基于Fluent的挖藕机喷嘴仿真研究

南京林业大学机械电子工程学院 陈 辉 陶 雷 陈 青 蒋雪松金湖金龙祥渔业设备有限公司 吕石祥



基于Fluent的挖藕机喷嘴仿真研究

南京林业大学机械电子工程学院 陈 辉 陶 雷 陈 青 蒋雪松
金湖金龙祥渔业设备有限公司 吕石祥

【摘要】针对浮筒式挖藕机，通过CFD软件Fluent对其压力仓以及喷嘴进行建模与仿真。并对仿真得到的速度云图、压力云图进行分析，为喷嘴设计选择提供依据，并且为下一步改进设计提供结构参数依据。

【关键词】Fluent；挖藕机；喷嘴

本文受苏北科技专项资金项目（BN2014127）、江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）资助。

0　引言

计算流体力学（简称CFD）是20世纪60年代伴随着计算科学与工程迅速崛起的一门学科分支，经过50多年的快速发展，这门学科已经是相当成熟了。CFD通过计算机数值计算和图像显示方法，在时间和空间上定量描述流场的数值解，从而达到对物理问题研究的目的。CFD应用计算流体力学理论和方法，数值求解满足不同流体运动和传热、传质规律的三大守恒定律，及附加的各种模型方程组成的非线性偏微分方程，得到确定条件下的数值解［1］。

而Fluent软件是基于 CFD 软件群的思想，针对各种复杂流动及物理现象，采用不同的离散格式和数值方法，可以在特定的领域内，使计算速度、稳定性和精度达到最佳组合，高效解决各个领域的复杂流动计算问题。Fluent开发的模拟软件，可以用于模拟流体流动、传热传质、化学反应和其他复杂的物理现象［2］。

1　问题分析

本文仿真的对象是浮筒式挖藕机的压力仓以及喷嘴。浮筒式挖藕机的工作原理是：通过汽油机给挖藕机的水泵提供动力，水先经过滤网进入到储水室中，通过进水管到达水泵内，再通过出水管排入高压水腔中，最后通过喷射系统喷出，喷嘴处于水平面以下，喷出来的水不断冲刷、粉碎和推移水的泥土，从来使藕浮出水面即可。喷嘴的作用是让高压水腔中的具有一定压力的水通过收缩的孔径，进一步的增大水压，从而达到加速液体的目的［3］。采用Fluent软件对喷嘴和压力仓进行模拟仿真，能够对喷嘴的设计改进提供强有力的依据。

2　模型的建立及仿真分析

使用Fluent时，一般使用Gambit或者一个分离的CAD/CAE系统如Ansys，PRO/E等产生的几何结构模型及网络，然后导入Fluent［3］.进行网格的划分和解算。Fluent包含4个版本的结算器，分别是：Fluent 2d， Fluent 3d， Fluent 2ddp和 Fluent 3ddp，同时提供了分离解、隐式耦合解、显式耦合解三种不同的解格式。本文使用的是SolidWorks建立模型，fluent3d解算器。

2.1用SolidWorks建立喷嘴仿真模型

Fluent软件本身不能建立模型，其自带的建立模型的软件Gambit仅仅只能建立一些比较简单的三维几何体，本文使用的压力仓以及喷嘴形式较为复杂，不适合采用Gambit软件，固本文采用的是用SolidWorks软件建立三维模型，然后导入Fluent软件中进行网格划分以及解算。

2.2用Meshing对网格进行网格划分

Fluent的Meshing模块其实就是以前版本的TGrid，可以导入网格文件和几何文件。网格划分分为边界网格和体网格划分两部分。Meshing模块可以对进行了边界网格划分的模型进行体网格划分。本文采用了体网格划分并设定边界，结果如图1所示。网格划分结束后进行了网格质量检查，确保不存在负体积。

图1　网格划分结果

2.3计算求解

把SolidWorks创建的模型导入Fluent后，需要定义尺寸单位，本文为mm，在使用Meshing模块进行网格划分以后，需要对划分的网格进行检查，如果存在体积小于0的网格，则需要对网格类型及网格大小进行调整，然后重新划分网格［5］。求解过程还需要确定算法，定义材料，进行边界值设定。在初始化以后进行迭代计算。最后对迭代结果进行分析，后得出需要的结论。

本文采用Segregted算法，模型为K-epsilion，设定的的边界条件为：进口流速为4m/s，代次数为1000次。在完成1000次迭代以后得到的收敛结果如图3所示。由图2所示，沿X，Y，Z轴的流速分量收敛较快，几乎同时收敛，同时可以看出，流速沿X，Y轴的分量几乎完全一致，湍动能相对于流速的收敛显得更加的迅速。

图2　喷嘴迭代次数计算收敛值图

在迭代收敛以后，我们得到了压力仓及喷嘴的内部湍流模型的压力分布云图，如图3所示，以及湍流流速矢量图，如图4所示。

由图3可以看出，喷嘴的进口及壁面压力较小，经过压力了仓的增压，以及喷嘴部分的增压作用，在喷嘴的出口部分压力达到了最大值23253.8pa。

由图4可以看出，喷嘴的进口处的速度为边界条件设定的4m/ s，在经过压力了仓的增速作用后，在压力仓中速度得到了一定的增加，最终在喷嘴出速度达到了最大值，最终速度为6.76m/s，相对于，进口处的4m/s，得到了明显的提升。

图3　喷嘴压力分布云图

图4　喷嘴速度分布矢量图

3　结论

本文通过对挖藕机压力仓以及喷嘴部分进行仿真，分析了压力仓和喷嘴对于射流速度的影响。仿真结果显示，通过压力仓和喷嘴的增压增速作用，喷嘴处的增速效果比较明显。通过较大的射流速度，挖藕机的挖藕效率能够得到一定的保证。经过本文的仿真分析，对于后期挖藕机的结构改进提供了依据。

参考文献

［1］付曙光，曾良才，张晓明，陈新元.基于Fluent的高压除鳞喷嘴湍流仿真模型［J］.武汉科技大学学报，2007，30：171-173.

［2］许瑞，杜长龙，曾锐，张佳佳.不同收缩角喷嘴的射流仿真研究［J］.矿山机械，2011，2（39）：36-39.

［3］尤俊，陈斯蓉.4OZ-3型自走式水压莲藕掘取机［J］.南方农机，2000，（06）：9.

［4］许瑞，杜长龙，周浩，曾锐.基于Fluent的喷嘴型腔对射流影响的模拟仿真［J］.矿山机械，2010，38（19）：23-27.

［5］韩占忠，王敬，兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用［M］.北京：北京理工大学出版社，2004：201-249.

作者简介：

陈辉（1990-），男，江苏宿迁人，硕士生，现就读于南京林业大学机械电子工程学院。

通信作者：

蒋雪松（1979-），男，江苏南通人，博士，副教授，主要从事农业机械化工程研究。