基于滑移網格技術的揉碎機內流場研究

麻　乾，劉　飛,趙滿全

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特　010018)

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基于滑移網格技術的揉碎機內流場研究

麻乾，劉飛,趙滿全

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特010018)

摘要：為研究揉碎機揉碎腔內的流場結構和流動狀態，運用計算流體力學方法，基于滑移網格技術，對揉碎機空載時腔內的湍流非定常流場進行了三維瞬態數值模擬，得到了轉速為2 800r/min時，揉碎機轉子轉動1周時間內，揉碎室和拋送室的流場空氣動力學特性參數隨時間變化規律，準確地反映了瞬態流場結構信息。結果表明：低壓區在拋送室中半徑為0～20mm附近，最高壓力區在拋送葉片與內壁間隙，容易形成回流造成物料排出不易；啟動階段最大速度發生在出料口內側尖角區域；軸向壓力速度分布過于均勻，進而影響整機效率。此研究為揉碎機內部流場結構優化提供了新方法，提出了改進該機型的方向，為優化該機效率奠定了理論基礎。

關鍵詞：揉碎機；流場分析；瞬態仿真；滑移網格；非定常流

0引言

揉碎機是一種秸稈飼料加工機械，由于其生產出來的秸稈飼料顆粒粒度適中，有利于反芻牲畜消化吸收，已經取代了粉碎機和鍘草機等飼料加工機械且被廣泛使用[1-2]。但是，相比于其他種類飼草加工機械，揉碎機能耗較大，嚴重影響了該機型的生產效率，且背離了綠色農業的發展目標。因此，有必要優化該機具，在保證其揉碎質量的前提下，降低能耗[3-4]。

近年來，國內外大量學者采用各種方法對揉碎機的能耗進行了優化。張黎驊等[5]利用二次旋轉回歸正交試驗，建立了玉米秸稈揉絲率和度電產量與各參數之間的數學模型，得到最佳工作參數，實現了揉絲率和度電產量的優化。翟之平等[6]以降低拋送裝置功耗為目標，對拋送裝置參數進行優化，實現了對揉碎機的節能優化。隨著流體仿真軟件的大力發展，將計算流體力學的理論應用到揉碎機優化問題上也已經得到廣泛應用。加拿大學者Dennis Lammers[7]首次使用計算流體動力學(CFD)軟件Fluent 6.1模擬了Dion 1224牽引式牧草收獲機流經拋送葉片、垂直輸送管、偏轉彎管及噴嘴的空氣流流場。曹麗英[8]利用計算流體力學軟件Fluent 對新型錘片式粉碎機的氣流場進行了數值模擬分析，獲得了粉碎機氣流場的基本特征，并對模擬結果進行了試驗驗證。王娟[9]運用Fluent 對9R-40 型揉碎機內部的流場進行了三維模擬，并且將仿真結果與試驗結果對比，探究了揉碎機噪聲產生機理。尚坦[10]運用Fluent 中多重參考坐標系模型對揉搓機內流場進行模擬，直觀顯示了內部流場速度和壓力特征。翟之平[11]應用計算流體力學軟件Fluent 對9R-40型揉碎機葉片式拋送裝置內部的三維氣流流場進行了數值模擬，并對計算出的出料直管處的氣流速度與試驗值進行了比較，檢驗了數值模擬的可靠性。

綜上所述，前人對轉子錘片對秸稈的作用機理、物料拋送效率、氣流場結構對機器性能等各方面進行了研究；然而對揉碎機內流場結構的研究并不深入，只是對揉碎機內流場進行穩態模擬，忽略了揉碎機內部物理量的瞬態行為及非定常流動存在的事實。鑒于此，本文在前人研究基礎上，采用滑移網格技術對9R-40型揉碎機空載狀態下的內部流場進行單相瞬態數值模擬，研究了揉碎室內流場在轉子及錘片的擾動下的速度壓力場轉換，以及拋送室內流場在拋送葉片激勵下的回流特性等現象，揭示秸稈物料在揉碎室內流動狀態，并對該機具效率偏低的原因做了初步分析，為下一步優化該機具奠定了理論基礎。

1數值模擬

1.1　模型參數及建立

選取9R-40揉碎機為研究對象，其基本結構如圖1所示。9R-40型揉碎機利用隨高速旋轉的轉子做圓周運動的錘片，將秸稈進行剪切和擊碎，同時在錘片和揉碎室內壁的齒板間揉搓作用下，將秸稈物料加工成具有一定長度和粗細度的柔軟絲狀段[12-15]。其主要性能參數如表1所示。

1.齒條　2.主軸　3.錘片　4.喂入口　5.拋送口　6.拋送葉板

項目參數配套動力7.5kW電機或8.82～11.03kW小四輪拖拉機生產率1t/h主軸轉數2700～3000r/min整機質量200kg轉子直徑400mm葉片傾角后傾10°外形尺寸(長×寬×高)1600mm×1000mm×1750mm適應的物料①作物秸桿(玉米、高梁、蔡花等粗秸稈);②細小樹枝條等作業形式固定作業或掛在拖拉機作業,轉移和較長距離運輸作業質量加工后的物料細軟如絲絮狀,揉碎率可達95%以上

為了提高數值計算精度，更準確地對流場進行分析，建立了揉碎機的三維全流場幾何模型。首先，建立轉子總成裝備體，如圖2所示；其次，建立揉碎室部分如圖3所示。

根據CFD的基本理論，數值模擬的計算區域是流體實際通過區域。為了更好地離散化計算域，達到良好的模擬效果，本文對轉子裝配體先進行簡化再導入流體計算軟件。計算模型的建立在GAMBIT中完成，將圖1和圖2的.x_t格式三維模型通過Parasolid文件類型倒入GAMBIT中；然后進行split計算，并且retain轉子的模型，得到計算區域模型。

1.拋送葉片　2.錘片架　3.矩形錘片　4.主軸　5.擋銷　6.槽形錘片

1.拋出口　2.喂入口

1.2　滑移網格模型

應用滑移網格技術可以處理揉碎機內流場的仿真問題。因為在揉碎機實際工作中，錘片及拋送葉板與揉碎室內壁存在相互作用，轉子每轉過一定角度，流場結構隨之變化，物料流同時會隨時間產生非定常流動，導致揉碎機的內流場的模型應該歸為變形區域流動問題。FLUENT中用于運動問題的計算模型包括運動坐標系和運動域兩種。運動坐標系包括單參考坐標系(SRF)、多重參考系模型(MRF)及混合面模型(Mixing Plane Model)，運動域方法包含滑移網格模型(Sliding Meshes)和動網格(Moving meshes)等[16-17]。此外，在揉碎室內存在齒板的繞流擾動，以及氣流與秸稈(固相)氣固耦合作用，以上所述干擾過程細節導致錘片與內壁存在瞬態相互作用[18-19]。動坐標系解法是一種穩態近似解法，不能十分精確反映揉碎機內流場結構。所以，本文采用滑移網格模型解決靜止部件和旋轉部件的相對運動問題。與MRF和混合面技術相比，該模型計算出的流場是實際的流場，而非充分發展流場，這一點在很大程度上改善了模擬的精度[20-21]。

滑移網格模型的建立基礎是在轉/靜干涉處建立交界面，使計算域產生兩個相對運動的子域，由非一致網格界面連接。所以，在劃分網格時，應考慮將流體計算區域加工成動、靜兩個子域，進而在不同區域內劃分網格。根據上述理論，建立計算域的滑移網格模型(見圖4)，動子域為內部包含轉子部分，其余外部為靜子域。

圖4　流體計算域

1.3　網格生成

滑移網格技術使用多個計算域，本文分為動、靜兩個區域。相鄰的計算區域分界面形成“網格分界”形式，這樣網格劃分可以在每個子域內單獨完成，最終在Fluent邊界條件設置中的interface邊界條件可以解決區域間的數據對接。

網格劃分在GAMBIT中進行，首先對喂入口和拋出口兩個面進行面網格劃分(face mesh)，網格劃分時采用四邊形(Quad)結構化網格元素，網格生成方式為平鋪(pave)，spacing的方式為Interval count并輸入網格個數為10，再對體進行劃分，這樣設置可以節省計算機內存提高運算效率。同理，對于動子域，選擇階梯圓柱的兩個斷面進行面網格劃分，接著以上述兩個面網格為基礎進行提網格劃分。體網格元素采用適應性較強的四面體混合網格，網格類型選擇TGrid，網格劃分步長大小為20。總體計算域網格劃分結果如圖5所示。動子域網格數為307 754，靜子域網格數為55 044。

1.4　數值計算

采用ANSYS-FLUENT軟件對9R-40揉碎機進行三維全流場瞬態數值分析。 計算域入口和出口給定了通用的壓力入口(pressure inlet)及壓力出口(pressure outlet)，其余均默認為絕熱非滑移壁面邊界。需要指出的是，轉子表面(wall)是轉動內部邊界，由于其數量較多，所以需要先在GAMBIT當中創建一個含有轉子每個表面的Group，命名為mixer；轉子wall邊界選擇為Rotational，轉動方式選擇Relative to Adjacent Cell Zone，意為轉子與流場運動區域一起同步轉動。動子域與靜子域的交界面設置為Interface交界面，以便節點信息通過插值函數相互傳遞。

圖 5　計算域網格劃分

由于本文針對揉碎室內氣流單相求解，所以采用壓力基—壓力動量耦合求解器；另外，由于對計算時間有要求，耦合方式采用PISO隱式求解器。分離算法采用二階迎風插值格式。

湍流模型采用RNGk-ε模型，近壁面采用標準避免函數方法。為了模擬指定時間內的瞬態流場，根據表1給出的參數，取主軸轉速為2 800r/min，周期約為0.02s。非定常計算采用時間步長e-5s，只考察轉子第1周的工作情況。為了讓迭代計算達到更好的收斂效果，設置每個時間步長內進行20次迭代計算，每4個時間步保存一次數據文件。

2模擬結果及分析

迭代計算至1 712步后，計算收斂。殘差監視窗口如圖6所示。

圖6　殘差圖

流量報告給出，進出口的質量流量的絕對值相對誤差達到e-5，得到428個時刻的瞬態流場數據結果。

2.1　橫截面流場信息結果分析

為了分別考察拋送室和揉碎室內各自流場隨時間變化規律，根據數值計算結果，選取時間為T/20、T/4、T/2時刻的揉碎室中心橫截面z=50mm的流場壓力信息(見圖7)及流場速度信息(見圖8)來進行分析。

圖7　不同時刻橫截面z=50mm靜壓分布

2.1.1橫截面壓力分布

從圖7中可明顯看出：徑向壓力梯度隨時間逐漸減小，表明機器在啟動階段會產生周期性振動，通過啟動加速階段會逐漸趨于平穩；壓力最大區域始終出現在拋送直管、轉子周圍形成負壓區；最大壓力區隨時間不斷衰減，中心負壓區不斷擴散；葉片前后的壓力分布隨時間產生明顯變化，由于葉片后傾10°，其迎風面所受壓力隨時間逐漸增大，背風面則減小。在兩個葉片之間形成壓力梯度方向與葉片轉動方向一致，可以加強氣流的周向運動。

2.1.2橫截面速度分布

由圖8顯示的拋送室z=50mm位置不同時刻的速度云圖分布情況中可以發現：在機器運行前期啟動階段，速度分布相對均勻，出料口速度幾乎為零；在T/4時刻，拋送通道內的氣流在拋送葉片的帶動下，其流速沿著葉片運動切向方向迅速增加，且速度的改變首先發生在葉片頂端，出料口速度迅速增大，其變化最先發生在出料口的里側(靠近中心軸)；T/2時刻，出料管速度繼續增大，高速區集中在葉片背風面，腔體內壓力速度轉化劇烈，形成紊流。

圖8　不同時刻橫截面z=50mm速度分布

2.2　縱截面流場信息結果分析

根據計算結果，選取時間為T/20、T/4、T/2時刻的主視縱截面流場壓力信息(見圖9)及流場速度信息(見圖10)分析。

2.2.1縱截面壓力隨時間分布

1)縱截面壓力隨時間分布相似性。由圖9中可以看出：在整個時間歷程中，揉碎機內流場結構存在以下相似性：①由于拋送葉片的半徑大于錘片半徑，使得揉碎室內徑向壓力梯度小于揉碎室內徑向壓力梯度，在揉碎室和拋送室交界處形成指向出口的壓降；當氣流由揉碎室進入拋送室內時，將被迅速被壓縮，有利于物料在氣流帶動下迅速被拋出，但由于同樣的原因也容易造成物料在揉碎室的堆積現象，并帶來二次揉碎增加能耗的不良后果。②各時刻的高壓區域出現在拋送室內壁，低壓區域出現在拋送室的半徑為0～20mm附近。這樣拋送室徑向壓力梯度較大，容易在轉子附近形成負壓區，產生回流和二次流現象，造成排料不暢。此外，揉碎段錘齒間靜壓只有高壓區的25%左右，減弱了物料的流化沸騰，使錘片與大粒度物料有效撞擊幾率降低，影響產品質量。

2)縱截面壓力隨時間分布差異性。以時間為尺度觀察其內部流場結構發現其變化主要發生在拋送段：在T/18時刻，壓力最高區域在拋送室內并靠近出口區域當機器運行至T/9時刻，壓力最大區域發生偏移擴散，集中在了出口，并且最大壓力值增大，而中心壓力進一步降低，壓力梯度進一步增大。揉碎室到拋送室的壓力過度平穩，湍流影響較小。當運行至T/6時刻，最大壓力區仍然在出料口，而且壓力值進一步增大，伴隨著中心負壓進一步增大，導致機器在啟動階段運行不平穩，破壞了氣流場平衡；在揉碎段與拋送段之間明顯出現壓力值陡增現象，導致物料不能高效地有揉碎區進入拋送區，這也是造成揉碎機效率低的原因之一。同時，還可以看出：在不同時刻，隨著時間的變化，揉碎室內的氣流場結構變化甚微，說明在揉碎機工作過程中，錘片結構沒有引起氣流場的變化，只起到了揉碎秸稈的作用，對改善氣流場結構提高物料在流場有效運輸貢獻很小。

1.揉碎室　2.拋送室　3.拋送室底部

2.2.2縱截面速度分布

由圖10可以看出：在啟動加速階段，拋送室內速度隨時間有明顯增加，并在其底部形成速度最大區域。揉碎室內錘齒間由于摩擦阻力影響，呈現出壁面附近速度小，錘片頂端速度大的特征，這樣產生的速度梯度有助于在揉碎物料兩側形成速度差，提高揉碎質量。在拋送板帶動下，拋送室抽送氣流與揉碎室非定常旋流在兩區交界面產生混合，使揉碎室內出現組合渦，并有朝入口方向增強的趨勢，即存在明顯回流。揉碎室內軸向速度梯度的產生來源是拋送葉片，排氣方式相對被動，說明揉碎室速度分量不產生推力，導致流場能量損失。此外，揉碎室內渦核存在徑向跳動，呈非對稱分布，由此產生的振動是該機能耗的又一來源。

圖10　不同時刻主視縱截面速度分布

3結論

1)揉碎機內壓力最大區域產生在拋送葉片頂端與機殼間隙，壓力最低區域為拋送室轉子周圍。拋送室徑向壓力梯度隨時間逐漸增加，拋送區中心負壓區隨時間逐漸擴撒，影響物料完全拋出。

2)拋出室的高速區隨時間向揉碎段收縮，速度梯度變化明顯，湍動能隨時間增加，這也是產生回流的原因之一。

3)揉碎室內速度變化規律與拋送室內相近，沿著半徑由內向外揉碎室內速度先增大后減小，并且伴隨著徑向非對稱性。

4)揉碎室作為物料由入口到出口的唯一流道，在其與拋送室交界處存在軸向漩渦，存在回流和循環流。揉碎室內軸向壓力、速度隨時間變化趨勢微弱，致使物料的二次揉搓，影響整機效率。

4建議

揉碎機的工作要求：一是將物料揉碎；二是將揉碎的物料及時排出。但是，目前揉碎機的設計使得揉碎室和拋送室的工作相對單一，沒有互相促進作用。因此，可以通過改變錘片結構，提高揉碎室內流場壓強，制造軸向強制渦，加強物料流動。在“物料被拋出”基礎上加強“物料流出”，進而提高度電產量。新型揉碎機應改進錘片結構以改善揉碎室的氣流場結構，使物料在被揉碎同時能夠在流場促進下高效地達到拋送段，從而提高揉碎效率。

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Abstract ID:1003-188X(2016)12-0001-EA

Numerical Simulation on Inner Flow Field of 9R-40 Rubbing and Breaking Machine Based on Sliding Meshes

Ma Qian, Liu Fei, Zhao Manquan

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018 ，China )

Abstract：So as to studying the structure and status of inner flow field of rubbing and breaking machine, the Turbulent unsteady flow field of unloaded working conditions under rotating rate at 2 800r/min were simulated with computational fluid dynamics(CFD) and moving meshes method. Acquired its properties of flow area inside altering with time, which reflects the transient flow field structure information accurately. The simulated results could show that the low pressure area appeared in region of 0～20mm radius near the throwing chamber, while maximum pressure zone formed between the gap of throwing blades and the inner wall forming a reflux resulting in material could not discharge easily. Axial pressure and velocity evenly distributed resulting in airflow of shattered room is short of axial mobile. This article provided a new method for structure optimization of inner flow field of rubbing and breaking machine, suggested directions about improving the models, laid a theoretical foundation in order to optimize the efficiency of the aircraft.

Key words：rubbing and breaking machine; flow analysis; transient simulation; sliding meshes; unsteady flow

中圖分類號：S817；S126

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0001-06

作者簡介：麻乾(1989-)，男(回族)，太原人，博士研究生，(E-mail)dft0210@163.com。通訊作者：趙滿全(1955-)，男，內蒙古土右旗人，教授，博士生導師，(E-mail)nmgzhaomq@163. com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51365034)；中國博士后科學基金項目(2014M552532XB)

收稿日期：2015-11-13