挖藕机喷嘴形状对淤泥冲刷效果影响分析

王文丽 ， 陈金利 ， 毕方淇 ， 李 志

（淄博市农业机械研究所，山东 淄博 255038）

莲藕经济价值较大，深受广大人民群众青睐，在我国种植区域广泛，遍布华南、西南、长江流域等地[1-3]。但莲藕不易采摘，每年因无法及时采摘而导致的浪费较大，不利于莲藕产业的长远发展[4]。

当前，针对不同的种植环境，具有结构创新的挖藕机正被一步步研发推广[5-8]。采用数值分析的方式对挖藕机进行研究已成为课题研究的重要手段，张自健等[9]利用EDEM-Fluent耦合模拟射流冲击不同颗粒直径的土壤的过程。曹威龙等[10]基于Fluent对挖藕机水管道进行了仿真分析，发现调整喷头出口截面直径可显著改善喷头出水压力均匀性。但暂无研究对喷嘴形状对淤泥冲刷效果的影响进行分析。

为此，本文通过喷嘴处Fluent流场分析，进一步分析挖藕机不同喷嘴形状对淤泥的冲刷效果，以期获得不同喷嘴形状对淤泥冲刷效果的影响。

1 模型建立

通过SolidWorks建立模型，建立三种相同横截面积的喷口形状，如图1所示，其横截面积为314 mm2，喷嘴形状分别为工况1圆形；工况2，10 mm×31.4 mm矩形；工况3，20 mm×15.7 mm矩形。

图1 喷口形状

根据喷口形状建立三维模型，三维模型喷嘴圆柱段直径40 mm，长200 mm，圆锥段长度450 mm，喷嘴外为藕塘外流域，直径2 000 mm，深度1 000 mm。如图2所示。

图2 喷嘴及外流域三维模型

2 控制方程

对于流场分析，提出如下假设：

1）工作介质为不可压缩连续流体；

2）流场计算收敛后处于稳定状态，流场物理量只与空间欧拉坐标有关，而与时间无关；

流场按纳维-斯托克斯方程（N-S方程）和连续性基本微分方程共同计算。

纳维-斯托克斯方程（ N-S方程）为：

其中拉普拉斯算子：

式中，X、Y、Z分别为3个坐标方向的质量力，N；ρ为流体密度，kg/m3；p为压强，Pa；µ为速度，m/s；υ为运动学黏性系数，m2/s。

3 数值模拟

根据三维模型采用ICEM进行六面体渐变式网格划分，分布律采用Geometric，Ratio1.05，最小网格尺寸3 mm，最大网格尺寸25 mm，划分后网格如图3所示。

图3 网格划分

网格划分后将其导入Fluent，旋流模型采用SSTk-ω模型，入口为速度入口，速度为2 m/s。底面为淤泥区域，采用壁面wall替代，藕塘外流域圆柱侧面为压力出口，出口压力为0 Pa；

为提高收敛速度，压力速度耦合采用Coupled算法，进行稳态计算。将全部算例计算至收敛。

4 结果及分析

图4为三工况数值计算的动压延模型中轴线上分布情况。

图4 动压延模型中轴线上分布情况

通过图4，对比1、2工况，工况2在喷嘴出口处动压最高，但相比其他工况，喷出的水在离开喷嘴后，其动压衰减较快；工况1在喷嘴出口处动压最低，相比其他工况，喷出的水在离开喷嘴后，其动压衰减较慢。对比1、3工况，工况3无论是最大动压还是动压衰减情况都要优于工况1。

挖藕机在采藕时，当喷嘴紧贴淤泥时，增大喷嘴出口处动压，有利于提高采挖效率，但由于藕塘深浅不一，这种情况很难保证。为此，在工作时，不仅要考虑水在离开喷头时的最大动压，也要考虑水离开喷头后动压的衰减情况。经综合对比分析，工况3为较优工况。

5 结论

本文通过对3种不同尺寸、形状的喷嘴进行喷嘴流场数值仿真，得出三种工况数值计算的动压延模型中轴线上分布情况，并得出以下结论。

1）喷嘴形状不同，水流出时动压不同，经比对，工况2在喷嘴出口处动压最高，但喷出的水在离开喷嘴后，其动压衰减较快。

2）在采藕时，不仅要考虑水在离开喷头时的最大动压，也要考虑水离开喷头后的动压衰减情况。经综合分析，工况3为较优工况。

3）圆形喷嘴虽应用广泛，但其实际工作效率可能并非最优。

4）为采藕机喷嘴设计提供数值参考。