基于Star-CCM+软件在农业机械教学中的应用与实践

王鹏飞 李昕昊 李建平 刘洪杰 杨欣

(河北农业大学机电工程学院，河北 保定 071000)

引言

随着我国农业机械的快速发展，机械化水平逐步走向高端化和智能化，为加快农业机械的产业发展，需提升农业机械人才综合素养[1-3]。在“新工科”的教学背景下，实践教学成为了培养人才的重要手段，与传统工科人才相比，“新工科”人才需要更高的工程素养和更强的创新能力[4]。针对农业机械的教学，更需要应用与实践相结合，将数字仿真技术放到教学过程中，让学生在应用中实践操作，在实践中应用理论知识[5-7]。本文通过对果园多风道喷雾机内部风送系统风场进行研究，应用AIP三维软件对送风系统内部风道进行建模，将模型在Star-CCM+软件中进行CFD流体模拟仿真。Star-CCM+软件是一款集合三维建模、网格划分、计算求解的流体仿真软件。本文通过对Star-CCM+软件的学习和应用，可以使学生在农业机械的学习中通过应用与实践相结合的方法，理解并掌握模型的建立方法和分析技巧。

1 送风系统模拟仿真过程

1.1 三维模型建立

在AIP三维软件中建立风道整体模型，将风机模型按位置与风道进行装配，如图1所示。

将上述装配好的模型导入到Star-CCM+软件中，进行网格显示，如图2所示，并保存文件。

图2 Star-CCM+软件导入模型

在Star-CCM+软件中进行模型表面检查，并填补流体域，建立流体域模型，如图3所示。

图3 流体域模型建立

1.2 软件操作流程

在模型建立完成后，指定每个表面的边界类型，分割形成特定的边界表面，依次打开几何—零部件—钝状体—表面—面节点，右键单击面节点，然后从弹出来的菜单中选择“通过块进行分割”。在几何场景中选择低X方向的面，根据需要旋转几何。在零部件表面名称字段键入入口，面会从场景中删除，而属于父零件的表面管理器节点内出现新表面，点击创建。

图4 创建新表面界面

设置边界类型，定义边界条件，将入口边界类型更改为滞止入口，出口定义为压力出口，滑移壁面和内壁面保持默认的壁面类型，保存模拟。

创建网格化模型，单击网格1节点并选择网格化模型，在网格1模型选择对话框中选择面网格组合框的表面重构，选择可选模型组合框的多面体网格生成器和棱柱层网格生成器，启动模型如图5所示。设置网格基础尺寸0.25m，棱柱层数为5，其它按软件默认数值计算。设置完成后生成体网格，如图6所示。

图5 网格模型设置界面

图6 网格示意图

网格设置完成后，选择物理模型，在Star-CCM+中，根据物理连续体定义物理模型，在本文中，流体是湍流且可以压缩。耦合流体模型与默认K-Epsilon湍流模型结合使用。右键单击连续体—物理1节点，然后选择模型，出现物理模型选择对话框，如图7所示。由于本文涉及理想化气体(空气)，因此请从材料组合框中选择气体单选按钮。由于已激活自动选择推荐模型复选框，因此物理模型选择对话框可以在做出选择时自动选择某些默认模型，从而引导完成整个模型选择过程。在连续体内激活某些模型时还需要在此连续体内激活其它模型。如，连续体包含液体或气体，则还需要流体模型；此连续体拥有流体模型后，其还需要粘性模型(无粘性、层流或湍流)；如果激活了液体连续体内的湍流，则选择湍流模型；如果出现需要选择附加模型提示，则是提醒尚有未完成的模型选择。此模拟需要以下选择：从流体组合框中选择耦合流；从状态方程组合框中选择理想气体；自动选择耦合能量模型；从时间组合框中选择定常；从粘滞项组合框中选择湍流；从雷诺平均湍流组合框中选择K-Epsilon湍流；自动选择可实现K-Epsilon两层和两层全y+壁面处理模型。模型设置网层完成后保存模拟。

图7 物理模型选择界面

内置风机为旋转模型，设置旋转域，指定模拟初始条件，设置风机转速为2000r·min-1。为了使入口处马赫数约为0.75，以前使用等熵关系确定给定总温度下的入口总压力和出口静压。如果出口静压等于一个大气压(绝对值)，并且静态温度为300K，则入口总压力为164904Pa(绝对值)。入口总温度为344.8K，边界值指定为表压。因此，使用默认参考压力101325Pa(一个大气压)，将入口总压力设置为63579Pa(表压)。出口静压为0Pa(表压)，即默认值。

设置求解器参数和停止条件，选择停止条件—最大步数节点，将最大步数设置为500，保存模拟。最后创建标量和矢量场景以显示模拟结果。右键单击场景节点，选择新建场景—标量(矢量)，创建中间轴线截面，以显示内部风场流线，保存模拟。创建监测点，监测各出风口处的风速值，以得到最终的分析结果。

在上述操作全部设置完成后，点击运行指令，待运行结束后保存模拟。

2 仿真结果输出与分析

在场景节点中选择新建场景—几何节点，右键单击衍生零部件节点，并选择新建零部件—截面—平面，拖动光标选取中轴线截面，设置截面形式为压力云图和速度矢量云图，呈现方式如图8所示。压力云图能够分析出风道内部在风机运行过程中的压力呈现情况，速度矢量云图通过流线能够看出内部气流场的分布情况。

图8 结果分析图

3 结语

在农业机械的教学过程中，既要注重理论知识的培养，又要注重应用与实践，而Star-CCM+软件对农业机械的教学起到了较大的辅助作用，充分锻炼学生的设计能力，开拓学生的创新思维能力。因此，将Star-CCM+软件引入到教学实践过程中是一种非常有效的教学方法，有效提高了教学质量和效率。让学生在课程学习过程中理论与实践相结合，深入理解并掌握农业机械的建模及分析方法。通过对多风道喷雾机送风系统内部风道进行数值模拟仿真，以及分析仿真结果，让学生在实际操作过程中掌握流体分析求解过程，有利于对农业机械的深入了解以及对软件的操作流程的熟悉。