SolidworksFlow Simulation軟件在農業機械逆向設計建模研究生課程教學中的應用與實踐

李建平 邊永亮 王鵬飛 劉洪杰 楊欣

(河北農業大學機電工程學院，河北 保定 071000)

引言

我國農業機械發展逐步走向高端化、大型化、自動化、精密化發展，為加快高端農機產業發展，必須擴大高素質農機人才數量。高等院校在開設更多相關專業，增大本科生、研究生招生規模的同時，應著力提升課程教學的質量[1,2]。同時，多樣化的用戶需求、激烈的市場競爭和國外先進理念的引入也迫使農業機械設計企業調整研發模式[3]。在保證質量達到客戶要求的同時，也要盡可能將研發周期縮短，故降低生產成本是農業機械設計中的重要課題。逆向工程技術可為農機裝備研發提供新的思路，開設“農業機械逆向設計建模”研究生課程是為了讓研究生理解農業機械逆向設計的概念，運用逆向工程儀器、軟件進行數字模型的構建；掌握實現農業機械逆向工程的具體環節；綜合運用逆向工程數字模型進行產品快速成型與優化。隨著現代科技的發展，利用數字模擬技術對農機具進行仿真分析是較為必要的。逆向工程技術通過運用測量工具及測量方法，對實物進行測量并根據測量的數據，采用數字建模的方式[4]，并在計算機中進行分析優化之后，再優化設計并指導實際生產。本研究通過測量應用于果園施藥的軸流風機，通過Solidworks軟件對風機進行等比例模型繪制，應用Solidworks Flow Simulation CFD軟件進行流體仿真。Flow Simulation是Solidworks中集成的一款專用于流體力學分析的軟件，利用計算流體動力學(CFD)技術計算Solidworks模型內外的流體，該軟件可模擬真實條件下的液體和氣體流動，可有效分析浸入零部件內部或零部件周圍的液體流動、熱傳遞和相關作用力的效果。在設計過程的早期階段，設計人員可通過Solidworks Flow Simulation軟件模擬流體流動、熱傳遞和流體作用力，這些因素對設計的成功至關重要。通過對Solidworks Flow Simulation軟件的學習、應用，可使研究生通過實踐深入理解并掌握逆向設計建模方法和技巧[5]。

1 軸流風機數值仿真過程

1.1 三維模型構建

建立如圖1所示的T35型軸流風機三維模型。風機按照1∶1的比例建立三維模型。

1.2 軟件操作流程

將上述求解模型用Solidworks 2016打開，模型打開后加載Solidworks Flow Simulation插件，后通過插件中的“仿真向導”進行分析項目的定義，通過向導可完成分析項目75%的定義[6]。如定義項目名稱，本次不作更改，命名為“項目1”。然后設置單位系統為國際標準單位S[m-kg-s]，然后點擊下一步。

設置好單位尺寸之后，開始選擇流場分析類型，由于風機出風的外部流場是本次主要研究內容，故選擇“分析類型”為外部，外流場主要是風機通過扇葉旋轉產生的氣流場，由于風機旋轉的部分為扇葉旋轉故選擇“旋轉”，類型為局部區域(平均)，旋轉軸為本次研究忽略重力影響，故不勾選。流體類型選擇氣體中的空氣，流體類型選擇為“層流和湍流”，由于風機流場較為復雜，尚不能判斷流體類型，選擇“層流與湍流”模型可依據仿真情況來計算，精度較高[7]。

本次研究不考慮散熱情況，不考慮壁面粗糙度對風場的阻礙作用，故壁面條件設置為絕熱壁面，粗糙度設置為0μm,見圖6。之后進行初始條件的設置，見圖7，空間壓力設置為標準大氣壓101325 Pa，溫度為298.5K(室溫25℃)。

設置完成之后的界面如圖8所示。之后設置計算域，計算域空間整體尺寸為長L=3m，寬W=3m，高H=3m的一個長方形空間，風機整體位于空間的中心位置。計算域設置完成后依據試驗結果，再進行計算域的調整，計算域越大，對計算要求越嚴格，故計算域不能太大。設置好計算域之后，設置風機的旋轉區域，旋轉區域功能用于指定參考的局部旋轉區域，并分析通過模型旋轉組件的流體流動。通過使用穩態方法在旋轉區域內計算并在旋轉區域的邊界求均值，流場參數將作為邊界條件從相鄰流動區域移動到旋轉區域的邊界。旋轉區域選擇1.1中提到的旋轉域，依據風機旋轉速度設置旋轉區域的角速度，由于旋轉方向為逆時針方向，故設置角速度為-500rad·s-1，順時針方向為正。操作界面如圖9所示。

監測目標設置為靜壓、總壓、動壓、風場力與流體速度，均勾選平均值。勾選的檢測目標太少，求解精度不夠，勾選的目標太多，軟件的計算量會非常多，勾選上述5個目標，可基本將計算結果求解出來。

選定監測目標后，開始網格劃分，Solidworks Flow Simulation軟件網格劃分有2種方式，分別是自動與手動網格劃分。全局網格劃分設置，全局網格對話框用于更改控制構建初始計算網格的自動Flow Simulation過程的參數。全局初始網格完全由生成的基礎網格和細化設置定義。自動類型借助通過指定用于控制基礎網格單元數量的初始網格的級別以及在模型的狹長通道中進行網格細化的默認程序。

手動構建全局網格為指定數量的單元格構建基礎網格，并對該基礎網格進行局部拉伸或收縮，以便更好地使用控制平面解析模型和流動特征；拆分特定類型的基礎網格單元。指定網格的細化以便更好地解析狹長通道。細化獲得的網格以抓取相對細小的固體特征，或解析曲度和物質接觸面即細小固體特征細化、曲度細化和公差細化。全局網格設置將應用到整個計算域。如，在指定狹長通道中的網格細化時，不需要精確指向應用細化的計算域區域，系統會將其應用到具有相同特征的所有區域。設置精度為3級，勾選均勻網格、高級。

局部網格設置,通過局部網格對話框，可以指定計算域的局部區域中的初始網格，以便更好地解析模型特定的幾何結構和/或此區域中的流動特性，因為使用全局初始網格設置無法準確解析這些特性。指定局部網格時可以采用與全局初始網格幾乎相同的方式。由于風機的旋轉區域的求解對于旋轉區域的網格要求較高，故設置細化流體網格的精度為4級、細化部分網格的級別設置為4級。高級細化中的細小固體特征設置為5級，最大通道細化級別為2級。

采用全局與局部網格劃分相結合的方式對該風送系統進行外部流場繼續離散化處理[4]，經細化后的網格可基本滿足風送系統的外流場的基本運算。點擊仿真運行對話框，點選“網格”、“新建計算”、“加載結果”開始仿真運算。定義將自動創建目標圖、XY圖、點參數、表面參數和體積參數表和報告，并在計算完成后(或手動停止計算后)自動保存到項目文件夾中。開始計算后，設置計算控制選項，點選停止標準為“目標收斂”，滿足其中一項，行程為自動。

2 仿真結果輸出與分析

2.1 網格劃分結果

網格劃分的優劣對試驗結果的影響較大，軸流風機網格劃分情況如圖10所示。其中，風機扇葉區域對流體速度流場影響較大，采取局部細化網格進行網格劃分，其余區域則采用Flow Simulation全自動網格拾取，共計生成413121個網格，流體網格為271725個網格。風機扇葉的細化級別要求較高，故通過局部網格設置，使其網格劃分較為細密，其余部分的網格對仿真影響較小，故采用全局網格設定。

2.2 流動跡線

單擊Flow Simulation Results Features工具欄上的流動跡線，或單擊Tools> Flow Simulation>結果>流動跡線，右鍵單擊流動跡線項目并選擇插入。流動跡線有2種,靜態跡線和動態跡線。如果選擇靜態跡線模式，跡線將顯示為導管、線條、帶箭頭的線條、條帶或離散小球、箭頭和箭頭(平)。如果選擇動態跡線模式，跡線只可顯示為小球或箭頭。設置點數為200，跡線畫為線條，線寬為2mm，顯示類型為速度。靜態跡線如圖11所示，動態跡線如圖12所示。

2.3 切面圖

創建切面圖，在Flow Simulation Results Features 工具欄上單擊切面圖，或者單擊Tools>Flow Simulation>結果>插入>切面圖。切面圖顯示情況下，結果有5種顯示方式。等高線顯示等高線下指定的參數的分布；等值線為在等值線下指定的參數顯示等值線；矢量顯示用于可視化在矢量下指定的矢量參數的矢量；流線顯示用于使流線下指定的矢量參數可視化的場線；網格如果在常規選項中選擇了顯示網格選項，可用于在切面圖中顯示計算網格。橫向縱向切面圖如圖13所示。

2.4 粒子研究

粒子研究可用于顯示物理粒子的跡線并獲取有關粒子行為的各種信息，包括因粒子與壁面的相互作用而產生的壁面侵蝕或粒子材料累積效應。物理粒子是液體或固體的恒定質量的球形粒子，通過顯示粒子跡線可查看其在流場中的分布狀況。要研究粒子，需要指定粒子進入點、初始粒子屬性(溫度、速度、直徑、所產生的質量流量)、粒子材料和壁面條件(吸收或反射)。可以選擇啟用重力并計算總累積質量流量和總侵蝕質量流量。粒子研究用于指定物理模型、終止粒子跡線計算的完成標準、希望可用于結果處理的參數以及粒子跡線顯示選項。如圖14為空氣粒子流動情況。

2.5 結果分析

通過軸流風機數值仿真結果，可知軸流風機的風場分布范圍、流動狀態、速度云圖、粒子密度、風場特定位置處的風速值、風壓值等，依據這些結果，可為軸流風機的優化提供指標依據。如改變軸流風機的葉片數、葉片傾角、風機轉速、風機扇葉位置等因素后，通過風場的指標來優化以上參數，進而確定風機的最佳設置參數，進而指導實踐運用。

3 結語

“農業機械逆向設計建模”課程是一門培養研究生農業機械逆向設計能力的專業基礎課，是從事農業機械研究的設計基礎，也是學習專業知識的必修課程。而Solidworks Flow Simulation軟件對這門課程的教學具有較大的輔助作用，可充分鍛煉學生的創新思維、設計能力和解決實際工程中問題的能力。因此教學實踐過程中引入SolidWorks Flow Simulation軟件是一種非常有效的教學方法，達到了更好的教學效果。為使“農業機械逆向設計建模”研究生課程教學與實踐相互融合，讓研究生深入理解并掌握農業機械逆向設計建模方法和技巧，通過對T35型軸流風機的數值仿真過程，以及仿真結果的輸出與分析，讓學生通過實踐過程掌握逆向建模分析求解的流程，有利于研究生熟練掌握Solidworks Flow Simulation軟件使用方法技巧，值得進一步推廣。