基于數(shù)值模擬的霧炮風(fēng)筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王文麗,畢方淇,張立凱,宮玉敏,張義勝

(淄博市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，山東 淄博 255038)

近年來，在農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)距離植保、城市建筑及特種作業(yè)場地降塵、養(yǎng)殖區(qū)域降溫等領(lǐng)域，霧炮機(jī)的使用日趨廣泛[1-2]。對于霧炮領(lǐng)域的研究主要集中在噴嘴霧化方面，史永杰[3]針對目前存在需大功率設(shè)備進(jìn)行加壓、霧化范圍小及液滴分布不均勻等問題,研究了液滴粒徑離散程度，發(fā)現(xiàn)噴腔長孔比及出口收縮角、噴嘴出口直徑對噴嘴液滴粒徑的影響顯著。劉濤[4]對氣液分散體系中兩液滴相互碰撞過程進(jìn)行研究，部分揭示了氣液流動中液滴碰撞的物理本質(zhì)。陳云等[5]對霧炮管路系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計分析，有效降低了霧炮機(jī)運(yùn)行過程中的噪聲。周紅偉等[6]通過加大管路通徑、優(yōu)化管路連接方式，提高了霧炮機(jī)噴霧效果。

霧炮機(jī)工作中，液體首先依靠噴嘴霧化，隨后通過風(fēng)力進(jìn)行輸送，霧化與風(fēng)送相互配合才能符合既定的要求并取得良好的效果，而風(fēng)送氣流也在較大程度上影響了霧炮機(jī)的最大噴射距離。當(dāng)下對于風(fēng)送和風(fēng)筒結(jié)構(gòu)研究較少，尚未查到關(guān)于風(fēng)筒結(jié)構(gòu)對氣流流動的影響研究。本文針對風(fēng)筒錐角、錐角起始位置及內(nèi)部導(dǎo)風(fēng)板傾斜角度三因素，采用正交試驗的方法，通過對不同結(jié)構(gòu)風(fēng)筒進(jìn)行數(shù)值模擬，以期得出較優(yōu)的風(fēng)筒結(jié)構(gòu)，在不改變設(shè)計功率的前提下，提高氣流在風(fēng)筒外流速，進(jìn)而提高送風(fēng)效率。

1 模型與試驗設(shè)計

1.1 幾何模型

本文所研究的霧炮機(jī)風(fēng)筒內(nèi)徑為325 mm，內(nèi)部扇葉采用鋁制7葉風(fēng)扇，扇葉實物如圖1(a)所示。其中，扇葉中心區(qū)域直徑105 mm，厚度40 mm，葉片長度95 mm，葉片寬度56 mm，厚4 mm。對軸孔進(jìn)行簡化，幾何模型如圖1(b)所示。

(a)扇葉實物 (b)模型

為減少計算量，采用周期性幾何模型進(jìn)行流域建模，并選擇整圓周的1/7進(jìn)行建模，如圖2所示。

圖2中，1為流體計算中的穩(wěn)流區(qū)域，位于風(fēng)筒入風(fēng)口外，直徑320 mm，長200 mm。2至3為風(fēng)筒區(qū)域，總長500 mm，其中，2為風(fēng)筒內(nèi)扇葉所在周期性旋轉(zhuǎn)區(qū)域，長60 mm；3為風(fēng)筒內(nèi)扇葉外部分，長440 mm，區(qū)域3由圓柱段和圓錐段組成，靠近區(qū)域2部分為圓柱段，靠近區(qū)域4部分為圓錐段，具體尺寸見表1。4為外流域，直徑1 200 mm，長3 600 mm。5為導(dǎo)風(fēng)板，長180 mm，高60 mm，與風(fēng)筒出風(fēng)口間距為10 mm，緊貼在風(fēng)筒內(nèi)壁上，其傾斜角度見表1。

(a)整體模型

1.2 試驗設(shè)計

霧炮機(jī)風(fēng)筒結(jié)構(gòu)較為單一，對內(nèi)部氣流造成影響的6個參數(shù)分別為：風(fēng)筒長度、風(fēng)筒直徑、風(fēng)筒是否帶有錐角及錐角部分長度、風(fēng)筒內(nèi)是否存在導(dǎo)流板和風(fēng)機(jī)安裝位置。綜合考慮整機(jī)尺寸協(xié)調(diào)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，確定風(fēng)筒長度、風(fēng)筒直徑和風(fēng)機(jī)安裝位置3個參數(shù)保持不變，對剩余參數(shù)進(jìn)行研究。取風(fēng)筒錐角A、錐角起始位置與進(jìn)風(fēng)口距離B，導(dǎo)風(fēng)板傾斜角度C為設(shè)計因子，其中：錐角A取值不宜超過10°，否則易導(dǎo)致出風(fēng)口直徑過小，阻礙氣流流出，為較好覆蓋整個區(qū)間和兼顧區(qū)間邊界值，取2°、5°、8°三值；根據(jù)市面風(fēng)筒結(jié)構(gòu)，考慮為進(jìn)風(fēng)口處電機(jī)安裝預(yù)留空間，錐角起始位置與進(jìn)風(fēng)口距離B不可過小，B取100、200、300 mm；導(dǎo)風(fēng)板傾斜角度C取值主要考慮讓導(dǎo)流板起到導(dǎo)向作用，使流體能沿風(fēng)筒方向前進(jìn)更遠(yuǎn)的距離，取值不應(yīng)過大，結(jié)合常見導(dǎo)流板角度，取0°、15°、30°。綜上，建立三因素三水平正交表(見表1)，評價指標(biāo)為外流域出風(fēng)口壁面中心點(diǎn)風(fēng)速vmax。

2 控制方程

對于流場分析，作如下假設(shè)：

1)工作介質(zhì)為不可壓縮連續(xù)流體；

2)流場計算收斂后處于穩(wěn)定狀態(tài)，流場物理量只與空間歐拉坐標(biāo)有關(guān)而與時間無關(guān)。

流場按納維-斯托克斯方程(N-S方程)[7]和連續(xù)性基本微分方程共同計算。納維-斯托克斯方程( N-S方程)為

(1)

其中拉普拉斯算子

(2)

式中：X、Y、Z分別為3個坐標(biāo)方向的質(zhì)量力，N；μ為速度，m/s;ρ為空氣密度，取1.225 kg/m3；p為壓強(qiáng)，取101 325 Pa；v為空氣運(yùn)動學(xué)粘性系數(shù)，取1.8×10-5m2/s。

3 數(shù)值模擬

3.1 網(wǎng)格處理

根據(jù)建立的幾何模型，綜合考慮計算精度及計算經(jīng)濟(jì)性，確定采用混合網(wǎng)格對網(wǎng)格進(jìn)行周期性設(shè)置，周期角度為51.428 57°。其中，扇葉所在區(qū)域2采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其與其他區(qū)域交界面Surface預(yù)設(shè)為interface，網(wǎng)格尺寸6 mm；其他區(qū)域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，最小尺寸6 mm，增長率1.05，最大尺寸20 mm，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格整體Determinant質(zhì)量0.6以上。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

3.2 網(wǎng)格獨(dú)立性驗證

數(shù)值模擬中，網(wǎng)格數(shù)量對模擬精度和收斂性有重要影響，為保證計算可靠性，對網(wǎng)格進(jìn)行獨(dú)立性驗證。分別采用235 784、466 887、964 572三種不同數(shù)量網(wǎng)格模型進(jìn)行數(shù)值模擬，在相同邊界條件下，流域出口壁面中心點(diǎn)風(fēng)速vmax如圖4所示。

圖4 不同網(wǎng)格數(shù)量下外流域出風(fēng)口壁面中心點(diǎn)風(fēng)速曲線

由圖4可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量較少時，模型計算誤差較大；隨著網(wǎng)格數(shù)量的增多，結(jié)果逐漸穩(wěn)定。為在保證計算可靠性的前提下提高計算效率，采用466 887網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.3 邊界條件及求解設(shè)置

網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT后，周期性邊界自動識別為Periodic。旋流模型采用SSTk-ω[7-9]模型，風(fēng)筒穩(wěn)流區(qū)域側(cè)單面壁為入口，入口為壓力入口，壓力為0。風(fēng)筒之外所有區(qū)域均為出口，出口為壓力出口，出口壓力為0；扇葉區(qū)域采用MRF方式進(jìn)行設(shè)置，轉(zhuǎn)速1 500 r/min;扇葉壁面設(shè)置為滑移壁面，滑移方式為轉(zhuǎn)動，與相鄰區(qū)域相對轉(zhuǎn)動速度為0。匹配扇葉兩側(cè)Interface。

為提高收斂速度，壓力速度耦合采用Coupled算法[8-11]進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算。

4 結(jié)果及分析

經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，模型最大速度發(fā)生在扇葉尖端區(qū)域，最大速度約25.1 m/s，流域整體流線圖如圖5所示。

圖5 流域整體流線圖

根據(jù)圖5可以看到，氣流在經(jīng)過風(fēng)扇后，以一定螺旋角度向前流動，當(dāng)氣流離開風(fēng)筒后，氣流的螺旋前進(jìn)會保持小段距離，最終逐漸趨于層流。

在模型外流域軸心處設(shè)置一條線，紀(jì)錄計算收斂后不同位置的速度，繪制出速度-位置曲線如圖6所示，匯總正交試驗方案及結(jié)果見表2。

表2 正交試驗方案及結(jié)果

(a)試驗1、2、3

由圖6可以看出，當(dāng)氣流在離開風(fēng)筒之后，中心軸線空氣流動速度并不是立即衰減，會存在上升階段。當(dāng)風(fēng)筒結(jié)構(gòu)設(shè)計較為合理時，該上升階段可持續(xù)較長時間，如試驗1、2、8，即使距離出風(fēng)口3 600 mm遠(yuǎn)時，其軸心速度依然有上升趨勢；次之為工況4、9，氣流到達(dá)該位置時，其速度已經(jīng)開始衰減；結(jié)構(gòu)較為不合理的工況為3、5、6、7，氣流在離開風(fēng)筒后衰減較快。由此可以看出合理的風(fēng)筒設(shè)計對于保持氣流速度的重要性。

根據(jù)表2可知，不同的風(fēng)筒結(jié)構(gòu)，吹出的氣流流速差異較大。其中A1B2C2效果最好，外流域出風(fēng)口壁面中心點(diǎn)風(fēng)速vmax為16.263 7 m/s，為本次正交試驗最優(yōu)解。

對正交表進(jìn)一步分析，計算其水平效應(yīng)估計值I、K值和極差R,結(jié)果見表3。根據(jù)表3可知，對于影響氣流在離開風(fēng)筒后流動速度的重要程度，導(dǎo)風(fēng)板傾斜角度>錐角>錐角起始位置與進(jìn)風(fēng)口距離。為此，推測產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于，當(dāng)扇葉在風(fēng)筒內(nèi)轉(zhuǎn)動時，帶動氣流以一定螺旋角度旋轉(zhuǎn)，同時在風(fēng)筒內(nèi)形成一個個小的氣旋，推動氣流向前流動。當(dāng)導(dǎo)風(fēng)板處于一個合適的角度時，可以在較少阻礙氣流流動的前提下，引導(dǎo)氣流吹向指定區(qū)域；而當(dāng)其設(shè)計不夠合理時，效果將大打折扣。同時，通過試驗數(shù)據(jù)可以看出，風(fēng)筒錐角及錐角起始位置對送風(fēng)速度同樣存在影響，但相對來說，其影響程度低于導(dǎo)流板傾角造成的影響。為此，在后續(xù)優(yōu)化設(shè)置時，可以首先固定其他參數(shù)，優(yōu)先對導(dǎo)流板進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化分析，之后再優(yōu)化其他因素，預(yù)期可得到較為理想的效果。

表3 最大軸心速度極差分析

5 結(jié)論

本文通過對霧炮機(jī)風(fēng)筒建模并進(jìn)行基于正交試驗設(shè)計的數(shù)值模擬，得出如下結(jié)論：

1)根據(jù)基于正交試驗設(shè)計的數(shù)值模擬，獲得了外流域出風(fēng)口壁面中心點(diǎn)最大風(fēng)速16.263 7 m/s，得出最優(yōu)風(fēng)筒結(jié)構(gòu)參數(shù)A1B2C2。

2)通過正交試驗可知，導(dǎo)風(fēng)板傾斜角度、錐角、錐角起始位置與進(jìn)風(fēng)口距離對外流域出風(fēng)口壁面中心點(diǎn)風(fēng)速大小影響程度是遞減的，該研究可為后續(xù)風(fēng)筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。