基于CFX的風(fēng)機(jī)陣模擬甘蔗田間邊界層風(fēng)速研究

郭無極，袁俊杰

（廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧530004）

0 引言

廣西是我國甘蔗主要種植地區(qū)之一。廣西位于沿海地區(qū)，臺(tái)風(fēng)、季風(fēng)高發(fā)，甘蔗的倒伏和彎曲現(xiàn)象嚴(yán)重[1]。近年來，針對(duì)甘蔗倒伏動(dòng)力學(xué)的研究一直在進(jìn)行。在研究的過程中，由于甘蔗田間條件簡陋、臺(tái)風(fēng)來臨時(shí)氣候條件惡劣、臺(tái)風(fēng)登陸周期不確定以及臺(tái)風(fēng)作用時(shí)間短暫等一些列條件的束縛與限制，使得甘蔗受風(fēng)倒伏的實(shí)驗(yàn)難以進(jìn)行。對(duì)于甘蔗倒伏的動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究也大多處于數(shù)值模擬階段，研究所得規(guī)律亦難以通過實(shí)地實(shí)驗(yàn)得以驗(yàn)證。本文擬采用風(fēng)機(jī)陣的方法對(duì)甘蔗田間的風(fēng)速進(jìn)行模擬，為甘蔗倒伏的動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究提供試驗(yàn)平臺(tái)。

通過風(fēng)機(jī)陣模擬風(fēng)場的方法在海洋工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)能力檢測中有較為廣泛的應(yīng)用[2，3]，伯明翰大學(xué)也將其引入了小麥的抗風(fēng)倒伏研究中[4]。本文將首先利用流體仿真軟件CFX對(duì)單風(fēng)機(jī)風(fēng)場進(jìn)行模擬，再通過物理試驗(yàn)的方法對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，最后通過兩種不同排布的風(fēng)機(jī)陣對(duì)邊界層風(fēng)速進(jìn)行模擬并進(jìn)行對(duì)比分析。

1 單風(fēng)機(jī)建模與風(fēng)場仿真

1.1 風(fēng)機(jī)的幾何模型

本文擬選用CTF-50型防油防潮軸流式通風(fēng)機(jī)進(jìn)行研究。其額定功率為1100W，額定電壓為220 V，頻率50 Hz，額定轉(zhuǎn)速1 450 rpm.對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行拆分測量，經(jīng)由CREO軟件進(jìn)行幾何建模。如圖1所示，（a）為風(fēng)機(jī)實(shí)體，（b）為 CREO 所建幾何模型，（c）葉輪實(shí)體，（d）為簡化后的葉輪幾何模型。

圖1 軸流風(fēng)機(jī)幾何模型

1.2 單風(fēng)機(jī)風(fēng)場的仿真

首先通過ICEM CFD對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將軸流風(fēng)機(jī)劃分為包含葉輪在內(nèi)的旋轉(zhuǎn)域，與非旋轉(zhuǎn)域兩個(gè)部分，但在數(shù)值模擬不能僅模擬這兩個(gè)區(qū)域，因?yàn)榇瞬糠值倪M(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的流動(dòng)是很不穩(wěn)定的，這樣就很難給定進(jìn)出口邊界條件，而一個(gè)準(zhǔn)確的邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果有著重要的影響。為了準(zhǔn)確給定邊界條件，在進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口分別加一段計(jì)算域[5]。因而網(wǎng)格共包含擴(kuò)充進(jìn)風(fēng)域、旋轉(zhuǎn)域、非旋轉(zhuǎn)域、擴(kuò)充出風(fēng)域共4個(gè)部分。旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格及總體計(jì)算域網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格

將模型導(dǎo)入CFX進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算。對(duì)旋轉(zhuǎn)域采用動(dòng)參考系模型（Moving Reference Frame），即把旋轉(zhuǎn)域的參考系設(shè)為轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)。但此處的轉(zhuǎn)動(dòng)并不是物理位置上的轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)求解的僅僅是轉(zhuǎn)動(dòng)的某一瞬間的情況，這樣就把一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)穩(wěn)態(tài)問題來求解，從而減少計(jì)算量。設(shè)置擴(kuò)充進(jìn)風(fēng)域的入口為壓力入口，擴(kuò)充出風(fēng)域?yàn)閛pen邊界，地面為wall邊界，選用SST湍流模型，旋轉(zhuǎn)域轉(zhuǎn)速設(shè)為1 450 rpm進(jìn)行計(jì)算。使用tecplot對(duì)仿真數(shù)據(jù)處理得到軸向垂直切面上Z方向速度云面如圖3所示。

圖3 Z方向速度云面

截取取距離軸流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口3 m位置，做Z方向速度等速線圖，如圖4所示。

圖4 測風(fēng)面風(fēng)速云圖

2 單風(fēng)機(jī)仿真模型驗(yàn)證

對(duì)軸流風(fēng)機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)下的流場風(fēng)速進(jìn)行測量。測量儀器包括：數(shù)字測風(fēng)儀5個(gè)（深圳市聚茂源科技有限公司GM8902）以及一個(gè)自制鋼制測風(fēng)架（由底座和豎直桿組成，在豎直桿下方往上每間隔20 cm放置一個(gè)測風(fēng)儀，共放置5個(gè)測風(fēng)儀，并調(diào)節(jié)中間的測風(fēng)儀至風(fēng)機(jī)軸線位于同一高度）。測風(fēng)架的測量位置選擇在平行于風(fēng)口所在平面且距離平面1 m、2 m、3 m的三條直線上，每條直線以軸流風(fēng)機(jī)軸線位置為中點(diǎn)，分別向左右各取距離中點(diǎn)0.2 m、0.4 m的兩點(diǎn)，這樣每個(gè)平面可以測量25點(diǎn)的風(fēng)速（如圖5所示）。

（接上圖）

圖5 風(fēng)速測量方法

在風(fēng)機(jī)正常工作狀態(tài)下，每個(gè)測風(fēng)點(diǎn)以1 Hz的頻率測量風(fēng)速1 min，取60個(gè)風(fēng)速值的均值作為該點(diǎn)風(fēng)速的參考值。

將仿真結(jié)果中3個(gè)平面的測風(fēng)點(diǎn)速度導(dǎo)出，與實(shí)際測量值進(jìn)行比對(duì)，并計(jì)算誤差。表1為距離出風(fēng)口3 m的平面中Z方向測風(fēng)點(diǎn)實(shí)際風(fēng)速與仿真所得風(fēng)速。

表1 3m處Z方向風(fēng)速

對(duì)比可知仿真所得風(fēng)速與實(shí)際風(fēng)速非常接近，考慮到風(fēng)機(jī)制造誤差和試驗(yàn)過程中電壓不穩(wěn)等因素的影響，數(shù)值模擬值與實(shí)測值之間產(chǎn)生一定誤差在所難免。計(jì)算得平均誤差為9.83%＜10%，此模型可用。

3 兩種不同排布的風(fēng)機(jī)陣模擬邊界層風(fēng)速

本文旨在探究模擬臺(tái)風(fēng)來臨時(shí)甘蔗田間的風(fēng)速的方法。蔗田多位于鄉(xiāng)村開闊地面以及低層建筑稀少的地區(qū)，蔗田高度約在2.5 m～3 m之間，位于大氣邊界層底層，其風(fēng)速隨高度的變化曲線一般可用指數(shù)函數(shù)表示，2016年廣西大學(xué)黃深闖等人通過對(duì)甘蔗田間風(fēng)速的實(shí)地測量證實(shí)了這一點(diǎn)[6]。邊界層風(fēng)速隨距離地面高度的增加而增大，可以通過指數(shù)率表示為：

其中zb與為標(biāo)準(zhǔn)參考高度及標(biāo)準(zhǔn)參考高度處的平均風(fēng)速；z與為任意高度及任意高度處平均風(fēng)速；α為地面粗糙指數(shù)，在田野、叢林中取為0.15.

參考文獻(xiàn)[2-4，7]可知，目前常見的風(fēng)機(jī)陣風(fēng)機(jī)的排布大致可分為平行排布與交叉排布兩種。風(fēng)場需覆蓋單根甘蔗，即水平寬度應(yīng)大于1.5 m，豎直高度應(yīng)大于2.5 m.設(shè)計(jì)兩種排布方式如圖6所示。

圖6 風(fēng)機(jī)陣風(fēng)機(jī)排布

針對(duì)上述兩種方案進(jìn)行建模仿真，得到3 m處風(fēng)速如圖7所示。由圖可知，平行排布風(fēng)機(jī)陣在3 m處所得最大風(fēng)速為6.32 m/s，有效風(fēng)場寬2 m，高3 m；交錯(cuò)排布風(fēng)機(jī)陣在3 m處所得最大風(fēng)速為6.42 m/s，有效風(fēng)場寬1.8 m，高2.8 m.兩周排布的有效風(fēng)場面積均能覆蓋一根甘蔗，平行排布較交錯(cuò)排布有效風(fēng)場面積略大。

圖7 風(fēng)速云圖

兩種風(fēng)機(jī)陣排布所得風(fēng)場伴隨高度增加速度均呈現(xiàn)出明顯梯度，取3 m處X=0直線上風(fēng)速與指數(shù)率對(duì)應(yīng)風(fēng)速進(jìn)行比較如圖8所示。兩種排布在轉(zhuǎn)速為1 450 rpm時(shí)均能較好的模擬4級(jí)風(fēng)的近地面風(fēng)場。通過改變轉(zhuǎn)速應(yīng)能模擬其他風(fēng)力等級(jí)的近地面風(fēng)場。

圖8 風(fēng)速曲線

相較平行排布風(fēng)機(jī)陣，交錯(cuò)排布在同樣滿足要求的前提下可以少使用兩個(gè)風(fēng)機(jī)，能夠較好的節(jié)約成本。

4 結(jié)論

本文首先基于CFX軟件研究了單個(gè)軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)場的模擬方法，并通過物理試驗(yàn)對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。再使用此種方法對(duì)兩種不同排布方式的風(fēng)機(jī)陣進(jìn)行了仿真。分析對(duì)比可知，這兩種方法都可以較好的模擬出近地面滿足指數(shù)率的風(fēng)場，比較而言交錯(cuò)排布更為節(jié)能環(huán)保。