基于FLUENT的離心風機性能優化

陳曉 龔艷 陳小兵 張曉 王果 繆友誼 劉德江

摘要：機械化高效施藥是目前對噴藥機械的基本要求，風送植保機械被普遍使用，風機是其中的關鍵部件，因此風機的性能直接決定了植保機械的性能。采用正交試驗方法對影響風機的主要參數進行優化，在FLUENT中對各個正交試驗方案進行分析得到，葉片數對風機性能的影響最大，葉片出口安裝角對風機性能的影響最小。優化后的風機方案與原風機相比，風機流量增加了3.92%，效率提高了17.07%。采用FLUENT對離心風機進行性能分析可以為優化離心風機性能提供理論依據。

關鍵詞：背負式噴霧噴粉機;離心風機;葉輪;FLUENT;流場分析;正交試驗;優化性能;最優方案

中圖分類號： S49 ?文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）16-0250-05

收稿日期：2018-03-29

基金項目：國家重點研發計劃（編號：2017YFD0200303）;江蘇省重點研發計劃（現代農業）（編號：BE2016303）;現代農業產業技術體系建設專項-西甜瓜產業技術體系（編號：CARS-25）。

作者簡介：陳 曉（1989—），女，山東德州人，碩士，研究實習員，主要從事植保施藥技術與裝備研究。

通信作者：龔 艷，碩士，研究員，主要從事植保施藥技術與裝備研究。Tel：（025）84346241;

背負式噴霧噴粉機是一種典型的小型植保機械，因其輕便、靈活、效率高的特點已被廣泛應用于水稻、棉花、玉米、小麥、果樹等大面積農作物病蟲害防治。背負式噴霧噴粉機的射程、霧化效果、噴量等關鍵指標主要取決于離心風機的性能。因此離心風機是背負式噴霧噴粉機的關鍵部件，它的功用主要是產生高速氣流，將藥液破碎霧化或將藥粉吹散，并將之送向遠方[1]。

背負式噴霧噴粉機上所使用的離心風機均為小型高速離心風機。風機是風送植保機械的核心部件，良好的風機性能能夠提高霧滴噴灑的均勻性，提高沉積量，降低飄移量[2]。雖然目前存在的風送式植保機械種類眾多，但是用于風送式植保機械的風機并沒有統一標準。風送式植保機械具有射程遠、霧化均勻、穿透性好、靶標性好、霧滴飄移少等特點，因此被廣泛應用于大田、果園等農藥噴灑中[3]。配合不同的地理位置以及作物本身，風送植保機械存在不同的種類。用于背負式噴霧噴粉機上的小型離心風機由于轉速高等特點，離心風機各個參數對其性能的影響并沒有明確的理論依據。因此針對不同的小型離心風機進行流場分析以得到各個參數對風機性能影響的研究很有必要。

1 離心風機流場數值模擬

所有的流動都必須滿足三大物理定律，即質量守恒定律、動力守恒定律以及能量守恒定律，相對應地就可以得到對應的質量守恒方程、動量守恒方程以及能量守恒方程。由于在離心風機中不需要考慮傳熱問題，因此能量守恒方程不需要考慮在其中。

FLUENT中提供的湍流模型種類很多，但是目前還沒有適用于各種流動的湍流模型，因此要根據實際解決的問題及其對精確度的要求選擇合適的湍流模型。考慮到風機實際的工作情況，本研究的湍流模型選擇為K-ε模型。K-ε模型又分為標準K-ε模型、重整化（RNG） K-ε模型以及可實現K-ε模型。綜合考慮風機運動的實際情況，最終選擇K-ε模型中的可實現K-ε模型為本研究所用的湍流模型。

FLUENT中提供了多種壁面函數處理方法，例如標準壁面函數法、非平衡壁面函數法以及增強壁面處理。標準壁面函數法利用對數校正法提供了所必需的壁面邊界條件。考慮到離心風機內部的結構比較復雜，本研究選擇標準壁面函數法作為分析方法。

在流體流動中建立的基本方程為偏微分方程，在理論上可以求得其解。但是由于問題本身的復雜性，并不易得到它們的解析解或者近似解析解。因此在FLUENT中出現了離散化的概念，離散化就是將無限空間中的有效個體映射到有限的空間中。離散化的目的是將連續的偏微分方程組及其定解條件按照特定的規則在計算區域的離散網格上轉換為代數方程，以得到連續系統的離散數值逼近解。在FLUENT中可以將控制方程的離散方法分為有限差分法、有限元法和有限體積法，本研究選擇的是有限體積法。

SIMPLE算法在1972年被提出并得到廣泛的應用，是計算不可壓流場的主要方法，是后來對其算法進行改進與發展的基礎。SIMPLEC算法的基本思想與SIMPLE算法一致，但是對通量的修正方法進行了改進，加快了收斂速度。本研究中求解算法采用的是SIMPLEC算法。

在FLUENT中通常認為殘差小于10-3時為收斂，因此在對離心風機的內部流場進行分析時，對變量的監控指標設定為10-3。

2 離心風機內部流場模擬結果分析

2.1 離心風機模型的建立

本研究的離心風機主要被應用在背負式噴霧噴粉機上，因此采用前向葉輪和前彎式葉片。在Pro/ENGINEER軟件中利用特征創建命令，完成風機各個零部件的三維模型構建。

本研究進行離心風機三維建模時，以型號為6HWF-20的背負式噴霧噴粉機上配備的離心風機為基礎，對風機的各個參數進行單因素和多因素的優化。6HWF-20上配備的離心風機主要結構參數如表1所示。

在Proe軟件中構建的葉輪三維模型如圖1所示。

2.2 離心風機的前處理

對離心風機進行FLUENT分析時，首先應在GAMBIT中完成前處理。前處理主要包括網格的生成以及邊界條件的確定。

FLUENT中使用的是非結構化網格技術，主要的網格單元形式為二維的四邊形和三角形單元、三維的四面體核心單元以及六面體核心單元、棱柱和多面體單元。GAMBIT中的3D網格有3種，分別為Hex（六面體）網格、Hex/Wedge（六面體/楔形）網格以及Tet/Hybrid（四面體/混合形式）網格。風機模型采用非結構網格劃分方法，GAMBIT中劃分的網格如圖2、圖3所示。

離心風機的邊界條件：設置風機的入口邊界為速度進口（VELOCITY INLET）;蝸殼的出口為壓力出口（PRESSURE OUTLET）;將進口流道和葉輪流道相重合的面以及葉輪流道和蝸殼流道相互重合的面定義為交界面（INTERFACE）;將其余的面定義為壁面（WALL）;分別定義葉輪部分和蝸殼部分為流體介質（FLUID），這樣就確定了動域和靜域。

2.3 離心風機內部流場分析

在FLUENT中完成交界面的建立，并進行網格檢查，以保證網格檢查成功。在網格檢查成功后，按照“2.2”節中所提到的前處理完成設置。設定離心風機葉輪的轉速為 5 000 r/min，完成初始化后對離心風機出風口速度、風機靜壓、動壓、全壓進行計算。

圖4為離心風機在轉速為5 000 r/min下的速度矢量分布，可以看出，蝸殼內的絕對速度分布比較好，但葉輪內的速度在工作面上形成了低速區。風機葉道間的流動速度是不同

的，在靠近蝸殼出口處的葉道內流速明顯比其他遠離蝸殼出口的區域高。圖5為出口處的速度分布，其分布規律為從蝸殼外側到中心（0.1 m左右處）整體先減小后增大，靠近蝸殼外側處的速度偏高。圖6為風機出口處的速度分布，在蝸殼外側處的速度較高，而且在蝸舌附近存在渦流，靠近蝸舌的葉片周圍也存在渦流現象。

圖7、圖8、圖9分別為在FLUENT中模擬所得到的風機靜壓、 動壓和全壓分布，可以看出，風機的動壓和全壓分布圖

相似，風機的全壓主要是動壓，在靠近蝸殼出口處的葉輪全壓和動壓都要高于葉輪的其他區域。蝸殼內部的靜壓較高，以旋轉軸為中心，除去靠近蝸殼出口處的葉輪一側，其他部分都是越靠近蝸殼外側，靜壓越高，靠近蝸舌處的壓力也較高。

在FLUENT中打開質量流量報告可以得出，進出口的質量流量誤差很小，質量流量是守恒的，且此風機模型在模擬中，出口的流量顯示為0.461 kg/s，轉換為容積流量為 0.357 m3/s，風機出口處的全壓值為5 016.55 Pa。

2.4 離心風機優化設計

影響離心風機性能的關鍵部件為葉輪，而葉輪的性能主要取決于其結構參數，葉片數量、葉片進口安裝角、葉片出口安裝角和葉片厚度對風機的性能都會產生影響[4]。但葉輪各個參數對風機性能的影響不同，?因此采用正交試驗方法對

影響風機性能的各個參數進行比較。

在正交試驗設計中必須明確3個概念：因素、水平和指標。因素是指影響試驗結果的不同原因。水平是指一個因素由于條件的變化而取的不同數值。指標是指優化的目標。風機的效率是反映風機性能優劣的指標[5]，本研究選擇風機的全壓效率作為正交試驗的指標。全壓效率的公式為

η=P×QN。

式中：P為離心風機的全壓，Pa;Q為離心風機的流量，m3/s;N為離心風機的軸輸入功率，W。在本研究中為了簡化計算，將N作為常量處理，則可以采用P×Q的值代表效率，因此以?P×Q 作為效率判斷的標準。

由于在背負式噴霧噴粉機上用的離心風機多為前彎式風機，因此出口安裝角β2A一般的取值范圍為110°～170°;一般前彎葉片數Z的取值范圍為16～32張，但是強前彎葉輪的葉片數取值范圍為32～64張;進口安裝角β1A的取值范圍為>60°，葉片厚度在理論上沒有限定取值范圍。根據各個參數的取值范圍，在正交試驗優化方案中各個參數的取值為葉片數：Z=26、32、38張;進口安裝角：β1A=73°、82°、90°;出口安裝角：β2A=145°、153°、161°;葉片厚度：δ=1、2、4 mm，其他參數與最原始的風機參數一致。根據影響風機性能的4個因素及其對應的3個水平，進行L9（34）正交試驗（表2、表3）。

通過正交試驗表確定風機的優化方案，對相應的風機進行建模，并導入FLUENT中進行分析，分析結果如表4所示。

在優化目標中，首要的目標是效率，以流量作為參考目標。表5為各因素在同一水平上評價指標Q×P的均值，其中R表示極差，為同一因素水平下最大值與最小值的差值。極差的大小表示該因素對評價指標的影響程度，極差值越大，則該因素對評價指標的影響越大[6]。

從極差可以看出，4個因素對風機效率的影響主次關系為A>D>B>C，即對風機效率這個指標來說，對其影響程度從大到小依次為葉片數、葉片厚度、葉片進口安裝角以及葉片出口安裝角。

以風機效率為評價指標，A2D1B3C1為最優組合，在表3中沒有該方案，因此對該方案進行模擬驗證，記為方案10。在該方案中，風機的葉片數為32張，進口安裝角為90°，出口安裝角為145°，葉片厚度為1 mm。對該方案下所使用的風機參數進行建模，在FLUENT中進行模擬分析。

圖10、圖11分別為方案10的速度矢量分布、風機出口速度矢量分布。從風機出口的速度矢量圖中可以看出，在蝸舌處存在渦流現象。圖12為方案10的風機出口速度與原風機出口速度，其中v1代表的是原風機出口速度，v2代表的是方案10的風機出口速度。從比較圖中可以看出，方案10的

風機出口速度在蝸殼出口處遠離葉輪的一側值比原風機高。但是在靠近葉輪的蝸殼側方案10的風機速度變化幅度比原風機大。

圖13、圖14為方案10的風機靜壓分布和全壓分布，可以看出，靜壓和全壓相較原始風機都有所增加。在FLUENT中進行模擬分析的結果如下：風機的流量為0.371 m3/s，全壓為5 651.44 Pa，P×Q的結果為2 096.68。表6所示為風機優化前后性能。

從表6可以看出，方案10與原風機相比，風機流量增加了3.92%，效率提高了17.07%。風機流量和效率都有了提升。方案10和方案4相比， 雖然風機流量有了輕微下降， 但是下降幅度小，可以忽略，效率提高了1.21%，由于提高效率是優化的主要目標，因此認為方案10為最優方案。

3 結論

離心風機是小型植保機械背負式噴霧噴粉機上的關鍵部件，其性能直接影響到背負式噴霧噴粉機的霧化效果、穿透性能等[7]。通過對離心風機的內部流場進行分析優化，可從側面提高背負式噴霧噴粉機的性能。采用正交試驗法對影響風機中葉輪性能的主要結構參數進行分析，主要得到以下結論：（1）FLUENT分析可以較為準確地表示出離心風機的內部流動特征;（2）正交試驗方法可以減少風機優化試驗時的方案，能夠準確地描述出各個因素對風機性能影響的結果;（3）通過正交試驗結果可以看出，對風機性能影響最大的是葉片數量，其次是葉片厚度，葉片的出口安裝角對風機性能的影響最小。

雖然通過正交試驗方法對風機的性能進行了優化，但是優化結果仍然需要試驗驗證，運用FLUENT對離心風機進行分析，為優化風機性能提供了有效的數據。

參考文獻：

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