玉米收獲機苞葉粉碎風機數值模擬與試驗

解福祥， 宋 健， 姜軍生

(濰坊學院 機電與車輛工程學院， 山東 濰坊 261061)

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玉米收獲機苞葉粉碎風機數值模擬與試驗

解福祥， 宋 健， 姜軍生

(濰坊學院 機電與車輛工程學院， 山東 濰坊 261061)

為了解決玉米聯合收獲機的苞葉粉碎還田問題，利用ANSYS軟件對軸向進風的苞葉粉碎風機進行了數值模擬，并在試驗臺上進行了驗證試驗研究。以苞葉粉碎風機的風速、全壓、靜壓和動壓為試驗指標，對風機葉輪的轉速進行了單因素試驗。數值模擬結果表明，苞葉粉碎風機轉速為1 100、1 400和1 800 r/min三個水平時，風機靜壓平均值分別為151.75、257.18和379.73 Pa，全壓平均值分別為230.09、331.31和454.36 Pa，風速平均值分別為9.51、10.56和11.77 m/s。驗證試驗結果表明，風機轉速為1 100、1 400、1 800 r/min時，出風口風速平均值分別為8.043、9.79和12.643 m/s；出風口動壓平均值分別為76.33、103.7和241.5 Pa；全壓平均值分別為75.83、102.03和214.37 Pa。數值模擬與驗證試驗結果一致，風機轉速三個水平中以風速為試驗指標數值模擬結果與驗證試驗結果近似率分別為84.54%，92.71%，93.12%。

玉米; 苞葉粉碎; 風機; 數值模擬; 試驗

0 引 言

玉米收獲機械化程度和普及率不高，玉米收獲機苞葉粉碎還田技術的水平低下目前已經成為制約和阻礙玉米收獲技術進一步發展的主要因素[1-2]。玉米聯合收獲工藝是適合我國玉米生產體系的機械化工藝，但普遍存在苞葉粉碎還田困難的技術難題。針對當前玉米聯合收獲機苞葉粉碎還田這一難題，對苞葉粉碎裝置中風機進行了研究。當前風機在農業機械和工程技術中的應用主要體現在貫流式、離心式和軸流式三個方面。貫流式風機主要應用于空調和稻麥聯合收獲機清選機構中[3-6]；離心式風機主要應用于吸糧機、清糧機和谷物聯合收割機[7-10]。軸流式風機主要應用于稻麥聯合收獲機和全喂入聯合收獲機[11-14]等。苞葉粉碎風機輪在蝸殼中的進風口方式為軸向進風，軸向進風是沿苞葉粉碎風機葉輪的軸線方向。

1 苞葉粉碎風機的工作原理和結構

1.1 工作原理

當氣體質點進入苞葉粉碎風機葉輪時，以絕對速度v1流經苞葉粉碎風機葉輪葉片進口a處，如圖1所示，此時，葉輪正在高速旋轉，氣體質點同時隨著苞葉粉碎風機葉輪做圓周運動，氣體質點的牽連速度為u1,因此氣流以相對速度ω1開始進入風機葉輪葉片進口a處。風機內氣體的圓周速度u1與氣體的相對速度ω1的矢量和即是絕對速度v1。若經時間t后，苞葉粉碎風機葉輪葉片a-b轉到c-d位置，此時氣體質點如果同時運動到出口d處，在苞葉粉碎風機葉輪出口處氣流相對于葉片以相對速度ω2流出葉道，但是因為葉輪出口處具有圓周速度u2，故苞葉粉碎風機葉輪氣流實際上是以絕對速度v2進行流動。風機內氣體的絕對速度v1與氣體質點的牽連速度u1構成的夾角是θ1，氣體的絕對速度v2與氣體的圓周速度u2構成的角度是θ2。

圖1 苞葉粉碎風機內流場分析圖

根據通風機的基本方程式[15]，

(1)

式中:P為苞葉粉碎風機葉輪對每kg質量氣體所做的功，N/m；ρ為氣體密度，kg/m3；v1u為絕對速度v1的周向分速度，m/s；v2u為絕對速度v2的周向分速度，m/s。

利用圖1中進風口和出風口的速度三角形，運用余弦定理得出：

(2)

(3)

根據式(2)和(3)得出：

(4)

(5)

將式(4)、(5)代入式(1)得：

(6)

式(6)是歐拉方程式的另一種表達形式。

1.2 苞葉粉碎風機結構

風機葉輪安裝在苞葉粉碎裝置通道中。根據苞葉粉碎風機的安裝位置關系，參考文獻[16]選取苞葉粉碎風機葉輪為貫流風機葉輪，其外圈的直徑為200 mm，內圈的直徑為170 mm，風機葉輪葉片的厚度為1 mm，長度為490 mm。苞葉粉碎風機蝸殼的作用是凝聚氣流。風機進風方式為軸向進風，蝸殼的最大外徑為290 mm，長度為510 mm，風機葉輪和蝸殼結構如圖2所示。

2 苞葉粉碎風機數值模擬

2.1 建模條件

對苞葉粉碎風機氣流場進行數值模擬分析時，根據文獻[16],風機的轉速分別確定為1 100、1 400和1 800 r/min三個水平。苞葉粉碎風機的流體計算所用氣體參數如下：標準大氣壓1.013 25×105Pa， 密度1.205 kg/m3，黏度1.83×10-5Pa·s，運動粘滯系數15.7×10-6m2/s，絕對溫度293 K。

2.2 計算模型的選取

根據流體力學可知，在苞葉粉碎風機中氣體速度較低(遠小于音速)的情況下，由于苞葉粉碎風機內氣體流動過程中的壓強和溫度變化較小，因此將苞葉粉碎風機內氣體密度看做是常數，是不可壓縮氣體。

3.加強對選拔任用干部工作情況的監督檢查。以解決選拔任用干部中的突出問題、提高選人用人的公信度為切入點，重點監督檢查被巡視單位違規違紀用人、拉票、跑官要官、買官賣官等問題，促進被巡視單位防止和克服選人用人上的不正之風。檢查的情況要如實向黨委和組織部門匯報和通報，對重要情況，要及時請示報告。對“跑官要官”的，要嚴肅批評，記錄在案，并取消其被推薦、考察和作為候選人的資格，情節嚴重的要進行組織處理；對行賄“買官”的，一律先免去職務，再按有關規定處理；對受賄“賣官”的，要依紀依法嚴懲；對在民主推薦和選舉中搞拉幫結派、拉票賄選的，要堅決查處，已經提拔的要從領導崗位上撤下來，堅決糾正用人上的不正之風。

由于在苞葉粉碎風機內流體的流動大多處于湍流狀態，因此本文將對苞葉粉碎風機進行湍流分析。利用ANSYS軟件對風機進行流體分析的湍流模型采用標準k-ε雙方程模型[17]。

2.3 網格劃分

首先通過ANSYS軟件對苞葉粉碎風機模型進行網格劃分，選取自由網格劃分方式，風機內部流動流場劃分為19 264個網格，蝸殼流動區域劃分為8 057個網格，共有19 255個結點。苞葉粉碎風機網格劃分結果如圖3所示。

圖3 網格劃分

2.4 數值模擬結果與分析

2.4.1 風機在1 100 r/min時流場分析

圖4是風機在1 100 r/min時，苞葉粉碎風機靜壓分布、全壓分布、速度分布和速度矢量分布圖。通過風機靜壓分布圖得出，風機由內到外靜壓逐漸增大，在蝸殼與風機出風口拐點處，風機靜壓最大，其靜壓值為198～226 Pa。由全壓分布圖可知，風機內部全壓分布比較均勻，風機葉輪內部全壓為負值，由內到外全壓逐漸增大，全壓值為209～254 Pa。速度分布圖表明，在風機葉輪外緣區域的風速最大，蝸殼與風機出風口拐點處，風機風速最小，其值為5.59～7.83 m/s。速度矢量分布圖表明，風機風速矢量皆流向風機出風口，在風機出風口區域形成湍流。數值模擬結果表明，苞葉粉碎風機靜壓平均值為151.75 Pa，全壓平均值為230.09 Pa，風速平均值為9.51 m/s。

(a)靜壓模擬圖(b)全壓模擬圖

(c)速度模擬圖(d)速度矢量模擬圖

圖4 1 100 r/min時風機的數值模擬結果

圖5是風機在1 400 r/min時，苞葉粉碎風機靜壓分布、全壓分布、速度分布和速度矢量分布圖。通過風機靜壓分布圖得出，風機由內到外靜壓逐漸增大，在蝸殼與風機出風口拐點處，風機靜壓最大，其靜壓值為313～375 Pa。由全壓分布圖可知，風機內部全壓分布比較均勻，風機葉輪內部全壓為負值，由內到外全壓逐漸增大，全壓值為301～382 Pa。速度分布圖表明，在風機葉輪外緣區域的風速最大，蝸殼與風機出風口拐點處，風機風速最小，其值為6.49～8.12 m/s。速度矢量分布圖表明，風機風速矢量皆流向風機出風口，在風機出風口區域形成湍流。數值模擬結果表明，苞葉粉碎風機靜壓平均值為257.18 Pa，全壓平均值為331.31 Pa，風速平均值為10.56 m/s。

(a)靜壓模擬圖(b)全壓模擬圖

(c)速度模擬圖(d)速度矢量模擬圖

圖5 1 400 r/min時風機的數值模擬結果

2.4.3 風機在1 800 r/min時流場分析

圖6是風機在1 800 r/min時，苞葉粉碎風機靜壓分布、全壓分布、速度分布和速度矢量分布圖。通過風機靜壓分布圖得出，苞葉粉碎風機由內到外靜壓逐漸增大，在蝸殼與風機出風口拐點處，風機靜壓最大，其靜壓值為474～595 Pa。由全壓分布圖可知，風機內部全壓分布比較均勻，風機葉輪內部全壓為負值，由內到外全壓逐漸增大，全壓值為444～647 Pa。速度分布圖表明，在風機葉輪外緣區域的風速最大，蝸殼與風機出風口拐點處，風機風速最小，其值為10.7～12.8 m/s。速度矢量分布圖表明，風機風速矢量皆流向風機出風口，在風機出風口區域形成湍流。數值模擬結果表明，

(a)靜壓模擬圖(b)全壓模擬圖

(c)速度模擬圖(d)速度矢量模擬圖

圖6 1 800 r/min時風機的數值模擬結果

苞葉粉碎風機靜壓平均值為379.73 Pa，全壓平均值為454.36 Pa，風速平均值為11.77 m/s。

苞葉粉碎風機數值模擬結果表明，隨著風機轉速的增大，風機內出風口處靜壓、全壓和風速逐漸增大。苞葉粉碎風機葉輪轉速在1 800 r/min時，風機具有較好的效果。葉輪轉速繼續上升導致整機的功耗變大，因此，苞葉粉碎風機在1 800 r/min時，風機性能最佳，其出風口平均值為11.77 m/s。

3 試 驗

3.1 試驗設備與試驗指標

試驗在濰坊學院機電與車輛工程學院實驗室內進行。試驗設備為苞葉粉碎風機試驗臺。其他設備還有，轉速測試儀、數碼相機、風速風壓儀(讀數精度0.1 m/s,0.1 Pa)。

根據苞葉粉碎風機內數值模擬結果，風機葉輪的轉速分別選取1 100、1 400和1 800 r/min三個水平進行單因素試驗。試驗指標為風機風速、動壓和全壓。研究苞葉粉碎風機的結構參數和運動參數對于風機風速、動壓和全壓的影響，通過單因素試驗得出苞葉粉碎風機的最佳參數。

3.2 試驗結果與分析

圖7中x軸表示苞葉粉碎風機測量點，y軸表示苞葉粉碎風機風速平均值。苞葉粉碎風機轉速越高，其出風口風速平均值越大。當風機轉速為1 800 r/min時，苞葉粉碎風機風速平均值達到最大。試驗結果表明，苞葉粉碎風機轉速為1 100、1 400和1 800 r/min三個水平時，風速平均值分別為8.043、9.79和12.643 m/s。

圖7 風機風速平均值

圖8中x軸表示苞葉粉碎風機測量點，y軸表示苞葉粉碎風機動壓和全壓平均值。苞葉粉碎風機轉速為1 800 r/min時，動壓和全壓平均值最大。其5個測量點的動壓平均值依次為：301.83、274.0、215.67、171.83、244.17 Pa。全壓平均值依次為：286.5、221.17、195.67、162.83、205.67 Pa。試驗結果表明，苞葉粉碎風機轉速為1 100、1 400、1 800 r/min時，出風口動壓平均值76.33、103.7和241.5 Pa。全壓平均值分別為75.83、102.03和214.37 Pa。隨著苞葉粉碎風機轉速的增大，其出風口風壓平均值逐漸增大。驗證試驗結果與數值模擬結果一致，在苞葉粉碎風機葉輪轉速三個水平中風速數值模擬結果與驗證試驗結果近似率分別為84.54%，92.71%，93.12%。

4 結 語

通過ANSYS軟件主要對苞葉粉碎風機內部的靜壓和全壓進行了數值模擬，而驗證試驗主要測量了出風口的動壓和全壓，屬于風機的外部。因此兩組試驗結果針對風壓這一試驗指標有差異。根據以風機出風口風速為試驗指標的試驗結果可知，數值模擬結果與驗證試驗結果非常接近，近似率達到90.12%。因此數值模擬結果具有較高的可信性，根據數值模擬結果可以得出風機內部的性能指標，為苞葉粉碎風機下一步的設計與試驗提供依據。

(1) 數值模擬結果表明，苞葉粉碎風機在1 100、1 400和1 800 r/min時，風速平均值分別為9.51、10.56和11.77 m/s，風機靜壓平均值分別為151.75、257.18和379.73 Pa，全壓平均值分別為230.09、331.31和454.36 Pa。風機轉速越高，其靜壓、全壓和風速越大。風機在1 800 r/min時，風機性能最佳。

(2) 驗證試驗結果表明，苞葉粉碎風機轉速為1 100、1 400、1 800 r/min時，出風口風速平均值分別為8.043、9.79和12.643 m/s；出風口動壓平均值分別為76.33、103.7和241.5 Pa；全壓平均值分別為75.83、102.03和214.37 Pa。

(3) 驗證試驗結果與數值模擬結果一致，苞葉粉碎風機轉速三個水平中以風速為試驗指標的數值模擬結果與驗證試驗結果近似率分別為84.54%，92.71%，93.12%。

[1] 陳 志,郝付平,王鋒德,等.中國玉米收獲技術與裝備發展研究[J]. 農業機械學報, 2012(12): 44-50.

[2] Thomas Burnell Colbert.Iowa farmers and mechanical corn pickers,1900-1952[J].Agricultural History,2000,74(2):530-544.

[3] 區穎剛,解福祥,劉慶庭,等.貫流風機排雜裝置[P].中國，ZL201110135039.0，2013.05.01.

[4] 羅 亮.基于CFD分析的空調用新型風機的優化設計[D].武漢:華中科技大學,2007.[5] 杜小強,肖夢華,胡小欽,等.貫流式谷物清選裝置氣固兩相流數值模擬與試驗[J]. 農業工程學報, 2014,30(3): 27-34.

[6] 甘加業,薛永飛,劉 映,等.貫流葉輪的旋轉模態分析[J].工程熱物理學報,2010,31(8):1307-1310.

[7] 丁問司,何祥濱.吸糧機三級離心風機內部流場的數值模擬[J]. 農業工程學報, 2011,27(11): 78-84.

[8] 徐立章,于麗娟,李耀明,等.雙出風口多風道離心風機內部流場數值模擬[J].農業機械學報, 2014,45(10): 78-86.

[9] 邱先鈞.新型風機在聯合收割機中的應用及其設計[J].農業工程學報,2003,19(1):110-112.

[10] 湯楚宙,張小英,歐陽中和,等.離心—軸流組合式清糧風機的試驗研究[J].農業工程學報,2007,23(10):117-120.

[11] 李春曦,李新穎,葉學民.葉片切割對軸流風機性能影響的數值研究[J].機械工程學報, 2014,30(10): 183-190.

[12] 毛 軍,楊立國,郗艷紅.大型軸流風機葉片的氣動彈性數值分析研究[J].機械工程學報, 2009,25(11): 133-139.

[13] 王 蕊,須 暉,馬 健,等.基于流體力學的濕簾風機溫室內氣流運動的模擬分析(英文) [J].農業工程學報, 2011,27(6): 250-255.

[14] Sopa cansee.A study of sugarcane leaf-removal machinery during harvest[J].American J of Engineering and Applied Sciences, 2010(1):186-188.

[15] 李慶宜.通風機[M].北京:機械工業出版社,1981.

[16] 解福祥,區穎剛,劉慶庭,等.甘蔗收獲機排雜風機設計與試驗[J].農業工程學報,2012,28(s1):8-14.

[17] 李進良,李承曦,胡仁喜,等.精通FLUENT6.3流場分析[M].北京:化學工業出版社,2009.

Numerical Simulation and Experiment on Bract Smash Fan of Corn Harvester

XIEFu-xiang,SONGJian,JIANGJun-sheng

(School of Mechanical-electronic and Vehicle Engineering, Weifang University, Weifang 261061, China)

To solve the return land on bract smash of corn harvester, the axial inlet of fan was numerically simulated of bract smash by ANSYS software and verified by experimental research of test bed. The test indexes were taken as bract crush fan speed, total pressure, static pressure and dynamic pressure, and single-factor test was completed by the rotational speed of fan. Numerical simulation results showed that when the fan rotational speeds are 1 100, 1 400 and 1 800 r/min, the mean static pressures of fan outlet are respectively 151.75, 257.18 and 379.73 Pa; total pressure averages are 230.09, 331.31 and 454.36 Pa; the average wind speeds are 9.51, 10.56 and 11.77 m/s. Verification test results showed that when the fan speeds are 1 100, 1 400, 1 800 r/min, the average speeds are 8.043, 9.79 and 12.643 m/s; mean dynamic pressures of outlet are 76.33, 103.7 and 241.5 Pa; the averages of total pressure are 75.83, 102.03 and 214.37 Pa, respectively. The verifying test results are consistent with the numerical simulation, approximate rates which in three levels of fan speed and verify test results reach 84.54%, 92.71%, 93.12%, respectively.

corn; bract smash; fan; numerical simulation; experiments

2015-12-30

國家自然科學基金項目(51505337)；山東省自然科學基金項目(ZR2014EEP013)；濰坊市科技發展計劃項目(201301046); 濰坊學院博士科研啟動基金資助項目(2013BS07)

解福祥(1982-)，男，山東臨沂人，博士，講師，主要從事農業機械設計與試驗研究。E-mail：xfx608@126.com

S 225.5+1

A

1006-7167(2016)09-0101-04