离心式除雪车扬雪筒内流场研究及结构优化

施志辉,刘彦哲,李丽

(大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028)*



离心式除雪车扬雪筒内流场研究及结构优化

施志辉,刘彦哲,李丽

(大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028)*

针对现有的离心式除雪车出雪形状松散的状况，利用ANSYS CFX软件对离心式除雪车的扬雪管内流道进行气固两相流的数值模拟与分析，得到内流道中气固两相流的实际参数分析结果，并根据仿真实验结果针对几个结构参数进行优化.通过优化扬雪筒的结构形状确保雪在扬雪筒出口被抛出时有比较规范的形状，同时降低离心风机的功耗，提高抛雪效率.

扬雪筒；气固两相流；数值模拟；结构优化

0 引言

我国北方地区的冬季持续时间较长，尤其东北地区，冬季长达7～8个月.而冬季行车的最大安全隐患就是道路积雪和冰雪路面，尤其高速公路积雪对交通安全造成了极大的威胁，如果不及时清除积雪，很容易引发交通事故[1].除雪车的研制对于高效率的清除道路积雪有极为重要的意义.离心式除雪车应用广泛，在除雪车中是非常典型的一种车型，然而国产除雪车有功耗大，除雪效率低，出雪形状松散等问题[2].本文通过对扬雪筒内流道进行仿真模拟，分析不同结构形状下的内流场从而提出相应的优化方案，使出雪口的出雪形状更规则集中，同时又能减少离心风机功耗的目的.

1 扬雪筒结构形状分析

离心式除雪车在向前行进时，集雪器将积雪传递进离心风机中，经过叶片加速后进入扬雪筒中，被抛出车外.扬雪筒的主要功能是用来控制扬雪的方向，可以把雪扬到指定的位置.使用扬雪筒扬雪时，由于雪和扬雪筒内壁的摩擦力，离心风机功耗增加，所以我们要尽可能的通过优化扬雪筒的结构形状达到节能的目的.

图1 扬雪筒

扬雪筒结构如图1所示.雪通过扬雪筒时，只与上壁有接触，故为了节约成本减轻整车重量，将扬雪筒下壁设计为镂空结构.扬雪筒的横截面为400 mm×420 mm，高为2 540 mm，如图1所示分为四层结构，不使用时可收藏放倒，不影响除雪车驾驶员的视线.

本文将从对比扬雪管下壁面镂空和封闭结构的内流场，以及对比出雪口折角处不同结构的流场来对扬雪管的机械结构进行优化.

2 内流道几何模型的分析与建立

扬雪筒的简化几何模型如图2所示.针对扬雪筒内流场复杂的流动性，为方便仿真计算，对仿真环境进行如下设定：

(1)除雪车行进速度为3.5 m/s，为能使雪顺利从扬雪筒流出，经模拟可知离心风机的最佳出口速度为25～50 m/s；

(2)风机的出口速度为扬雪管入口速度，取50 m/s.内流道流体介质为空气与雪粒子的混合物，根据除雪车实际工作环境，设定工作温度为-18℃，积雪密度为179 kg/m3，粘滞系数为0.024 kg/(m·s)，雪粒子直径取0.000 1 m，扬雪管外围环境大气压为101 325 Pa，空气密度为1.185 kg/m3，粘滞系数为1.83e-5 kg/(m·s).流体介质为不可压缩；

图2 扬雪筒简化几何模型

(3)忽略流体在流动过程中的温度变化，只对其速度压力场的分布进行研究；

(4)流体的重力加速度设定为9.81 m/s2；

(5)在流道的三维模型中设定专门的流体进口和流体出口.

根据提供的扬雪筒几何模型，建立足够大的大空间外流场计算域.通过ANSYS ICEM CFD软件对计算域划分全结构网格，并在扬雪管内壁表面附近进行网格加密，扬雪筒内流道计算区域的网格模型的网格单元数约为105万，计算区域及网格示意图如图3所示.

图3 计算区域及网格示意图

3 数值模拟算法及边界条件

本文主要研究空气与雪粒混合物在扬雪管内流动过程中的运动状态以及在扬雪管出口处的各参数分布，由于扬雪管入口速度较大，大于20 m/s，流动处于湍流状态，因此本文选用k-ε湍流模型；同时考虑雪粒与空气的气固两相流动，因此计算时在多相流模型中选择“Inhomogeneous Hydrodynamic Equations”即非均匀相两相流模拟，此方法除将气体视为连续相外，还将固体颗粒看成足够小的粒子，认为一小团流体就可以包含足够多的固体颗粒，所以也可将固体颗粒视为连续的“伪流体”；在数值计算方法上，选用基于有限元的有限体积法，此种算法融合了有限体积法的守恒特性和有限元法的数值精确性[3]；壁面条件为光滑壁面，气相固相均无滑移；计算收敛的控制条件为：当每一个节点上的物理量前后计算值残差小于10-4则视为收敛.

主要考虑入口流体全部为雪粒的流动情况，即入口流体雪粒的体积分数为100%，雪粒入口速度范围为30～50 m/s.本次模拟设置的边界条件如下所示：

(1)扬雪筒入口面设置为速度入口Velocity inlet；

(2)当扬雪筒镂空时，镂空面也设置为出口面，扬雪筒出口面与外围大气环境是共用面，设置为Interface；

(3)扬雪筒壁面设置为无滑移Wall；

(4)外围壁面设置为压力出口.

4 扬雪筒不同结构形状的内流场分析与优化

用CFX对扬雪筒内流道流场进行仿真模拟，结果如图4所示.图4(a)中扬雪筒下壁面镂空处出现了明显的涡流，这代表外部的空气被倒吸进扬雪筒中，导致内部流体流动阻力大幅度增大，而空气倒吸的能量是由离心风机提供的，这就导致离心风机功耗增大，除雪效率降低.从图4(b)中可以看出，雪从扬雪筒中被抛出后，速度分布不均匀，这就导致出雪形状松散，出现这个现象的原因是雪粒在扬雪筒内出现了速度分离.

(a)气相速度矢量图

(b)固相速度云图

4.1 扬雪筒下壁结构的优化

由图4可以看出，扬雪筒下壁面的镂空结构不利于除雪.将扬雪筒下壁面看成封闭结构，出口面只有出雪口截面，用CFX进行数值模拟与仿真的结果如图5所示.从图5(a)中可以看出，在其他参数不变的情况上，若将扬雪筒下壁面封闭，则不会再从下壁面镂空花处倒吸空气，这将大大降低流体流动的阻力，离心风机的功耗也将减小，除雪效率增加.从图5(b)中可以看出，雪被抛出扬雪筒之后，速度分布均匀，出口处雪较为集中，形状规则.

(b)固相速度云图

4.2 出雪口折角处的封闭结构

综合图5可以看出，扬雪筒下壁面封闭后不再出现空气倒吸，却导致流体在出雪口折角处固相出现了速度分离，气相在出雪口出现涡流.出现这个现象的原因是，在封闭出雪口折角处时过渡不圆滑，导致雪在折角处出现速度分离[4]，因此扬雪筒内折角附近出现局部负压区，导致空气从外部倒吸进扬雪筒，造成能量损失.将折角处改为圆角过渡方式，用CFX进行数值模拟与仿真，结果如图6所示.由图6(a)可以看出，在扬雪筒圆弧过渡处，固相仍旧出现速度分离，但区域较图5(a)要小.由图6(b)可以看出，固相在出雪口外的速度分布较图5(b)更均匀.

(a)速度矢量图

(b)速度分布图

4.3 对比分析

为了验证改进的效果，在其余参数不变的情况下，改变入口处的速度，分别对原始结构和改进后的结构进行仿真模拟，并分别记录两种结构在不同入口速度下出口截面的固相速度和压力差，整理成如下曲线图，如图7、图8所示.由图7可以看出，改进后的出口平均速度较原始设计要小，如入口速度为40 m/s时，改进设计的出口平均速度较原始设计要小7.7%，这也说明，雪粒固相在出口截面较原始设计要均匀流出.由图8可以看出，改进后的压力差明显要小于原始设计的压力差，如在40 m/s时，改进后较原始设计要小约19.4%，由于改进后扬雪筒内流动阻力减小，风机所做的功就相应减少，有利于降低离心风机的功耗.

图7 固相出口平均速度随入口速度的变化曲线

图8 扬雪管内流动阻力随入口速度的变化曲线

5 结论

在仿真实验中，通过对扬雪筒内流道进行气固两相流的仿真分析可知，下壁面封闭并将出雪口拐角处改为圆角过渡的结构较原始的镂空结构可以有效的改善空气倒吸，降低流动阻力，从而降低离心风机的功耗，提高除雪效率，同时使出雪形状集中而规则.

[1]张佳，张宇涛，肖萍，等. 除雪机械现状及发展趋势[J]. 机械工程师，2014(7):31- 32.

[2]许立，姜宝伟. 离心式抛雪头内流场分析及结构优化研究[J]. 机械设计与制造，2015(4):144- 146.

[3]高井辉. 基于CFX的离心式压气机内部流场数值研究[D]. 大连：大连理工大学，2011.

[4]欧顺冰. 含沙水中混流式水轮机三维内流场的数值模拟[D]. 成都：西华大学，2012.

[5]谢龙汉，赵新宇. ANSYS CFX流体分析及仿真[M]. 北京：电子工业出版社，2013.

[6]边丽娟. 清雪车抛雪离心风机特性与结构优化研究[D].长春：吉林大学， 2009.

[7]梅丹. 离心风机叶轮内气固两相流动及叶片磨损研究[D]. 武汉：武汉科技大学，2006.

Internal Flow Field Analysis and Structure Optimization of Snow Outlet Piping

SHI Zhihui,LIU Yanzhe,LI Li

(School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Aimed at the ruleless and loose shape of the removal snow that out of the existing centrifugal snow-clear machine, gas-solid two phase flow numerical simulation analysis of snow outlet piping internal flow field was provided by ANSYS CFX, and the conclusion of inner flow passage of gas-solid two phase flow is obtained by actual parameter analysis. The structure parameters of snow outlet piping are optimized based on the simulation results. Through the mechanical structure optimization of snow outlet piping, ensuring snow has a fairy standard shape when it is thrown out of snow outlet piping, reducing power consumption of snow throwing centrifugal fan device and improving the efficiency of throwing snow at the same time.

snow outlet piping; gas-solid two phase flow; numberical simulation; structure optimization

1673- 9590(2017)01- 0053- 04

2016- 01- 11

辽宁省教育厅重点实验室资助项目(LS2010023)

施志辉(1960-)，女，教授，硕士，主要从事数字化制造理论与技术研究

E-mail:shizhihui@163.com.

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