基于Fluent新型飼料粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

■ 曹 媛 汪建新 曹麗英

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010；2.包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)校，內(nèi)蒙古包頭014010）

在錘片式飼料機(jī)的粉碎過程中，工作效率受到多方面的影響，其中粉碎室內(nèi)風(fēng)力的大小是影響粉碎速度的主要因素之一，針對這個(gè)問題，本文提出了一種加肋板的飼料粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)。為了驗(yàn)證優(yōu)化后的飼料機(jī)的粉碎效果，本文采用FLUENT數(shù)值仿真模擬的方式對飼料機(jī)不同入口速度下的流場進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬分析，分析過程采用三維計(jì)算的形式，保證了計(jì)算的精度，并使用UDF動(dòng)網(wǎng)格的形式控制錘片的運(yùn)動(dòng)，使數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)際情況更加接近，為飼料粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考。

1 飼料粉碎機(jī)優(yōu)化三維模型設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的飼料粉碎機(jī)屬于較為復(fù)雜的幾何模型，如圖1所示是飼料粉碎機(jī)三維結(jié)構(gòu)示意圖。飼料粉碎機(jī)主要有五部分構(gòu)成，包括錘片、粉碎室、進(jìn)料口、出料口和回料口，為了提高飼料粉碎機(jī)的粉碎效率，增加粉碎室內(nèi)部的風(fēng)力，因此在粉碎室的錐片上添加了肋板。

1.1 飼料粉碎機(jī)三維模型

為了提高飼料粉碎機(jī)的粉碎效率，增加粉碎室內(nèi)部的風(fēng)力，因此在粉碎室的錐片上添加了肋板，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)是在錐片上增加肋板后將增加粉碎室的粉碎室內(nèi)的風(fēng)力，從而提高粉碎效率。

1.2 飼料粉碎機(jī)的網(wǎng)格模型

將建立的幾何模型導(dǎo)入到Gambit軟件中，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到的網(wǎng)格如圖3所示。采用UDF動(dòng)網(wǎng)格的方法對飼料粉碎機(jī)的錘片運(yùn)動(dòng)以及粉碎室內(nèi)的流場進(jìn)行仿真模擬，動(dòng)網(wǎng)格采用可以更新的網(wǎng)格，因此采用四面體網(wǎng)格形式，如圖3所示，網(wǎng)格劃分總數(shù)為80萬。

圖1 飼料粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2 無肋板和有肋板粉碎機(jī)錐片

圖3 飼料粉碎機(jī)網(wǎng)格

2 飼料粉碎機(jī)計(jì)算

2.1 流場計(jì)算

在FLUENT計(jì)算過程中涉及的主要物理方程包括質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒方程，當(dāng)系統(tǒng)中涉及到能量傳遞時(shí)，還需要使用能量守恒方程。本文在飼料粉碎機(jī)粉碎室的流場計(jì)算中主要使用了質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程，其中質(zhì)量守恒如公式（1）所示。

該方程是質(zhì)量守恒的總的形式，可以適合可壓和不可壓流動(dòng)。源項(xiàng)Sm是稀疏相增加到連續(xù)相中的質(zhì)量，或者用戶自定義的質(zhì)量源項(xiàng)。慣性坐標(biāo)系下，i方向的動(dòng)量守恒方程為：

式中：p是靜壓；τij是應(yīng)力張量，其表達(dá)式如公式（3）所示。

式中：ρgi，F(xiàn)i是重力體積力和其它體積力，如源于兩相之間的作用，F(xiàn)i還可以包括其它模型源項(xiàng)或者用戶自定義源項(xiàng)。

2.2 UDF動(dòng)網(wǎng)格模型算法及程序設(shè)計(jì)

本文使用的動(dòng)網(wǎng)格方法主要是彈性光順法，該方法將網(wǎng)格系統(tǒng)看作由節(jié)點(diǎn)之間用彈簧相互連接的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，初始網(wǎng)格就是系統(tǒng)保持平衡的彈簧網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。任意一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位移都會導(dǎo)致與之相連接的彈簧中產(chǎn)生彈性力，進(jìn)而導(dǎo)致臨近網(wǎng)格點(diǎn)上的力平衡被打破。由此波及出去，經(jīng)過反復(fù)迭代最終整個(gè)網(wǎng)格系統(tǒng)達(dá)到新的平衡時(shí)，就可以得到一個(gè)變形后的、新的網(wǎng)格系統(tǒng)。

在彈性光順法的參數(shù)中，彈性因子（Spring Constant Factor）是介于0到1之間的一個(gè)常數(shù)，其中0表示彈簧沒有阻尼作用。邊界節(jié)點(diǎn)松弛（Boundary Node Relaxation）則是一個(gè)類似于亞松弛因子的參數(shù)，每次迭代后新的網(wǎng)格坐標(biāo)值都等于原坐標(biāo)加上邊界節(jié)點(diǎn)松弛與坐標(biāo)增量的積，缺省設(shè)置為1。其余兩個(gè)參數(shù)則是網(wǎng)格迭代計(jì)算的控制參數(shù)，一個(gè)是容差（Convergence Tolerance），另一個(gè)是迭代次數(shù)（Number of Iterations）。其中錘片的運(yùn)動(dòng)采用UDF編程的方式進(jìn)行控制，運(yùn)動(dòng)后的網(wǎng)格采用自動(dòng)更新的形式，UDF主要編程如下：

3 飼料粉碎機(jī)粉碎室三維數(shù)值仿真模擬研究

為了驗(yàn)證第二節(jié)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型算法和UDF編程的有效性和可靠性，本節(jié)以粉碎室速度場的仿真模擬為例，對加肋板和不加肋板兩種結(jié)構(gòu)形式的粉碎室進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，其具體步驟如下。

圖4表示FLUENT三維仿真模擬的主流程圖，計(jì)算過程主要包括前處理、迭代計(jì)算和后處理三部分。其中前處理主要包括三模模型的建立和網(wǎng)格的劃分，迭代計(jì)算包括邊界條件的設(shè)置和迭代計(jì)算，后處理部分包括計(jì)算處理和結(jié)果處理，通過對計(jì)算結(jié)果的分析，將其作為反饋信息反饋給計(jì)算處理部分，利用邊界條件的調(diào)整和時(shí)間步長的調(diào)整，重新迭代計(jì)算，提高計(jì)算的精度。計(jì)算過程中主要使用的邊界條件的設(shè)置如表1所示。

圖4 FLUENT三維仿真模擬流程

表1 邊界條件設(shè)置參數(shù)

表1表示主要的邊界條件參數(shù)設(shè)置，包括入口、出口、回料口和湍流模型的設(shè)置，多相流模型采用Mixture模型，其他邊界條件設(shè)置保持默認(rèn)邊界條件，通過計(jì)算得到的速度場云圖如圖5所示。

圖5表示在Z=0.2 m截面處，當(dāng)入口速度為10 m/s時(shí)兩種結(jié)構(gòu)的速度場分布云圖，由圖5可以看出，在轉(zhuǎn)軸中心處和粉碎室的最外側(cè)存在最大速度，這與飼料粉碎機(jī)實(shí)際工作的情況相符合，從而驗(yàn)證了數(shù)值仿真模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖5 10 m/s時(shí)速度分布云圖

圖6表示在Z=0.2 m截面處，當(dāng)入口速度為15 m/s時(shí)兩種結(jié)構(gòu)的速度場分布云圖，由圖6可以看出，隨著速度的增大，兩種結(jié)構(gòu)的最大速度都有所增大，并且增加肋片結(jié)構(gòu)速度的增大幅度要明顯大于不加肋片結(jié)構(gòu)。

圖7表示在在Z=0.2 m截面處，當(dāng)入口速度為20 m/s時(shí)兩種結(jié)構(gòu)的速度場分布云圖，由圖7可以看出，隨著速度的增大，兩種結(jié)構(gòu)的最大速度依然都有所增大，并且增加肋片結(jié)構(gòu)速度的增大幅度也要明顯大于不加肋片結(jié)構(gòu)。

圖6 15 m/s時(shí)速度分布云圖

圖7 20 m/s時(shí)速度分布云圖

將不同速度條件下的速度計(jì)算數(shù)值統(tǒng)計(jì)成表2的形式，表2顯示在不同入口速度條件下飼料粉碎機(jī)粉碎室的最大速度值結(jié)果表，由表2可以看出，隨著入口速度的增大，兩種結(jié)構(gòu)形式的最大速度數(shù)值都有所增大，其中有肋板結(jié)構(gòu)的最大速度值明顯大于無肋板結(jié)構(gòu)，從而提高了粉碎的機(jī)械效率。

表2 不同入口速度條件下流場速度最大值(m/s)

4 結(jié)論

通過計(jì)算得到了不同速度條件下的速度場分布云圖，并且對最大速度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，增加肋片后的結(jié)構(gòu)最大速度數(shù)值明顯大于不加肋片的結(jié)構(gòu)，從而提高了飼料粉碎機(jī)工作的機(jī)械效率，為飼料粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考。