低屋面横向通风牛舍空气流场CFD模拟

低屋面横向通风(low profile cross ventilated,LPCV)牛舍作为中国大型奶牛场一种新的牛舍建筑形式近年来得到了广泛应用,但实际运行中存在舍内气流分布不均匀、夏季高温高湿、冬季低温高湿等环境控制技术瓶颈。为了研究LPCV牛舍空气流场的分布规律,以指导该种牛舍的改进和优化设计,该文在现场实测的基础上,采用计算流体动力学CFD(computational fluid dynamics)方法,根据现场和实验室实测值所确定的风机、湿帘等边界条件,对LPCV牛舍的气流分布进行了三维数值模拟。模拟时将牛只按与实物原型等比例引入到模型中。模拟结果表明:挡风板和颈枷下面矮墙的设置影响了舍内气流分布的均匀性。在既有牛舍挡风板设置和矮墙高度不能改变的情况下对牛舍进行了局部改造,改造后舍内气流分布得到明显改善,平均风速增加了52.8%,气流不均匀性指标降低了41.8%。模拟值与实测值的对比表明,28个测点测试值与模拟值平均相对误差的平均值为17.1%,说明现场实测与数值模拟有较好的吻合度。该研究可为中国LPCV牛舍结构优化设计和环境调控提供参考。     

夏季肉牛舍湿帘风机纵向通风系统的环境CFD模拟

为了研究湿帘风机纵向通风系统应用于肉牛舍的夏季降温效果,该试验在现场环境指标实测的基础上,采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的方法对湿帘风机纵向通风肉牛舍的气流场与温度场进行模拟,并对系统进行改进与优化.模拟时将牛只按与实物原型等比例引入到模型中,结果表明:舍内温度分布均匀,但受牛体挡风的影响,气流分布不均,高风速区主要集中在屋顶及饲喂走道,可达0.9～1.2 m/s;牛活动区域风速较小,均小于0.6 m/s,不能满足饲养标准.在75个风速测定点剔除异常值后,气流场的相对误差范围为0.16％～94.41％,平均相对误差为34.53％,45个温度测点的相对误差范围为0.09％～10.74％,平均相对误差4.71％.通过温度场吻合性结果确定模拟与实测有较好的吻合度.在不改变牛舍围护结构及舍内构造的前提下,对牛舍进行优化,舍内安装导流板,使得温度与气流场的分布均匀性显著提高,降温效果更为显著.该研究可为湿帘风机牛舍的优化设计和环境调控提供参考.     

冷库空气幕流场的非稳态数值模拟及验证

为了真实地研究冷库空气幕开启后冷库气流场和温度场的变化规律,该文建立了冷库三维模型,利用CFD模拟软件对试验冷库空气幕的流场进行了非稳态模拟,预测库门和空气幕开启60 s内冷库温度场和气流场的变化,并对温度场模拟结果进行了试验验证。模拟结果得出库门和空气幕开启后,空气幕射流的中心主流速度衰减慢,而两侧气流的速度衰减快,库外热空气从入口两侧和底部侵入库内;冷库内靠近冷风机一侧底部的温度上升较快;侵入的热空气改变了冷气流的流动轨迹,冷热空气存在压力差导致冷库中心处形成多个涡旋,从而破坏了库内均匀的气流组织。在今后的研究中可以通过数值模拟优化冷库空气幕的送风速度、喷口宽度等参数,从而提高冷库空气幕的隔离性能,维持库内控温要求。     

活体动物运输车厢空气流动及传热特性模拟与优化

近年来,随着科技发展和生活水平提高,活体动物的运输量越来越大。特种运输车辆增设通风空调系统可改善运输过程中活体动物的生存环境。但国内现有活体运输车中普遍存在气流组织不合理的问题,导致车厢内局部气温过高或过低,动物存活率低、车辆装载量少。该文以兔子运输车为例,利用CFD软件模拟分析了现有车厢内空气流动和传热状况,并提出风口优化布置原则:将回、排风口置于高温区域,提高回、排风温度。研究表明,现有车厢内气流短路现象严重,车内最高温度超出设计温度范围3.20℃,且约21%的兔笼超温;优化布置的风口可明显改善车厢内空气温度分布;所有兔笼温度均保持21.05~29.20℃以内,满足设计要求。该工作对活体动物运输车的设计和生产具有指导意义。     

5H-1.5A型花生换向通风干燥机研制

为了解自行研发的5H-1.5A型花生换向通风干燥机作业性能,该文介绍了研发设备总体结构、工作原理及烘干箱体、导风组件、换向通风机构、余热回收装置等关键部件,并开展了整机作业性能试验研究,对比了空载工况下有无导风组件时,介质空气穿过承料板后的风场分布特性,测得有导风组件时承料板上方10 cm处风速均在0.68～0.73 m/s范围内,水平方向介质空气通风均匀性显著提高。测试了双入风口并行通风干燥10 h和单入风口换向通风干燥38 h过程中床层物料温度变化及干燥终止含水率分布情况:0～10 h,底层物料温度快速升高,上层物料温度上升缓慢,物料层温差先快速增大后逐渐缩小;10 h后,上、中、下物料层温度呈类波浪式升落,波动幅度逐渐减小,物料层温度逐渐逼近设定干燥温度;干燥终止时,左、右2个干燥半区最大含水率差值分别为1.42%、1.74%,为左、右干燥区含水率总降幅的4.1%、5.1%,干燥均匀性良好。测试并评估了余热回收装置对整机加热贡献率、热效率、能耗成本等的影响:余热回收装置在换向通风阶段对干燥系统的加热贡献率约为61%,系统热效率提高至80%以上,批次干燥能耗成本降低48.7%。与传统固定床干燥设备相比,可节省能耗成本约64.7%,干燥不均匀度降低约82.6%。研究结果可为设备的改进熟化及推广应用提供技术支撑。     

基于控温控湿的沙棘红外联合热风干燥均匀性与工艺

新鲜沙棘含水率高且易腐烂变质,干燥是延长货架期的重要方式之一。针对现有沙棘热风干燥周期长、品质差、能耗高等问题,该研究基于控温控湿设计了一种红外联合热风干燥装置,并对装置的气流分配室结构进行了优化,设计了一种圆柱形扰流板和方形挡风板,利用数值模拟软件COMSOL对干燥装置中速度场、温度场和湿度场进行了模拟,结果表明通过增加半圆柱扰流板能够改变干燥层间气流量,解决干燥不均匀性问题;借助增设扰流板能够提高气流速度,利用自由流区域高温低湿干燥介质的干燥能力,防止干燥层内不同区域出现干燥不均匀的现象。优化后的干燥室结构将5个干燥层间的最大速度偏差比显著降低。以沙棘为研究对象对干燥工艺进行了试验研究。结果表明,不同干燥温度对沙棘控温控湿红外联合热风干燥时间有显著影响,干燥水分比随干燥时间的增加呈现指数下降趋势。基于层次分析法得到各干燥特性和干燥品质权重,采用综合评价方法得到不同干燥温度下75℃干燥条件综合评分最高。不同介质湿度干燥条件下,当介质湿度为10%干燥时,干燥所需能耗最低,干燥后沙棘复水比最高,具有最高的维生素C(vitamin C,Vc)保留率和总黄酮含量,综合评分最高。40%介质湿度...     

C型及S型叶片的贯流式水轮机流场特性

为了研究不同叶片进出口边形状及位置对贯流式水轮机内部的流动特性及机组能量特性所产生的影响,并为贯流式水轮机叶片的水力设计提供参考,该文基于某4叶片灯泡贯流式水轮机模型机,利用ANSYS-Bladegen对转轮叶片进行优化设计,并通过数值研究的方法对优化前（C 型叶片）和优化后（S 型叶片）的贯流式水轮机进行流场分析和性能评估,以揭示2种形式的叶片几何参数差异所引起的水轮机内流动特性及水轮机能量特性的差异。研究结果表明：S型叶片因其进出口边位置低于C型叶片,因此流道内速度矩的消耗位置较低,转轮出口环量分布规律也呈S型分布;C型叶片具有较大的叶栅稠密度及包角,叶片表面低压区较小,相反S型叶片叶栅稠密度及叶片包角较小,叶片正背面压差较大,因此转轮能量转换能力优于C型叶片,同时S型的出水边有效的减小了转轮出口的低压区,有助于改善尾水管内的流动特性;叶片进出水边对转轮内的水流具有导流作用,且流量越小,这种趋势越明显,S 型叶片进水边形状有将水流导向轮缘的趋势,水流在流道内的流量分配也呈近似 S型分配;S型叶片叶栅排挤作用减小,转轮内的水力损失、转轮出口环量损失及尾水管水力损失也明显小于C型叶片,因此其整体能量特性优于C型叶片。     

方形喷洒域摇臂式喷头流道优化及内部流场数值仿真研究

针对圆形喷洒域摇臂式喷头喷洒重叠多和超喷漏喷普遍,现行方形喷洒域摇臂式喷头机构复杂、旋转能耗大、局部水头损失大、喷洒形状与标准正方形偏差大等问题,该文通过对流量调节器喉口断面菱形化和流道流线化,对方形喷洒域摇臂式喷头流量调节器的形体进行优化,减少了不利的水头损失,实现了精准方形喷洒的目标。根据水动力学的能量方程及动量方程推出了流量调节器局部水头损失的计算公式;并运用三维软件Pro/E建立流量调节器及喷头的三维内流道几何模型,利用CFD软件建立其流体力学RNG k-ε湍流数值模型,对流量调节器及喷头的内流场进行数值模拟,获得了压强、流速的动态分布规律,进而求得优化前后方形喷洒域喷头不同旋转姿态时的水头损失及流量,结合同型号喷头的出口流量与射程关系计算出优化前后的射程,进而对优化前后方形喷洒域喷头不同旋转姿态时的水头损失、流量、射程及喷洒形状等性能进行全面评价,验证方形喷洒域摇臂式喷头流道优化成果的可靠性。结果表明:优化后的方形喷洒域摇臂式喷头结构简单、水力自控、节能耐久、喷洒形状标准、水头损失小;在额定工作压力范围内优化后的摇臂式喷头水头损失降低25.8%,流量增大12.87%,喷洒形状系数提高15.6个百分点,为方形喷洒域摇臂式喷头的设计制造及应用推广提供理论参考。     

2D25卧式柴油机冷却水套结构的CFD模拟优化

针对高效低污染卧式柴油机的技术要求,为了设计合理的冷却系统,结合冷却水流动试验,采用计算流体动力学(CFD)三维模拟的方法建立了冷却水流动仿真模型,分析了2D25卧式柴油机强制冷却闭式循环系统的冷却水套结构对冷却水流场的影响,优化了卧式两缸柴油机冷却水套结构。研究结果表明:合理布局缸体进水孔方案可以改善缸体水套内冷却水的流动和冷却效果,减少流动损失,降低水泵的功率损耗。合理设计和布置缸盖入水孔,可以大大提高缸盖水套内冷却水的整体流动速度,减小各缸冷却效果的差异,改善热负荷高的鼻梁区以及排气侧的冷却效果。对原冷却水套结构优化后,水套整体平均流速提高了40%,整体平均换热系数提高了41.7%,在公共水腔和缸体水套上方没有出现原方案的水流撞击和大漩涡,热负荷最高的缸盖底面和鼻梁区冷却水流速和换热明显增强,各缸均匀性变好。     

下方装有分离凹板时横流风机的清选气流场

本文根据势流叠加原理,提出横流风机叶轮内部流动可由一个偏心涡和某一势函数叠加来描述,这个势函数与风机壳体和进风导叶结构有关。在此基础上计算了下方装有分离凹板时横流风机的清选气流场,研究了挡风板对脱粒机清选性能的影响。     

叶轮弧盘及锥盘型线对高比转速离心通风机性能的影响

为改善离心通风机的气动性能,该文以一高比转速离心通风机为研究对象,结合试验和全通道数值模拟研究了锥盘及4种不同弧盘叶轮对离心通风机性能的影响,通过对非定常流场及压力脉动信号的分析得到了前盘型线对高比转速离心通风机性能的影响机理。研究结果表明,随着比转速的增大,叶轮前盘型线对离心通风机效率的影响程度增大,比转速为73和120时,弧盘叶轮较锥盘叶轮效率分别提高5%和14.5%。高比转速离心通风机锥盘叶轮在靠近前盘处的流动分离现象过早,并一直延伸至叶轮出口,在无叶扩压器区域沿轴向出现环流,严重阻碍流体流入蜗壳。将锥盘改为弧盘后,叶片负荷和出口气流角增大,流动分离损失降低,出口压力脉动幅值降低。对前盘弧线进一步优化后,弧盘叶轮边界层损失和压力脉动进一步减小,在设计工况(38 205.63 m~3/h)下效率较原弧盘叶轮提升了1%。该研究成果为高比转速离心通风机叶轮的设计以及内部流动特性的研究提供了参考。     

高比转数双蜗壳混流泵设计及流动特性分析

针对目前比转数超过500的蜗壳混流泵研究较少,该文基于理论分析、CFD技术和模型试验的研究方法,以某高比转数混流泵的叶轮与蜗壳在设计工况下的良好匹配为目标,利用速度系数法对蜗壳结构进行优化设计,设计了一台比转数为585的高比转数双蜗壳混流泵,并对优化后的高比转数双蜗壳混流泵的内部流动特性进行了分析。将外特性试验数据与数值计算结果作对比,验证了该文数值计算模型与方法的准确性。研究结果表明,双蜗壳方案下水泵在偏离设计工况下的效率明显高于单蜗壳方案;双蜗壳结构混流泵的径向力在相同工况下比单蜗壳结构的径向力低,双蜗壳结构在保持原有水力性能的基础上还可以起到减小径向力的作用;不同工况下双蜗壳混流泵叶轮径向力矢量轨迹图分布呈类似正方形的封闭区间分布,径向力合力随时域呈现周期性变化,每个转动周期内有4个波峰和波谷;设计工况下的瞬态径向力合力最小,而小流量工况下的瞬态径向力合力最大且最不稳定,说明当双蜗壳混流泵长期运行在小流量工况下会增加安全事故隐患。研究成果为高比转数双蜗壳混流泵的设计以及内部流动特性研究提供了参考。     

旋风集尘器外旋流区与内旋流区的流场分布

研究了内旋流加速旋风集尘器外旋流区和内旋流区的流场分布,测量出各旋流区的速度,推导出流场分布的空间向量。实验表明,流场切向速度的分布形式为沿半径方向递减的准自由涡,准自由涡指数为０．５,外旋流区的最小切向速度１５ｍ／ｓ,内旋流区的最小切向速度３２ｍ／ｓ,外旋流区和内旋流区上端轴向速度的分布形式为指数分布,最大轴向速度分别为４．９２ｍ／ｓ和５．５７ｍ／ｓ;内旋流区下端的轴向速度在与中心旋流的交汇处为０,并沿径向以指数递增;各旋流区的径向速度较小,方向向心。     

稻麦联合收获开沟埋草多功能一体机行走及脱粒性能改进

针对自行研制的稻麦联合收获开沟埋草多功能一体机所存在的行走直线稳定性差、脱粒质量较低等问题。依据横向轴流式滚筒对稻麦秸秆的传递导流作用和二次复脱的原则,通过增设辅助滚筒的方法既改变出草口位置使开沟总成中移,消除整机偏向力,又延长秸秆在滚筒内的作用时间,提高谷物脱粒质量。其中:辅助滚筒总长为855 mm,导流角为18°,滚筒直径为452 mm,转速为1 350 r/min。性能测试表明:改进后自研一体机在0.27、0.58、0.85 m/s 3种不同工况下行走偏移度分别降低了93.9%、94.4%、93.3%,行走直线稳定性显著提高;小麦和水稻总损失率分别降低20.9%和11.8%,含杂率分别降低45.7%和21.4%。尽管水稻破碎率增加了7.4%,但脱粒的综合质量有较大提高。该研究增进了多功能一体机的适用性,为稻麦秸秆机械化集沟还田提供了参考。     

基于CFD技术的日光温室自然通风热环境模拟

首先利用计算流体力学（CFD）软件,构建自然通风条件下日光温室内温度和气流场的模拟模型;其次,通过测量典型晴天前覆盖下通风口开启时日光温室内各测点的温度,将16个测点的实测值与模型模拟结果进行对比,对模型进行验证;然后,利用通过验证的模型模拟分析3种通风模式下（前覆盖上通风口单独开启、前覆盖下通风口单独开启以及上下通风口同时开启）日光温室内温度和气流场的分布。模拟结果表明：当温室前覆盖上通风口单独开启时,室外冷空气从通风口下端进入并迅速下行,然后通过通风口上端流出,温室内气流主要受热压的影响,空气流速小。当温室前覆盖下通风口单独开启时,温室内0.5m高度以下气流速度较大,室外冷空气从通风口下端进入,与地面、后墙、后坡和覆盖层进行热交换后,从通风口上端流出,温室内温度分布与气流走向一致。当温室前覆盖上、下通风口同时开启时,冷空气从下通风口进入,从上通风口流出,在通风口处气流速度较大。模拟条件下,温室单开上通风口或下通风口时室内平均温度为300.0K,但单开上通风口温室内温度分布更均匀;上、下通风口同时开启时,温室内温度为299.0K,通风降温效果明显优于单开一个通风口。     

基于CFD模型的大跨度温室自然通风热环境模拟

大跨度温室作为一种新型南北走向的钢骨架覆膜温室,解决了传统日光温室土地利用率低、空间狭小的问题。为了研究在自然通风条件下大跨度温室的温度和气流场的分布规律,以及不同室外风速条件下通风口开度对大跨度温室温度和气流场的影响,利用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件构建三维稳态大跨度温室模型,模拟自然通风条件下大跨度温室内的温度场和气流场,并采集典型晴天下通风口开启50%时大跨度温室内13个测点的温度,将各测点的测量值与模拟值进行比较,最后利用已验证模型模拟分析通风口开度(25%、50%、75%、100%)在不同室外风速(1、2、3、4 m·s~(-1))条件下的大跨度温室温度和气流场。验证结果表明:模型模拟值与实测值的绝对误差在0.2~2.8℃,均方根误差为1.6℃,最大相对误差为9.9%,平均相对误差为4.1%,表明模拟值与实测值吻合良好。模拟结果显示,温室顶部温度高,底部温度低;室外冷空气从西侧通风口进入,温室内西侧温度低于东侧;温室内平均风速从南到北逐渐减小;温室中部风速明显小于东西两侧。大跨度温室上通风口及侧通风口全开时,温室内温度分布较均匀。温室通风口开度一定时,温室内通风率与室外风速呈显著线性正相关。考虑温室内温度及风速对作物的影响,以降温为主要目的时,建议通风口开度取75%~100%,若室外风速大于3m·s-1且室内温度能满足作物生长,则建议通风口开度75%。