基于FLUENT的離心風(fēng)機性能優(yōu)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(fēng)送植保機械被普遍使用，風(fēng)機是其中的關(guān)鍵部件，因此風(fēng)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(fēng)機的主要參數(shù)進行優(yōu)化，在FLUENT中對各個正交試驗方案進行分析得到，葉片數(shù)對風(fēng)機性能的影響最大，葉片出口安裝角對風(fēng)機性能的影響最小。優(yōu)化后的風(fēng)機方案與原風(fēng)機相比，風(fēng)機流量增加了3.92%，效率提高了17.07%。采用FLUENT對離心風(fēng)機進行性能分析可以為優(yōu)化離心風(fēng)機性能提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：背負式噴霧噴粉機;離心風(fēng)機;葉輪;FLUENT;流場分析;正交試驗;優(yōu)化性能;最優(yōu)方案

中圖分類號： S49 ?文獻標(biāo)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(fā)計劃（編號：2017YFD0200303）;江蘇省重點研發(fā)計劃（現(xiàn)代農(nóng)業(yè)）（編號：BE2016303）;現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項-西甜瓜產(chǎn)業(yè)技術(shù)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(xí)員，主要從事植保施藥技術(shù)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(shù)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(yīng)用于水稻、棉花、玉米、小麥、果樹等大面積農(nóng)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(guān)鍵指標(biāo)主要取決于離心風(fēng)機的性能。因此離心風(fēng)機是背負式噴霧噴粉機的關(guān)鍵部件，它的功用主要是產(chǎn)生高速氣流，將藥液破碎霧化或?qū)⑺幏鄞瞪ⅲ⒅拖蜻h方[1]。

背負式噴霧噴粉機上所使用的離心風(fēng)機均為小型高速離心風(fēng)機。風(fēng)機是風(fēng)送植保機械的核心部件，良好的風(fēng)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(fēng)送式植保機械種類眾多，但是用于風(fēng)送式植保機械的風(fēng)機并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)送式植保機械具有射程遠、霧化均勻、穿透性好、靶標(biāo)性好、霧滴飄移少等特點，因此被廣泛應(yīng)用于大田、果園等農(nóng)藥噴灑中[3]。配合不同的地理位置以及作物本身，風(fēng)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(fēng)機由于轉(zhuǎn)速高等特點，離心風(fēng)機各個參數(shù)對其性能的影響并沒有明確的理論依據(jù)。因此針對不同的小型離心風(fēng)機進行流場分析以得到各個參數(shù)對風(fēng)機性能影響的研究很有必要。

1 離心風(fēng)機流場數(shù)值模擬

所有的流動都必須滿足三大物理定律，即質(zhì)量守恒定律、動力守恒定律以及能量守恒定律，相對應(yīng)地就可以得到對應(yīng)的質(zhì)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(fēng)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(jù)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?？紤]到風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)K-ε模型、重整化（RNG） K-ε模型以及可實現(xiàn)K-ε模型。綜合考慮風(fēng)機運動的實際情況，最終選擇K-ε模型中的可實現(xiàn)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(shù)處理方法，例如標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法、非平衡壁面函數(shù)法以及增強壁面處理。標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法利用對數(shù)校正法提供了所必需的壁面邊界條件?？紤]到離心風(fēng)機內(nèi)部的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，本研究選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)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(fù)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(xiàn)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(xù)的偏微分方程組及其定解條件按照特定的規(guī)則在計算區(qū)域的離散網(wǎng)格上轉(zhuǎn)換為代數(shù)方程，以得到連續(xù)系統(tǒng)的離散數(shù)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(yīng)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(fā)展的基礎(chǔ)。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(fēng)機的內(nèi)部流場進行分析時，對變量的監(jiān)控指標(biāo)設(shè)定為10-3。

2 離心風(fēng)機內(nèi)部流場模擬結(jié)果分析

2.1 離心風(fēng)機模型的建立

本研究的離心風(fēng)機主要被應(yīng)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(chuàng)建命令，完成風(fēng)機各個零部件的三維模型構(gòu)建。

本研究進行離心風(fēng)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(fēng)機為基礎(chǔ)，對風(fēng)機的各個參數(shù)進行單因素和多因素的優(yōu)化。6HWF-20上配備的離心風(fēng)機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

在Proe軟件中構(gòu)建的葉輪三維模型如圖1所示。

2.2 離心風(fēng)機的前處理

對離心風(fēng)機進行FLUENT分析時，首先應(yīng)在GAMBIT中完成前處理。前處理主要包括網(wǎng)格的生成以及邊界條件的確定。

FLUENT中使用的是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)，主要的網(wǎng)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(wǎng)格有3種，分別為Hex（六面體）網(wǎng)格、Hex/Wedge（六面體/楔形）網(wǎng)格以及Tet/Hybrid（四面體/混合形式）網(wǎng)格。風(fēng)機模型采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法，GAMBIT中劃分的網(wǎng)格如圖2、圖3所示。

離心風(fēng)機的邊界條件：設(shè)置風(fēng)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(zhì)（FLUID），這樣就確定了動域和靜域。

2.3 離心風(fēng)機內(nèi)部流場分析

在FLUENT中完成交界面的建立，并進行網(wǎng)格檢查，以保證網(wǎng)格檢查成功。在網(wǎng)格檢查成功后，按照“2.2”節(jié)中所提到的前處理完成設(shè)置。設(shè)定離心風(fēng)機葉輪的轉(zhuǎn)速為 5 000 r/min，完成初始化后對離心風(fēng)機出風(fēng)口速度、風(fēng)機靜壓、動壓、全壓進行計算。

圖4為離心風(fēng)機在轉(zhuǎn)速為5 000 r/min下的速度矢量分布，可以看出，蝸殼內(nèi)的絕對速度分布比較好，但葉輪內(nèi)的速度在工作面上形成了低速區(qū)。風(fēng)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(nèi)流速明顯比其他遠離蝸殼出口的區(qū)域高。圖5為出口處的速度分布，其分布規(guī)律為從蝸殼外側(cè)到中心（0.1 m左右處）整體先減小后增大，靠近蝸殼外側(cè)處的速度偏高。圖6為風(fēng)機出口處的速度分布，在蝸殼外側(cè)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(xiàn)象。

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

相似，風(fēng)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(qū)域。蝸殼內(nèi)部的靜壓較高，以旋轉(zhuǎn)軸為中心，除去靠近蝸殼出口處的葉輪一側(cè)，其他部分都是越靠近蝸殼外側(cè)，靜壓越高，靠近蝸舌處的壓力也較高。

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

2.4 離心風(fēng)機優(yōu)化設(shè)計

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

影響風(fēng)機性能的各個參數(shù)進行比較。

在正交試驗設(shè)計中必須明確3個概念：因素、水平和指標(biāo)。因素是指影響試驗結(jié)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(shù)值。指標(biāo)是指優(yōu)化的目標(biāo)。風(fēng)機的效率是反映風(fēng)機性能優(yōu)劣的指標(biāo)[5]，本研究選擇風(fēng)機的全壓效率作為正交試驗的指標(biāo)。全壓效率的公式為

η=P×QN。

式中：P為離心風(fēng)機的全壓，Pa;Q為離心風(fēng)機的流量，m3/s;N為離心風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)。

由于在背負式噴霧噴粉機上用的離心風(fēng)機多為前彎式風(fēng)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(shù)Z的取值范圍為16～32張，但是強前彎葉輪的葉片數(shù)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(jù)各個參數(shù)的取值范圍，在正交試驗優(yōu)化方案中各個參數(shù)的取值為葉片數(shù)：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(shù)與最原始的風(fēng)機參數(shù)一致。根據(jù)影響風(fēng)機性能的4個因素及其對應(yīng)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(fēng)機的優(yōu)化方案，對相應(yīng)的風(fēng)機進行建模，并導(dǎo)入FLUENT中進行分析，分析結(jié)果如表4所示。

在優(yōu)化目標(biāo)中，首要的目標(biāo)是效率，以流量作為參考目標(biāo)。表5為各因素在同一水平上評價指標(biāo)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(biāo)的影響程度，極差值越大，則該因素對評價指標(biāo)的影響越大[6]。

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

以風(fēng)機效率為評價指標(biāo)，A2D1B3C1為最優(yōu)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(fēng)機的葉片數(shù)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(fēng)機參數(shù)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(fēng)機出口速度矢量分布。從風(fēng)機出口的速度矢量圖中可以看出，在蝸舌處存在渦流現(xiàn)象。圖12為方案10的風(fēng)機出口速度與原風(fēng)機出口速度，其中v1代表的是原風(fēng)機出口速度，v2代表的是方案10的風(fēng)機出口速度。從比較圖中可以看出，方案10的

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

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

從表6可以看出，方案10與原風(fēng)機相比，風(fēng)機流量增加了3.92%，效率提高了17.07%。風(fēng)機流量和效率都有了提升。方案10和方案4相比， 雖然風(fēng)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(yōu)化的主要目標(biāo)，因此認為方案10為最優(yōu)方案。

3 結(jié)論

離心風(fēng)機是小型植保機械背負式噴霧噴粉機上的關(guān)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(fēng)機的內(nèi)部流場進行分析優(yōu)化，可從側(cè)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(fēng)機中葉輪性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進行分析，主要得到以下結(jié)論：（1）FLUENT分析可以較為準(zhǔn)確地表示出離心風(fēng)機的內(nèi)部流動特征;（2）正交試驗方法可以減少風(fēng)機優(yōu)化試驗時的方案，能夠準(zhǔn)確地描述出各個因素對風(fēng)機性能影響的結(jié)果;（3）通過正交試驗結(jié)果可以看出，對風(fēng)機性能影響最大的是葉片數(shù)量，其次是葉片厚度，葉片的出口安裝角對風(fēng)機性能的影響最小。

雖然通過正交試驗方法對風(fēng)機的性能進行了優(yōu)化，但是優(yōu)化結(jié)果仍然需要試驗驗證，運用FLUENT對離心風(fēng)機進行分析，為優(yōu)化風(fēng)機性能提供了有效的數(shù)據(jù)。

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