甘薯秧回收机抛送装置气固耦合模拟与试验优化

为解决甘薯秧回收机抛送功耗高的问题,同时提高抛送装置抛送性能及甘薯秧回收率,对回收机抛送装置的风机结构及工作参数进行优化设计。分析抛送装置甘薯秧动力学特性及功耗影响因素,应用CFD-DEM气固耦合法对抛送装置的输送过程进行数值模拟,揭示回收机内气流速度场分布和碎甘薯秧运动规律。以抛送装置比功耗、甘薯秧回收率、抛送速度为试验目标,风机转速、叶片数、叶片倾角为试验因素进行三因素三水平中心组合仿真优化试验并进行试验验证。优化试验结果表明：当风机转速为880r/min、叶片数为3、叶片倾角为7°时,抛送装置比功耗、甘薯秧回收率及抛送速度分别为718m2/s2、92.79%、5.96m/s。对比试验表明抛送装置优化改进后比功耗降低15.83%,甘薯秧回收率提高1.75%,抛送速度提高5.49%。     

叶片式抛送装置气流流场数值模拟与优化

应用计算流体力学软件Fluent对9R-40型揉碎机叶片式抛送装置内部的三维气流流场进行了数值模拟.并对计算出的出料直管处的气流速度与试验值进行了比较,检验了数值模拟的可靠性.同时,对其叶片数、叶片倾角、抛送外壳形状及出口处倒角等几何参数的不同变化作了对比模拟,得出4叶片、圆形外壳、后倾叶片更有利于抛送.且出口处圆弧半径不宜太大.     

叶片式抛送装置出料管内物料运动仿真与结构改进

为了提高叶片式抛送装置的输送效率、增加抛送距离,通过理论分析建立了出料管内物料运动的数学模型;基于此模型采用计算流体力学软件Fluent中的欧拉-拉格朗日法对抛送装置内气固两相流动进行数值仿真,并将仿真结果与高速摄像实测结果比较验证其可靠性;在分析了物料运动规律基础上,对出料管截面形状、出料直管段高度及弯管段形状的不同变化进行了对比模拟。研究结果表明:圆形截面出料管最合理,方形截面次之,矩形截面最不合理;出料直管高度的最佳取值区间为[500,1 000]mm;弯管上壁为两段圆弧结合较一段圆弧阿基米德螺线、对数螺线及水平轴抛物线等更有利于输送物料。     

结构参数对秸秆揉碎机抛送装置气动噪声的影响分析

针对目前秸秆揉碎机抛送装置存在噪声大问题,为了在设计阶段预测其结构参数对气动噪声的影响规律,采用计算流体力学与声比拟理论相结合的方法对饲草揉碎机抛送装置的气动噪声进行了数值计算,通过气动噪声试验进行了验证。基于此分析叶片数、叶片倾角及出料管高度对气动噪声的影响规律。研究表明:①出料口计算与实测总声压级差值为1.11 dB(A);进料口计算与实测值差值为0.50 dB(A),仿真与实测结果误差较小,可见气动噪声数值计算结果可信。②抛送部分叶片的角度对进料口噪声影响小、对出料口影响大,进出料口在3个叶片时产生的噪声都最低,增加出料管高度可降低装置尤其是进料口处的气动噪声。该研究可为秸秆揉碎机结构声优化设计提供参考。     

气力式秸秆深埋还田机输送装置设计与试验

针对合理耕层构建技术指标要求,设计了气力式秸秆深埋还田机输送装置。其主要结构参数为：输送管截面为0.2m×0.2m方形管;叶轮直径为0.55m,叶轮宽度为0.17m,进气口直径为0.26m,风机壳宽度为0.2m;螺旋轴直径为0.09m,螺旋叶片外径为0.25m,螺距为0.2m,螺旋叶片厚度为0.003m,螺旋外径与输送管内表面间隙为0.005m。通过玉米悬浮速度试验测得,长度为10cm玉米秸秆上、中、下部分悬浮速度分别为10.4、12.3、12.7m/s,平均值为11.9m/s,试验结果与仿真误差为7%。基于气固耦合理论,通过CFD-DEM气固耦合法对输送装置内的气固两相流模拟研究,表明弯角30°、转速为1800r/min时输送管道中,秸秆最小速度为5.21m/s,所对应的气流速度为17~27m/s,出口处玉米秸秆速度为6.06m/s,气流速度为2~27m/s,秸秆输送效果最佳。田间试验结果表明,气力输送装置性能参数最优组合为：风机转速1800r/min,秸秆覆盖量1.2kg/m2,叶片弯角30°。田间验证试验得深埋合格率为93.2%,有效提高了深埋质量。     

联合收获机多风道清选装置气流场分布与风机参数优化

针对现有联合收获机单风道清选室难以满足脱粒排出物对气流速度和方向的要求这一问题,采用Solid Works软件设计了多风道清选室的流道模型,运用ICEM软件对其划分网格,再利用CFD技术对网格模型进行内部气流场分布的数值模拟,并以离心风机的转速、叶轮的叶片数和风机出风口角度3个设计参数作为实验因素,对清选装置内部气流场分布进行三因素二水平正交仿真实验。通过对多风道清选室全压云图和速度矢量图的对比分析,确定风机叶片数为4、风机叶轮转速为1080r/min、风机出风口角度为25°时,清选装置有利于籽粒从脱出物中有效分离和籽粒的清选。     

叶片式抛送装置试验台的研制与试验研究

为了深入了解农业纤维物料的抛送机理,进而降低抛送装置的功耗,增加抛送距离,研制了不同外径、宽度、叶片倾角以及转速的叶片式抛送装置试验台。同时,对各种设计参数下叶片式抛送装置的气流流场、所消耗的功耗以及抛送距离进行了试验研究,为确定叶片式抛送装置最佳工作参数提供了依据。     

盘刀式铡草机抛送性能试验研究

针对盘刀式铡草机存在的生产率低、功耗大、易堵塞等问题,以玉米秸秆为试验材料,选取不同的主轴转速、叶片倾角和秸秆含水率作为试验因素进行抛送性能试验研究。试验结果表明:各因素对抛送过程生产率影响的主次顺序为主轴转速>叶片倾角>秸秆含水率;对抛送过程功耗影响的主次顺序为主轴转速>秸秆含水率>叶片倾角。当叶片倾角为7°、主轴转速为650r/min、秸秆含水率为22.1%时,抛送过程生产率最高;当叶片倾角为11°、铡草机主轴转速为510r/min、秸秆含水率为27.3%时,抛送过程功率消耗最低;同时,得到了可用于预测铡草机抛送过程生产率和功率消耗的线性回归模型。     

基于Fluent的9R-40揉碎机内流场仿真与研究

锤片式揉碎机作为一种重要的秸秆饲料加工机械而被广泛地应用在饲料生产作业中。为研究揉碎机内部流场结构信息,运用计算流体力学软件Fluent对锤片式揉碎机内流场进行三维数值模拟,得到转子转速为2 800 r/min时揉碎机内流场的压力场结构信息和速度场结构信息。结果显示:气流高速区出现在抛送叶片的背风面,大小为60m/s;低速区出现在揉碎机转子中心处,大小为12m/s。压力最低区域在揉碎室与抛送室交界处锤架板之间转子中心附近,压力最高区域在锤片末端和抛送室下机壳内壁附近。揉碎室和抛送室交界处存在明显压降和紊流,有利于物料在气流的带动下从抛送室内抛出。抛送室区域存在涡流,且出料管处产生回流,容易造成物料堵塞,导致物料不易被抛出或二次揉碎,增加能耗。本研究通过对揉碎机内流场进行三维数值模拟,直观地显示其内部的静压力场和速度场结构信息;研究了物料在揉碎机内部的运动规律,为揉碎机流场结构优化提供了依据,继而为优化机具、提高整机效率提供理论基础。     

叶片式抛送装置噪声试验研究

叶片式抛送装置广泛应用于牧草加工、谷物脱粒及秸秆粉碎还田等机械中,噪声高是叶片式抛送装置实际应用时的主要问题之一。为此,采用试验方法,通过对空载和负载时叶片式抛送装置的噪声进行实测,并对噪声信号进行频谱分析,结果表明:空载和负载叶片式抛送装置的噪声信号频谱结构非常相似,主要噪声源均为气动噪声,且都是旋转噪声,机械振动噪声及不平衡引起的噪声对整机噪声贡献不大;加入物料后主频频率略有增大,除了出料口气动噪声降低外,其余各测点噪声增大。     

泵腔径向间隙对多级离心泵泵腔内部流场的影响

为研究泵腔径向间隙对泵腔内部流场的影响,更好地优化多级泵水力性能,选取某悬臂式多级离心泵为研究对象,应用计算流体力学(CFD)与试验相结合的方法对泵腔内部流场进行研究.k-ε湍流模型下的数值计算结果与多级泵外特性试验值吻合较好,说明应用数值计算对泵腔内部流场进行分析是可靠的.设计3种泵腔间隙方案,对比分析了泵腔内部切向速度分布及压力脉动情况.结果表明:随着测速点位置半径的减小,前泵腔切向速度逐渐增大,且液体旋转速度会超出叶轮旋转速度,而后泵腔中切向速度总体呈现逐渐减小的趋势;泵腔间隙区域及叶轮出口处压力脉动主要集中在0~1 680 Hz范围内,压力脉动主频均出现在1倍导叶叶频处,主频脉动幅值由首级向末级逐级递减;泵腔间隙区域压力脉动也受到叶轮叶片数的影响,次主频出现在1倍叶轮叶频处,且在其他叶频倍频处均发生压力脉动现象.     

旋涡自吸泵内部流场压力脉动数值模拟

为研究不同工况下旋涡自吸泵内部瞬态流动特性,利用ANSYS CFX软件并选取雷诺时均N-S方程和RNG k-ε双方程湍流模型,对包括叶轮、泵体和支架在内的旋涡自吸泵整机内部流场进行了瞬态数值模拟.将定常数值模拟结果与外特性试验进行对比验证,并将其作为瞬态非定常计算的初始值,提取了泵内部流动情况和监测点的压力脉动特性.计算结果表明:与叶轮接触的环形流道内主频为单边叶频,径向方向叶频也存在较明显的峰值;靠近壁面的环形流道内,能量集中在单边叶片通过频率及其倍频处;在隔板间隙处能量值更大,除低频段有明显的波动外,峰值集中在单边叶频及其倍频段,在间隙处的径向上从边缘至中间部位,单边叶频与叶频的能量值呈此消彼长趋势,中间部位叶频为主频;叶轮上的压力脉动转频为主频,峰值分布在转频及其倍频,随倍数的增加能量值依次降低.     

低比转数离心泵内部流动特性和外特性试验

为研究分流叶片对低比转数离心泵内部流动和性能的影响,在原型泵叶轮(具有4长4短叶片)基础上,设计了8长叶片的叶轮模型.基于雷诺时均Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras湍流模型对各模型泵内的流场进行三维定常数值模拟计算,得到了泵内部流动特性.同时对原型泵进行外特性试验,并将计算结果与试验结果进行对比验证.数值计算结果表明:离心泵蜗壳内的周向速度大于径向速度,流体呈周向流动;径向速度随着周向角度的增大缓缓变大;8长叶片的叶轮相对于4长4短叶片叶轮在设计流量工况下具有更高的扬程和效率,8长叶片的叶轮比4长4短叶轮具有更好的水力性能;8长叶轮的叶片进口处具有更大的相对低压区;叶轮内部都存在旋涡,相对于4长4短叶片的叶轮,8长叶片的叶轮具有更大的涡.试验结果验证了数值计算的正确性.     

导叶时序位置对离心泵叶片载荷影响的数值模拟

采用结构化网格及SST湍流模型,对不同导叶时序位置下离心泵内部流场进行三维非定常数值模拟,并对模拟结果进行试验验证,研究时序效应对叶轮叶片和导叶叶片载荷的影响.结果表明:当隔舌大约处在2个导叶中间(cl0,cl5位置)时,蜗壳不对称作用对叶轮内部流场影响降低,叶轮叶片压力面载荷增大,叶轮做功能力较好; 当叶片逐渐靠近蜗壳隔舌时,蜗壳不对称作用对叶轮内部流场影响增大,叶片出口吸力面大于压力面载荷的位置逐渐向叶片中段偏移,导致叶轮做功能力逐渐降低; 导叶叶片载荷分布受导叶与隔舌相对位置的影响较为明显.当导叶叶片尾缘靠近蜗壳隔舌时,导叶叶片载荷出现吸力面大于压力面的情况.     

海水淡化能量回收透平水力模型优化设计

为提高反渗透海水淡化系统中能量回收透平的回收效率,对透平叶轮的水力模型进行优化设计,分析透平叶轮几何参数交互作用对叶轮性能的影响规律,得到透平叶轮性能最佳时的几何参数.以叶片进口角、叶片出口角和叶片数为试验因素,透平水头和水力效率为试验指标,基于BBD试验设计方法对透平进行多参数组合的数值计算,并采用响应面分析法对试验数据进行处理和分析,建立试验因素对试验指标的回归方程.结果表明:当透平叶片进口角为28.8°,出口角为23.3°,叶片数为7时,透平的水力性能最优,在设计工况下,优化透平的扬程比原型高6 m,优化透平的效率比原型提高0.8%;叶片数对透平性能的影响最大,叶片出口角对透平水头的贡献率比叶片进口角大,而叶片进口角对透平效率的贡献率比叶片出口角大.     

超大流量轴流潜水泵叶轮设计与优化

基于升力法对超大流量轴流潜水电泵叶轮进行水力设计,采用计算流体动力学方法对超大流量轴流潜水电泵装置进行全流道数值模拟和性能预测,并对该水力模型进行优化,同时通过试验对计算结果进行验证.分析结果表明：原设计模型在叶轮压力面进口处存在较明显的局部高压区,吸力面进口附近存在明显低压带和局部高涡量区域,消耗较大的能量,是导致叶轮效率低的主要原因之一;通过调整叶片进口角度和叶轮转速2个参数进行模型优化设计,优化后模型叶片压力面的静压分布较均匀,吸力面低压区域相对较小且涡量分布均匀;优化设计明显改善了叶片表面的压力分布和空化性能,同时提高了机组的水力效率;优化后的水力模型性能预测结果与实验结果吻合较好,数值预测结果能够较为准确地反映轴流泵系统的水力性能.研究结果为该类泵水力模型优化和性能改进提供了参考.     

流固耦合作用下斜流泵转子动力学特性研究

为了研究斜流泵转子系统的动力学特性,以某型号的斜流泵作为研究对象,采用计算流体力学软件CFX 2021R1和有限元分析软件ANSYS Workbench 2021R1平台,对斜流泵转子系统的干湿模态固有频率和振型、临界转速以及基于流固耦合的瞬态动力学进行了求解,研究了叶轮叶片不同位置的变形与应力分布,对比分析了不同流量工况对叶轮叶片变形与应力分布的影响。结果表明：湿模态下转子固有频率会下降,同时随着阶数的增加,固有频率下降程度逐渐明显,第3阶模态时下降程度最小,下降率Δf为9.82%,第6阶模态时下降程度最大,下降率Δf为44.31%。计算所得第2阶模态的临界转速为7.369r/min,远大于转子工作转速,说明转子系统在工作转速下运行时不会发生共振,符合转子动力学的设计要求,能够稳定运转。叶轮叶片背面与工作面总变形量的变化趋势和变形量基本一致,叶片工作面出口叶顶位置变形量最大,幅值达到2.6755mm,各个位置处工作面变形量都大于背面,最大变形量差值为0.0358mm,叶顶处变形量都大于叶根处,最大差值为1.0177mm;叶片工作面进口叶顶处与背面处应力变化趋势和应力幅值大致相似,叶片工作面进口叶顶处与出口叶根处应力幅值都大于相应背面处,而在叶片背面出口叶根处应力幅值大于工作面处。叶片出口处测点应力幅值明显大于进口处测点,叶片背面出口叶根处等效应力最大,最大幅值约6MPa。不同流量工况下叶片变形量的变化趋势相似,随着流量增大,叶轮叶片各位置处变形量逐渐减小。0.6Q时叶片变形量随时间变化波动最大,最大变形量为3.0672mm,出现在叶片出口叶顶位置;在叶片叶顶处,随流量增大,应力波动逐渐减小,叶片叶根处,Q时应力幅值波动最大,进口与出口应力波动最小处分别出现在0.6Q与0.8Q流量工况,各位置最大等效应力为12.456MPa,叶根处每一个应力波动结束后,0.6Q与0.8Q应力曲线会额外多一次小波动,因此应避免泵在小流量工况下运行,并且应加强叶轮叶根处叶片厚度。研究结果可以为斜流泵转子系统运行稳定性分析以及叶轮叶片的结构优化设计提供参考。     

不同叶片数对离心泵流场诱导振动的影响

为了研究离心泵不同叶片数对振动的影响,在保证泵体和叶轮几何参数不变的情况下,将叶轮叶片数分别设计为6和7,从试验与数值计算2个方面就叶片数对离心泵流场诱导振动进行研究.采用RNG k-ε模型分别对2种叶片数的离心泵进行全流道稳态及非稳态数值模拟,分别获得2种叶片数离心泵的稳态速度、压力及非稳态压力脉动特性,对其进行对比分析,并试验测量了2种叶片数下模型泵机脚的振动信号,对振动信号数据进行了处理,从而验证数值计算结果的正确性及改变叶片数所产生的振动影响.结果表明：6叶片的叶轮及蜗室内各个监测点压力脉动较小,机脚振动在轴频下响应较小;叶片数为7时,轴频的二倍频与叶频的低倍频峰值变大,而叶频的高倍频幅值有所降低.结果对建立低振动低噪声离心泵水力设计方法具有重要的参考意义和指导作用.