基于SolidWorks Flow Simulation的離心風(fēng)機(jī)內(nèi)流場仿真研究

陳磊 李紹波 王鵬飛 李建平 張闊 劉樹騰

(1.石家莊裝備制造學(xué)校，河北 石家莊 050899；2.河北農(nóng)業(yè)大機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071000)

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，大量農(nóng)業(yè)機(jī)械應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，因此也減少了勞動力的投入[1]。由于勞動力減少，需要提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員的工作效率，這就必須提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員質(zhì)量以及農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)要求，在增大高等農(nóng)業(yè)院校招生規(guī)模的同時(shí)，還需提高教學(xué)質(zhì)量，能夠讓研究人員更好地利用現(xiàn)代制造技術(shù)去設(shè)計(jì)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)裝備[2]。在整個(gè)果園的生產(chǎn)管理過程中，病蟲害防治是極其重要的，對果實(shí)數(shù)量和質(zhì)量都有嚴(yán)重影響，直接影響果農(nóng)利益。在病蟲害防治過程中，農(nóng)藥噴施是最有效的方法。因此，提高農(nóng)藥利用率，提升作業(yè)效率和霧滴穿透性很有必要[3]。風(fēng)送式噴霧機(jī)是目前果園中使用較為常見的施藥裝備，利用風(fēng)機(jī)吹出高速氣流使得從噴嘴噴出的霧滴再次霧化，將霧滴吹送至果樹冠層內(nèi)[4]。風(fēng)機(jī)的高速氣流有助于帶動葉片翻轉(zhuǎn)，提高霧滴穿透性和附著率。由于風(fēng)機(jī)內(nèi)部的氣流分布、風(fēng)壓以及出口風(fēng)速等均對病蟲害的防治效果有影響，因此對風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣流進(jìn)行分析具有重要意義。

農(nóng)宏亮等[5]利用SolidWorks建立并簡化切斷式甘蔗收割機(jī)采用的軸流風(fēng)機(jī)排雜裝置的模型，通過SolidWorks Flow Simulation模擬分析軸流風(fēng)機(jī)內(nèi)氣流分布情況，得到在不同運(yùn)行參數(shù)下排雜裝置出風(fēng)口速度和壓力。徐敏珍等[6]利用SolidWorks Flow Simulation 建立加熱倉流體模型，得到熱空氣溫度分布示意圖和氣流分布圖，顯著減少生產(chǎn)中的質(zhì)量問題。郭斌[7]利用SolidWorks Flow Simulation分析排氣箱結(jié)構(gòu)對其內(nèi)部氣流流動所產(chǎn)生的影響，得到氣流在箱體內(nèi)流動跡線，使其結(jié)構(gòu)更有利于廢氣排出。張仁亮等[8]利用SolidWorks Flow Simulation分析不用翼型的風(fēng)機(jī)葉輪在空氣中所產(chǎn)生的氣流，得到性能最佳的翼型葉片。本文通過測量果園風(fēng)送式噴霧機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用SolidWorks Flow Simulation插件對風(fēng)機(jī)內(nèi)部的氣流分布、壓力大小等進(jìn)行分析，進(jìn)而指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用仿真技術(shù)模擬風(fēng)機(jī)對氣流的影響，達(dá)到教學(xué)目的。

1 離心風(fēng)機(jī)內(nèi)流場模擬仿真過程

1.1 SolidWorks Flow Simulation軟件介紹

Flow Simulation是一款功能強(qiáng)大的流體力學(xué)解決方案，其完全集成于SolidWorks的軟件，讓設(shè)計(jì)人員能夠輕松快捷地模擬流體流動、熱傳遞和流體作用的影響，以及高效分析零部件內(nèi)部或外部的流體流動、熱傳遞和相關(guān)力的效果，還可以模擬風(fēng)扇和旋轉(zhuǎn)零部件對流體流動的影響，以及加熱及冷卻零部件的影響。可以對設(shè)計(jì)變型進(jìn)行快速比較以做出更好的決策。其能同時(shí)快速更改多個(gè)變量，可用于研究獲得的結(jié)果，并開展參數(shù)計(jì)算。

1.2 三維模型的建立

利用SolidWorks Flow Simulation分析風(fēng)送式噴霧機(jī)的離心風(fēng)機(jī)內(nèi)氣流分布規(guī)律。在噴霧作業(yè)時(shí)，離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的輔助氣流通過風(fēng)箱分配至每個(gè)風(fēng)筒，風(fēng)筒的出口設(shè)計(jì)有噴嘴，輔助氣流可以擾動葉片，提高葉背霧滴沉積量，并將霧滴運(yùn)送到果樹冠層內(nèi)膛。在SolidWorks內(nèi)建立離心風(fēng)機(jī)葉片、風(fēng)箱和仿真模擬所需旋轉(zhuǎn)域的三維模型，如圖1所示，模型與實(shí)際風(fēng)機(jī)和風(fēng)箱的比例為1∶1。建立模擬仿真求解模型，將離心風(fēng)機(jī)葉片、風(fēng)箱和旋轉(zhuǎn)域按圖2的方式裝配并保存裝配文件。

圖1 離心風(fēng)機(jī)等比模型

1.3 仿真項(xiàng)目的創(chuàng)建

利用SolidWorks軟件建立模擬仿真求解模型，加載Flow Simulation插件，將離心風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口和風(fēng)箱的6個(gè)出風(fēng)口均進(jìn)行封蓋處理，以確保求解模型能夠具有密閉的腔體。定義項(xiàng)目名稱：點(diǎn)擊“向?qū)А泵睿c(diǎn)擊“項(xiàng)目名稱”對話框，輸入項(xiàng)目名稱“離心風(fēng)機(jī)內(nèi)流場分析”，點(diǎn)擊下一步。設(shè)置單位系統(tǒng)：選擇標(biāo)準(zhǔn)單位“S(m-kg-s)”，點(diǎn)擊下一步。設(shè)置分析類型：設(shè)置重力的方向和大小，設(shè)置重力的方向?yàn)閆方向，重力加速度為-9.81m·s-2，激活“旋轉(zhuǎn)”功能，選擇“局部區(qū)域(平均)”選項(xiàng)，分析類型設(shè)置為“內(nèi)部”，并點(diǎn)擊“排除不可流動的腔”，點(diǎn)擊下一步。設(shè)置默認(rèn)流體：選擇“氣體”選項(xiàng)中的“空氣”，滾動類型設(shè)置為“層流和湍流”，可以使模擬仿真的結(jié)果更加精確[9]，點(diǎn)擊下一步，完成創(chuàng)建，如圖3所示。

圖2 求解模型

圖3 模型求解流程

1.4 仿真參數(shù)的設(shè)定

1.4.1 設(shè)置計(jì)算域

按照上述步驟創(chuàng)建仿真項(xiàng)目后，設(shè)置計(jì)算域，在求解模型外圍灰白色長方體為模擬仿真的計(jì)算域，如圖4所示。計(jì)算域尺寸越大，計(jì)算耗時(shí)就會更多，而且在相同的網(wǎng)格數(shù)下計(jì)算精度更低，所以能夠?qū)⑶蠼饽Ｐ桶鼑纯伞?/p>

圖4 設(shè)置計(jì)算域

1.4.2 設(shè)置旋轉(zhuǎn)區(qū)域

計(jì)算域設(shè)置完成之后，設(shè)置風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)區(qū)域，在求解模型中插入旋轉(zhuǎn)區(qū)域，旋轉(zhuǎn)區(qū)域是用于指定參考的區(qū)域，選擇之前建立的旋轉(zhuǎn)域模型，根據(jù)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置旋轉(zhuǎn)域的角速度，由于旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向，設(shè)置角速度為-261rad·s-1，順時(shí)針方向?yàn)檎?。如圖5所示。

圖5 設(shè)置旋轉(zhuǎn)域

1.4.3 設(shè)置邊界條件

在分析樹上點(diǎn)擊“邊界條件”，選擇風(fēng)箱入風(fēng)口所在平面，在“類型”中選擇“壓力開口”，設(shè)置壓力為環(huán)境壓力，即為大氣壓強(qiáng)。選擇風(fēng)箱6個(gè)出風(fēng)口所在平面，同樣設(shè)置壓力為環(huán)境壓力，壁面類型選擇“理想壁面”，其余參數(shù)保持默認(rèn)即可。如圖6所示。

圖6 設(shè)置邊界條件

1.4.4 設(shè)置全局目標(biāo)

在左側(cè)的分析樹點(diǎn)擊“目標(biāo)”圖標(biāo)，選擇“插入全局目標(biāo)”，根據(jù)分析需求選擇相應(yīng)的參數(shù)，選擇“總壓”“動壓”“速度”，勾選“平均值”即可，對于分析主要參數(shù)盡量全部勾選，否則會影響模擬精度，導(dǎo)致仿真結(jié)果與真實(shí)結(jié)果偏差過大。勾選過多的目標(biāo)會導(dǎo)致計(jì)算量太大，增大仿真模擬的時(shí)間成本。因此，勾選求解所需參數(shù)即可，如圖7所示。

1.4.5 網(wǎng)格劃分

在分析樹上點(diǎn)擊“網(wǎng)格”，選擇“全局網(wǎng)格”，全局網(wǎng)格控制整個(gè)計(jì)算域，是基礎(chǔ)網(wǎng)格，由Property Manager中的1組參數(shù)進(jìn)行控制。對網(wǎng)格的精度有決定性影響，網(wǎng)格的精度是網(wǎng)格設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)，所以選擇合適的網(wǎng)格類型和網(wǎng)格尺寸極為關(guān)鍵。全局網(wǎng)格有2種劃分類型，分為自動和手動。若選擇了自動網(wǎng)格，SolidWorks Flow Simulation將使用整個(gè)模型的尺寸、計(jì)算域、用戶指定的邊界條件和目標(biāo)的面等信息來默認(rèn)最小縫隙尺寸。然而，這些信息也許還不足以識別相對較小的縫隙，這可能導(dǎo)致得到不準(zhǔn)確的結(jié)果。在這樣的情況下，必須手動指定最小縫隙尺寸，設(shè)置為小于模型內(nèi)最小縫隙尺寸時(shí)，求解模型內(nèi)的縫隙處網(wǎng)格劃分會更加精細(xì)，導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量增加。該值會影響特征網(wǎng)格的大小，并與初始網(wǎng)格的級別一起控制計(jì)算網(wǎng)格中生成的總網(wǎng)格數(shù)量。勾選“高級通道細(xì)化”可以使求解模型的連接處的網(wǎng)格進(jìn)一步細(xì)化。手動劃分網(wǎng)格可以控制網(wǎng)格單元的數(shù)量，對基礎(chǔ)網(wǎng)格進(jìn)行拉伸與收縮，細(xì)化網(wǎng)格的固體特征[10]。如果選擇此選項(xiàng)，默認(rèn)的最大通道細(xì)化級別會設(shè)置為比公差級別大1；否則將取決于初始網(wǎng)格的級別且不能大于4，從而限制沿垂直于固體/流體接觸面的方向穿過模型流動通道的網(wǎng)格的大小。在全局網(wǎng)格下選擇“手動”類型，基礎(chǔ)網(wǎng)格是計(jì)算域的尺寸，在基礎(chǔ)網(wǎng)格下，設(shè)置X、Y、Z方向的網(wǎng)格數(shù)量，可以通過按垂直于全局坐標(biāo)系的軸的基礎(chǔ)網(wǎng)格平面將計(jì)算域劃分為若干切段來構(gòu)建基礎(chǔ)網(wǎng)格。默認(rèn)情況下，基本網(wǎng)格平面將在全局坐標(biāo)系的各個(gè)方向幾乎按相同的方式排列。保持縱橫比。選中此選項(xiàng)時(shí)，允許固定每個(gè)坐標(biāo)方向上的基礎(chǔ)網(wǎng)格單元數(shù)量之間的比率。

圖7 設(shè)置全局目標(biāo)

在分析樹上點(diǎn)擊“網(wǎng)格”，選擇“局部網(wǎng)格”，可以指定計(jì)算域的局部區(qū)域中的初始網(wǎng)格，以便更好地解析模型特定的幾何結(jié)構(gòu)和/或此區(qū)域中的流動特性，因?yàn)槭褂萌殖跏季W(wǎng)格設(shè)置(在全局網(wǎng)格對話框中的通道和高級細(xì)化下指定)無法準(zhǔn)確解析這些特性?？梢园唇M件、面、邊緣或頂點(diǎn)，也可以按立方體、圓柱體或球體等簡單的幾何形狀來定義局部區(qū)域。指定局部網(wǎng)格時(shí)可以采用與全局初始網(wǎng)格幾乎相同的方式。局部網(wǎng)格設(shè)置的優(yōu)先級高于全局設(shè)置，因此在應(yīng)用局部設(shè)置的區(qū)域中將完全忽略全局網(wǎng)格設(shè)置。所以，可以使用局部網(wǎng)格設(shè)置細(xì)化那些全局網(wǎng)格設(shè)置未充分細(xì)化的網(wǎng)格，以及在不必要的位置禁止由全局設(shè)置控制的細(xì)化。

本研究所用的離心風(fēng)機(jī)尺寸與風(fēng)箱和旋轉(zhuǎn)域的尺寸相差較大，為了控制網(wǎng)格數(shù)量，并保證模擬仿真的準(zhǔn)確性，采用2種類型的網(wǎng)格結(jié)合的方式去求解模型，選擇全局網(wǎng)格中的自動網(wǎng)格劃分，初始化網(wǎng)格級別設(shè)置為5級，并選擇添加高級通道劃分功能，如圖8所示。并插入局部網(wǎng)格，局部網(wǎng)格的區(qū)域?yàn)樾D(zhuǎn)域。由于離心風(fēng)機(jī)對旋轉(zhuǎn)區(qū)域的求解要求較高，設(shè)置細(xì)化網(wǎng)格精度為3級，細(xì)化部分網(wǎng)格的級別設(shè)置為3級，最大通道細(xì)化級別為2級，高級細(xì)化的細(xì)小固體特征設(shè)置為2級。進(jìn)過細(xì)化之后的網(wǎng)格可基本滿足求解需求。點(diǎn)擊分析樹“項(xiàng)目”，運(yùn)行仿真程序，等待求解結(jié)束后可以對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

圖8 全局網(wǎng)格設(shè)置

2 仿真結(jié)果輸出與分析

2.1 網(wǎng)格劃分結(jié)果

網(wǎng)格劃分的質(zhì)量對仿真模擬的準(zhǔn)確性有顯著的影響，網(wǎng)格的數(shù)量過多，會導(dǎo)致運(yùn)算時(shí)間過長，對電腦性能要求會更高；網(wǎng)格數(shù)量太少的話，可能會導(dǎo)致反仿真結(jié)果精度不夠，或者仿真結(jié)果無法收斂。因此在仿真開始前要進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)。求解模型的網(wǎng)格劃分情況如圖9所示，離心風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，此處插入了局部網(wǎng)格，其他區(qū)域幾何尺寸較大，使用自動網(wǎng)格劃分。總網(wǎng)格數(shù)為605146個(gè)，迭代次數(shù)為677次。

圖9 網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.2 切面圖

切面圖可以展示參數(shù)分布的剖面圖。在分析樹的“結(jié)果”中單擊“切面圖”，選擇“插入”，選擇所需要參考的平面，顯示類型有5種，分別是等高線、等值線、矢量、流線和網(wǎng)格。等高線可以直觀顯示參數(shù)的分布，流線顯示用于使線下指定的矢量參數(shù)可視化的場線[10]。選擇分析需要的參數(shù)類型，參數(shù)類型有溫度、密度、速度等。橫向切面圖如圖10所示。

2.3 流動跡線圖

在分析樹的“結(jié)果”中點(diǎn)擊“流動跡線”，插入流動跡線。流動跡線的起點(diǎn)有4種選擇方式，分別為手動選擇平面、從屏幕拾取、坐標(biāo)和形狀模式。點(diǎn)數(shù)的設(shè)置根據(jù)需求來設(shè)計(jì)，點(diǎn)數(shù)對電腦顯卡和處理器要求都很高，點(diǎn)數(shù)過多會增加計(jì)算時(shí)間，影響仿真工作的效率。流動跡線有2種外觀顯示方式，分別為動態(tài)跡線和靜態(tài)跡線?？梢詫③E線畫為導(dǎo)管、線條、箭頭等。跡線顯示類型為速度，動態(tài)跡線和靜態(tài)跡線如圖11所示。

圖10 橫向切面圖

圖11 流動跡線圖

2.4 表面參數(shù)研究

在分析樹的“結(jié)果”中點(diǎn)擊“表面參數(shù)”，插入表面參數(shù)。創(chuàng)建表面參數(shù)，可用于顯示針對指定表面或平面計(jì)算的參數(shù)值(最小值、最大值、平均值和整體值)。分析結(jié)果時(shí)，可以查看不同物理參數(shù)(如壓力、溫度、速度、熱通量等)在剖面上、表面上、點(diǎn)參數(shù)上以及沿線等的分布。可以獲得指定平面的相關(guān)參數(shù)，本研究利用表面參數(shù)獲得指定平面氣流的平均速度和體積流量。本研究表面參數(shù)分析結(jié)果如圖12所示。

圖12 表面參數(shù)分析結(jié)果

2.5 表面圖

在分析樹的“結(jié)果”中點(diǎn)擊“表面圖”，插入表面圖。創(chuàng)建表面圖可以顯示選定模型面或表面上的參數(shù)分布。選擇要分析的模型表面，顯示類型與2.2中的切面圖一致。本研究選擇了風(fēng)箱的6個(gè)出風(fēng)口中的1個(gè)出風(fēng)口，顯示類型為速度。出風(fēng)口的表面參數(shù)分析如圖13所示。

圖13 出風(fēng)口表面參數(shù)分析結(jié)果

2.6 XY圖

在分析樹的“結(jié)果”中點(diǎn)擊“XY圖”，插入XY圖。XY圖用于顯示指定參數(shù)在指定方向上的變化情況?？蛇x擇模型的輪廓或者草圖跡線來確定變化方向。“參數(shù)”可在勾選所需要分析的內(nèi)容，調(diào)整模型的精度。點(diǎn)擊確定，可獲得參數(shù)隨長度變化的曲線圖，如圖14所示。

圖14 XY圖

在上述操作全部設(shè)置完成后，點(diǎn)擊保存模擬，方便下次繼續(xù)分析。

3 結(jié)語

利用SolidWorks 軟件的建模和仿真模塊實(shí)現(xiàn)了離心風(fēng)機(jī)氣體內(nèi)流場的氣流狀體模擬、仿真和分析，通過分析離心風(fēng)機(jī)內(nèi)氣流的分布規(guī)律，對軟件的操作、參數(shù)的設(shè)置與仿真模塊的選擇等進(jìn)行了詳細(xì)闡述，便于指導(dǎo)學(xué)生在三維仿真設(shè)計(jì)軟件的實(shí)際操作中熟練掌握CFD的求解過程，提升學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和分析能力，進(jìn)而達(dá)到學(xué)生對機(jī)械裝備的快速、高效設(shè)計(jì)和分析能力的培養(yǎng)目的。