挖藕機(jī)噴嘴形狀對淤泥沖刷效果影響分析

王文麗 ， 陳金利 ， 畢方淇 ， 李 志

（淄博市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，山東 淄博 255038）

蓮藕經(jīng)濟(jì)價(jià)值較大，深受廣大人民群眾青睞，在我國種植區(qū)域廣泛，遍布華南、西南、長江流域等地[1-3]。但蓮藕不易采摘，每年因無法及時(shí)采摘而導(dǎo)致的浪費(fèi)較大，不利于蓮藕產(chǎn)業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展[4]。

當(dāng)前，針對不同的種植環(huán)境，具有結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的挖藕機(jī)正被一步步研發(fā)推廣[5-8]。采用數(shù)值分析的方式對挖藕機(jī)進(jìn)行研究已成為課題研究的重要手段，張自健等[9]利用EDEM-Fluent耦合模擬射流沖擊不同顆粒直徑的土壤的過程。曹威龍等[10]基于Fluent對挖藕機(jī)水管道進(jìn)行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)調(diào)整噴頭出口截面直徑可顯著改善噴頭出水壓力均勻性。但暫無研究對噴嘴形狀對淤泥沖刷效果的影響進(jìn)行分析。

為此，本文通過噴嘴處Fluent流場分析，進(jìn)一步分析挖藕機(jī)不同噴嘴形狀對淤泥的沖刷效果，以期獲得不同噴嘴形狀對淤泥沖刷效果的影響。

1 模型建立

通過SolidWorks建立模型，建立三種相同橫截面積的噴口形狀，如圖1所示，其橫截面積為314 mm2，噴嘴形狀分別為工況1圓形；工況2，10 mm×31.4 mm矩形；工況3，20 mm×15.7 mm矩形。

圖1 噴口形狀

根據(jù)噴口形狀建立三維模型，三維模型噴嘴圓柱段直徑40 mm，長200 mm，圓錐段長度450 mm，噴嘴外為藕塘外流域，直徑2 000 mm，深度1 000 mm。如圖2所示。

圖2 噴嘴及外流域三維模型

2 控制方程

對于流場分析，提出如下假設(shè)：

1）工作介質(zhì)為不可壓縮連續(xù)流體；

2）流場計(jì)算收斂后處于穩(wěn)定狀態(tài)，流場物理量只與空間歐拉坐標(biāo)有關(guān)，而與時(shí)間無關(guān)；

流場按納維-斯托克斯方程（N-S方程）和連續(xù)性基本微分方程共同計(jì)算。

納維-斯托克斯方程（ N-S方程）為：

其中拉普拉斯算子：

式中，X、Y、Z分別為3個(gè)坐標(biāo)方向的質(zhì)量力，N；ρ為流體密度，kg/m3；p為壓強(qiáng)，Pa；μ為速度，m/s；υ為運(yùn)動(dòng)學(xué)黏性系數(shù)，m2/s。

3 數(shù)值模擬

根據(jù)三維模型采用ICEM進(jìn)行六面體漸變式網(wǎng)格劃分，分布律采用Geometric，Ratio1.05，最小網(wǎng)格尺寸3 mm，最大網(wǎng)格尺寸25 mm，劃分后網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分后將其導(dǎo)入Fluent，旋流模型采用SSTk-ω模型，入口為速度入口，速度為2 m/s。底面為淤泥區(qū)域，采用壁面wall替代，藕塘外流域圓柱側(cè)面為壓力出口，出口壓力為0 Pa；

為提高收斂速度，壓力速度耦合采用Coupled算法，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算。將全部算例計(jì)算至收斂。

4 結(jié)果及分析

圖4為三工況數(shù)值計(jì)算的動(dòng)壓延模型中軸線上分布情況。

圖4 動(dòng)壓延模型中軸線上分布情況

通過圖4，對比1、2工況，工況2在噴嘴出口處動(dòng)壓最高，但相比其他工況，噴出的水在離開噴嘴后，其動(dòng)壓衰減較快；工況1在噴嘴出口處動(dòng)壓最低，相比其他工況，噴出的水在離開噴嘴后，其動(dòng)壓衰減較慢。對比1、3工況，工況3無論是最大動(dòng)壓還是動(dòng)壓衰減情況都要優(yōu)于工況1。

挖藕機(jī)在采藕時(shí)，當(dāng)噴嘴緊貼淤泥時(shí)，增大噴嘴出口處動(dòng)壓，有利于提高采挖效率，但由于藕塘深淺不一，這種情況很難保證。為此，在工作時(shí)，不僅要考慮水在離開噴頭時(shí)的最大動(dòng)壓，也要考慮水離開噴頭后動(dòng)壓的衰減情況。經(jīng)綜合對比分析，工況3為較優(yōu)工況。

5 結(jié)論

本文通過對3種不同尺寸、形狀的噴嘴進(jìn)行噴嘴流場數(shù)值仿真，得出三種工況數(shù)值計(jì)算的動(dòng)壓延模型中軸線上分布情況，并得出以下結(jié)論。

1）噴嘴形狀不同，水流出時(shí)動(dòng)壓不同，經(jīng)比對，工況2在噴嘴出口處動(dòng)壓最高，但噴出的水在離開噴嘴后，其動(dòng)壓衰減較快。

2）在采藕時(shí)，不僅要考慮水在離開噴頭時(shí)的最大動(dòng)壓，也要考慮水離開噴頭后的動(dòng)壓衰減情況。經(jīng)綜合分析，工況3為較優(yōu)工況。

3）圓形噴嘴雖應(yīng)用廣泛，但其實(shí)際工作效率可能并非最優(yōu)。

4）為采藕機(jī)噴嘴設(shè)計(jì)提供數(shù)值參考。