在離開噴頭時的最大動壓，也要考慮水離開噴頭后動壓的衰減情況。經綜合對比分析，工況3為較優工況。

5 結論

本文通過對3種不同尺寸、形狀的噴嘴進行噴嘴流場數值仿真，得出三種工況數值計算的動壓延模型中軸線上分布情況，并得出以下結論。

1）噴嘴形狀不同，水流出時動壓不同，經比對，工況2在噴嘴出口處動壓最高，但噴出的水在離開噴嘴后，其動壓衰減較快。

2）在采藕時，不僅要考慮水在離開噴頭時的最大動壓，也要考慮水離開噴頭后的動壓衰減情況。經綜合分析，工況3為較優工況。

3）圓形噴嘴雖應用廣泛，但其實際工作效率可能并非最優。

4）為采藕機噴嘴設計提供數值參考。