氣吸式精量播種機風機氣流場仿真試驗研究

王 豐,陶桂香,衣淑娟,毛 欣,齊 彧

(黑龍江八一農墾大學 工程學院,黑龍江 大慶 163319)

0 引言

風機作為精密播種機核心部件,其工作性能直接影響著播種質量的好壞,負壓風機作為其核心組成部件,承擔著為排種器提供排種負壓的作用。國內外學者對農業中應用的風機進行過內部流場仿真模擬,大多以清選、脫粒等為主。2005年,劉師多、王顯仁[1]等人分析了雙圓筒篩清選風機兩種條件下的流場,得到流場特點及風機運動參數、位置參數變化對流場的影響規律。2015年,李吉成、果霖[2]等人應用Ansys Workbench對小麥脫粒機葉輪進行靜力學分析和模態分析,得到風機葉輪工作時等效應力和應變云圖,為優化設計提供了依據。2004年,D.V. Bhope和P.m. Padole[3]利用有限元方法對離心通風機葉輪的壓力、噪聲和流場進行了分析。

針對現有氣吸式播種機FL風機進行數值模擬與仿真,使用UG10.0軟件對風機進行實體建模,并利用ANSYS/CFD軟件對風機內部氣流場進行仿真分析。同時,以風機進口直徑、風機轉速、進口流速為因素,以風機負壓為指標進行仿真試驗研究,比較不同工況下風機功耗、效率,分析最佳工況下風機內部流場,并通過試驗驗證仿真的準確性。

6);黑龍江省博士后科研啟動金項目(LBH-Q17138)

作者簡介：王 豐(1994-),男,黑龍江訥河人,碩士研究生,(E-mail) 1597079017@qq.com。

通訊作者：陶桂香(1976-),女,黑龍江大慶人,教授,碩士生導師,(E-mail)14913946@qq.com。

1 風機的結構和工作原理

氣吸式精密播種機風機主要由集流器、葉輪、蝸殼及二級增速傳動系統等組成,如圖1所示。

1.蝸殼 2.葉輪 3.集流器 4.軸承及軸承座 5.后蓋板

工作原理:風機動力采用拖拉機動力輸出,動力輸出軸通過聯軸器與主動軸相連,經過二級增速傳動將動力傳輸到葉輪;葉輪將機械能轉化風能,風能經由與集流器相連管道作用于排種單體中,實現播種作業。

2 模型的建立

2.1 三維模型建立和網格劃分

應用UG10.0對風機進行三維模型的建立,如圖2所示。將創建完成的模型保存為*.x-t 格式文件導入到CFD軟件中進行網格劃分。在CFD中模擬實際狀態下的風機的轉動,需要將風機整體劃分為轉動區域和靜止區域。風機按照進氣段、蝸殼、葉輪3部分進行網格劃分,全計算域采用四面體網格,節點數為250 037,網格單元數為1 345 397,網格劃分如圖3～圖5所示。

圖2 全流道網格

圖3 進氣段網格

圖4 蝸殼網格

圖5 葉輪網格

2.2 數學模型

在CFD仿真中使用標準k-ε模型,k-ε模型自從被Launder和Spalding提出后,被用作工程中計算流場的工具。標準k-ε模型是基于湍東動能k和耗散率ε兩輸運方程的半經驗公式,控制方程為[4]

其中,Gk為由層流速度梯度兒產生的湍動能頂,Gb為由浮力產生的湍動能頂,YM為在可壓縮流動中湍流脈動膨脹到全局流程中對耗散率的貢獻值,G1、G2、G3為常量。

3 仿真試驗

3.1 仿真條件和邊界條件設定

3.1.1 仿真條件

求解時,大氣參數設置為標準大氣壓條件下的數值,密度為1.225kg/m3,動力粘度系數為1.789 4×10-5kg/ms[5]。假設流場氣體為不可壓縮氣體,室內溫度為25℃,旋轉區域設置為繞風機Z軸方向軸線旋轉。由預仿真試驗可知:迭代300次風機全流道流場趨于穩定,計算時迭代次數設定為500次;迭代停止進行數據采集及圖像處理。

3.1.2 邊界條件

風機由進口域、葉輪和蝸殼組成,進口域和蝸殼是靜止域,葉輪是旋轉域[6]。對于不可壓縮的液體來說,進口采用速度邊界條件比質量邊界條件具有更好的收斂性[7],因此進口邊界采用給定均勻速度場,設置成Inlet,出口邊界定義為自由出口,設置成Outlet;旋轉域與靜止域邊界類型為interior。轉動域與靜止域交界面設置為無滑移網格面,計算殘差設置為1×10-6。為了準確地給出進出口邊界條件,將進出口長度分別延長50mm和300mm進行仿真計算。

3.2 試驗因素和方案

風機負壓主要應用于排種器排種過程中攜種負壓過大造成重播率的上升及吸種負壓過低造成漏播率的上升。仿真分析以風機平均負壓值為指標,以進口直徑120mm、流速22.11m/s、風機轉速550r/min為因素進行單因素試驗,考察3個因素對風機內部氣流場的影響,并對試驗結果進行整理,如圖6所示。

圖6 不同迭代次數下壓力變化

由圖6可以看出:隨著仿真迭代次數的增加,3個因素對風機內部負壓影響有顯著不同。其中,風機轉速對負壓波動影響小于進口流速、進口直徑。以單因素為依據進行多因素仿真試驗[8],試驗方案如表1所示。

表1 試驗方案

3.3 仿真結果及分析

應用SPSS軟件試驗結果進行極差分析,以確定各因素對指標的影響大小及最優水平,仿真結果如表2所示。

表2 仿真結果

通過以上極差分析(見表3),3個因素的極差分別為RA=-10 102、RB=-10 282、RC=-4 353,因此各因素對風機負壓影響的主次順序為B、A、C,與單因素試驗結果分析吻合。因素A、B是影響風機內部負壓的主要因素,根據玉米播種過程中氣吸式排種器對風機產生負壓的需要,當進口直徑為120mm、進口流速為11.05m/s時,風機產生的負壓值能夠滿足實際播種需求;因素C對風機負壓影響不明顯。

表3 仿真結果極差分析

續表3

3.4 最佳工況下流場細節分析

圖7、圖8分別為進口直徑120mm工況下的速度云圖及速度矢量圖。

圖7 120mm速度云圖

圖8 120mm速度矢量圖

由圖7可以看出:空氣從風機進口處開始沿逆時針方向沿蝸殼的橫截面積逐漸增大,在葉輪邊緣處氣體經過加速達到最大值;在臨近風機出口的位置由于橫截面積變小[9],蝸殼形狀從環形通道變為沿切線方向的直通道,氣體不再受蝸殼壁沿徑向所施加的阻力,直接從直管道流出,使得靠近離心風機出口處的氣體流速要大于其他部分的氣體流速。

由圖8可知:葉片流道中,在葉片的作用下,氣流從徑向轉周向旋轉。由于氣體在葉片中間流動時,葉片旋轉對其做功,使得氣體沿風機葉輪徑向向外速度大幅度提高,且在葉片外邊緣處速度達到最大值[10];在葉片流道的出口處,葉輪壓力面的氣流速度明顯高于葉輪吸力面的流速。

在滿足實際壓力需要的前提下,對進口流速為11.05m/s不同進口直徑(120、150、180mm)工況下計算風機全壓功耗及效率得出:在工況進口直徑為120mm時,風機的功耗為5.6kW,效率為0.75;對比工況為150mm和180mm時風機效率分別為0.57和0.17。

圖9、圖10分別為進口流速11.05m/s工況下的速度云圖及速度矢量圖。

圖9 11.05m/s速度云圖

圖10 11.05m/s速度矢量圖

在滿足實際壓力需要的前提下,通過對120mm進口直徑不同進口流速(11.05、22.11、33.16m/s)條件下仿真結果數據的整理計算,得到風機功耗及效率:在工況進口直徑為120mm、流速為11.05m/s時,風機的功耗為4.6kW,效率為0.72;對比工況為22.11m/s和33.16m/s時風機效率分別為0.61和0.69。

對工況為進口直徑120mm、進口流速11.05m/s條件下的試驗結果進行仿真,250、500、1 000運行步長風機內部流場流線[11]如圖11～圖13所示。

圖11 250步速度云圖

圖12 500步速度云圖

圖13 1000步速度云圖

通過對不同運行時間步長的分析得出:風機在各種工況下的運行內部流場逐漸趨于穩定,因仿真條件及誤差的原因,效率及功耗在穩定時近乎達到預期試驗的效果,產生壓力能夠滿足實際需求。

4 試驗驗證

所采用的裝置為2BZD-2型電動播種機進行驗證試驗。此播種機采用氣力式播種裝置,采用FL風機為排種器提供壓力。以風機功耗及效率為試驗指標,依據仿真中的影響因素,對風機進行單因素驗證試驗,試驗裝置如圖14所示。

1.差壓計 2.電動排種器 3.調速儀 4.FL風機

4.1 試驗裝置與方法

按照表3進行試驗安排,檢測儀器有差壓計,測量精度為1Pa;數字式風速儀,精度為±0.1dgts。利用試驗設備分別對風機進口直徑及流速為因素,風機功耗及效率為指標進行單因素試驗。

表3 試驗方案

4.2 試驗結果

試驗結果表明:風機進口直徑分別為120mm時,風機實際功耗為5.3kW,實際效率為0.71,風機進口流速為11.05m/s時,風機實際功耗為5.1kW,實際效率為0.68,風機進口流速、孔徑是影響功耗、效率的主要因素;風機轉速變化時,風機實際功耗1.77kW,效率為0.24,對風機影響不顯著。

5 結論

1)應用UG10.0對風機進行實體建模,應用ANSYS/CFD軟件對風機內部流場進行仿真分析,確定風機進口直徑、流速、風機轉速為仿真試驗因素。

2)對仿真結果進行分析、計算,得到進口直徑、流速為影響風機功耗、效率的主要因素。

3)當風機進口直徑為120mm/進口流速為11.05m/s時風機功耗分別為5.3、5.1kW,效率分別為0.71、0.68,風機產生壓力能夠滿足實際播種需求。