缓解奶牛热应激的喷淋水滴特性试验

夏季高温造成奶牛热应激,物理降温以蒸发散热缓解奶牛高温,其中喷淋降温系统是我国常用的降温方法。利用激光雨滴谱仪(LPM)对6种不同标准扇形喷嘴(9010、9030、9060、9080、90100、90120)在0.15、0.20、0.25 MPa工作压力下进行了测试,计算分析了6种喷嘴在不同工作压力下水滴粒径的分布,研究了水滴粒径与喷淋流量、单个水滴动能、喷淋强度的关系。结果表明:水滴粒径分布呈正态分布模型,不同工作压力(0.15、0.20、0.25 MPa),所测6种不同型号的喷嘴水滴平均粒径为0.475~1.210 mm;水滴粒径与喷淋流量呈线性关系(R20.96);9010、9030型号喷嘴在小水滴粒径0.125~0.250 mm范围内占有10%~20%的比例,易雾化飘移,不适合奶牛蒸发降温;不同工作压力下单个水滴动能随水滴粒径的增大而增大,呈幂函数关系(R20.96);喷嘴的平均喷淋强度和水滴平均粒径呈指数关系(R~20.96),平均喷淋强度均大于72 mm/h。试验得出水滴平均粒径0.801 mm(9060)、0.914 mm(9080)、1.047 mm(90100)、1.210 mm(90120)将仿真奶牛从39.3℃降温至37℃所用时间平均值为85、75、48、30 s。     

开放式奶牛舍扰流风机扩散器性能参数优化

为了提高奶牛舍夏季扰流风机的降温效果,在不改变扰流风机外形尺寸以及叶片形状的条件下,通过数值模拟以及现场实验的方法,优化扰流风机扩散器性能参数来提高风机性能。选取扩散器的开合角为90°、120°、150°和180°,以及扩散器的长度为150、250、350、450、550、650 mm,利用CFD数值模拟建立了24种扩散器扰流风机的几何模型,以扰流风机性能、距扰流风机轴心0.5~1.0 m处的流场速度分布以及气流不均匀系数为评价指标,优化了扰流风机扩散器开合角和长度。结果表明,150°/250 mm扩散器使得扰流风机的风量提高了3.80%,能效比增加11%,轴心速度较大,且气流均匀性较好。     

前置导叶对畜禽舍轴流风机性能的影响

畜禽养殖过滤除臭装置对传统轴流风机负压抽吸能力提出了更高的要求。为提高传统轴流风机的气动性能，扩大其有效工作区间，该研究以550型农用轴流风机为对象，结合试验和数值模拟研究了前置导叶对轴流风机性能的影响。通过单因素和响应面分析方法，对前置导叶的导叶安装角（α）、轴向间距（L）、导叶个数（n）对风机性能和流场的影响进行研究，分析各因素对风机性能的影响，求解出最佳参数组合。通过3D打印制作前置导叶并进行样机试验。结果表明，增设前置导叶后，风机内部区域涡流得到削弱，降低了流动损失，静压效率提高，流动剧烈程度降低，流场更稳定，叶片静压差增大，风机叶片的做功能力增强，与传统结构相比，增设前置导叶后风机通风量和能效比均明显提升，通风量提升幅度在5.7%～10.39%，能效比提升幅度在6.62%～10.89%；在静压50 Pa下，通风量提升6.76%，能效比提升7.75%。研究结果证明了增设前置导叶提升轴流风机负压抽吸能力的可行性。     

农用烟囱风机结构性能优化

针对农用烟囱风机流量小,能效比偏低的问题,采用数值模拟的方法,在节约投资成本的前提下,不改变烟囱风机的叶片造型,对其配套的风筒结构尺寸进行改型优化。利用试验测试原型风机的性能后,通过数值模拟方法,从烟囱风机的风筒内径d(用改型后风筒内径与原型风筒内径之比,即内径比k表示)、出口段扩散角度α和扩散深度l这3个方面进行单因素改型优化。在单因素优化基础上,采用正交优化方法综合以上3个因素,得到风筒正交优化设计参数。根据正交所得优化参数制备相应风筒样机,进行试验性能测试。结果表明:1)单因素优化模拟下,与原型风机相比,k=0.985时风量和能效比提高了4.7%和4.0%;α=28°时风量和能效比提高了4.7%和5.3%;l=250 mm时风量和能效比提高了1.8%和3.2%。2)多因素正交数值模拟下,与原型风机相比,k=0.988、α=28°、l=200 mm时风量和能效比提高了7.9%和8.1%;3)对优化风机进行测试,与原型风机相比,优化风机风量和能效比提高4.6%和4.5%。     

扩散器结构参数对农用轴流风机性能的影响

针对农用轴流风机通风量小、能效比偏低的问题,以ATK48HS3P1H型农用轴流风机为研究对象,采用风室试验、逆向建模、CFD数值模拟等方法,对扩散器扩散角(φ)和长度(L)对风机风量(Q0)和能效比(N)的影响进行研究。结果表明:1)扩散器的静压恢复系数(CP)随着φ的增大先增大再减小,扩散器风速分布均匀度(γ)随φ的增大上下波动,风量优化量(τ)随着φ的增大呈先增加而后缓慢下降的趋势,N曲线的变化趋势整体与τ的趋势一致,φ=12°时CP、γ、τ、N同时取得较大值;2)当L=575mm,φ为3°～25°时,τ和N随着φ的增大先增大再减少,φ=12°时同时取得较优性能;当φ=12°,L为485～665mm时,随着L的增大τ和N呈现先增加再减小的趋势,当L=575mm时同时取得最大值;3)交叉模拟试验证明φ=12°,L=575mm是该扩散器的最优参数,此时较原型风机Q0提高了6.11%,N提高了7.83%。     

基于周向涡量的农用通风机叶片表面凹槽分析

针对农用轴流风机风量小、能效比低的问题,以MODEL YJD90S-4镀锌铁皮农用轴流风机为研究对象,采用风室试验、逆向建模、CFD数值模拟、周向涡量分析等方法,以叶片表面凹槽宽度D=6、8、10、12 mm,凹槽半径为25%h(h为叶高)、50% h和75%h,开单、双槽3个因素进行排列组合,制定了24种开槽方案,对所有方案进行数值模拟并进行周向涡量分析,筛选得出D=10 mm、R=25%h、开单槽(方案1),D=10 mm、R=75%h、开单槽(方案2)和D=10 mm、R=25%h、75%h、开双槽(方案3)为较优方案,并对此3种方案风机风量和能效比模拟结果进行研究。结果表明:1)采用逆向建模方法建立的镀锌铁皮农用轴流风机几何模型,其数值模拟计算结果能够很好的与原型风机性能试验测试结果吻合,表明逆向建模技术能够运用于农用轴流风机研究;2)在农用轴流风机常用的进口工作压力工况下,3种方案的风机流量和能效比相对原型风机都有提高,其中采用D=10 mm、R=75%h、开单槽(方案2)时提高最为明显,风量约提高了90 m ³/h,能效比约提高了3.2%。3)分析周向涡量3D映射发现,采用D=10 mm、R=75%h、开单槽(方案2)时轮毂处的正周向涡量向叶顶处移动,正周向涡量向叶片顶部聚集,增加其对总压流的正贡献,使分布在70%h处的负周向涡量向叶片根部移动,叶片根部附近的负周向涡量呈现出收拢的现象,负周向涡量向叶片根部聚集以减小其对总压流的负贡献。     

卷盘式喷灌机冲击式水涡轮结构参数优化

针对JP75卷盘式喷灌机冲击式水涡轮驱动力矩小、水力效率低、压力损失高等问题,以提升水涡轮水力性能为目标,在单因素分析的基础上,基于响应曲面模型和CFD数值模拟,选取叶轮侧端间隙宽度(侧端间隙)、出水管入口倒圆半径(倒圆半径)和喷嘴中心与叶轮轴的间距(中心间距)为设计变量,以水涡轮效率最高、驱动力矩最大和压力损失最小为目标函数,运用Box-Benhnken中心组合试验设计方法,开展三因素三水平优化设计分析。结果表明:所建立的二次多项式响应面模型可以准确表征响应指标与设计变量之间的关系,中心间距是影响水涡轮水力性能的最主要因素;水涡轮结构参数最优组合为:中心间距73 mm、侧端间隙2 mm、倒圆半径20 mm;设计工况下的试验结果表明,与原型水涡轮相比,优化的水涡轮效率提高17.6个百分点,驱动力矩提高13.2%,进出口压降降低29.3%。     

导流罩长度对农用轴流风机性能的影响

通过三维激光扫描仪建立农用轴流风机几何模型，利用密闭风室试验测试数据验证数值模型的准确性，最后采用数值模拟研究了农用轴流风机导流罩长度变化对风机内外特性的影响。保持导流罩进口位置、圆角半径与扩散角不变，定义导流罩长度与叶顶轴向宽度的比值为K，K选取0.50、0.78、0.90、1.0、1.1、1.2、1.5、2.0，对7个不同进口静压工况点进行数值模拟。结果表明，K从0.50上升到1.0的过程中，风机风量和能效比提升明显；K取1.0~1.1时风机风量和能效比最高，相比K=0.78的原型风机提升约10%；K从1.1升至2.0的过程中，风量略有下降，能效比下降明显。利用Q准则对叶顶和外框区域的涡结构进行识别，发现随着K的增长，叶顶泄漏涡经历了分裂、衰减和再发展3个过程。K=1.0时能有效抑制叶顶泄漏涡的发展，最大程度降低叶顶涡的强度。导流罩的加长能明显减少外框涡的产生。     

奶牛喷淋降温水滴形态特性的数值模拟

为研究奶牛喷淋降温过程中的水滴形态特性,以及水滴撞击壁面过程中的铺展系数与水滴喷淋速度和接触角之间的关系问题,采用CLSVOF数值模拟方法,对单个水滴与固体壁面撞击过程进行三维数值模拟。首先根据Yokoi的试验对本研究数值模型的准确性进行验证,然后根据本研究试验测试数据建立数值模型,同时结合韦伯数(We)、雷诺数(Re)及系数K对数值模型进行分析验证。研究了水滴粒径分别在0.5和0.8mm条件下:当速度分别以1、2和3m/s,平均接触角为120°时水滴撞击固体壁面时的形态变化;当接触角分别为90°、120°和140°,速度为1m/s时水滴撞击固体壁面时的形态变化。结果表明:随液滴直径和撞击速度的增加,液滴撞击壁面后主要有振荡、反弹、破碎和飞溅这4种典型运动形态;随着水滴速度的增大,水滴铺展速度加快,最大铺展直径与铺展系数增大;随着接触角增大,水滴最大铺展直径减小,最大铺展系数值减小。