联合收割机横流风机流场的数值模拟

李吉成等

摘要：：随着谷物联合收割机的作业宽度不断增大，横流风机以其风量大、结构紧凑、出口气流沿轴向分布均匀等优点在大型联合收割机上得到了广泛的应用。利用ANSYS Workbench（CFX）有限元分析平台，对某型号联合收割机横流风机的流场进行了数值模拟。结果表明，横流风机的性能基本不受宽度的影响，出口气流沿轴向分布均匀；在该横流风机的风机出口处，有少量的回流出现；流场对叶片的作用力分布非常不均匀；ANSYS Workbench分析平台简化了CFD分析过程，提高了分析效率，为横流风机的优化设计提供了准确数据。

关键词：横流风机；联合收割机；流场；数值模拟

中图分类号：S225.3 文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）09-0439-03

随着谷物联合收割机的作业宽度不断增大，清选装置常用的离心风机和轴流风机出现了横流气体分布不均匀、动力消耗大、机构尺寸大等问题，严重影响清选装置的性能[1]。横流风机以其风量大、结构紧凑、出口气流沿轴向分布均匀等优点被广泛应用于大型联合收割机。横流风机是一种特殊的风机，其气体流动非常复杂，难以掌握[2]。人们从20世纪60年代开始研究横流风机的工作特性，常用的方法是理论计算、试验，效率较低，成本较高。随着计算流体力学（CFD）的出现，人们开始利用其研究横流风机的工作特性，但是由于CFD软件不完善，不能很好地研究、优化横流风机[3]。ANSYS Workbench将多种有限元分析软件有机集成到一起，使各个分析模块可以进行数据交换[4]，简化了分析过程，提高了效率。本研究主要利用CFX模块、几何模块、Mesh模块，对某型号联合收割机的横流风机流场数值进行模拟，得到了风机的流场模拟数据，主要有静压云图、流场速度矢量图、流场对风机叶轮作用力云图等，旨在为开发谷物联合收割机提供依据。

1分析模型

1.1横流风机工作原理

横流风机主要由叶轮、外壳、舌板等部件组成（图1）。外壳是两端封闭、径向开口式的结构，开口的尺寸一般是不对称的，较大的为进风口，较小的为出风口[5]。外壳包围了部分叶轮，没有外壳包围的位置为入风口，入口位置的叶轮称为进风叶栅，外壳内部的部分叶轮称为出风叶栅。横流风机与离心风机及轴流风机的工作原理完全不同，叶轮在外壳内转动时，叶轮的内部靠近舌板的位置会形成1个偏心涡旋。这个偏心涡旋形成了1个低压中心，风机入口处的气体在压力差作用下，经过进风叶栅，沿径向进入风机内部，沿径向经过出风叶栅流出风机。整个过程中，气流的运动方向都是垂直于叶轮轴的，没有横向流动[1]。

1.2分析模型

本研究采用的分析模型为某型号联合收割机的横流风机，风机的主要参数如表1所示。表1横流风机的结构参数

根据分析的需要，本研究按照横流风机的结构尺寸，利用参数化建模软件Creo建立横流风机叶轮模型，如图2所示，再利用布尔运算，建立风机流场，如图3所示，根据流场的实际工作情况，将流场分为内流场、外流场，内流场是随叶轮转动的部分，并将模型以IGS格式导入到ANSYS Workbench中。

2分析预处理

2.1网格划分

划分流体网格的软件有很多， 本研究采用Workbench中的Mesh模块进行网格划分。Mesh提供了多种网格划分方法，如自动网格划分、六面体主导的网格划分等，自动网格划分是综合多种划分方法的网格划分。本研究限制内流道网格大小为6 mm，网格划分方式设定为自动网格划分；外流道网格大小限制为8 mm，划分方式设定为六面体主导的网格划分，并将内流场和外流场的关联度设置为1，划分好的网格如图4所示。

横流风机的流道共含有416 452个节点，1 647 708个单元。网格的质量对分析过程和结果影响非常大。Skewness是常用的网格质量检验工具，其值分布在0～1之间，越靠近0，网格质量越好，反之质量越差[4]。本研究的网格质量Skewness评估如图5所示。在图中98%的网格分布在0～0.5之间，网格质量良好，符合分析要求。

2.2计算域和边界条件的设定

计算域和边界条件的设定主要包括选择流体介质、定义边界条件等重要参数。CFX提供了多种流体材料，横流风机内空气的压力和温度变化不是很大，所以选择的材料是25 ℃下的，这种材料与理想空气相比，最大的特点是不计算空气的可压缩性和温度变化。同时为计算域设定1个大气压的参考压力。内部流场是随叶轮一起转动的，所以内流场的运动类型设定为Rotating，转速为101 rad/s，旋转轴为x轴。计算域湍流模型的选择对CFD计算结果的影响也非常大，CFX提供多种湍流模型，如K-Epsilon模型、K-Omiga模型等。本研究选择的K-Epsilon模型，其收敛性较好[6]。在风机外流场上设置风机的入口、出口，入口的流速假设为恒定的4 m/s，方向垂直于入口边界向内；出口设定为自由边界，相对压力为零，即不限制风机出口处的流体的方向、速度。流场模型的两侧设定为对称边界体；其他外壳部分设定为光滑固定无滑移的壁面条件。

2.3求解设定和求解

求解格式主要有3种：高阶求解模式、迎风格式求解、指定混合因子。其中高阶求解模式的精度较高，本研究采用的就是高阶求解模式；迭代步数设定为400步，步长设定为001 s，收敛标准设定为RMS，其值设定为1.0×10-4。求解的残差曲线如图6所示，可以看出曲线在390次迭代的时候达到收敛标准。

3结果与分析

求解完成之后，通过CFX后处理，得到流场的流场静压云图、流场全压云图、流场速度矢量图等数据。如图7所示，在风机流场静压云图中，靠近舌板出口叶栅的位置是1个低压中心，也就是偏心涡旋。整个风机流场的静压场以这个偏心涡旋为中心成不规则的圆环状，离偏心涡旋中心的距离越大，静压力就越大。叶片正面和背面的附近的静压力是不同的，其差值随叶片圆周位置的不同而不同。图7中的a、b是垂直于叶轮轴2个不同位置截面的静压云图，其静压力分布基本一致。如图8所示，在风机流场全压云图中，涡旋位置的全压力值是最小的。最大压力分布在外壳后臂和叶轮之间的位置。叶片的正面和背面附近的全压力差值不大，有些位置的全压力差基本为零。图8中的a、b是垂直于叶轮轴2个不同位置截面的全压云图，其压力分布基本一致。 如图9所示，在风机流场速度矢量图中，可以看出空气在流场内各个点速度的方向和大小，在风机进风叶栅的各个位置都有气体流入，其中左侧方向较为一致，右侧则较为混乱。在空气流出出风叶栅后，气体的流动方向慢慢开始平行于外壳后臂。在出口的上部，有少量的气体回流，可以通过调整外壳的结构加以优化[7]。图9中的a、b是垂直于叶轮轴2个不同位置截面的速度矢量图，其分布基本一致。如图10所示，在流场对叶片的压力作用分布云图中，不同圆周位置的叶片受到的压力不一样；进风叶栅、出风叶栅2个位置的叶片受力差别非常大；叶片两面压力差随叶片圆周位置的不同而不同。

4结论与讨论

横流风机的流场数据对风机的设计和优化起到了关键作用，流场模拟的传统法主要有计算法、试验法，工作量大，成本高，效率低，很难得到全面的流场数据[2]。本研究通过CFD技术分析联合收割机横流风机流场的特性，得到以下结论：横流风机出口气流沿轴向分布均匀，风机的性能不受宽度的影响，非常适合大型联合收割机的使用。入口处的外壳结构不利于空气流入风机，出口处有回流的现象，可以通过优化外壳结构，提高风机效率。流场对叶片的作用力与叶片的圆周位置有关，进风叶栅、出风叶栅2个位置的叶片受力差别非常大。CFD分析结果为横流风机的优化设计提供参考数据；ANSYS Workbench分析平台简化了分析过程，提高了分析效率，有助于优化设计人员在较短的时间内、较低的成本下掌握全面的流场数据，促进设计优化过程，但是最终的结果仍需要试验验证。

参考文献：

[1]吕明杰，孙伟，常建国. 谷物联合收割机清选横流风机的设计[J]. 农机化研究，2012，34（8）：90-92，97.

[2]赵京华，赵学笃，张振京，等. 横流式农用清选风机内部气体流动数值模拟研究[J]. 吉林工业大学学报，1989（3）：57-63.

[3]谷嘉锦. 横流风机的流场和声场分析[J]. 流体机械，1996（4）：6-8，11.

[4]丁欣硕，凌桂龙. ANSYS Workbrnch 14.5有限元分析案例详解[M]. 北京：清华大学出版社，2014：87-92.

[5]杨波，钟芳源. 横流风机内部偏心涡特性分析[J]. 流体机械，1999（9）：22-25.

[6]丛高伟. 离心通风机内部流场的数值模拟分析与比较[D]. 大连：大连理工大学，2006.

[7]马中苏，赵学笃，孙永海，等. 横流风机基本工作原理及反风现象的研究[J]. 农业机械学报，1993，24（2）：96-101.endprint