CN111783253A - 一种基于cfd的风送式喷雾机结构参数优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CFD的风送式喷雾机结构参数优化设计方法，包括：S1：根据风送式喷雾机的几何模型，建立三维仿真模型；S2：读取建立好的三维仿真模型，进行网格划分；S3：对风送式喷雾机进行数值模拟，根据风送式喷雾机实测的进口速度或进口压力设置相应的仿真边界条件进行仿真计算，得到风送式喷雾机的各种云图以及风机的性能参数；S4：根据得到的云图及风机的性能参数，分析得到合理的结构参数变化范围，继续改变结构参数进行仿真模拟，最终根据仿真计算的结果与预期设计指标接近或者达到时，完成风送式喷雾机结构参数优化设计。本发明能够根据实际的需求实现对风送式喷雾机的结构优化设计，提升风送式喷雾机的工作效率。
Description
技术领域
本发明属于风送式喷雾机结构设计优化技术领域，更具体的说是涉及一种基于CFD的风送式喷雾机结构参数优化设计方法。
背景技术
风送式喷雾机是生活中常见的喷雾机器，广泛应用在植保施药、环保除尘降霾、工业抑尘降温等领域，传统的风送式喷雾机结构比较简单，但是存在着工作效率低、运行噪声大、电机能量损耗大等诸多急需解决的问题。现有的风送式喷雾机都采用匹配电机功率的方式来设计风送式喷雾机。这种方式不仅造成风送式喷雾机的性能低下，同时也对风送式喷雾机结构优化设计提出巨大的挑战。
因此，如何提供一种基于CFD的风送式喷雾机结构参数优化设计方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
基于现有技术存在的缺陷，本发明旨在解决风送式喷雾机设计过程中结构不合理的问题，提出一种基于CFD的风送式喷雾机结构参数优化设计方法，能够根据实际的需求实现对风送式喷雾机的结构优化设计，提升风送式喷雾机的工作效率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于CFD的风送式喷雾机结构参数优化设计方法，包括如下步骤：
S1：根据风送式喷雾机的几何模型，建立三维仿真模型；
S2：读取建立好的三维仿真模型，进行网格划分；
S3：对风送式喷雾机进行数值模拟，根据风送式喷雾机实测的进口速度或者进口压力设置相应的仿真边界条件进行仿真计算，得到风送式喷雾机的各种云图以及风机的性能参数；
S4：根据得到的云图以及风机的性能参数，分析得到合理的结构参数变化范围，再继续改变结构参数进行仿真模拟，最终根据仿真计算的结果与预期设计指标接近或者达到时，即为完成风送式喷雾机结构参数优化设计。
优选的，风送式喷雾机的几何模型包括风送式喷雾机的风筒长度、宽度、形状，叶片安装角度的结构参数。
优选的，在进行三维仿真模型建立时，对风送式喷雾机的结构进行简化，对一些非常细小的细节部件以及圆角、倒角、薄壁面进行简化，对具有一定弧度的，利用3D扫描仪进行扫描。
优选的，网格划分的方法包括如下步骤：
在ANSYS Meshing模块中读取建立好的模型，先进行整体网格划分，将整体网格尺寸大小设置为5mm，整体网格划分完后，再将Size Function设置为Proximity andCurvature的方式对网格进行局部加密，将网格尺寸设置为3mm，整体网格采用六面体非结构化网格；最后进行边界层网格划分，边界层采用四面体结构化网格，设置边界层数为5层。
优选的，所述步骤3中仿真计算的方法为：
湍流黏度：
式中，μeff＝μ+μt，Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能产生，Gb是由于浮力影响引起的湍动能产生；YM为在可压缩流动中，湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响，αk，αε分别为湍动能和耗散率的有效普朗特的倒数，Cμ是一个常数，为0.0845，p为压力，k为湍流动能项，ui为i方向上的动量，xi为x空间上的i方向分量，xj为x空间上的j方向分量，ρ表示气体密度，ε为湍流耗散率，t为时间，C1s、C2s、C3s为三个常数项，表示经验常数，R为一个函数项，μ为标准k-ε湍流模型的湍流黏度，μt表示湍流黏度。
优选的，利用后处理软件Tecplot查看仿真结果的云图，主要关注风机的压力、速度、湍流强度云图，并且读取Fluent计算完成后的风机的扭矩、出口体积流率数据，基于上述数据得到风送式喷雾机的各种性能参数，综合各种性能输出参数对风机性能进行评价。
优选的，利用现有的风送式喷雾机模型对仿真模型进行验证，根据实测的出口风速、风压参数与仿真模型出口的风速、风压进行对比，证明仿真模型和仿真设置的合理性。
优选的，改变风送式喷雾机的结构参数，总结结构参数变化对风机性能的影响。
本发明的有益效果在于：
本发明根据风送式喷雾机的几何模型，建立三维仿真模型，并进行网格划分，经过计算得到风送式喷雾机各种结构的云图以及得到风机的输出性能参数，根据三维仿真模拟的结果，给出合适的风送式喷雾结构参数，在已知风送式喷雾机的风量或者风压的要求下，根据单一结构参数变化得到的规律进行多结构优化的仿真，得到最优的风送式喷雾机结构参数的装配方案，从而实现对风送式喷雾机的结构优化设计，提升风送式喷雾机的工作效率，本发明能够为风机设计和结构优化提供借鉴意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明的方法流程图。
图2附图为本发明风送式喷雾机的三维仿真模型图。
图3附图为本发明风送式喷雾机速度云图。
图4附图为本发明的残差曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅附图1，本发明提供了一种基于CFD的风送式喷雾机结构参数优化设计方法，包括如下步骤：
S1：根据风送式喷雾机的几何模型，经过测量实际风机模型或者是给定的风送式喷雾机模型的尺寸，如风送式喷雾机的风筒长度、宽度、形状，叶片安装角度等结构参数，建立三维仿真模型，如图2所示。在进行三维仿真模型建立时，对风送式喷雾机的结构进行简化，对一些非常细小的细节部件以及圆角、倒角、薄壁面进行简化，对具有一定弧度的，利用3D扫描仪进行扫描，在SolidWorks完成叶轮形状建立，在建模时，为了描述风机的旋转运动，在SolidWorks将风机实体切割成两部分，分别为旋转域和静止域，最后将风送式喷雾机模型文件保存为.x_t格式，该格式可以被Meshing读取。建模时需要：(1)针对风筒进行建模。(2)针对导流叶以及导流器进行建模。(3)针对叶轮进行建模。
S2：利用ANSYS Meshing软件对三维仿真模型进行划分网格，整体网格形式采用非结构化六面体网格，边界层网格采用四面体网格，为了减小网格数量对最后计算结果的影响，网格划分时将Size Function设置为Adaptive方式，根据设置不同网格尺寸(ElementSize)得到多套不同数量的网格文件利用Fluent软件进行求计算，计算开始时，打开监测风机出口流率的窗口，整体网格划分完后，然后再将Size Function设置为Proximity andCurvature的方式对网格进行局部加密，将网格尺寸设置为3mm，整体网格采用六面体非结构化网格。最后进行边界层网格划分，边界层采用四面体结构化网格，设置边界层数为5层。网格划分的具体参数如下表1所示，同时在Meshing模块内完成风送式喷雾机的相关边界条件的命名，如进出口边界，旋转域和静止域多个部分的命名。当网格尺寸为5mm，网格数量在346万时，出口质量流率的变化小于1％，因此，可以认为网格数量对出口质量流率的影响最小。由此，可以认为该网格数量比较合理。
表1
S3：对风送式喷雾机进行数值模拟，根据风送式喷雾机实测的进口速度或者进口压力设置相应的仿真边界条件进行仿真计算，得到风送式喷雾机的各种云图以及风机的性能参数。
利用ANSYS Fluent软件对网格文件进行求解计算，其实质是计算对应湍流模型的控制方程组，如本专利中的RNG湍流模型，其计算式如下(1.1)、(1.2)、(1.3)所示，其中边界条件要以真实测量的值进行设置，如速度入口、压力出口等，设置相关求解计算参数后开始计算。
湍流黏度：
式中，μeff＝μ+μt，Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能产生，Gb是由于浮力影响引起的湍动能产生；YM为在可压缩流动中，湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响，αk，αε分别为湍动能和耗散率的有效普朗特的倒数，Cμ是一个常数，为0.0845，p为压力，k为湍流动能项，ui为i方向上的动量，xi为x空间上的i方向分量，xj为x空间上的j方向分量，ρ表示气体密度，ε为湍流耗散率，t为时间，C1s、C2s、C3s为三个常数项，表示经验常数，R为一个函数项，μ为标准k-ε湍流模型的湍流黏度，μt表示湍流黏度。公式(1.1)、公式(1.2)、公式(1.3)表示湍流的数值模拟的数学模型，通过求解该数值模型得到风送式喷雾机各种详细性能参数的各种解。
利用Fluent软件读取.msh格式的网格文件，读取完成后，对Fluent中的一些默认单位进行修改，主要是将标准长度单位改为mm，角速度设置为rpm,完成单位设置后，将湍流模型选择为RNG k-ε,标准壁面函数处理近壁面区域。采用多重参考系模型(MRF)，在风机旋转区域(叶轮部分)采用旋转坐标系，静止区域(导流器部分)采用静止坐标系，旋转区域与静止区域之间的交界面设置为interior，达到数据传输的目的。旋转坐标系以原点(0,0,0)为旋转中心，根据右手法则设置风机的旋转坐标系参考方向为(0,1,0)，将设置风机旋转的速度为1430r/min。将风机的边界条件设置为速度入口和压力出口，速度入口采用真实测量的速度值，压力出口默认为0pa，即标准出口大气压。使用SIMPLE算法耦合压力-速度项，在计算过程中，动量项、湍动能项、湍流耗散项、能量项采用Second Order Upwind格式。在开始计算时，可以开启出口流量监视窗口观察风送式喷雾机的出口流量变化情况，等残差曲线收敛至10-3时，如图4所示，黄色曲线代表连续性残差，当其达到10-3时，表明质量方程守恒，说明计算完成可以提取风送式喷雾机的有关压力、速度、湍流强度云图等等。
S4：根据得到的云图以及风机的性能参数，分析得到合理的结构参数变化范围，再继续改变结构参数进行仿真模拟，最终根据仿真计算的结果与预期设计指标接近或者达到时，即为完成风送式喷雾机结构参数优化设计。具体为：
S41：利用Tecplot读取风送式喷雾机各个部件的速度、压力云图，并且记录风送式喷雾机的压力、速度等相关数据，速度云图如图3所示。
S42：利用后处理软件Tecplot查看仿真结果的云图，主要关注风机的压力、速度、湍流强度等云图，并且读取Fluent计算完成后的风机的扭矩、出口体积流率等数据，基于上述数据得到风送式喷雾机的各种性能参数，综合各种性能输出参数对风机性能进行评价。
S43：利用现有的风送式喷雾机模型对仿真模型进行验证，根据实测的出口风速、风压等参数与仿真模型出口的风速、风压进行对比，证明仿真模型和仿真设置的合理性。
S44：改变风送式喷雾机的结构参数，如叶片安装角、导流片形状、风筒长度等结构参数进行仿真分析。如表2所示为不同叶片安装角度下，风送式喷雾机的输出性能参数变化。总结结构参数变化对风机性能的影响。
表2其中，风机的射程计算公式如下所示
P为进出口的全压压力差，ρ为空气密度，其值为1.225kg/m3，g为重力加速度，其值为9.8m/s2。风送式喷雾机的出口面体积流率Qoutlet可以从Fluent后处理报告中查看得到。
风送式喷雾机的体积流量Qv可以通过下式进行换算得到。
Qv＝SoutletQoutlet
Soutlet为风送式喷雾机出口面的面积。
风送式喷雾机的轴功率计算公式如下所示。
Pt是轴功率，单位为kw。T是扭矩，单位为N·m。n为叶轮转速，单位为r/min。
通过表2可以看出，随着叶片安装角度的增加，风送式喷雾机的进口全压在随之增加，出口全压也有明显的增加趋势。风机的全压是静压与动压之和，静压的表现形式是风机对壁面的压力，动压的表现形式是风机气体流动时产生的压力，风机出口处的动压可以从出口速度反映，风机的出口速度随着叶片安装角度的增加出现明显的降低的趋势，因此可以推断出风机的静压正在不断增加，从而导致出口全压在不断的增大，可以得知叶片安装角度的增加时，风机内部的气体分子运动情况变得更为复杂，对风机的壁面施加了较大的压力。观察风机的射程变化情况，发现风机的射程并没有明显规律，风机的射程在45°时取得最大值为18.14m，射程的最小值在30°叶片安装角时，风机的射程为16.8m，两者间的差距在1.34m，可以推断出叶片安装角度对提高风机的射程影响并不明显。观察风机的流量变化情况，可以得知流量随着叶片安装角度的增加，风机的流量有略微的增加，这可能是由于叶片的叶型优势，在风机的最佳叶片安装角度点附近，略微增加叶片安装角度会提高叶片对气体的做功能力，然而对于风送式喷雾机，更加关心的是风机的出口速度，风机射程以及轴功率等情况，在流量增加并不大的情况下更多的考虑风机的其余输出性能参数的影响。对比轴功率的变化情况，风机的轴功率随着叶片安装角度增加呈现增加的趋势，轴功率在35°叶片安装角时取得最小值为3.15kw，在50°叶片安装角度时轴功率取得最大值为3.31kw，两者之间的差值为0.16kw，风机的轴功率可以反映风机消耗能量的情况，因此，可以得到叶片安装角度为35度时，风送式喷雾机更加节能。
S45：进行多结构参数变化的联合仿真分析，主要对单一结构参数进行组合分析，当风送式喷雾机的性能参数如风压、风速等达到预期设定目标值时，即为完成风送式喷雾机的结构优化设计。
综上，本发明利用CFD技术对风送式喷雾机进行流体仿真，极大缩短了风送式喷雾机的研发周期，降低试验成本，同时经过实验验证说明本发明的模型的准确性与仿真步骤的合理性，通过总结不同结构参数变化对风送式喷雾机的影响，从而更加合理的制作风送式喷雾机。
本发明从实际需求出发，完成对风送式喷雾机的设计以及优化工作，对风送式喷雾机的制作以及结构优化都具有指导意义，具有成本低、实用价值高、易实施等特点。
本发明根据风送式喷雾机的几何模型，建立三维仿真模型，并进行网格划分，经过计算得到风送式喷雾机各种结构的云图以及得到风机的输出性能参数，根据三维仿真模拟的结果，给出合适的风送式喷雾结构参数，在已知风送式喷雾机的风量或者风压的要求下，根据单一结构参数变化得到的规律进行多结构优化的仿真，得到最优的风送式喷雾机结构参数的装配方案，从而实现对风送式喷雾机的结构优化设计，提升风送式喷雾机的工作效率，本发明能够为风机设计和结构优化提供借鉴意义。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种基于CFD的风送式喷雾机结构参数优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：根据风送式喷雾机的几何模型，建立三维仿真模型；
S2：读取建立好的三维仿真模型，进行网格划分；
S3：对风送式喷雾机进行数值模拟，根据风送式喷雾机实测的进口速度或者进口压力设置相应的仿真边界条件进行仿真计算，得到风送式喷雾机的各种云图以及风机的性能参数；
S4：根据得到的云图以及风机的性能参数，分析得到合理的结构参数变化范围，再继续改变结构参数进行仿真模拟，最终根据仿真计算的结果与预期设计指标接近或者达到时，即为完成风送式喷雾机结构参数优化设计。
2.根据权利要求1所述的一种基于CFD的风送式喷雾机结构参数优化设计方法，其特征在于，风送式喷雾机的几何模型包括风送式喷雾机的风筒长度、宽度、形状，叶片安装角度的结构参数。
3.根据权利要求1所述的一种基于CFD的风送式喷雾机结构参数优化设计方法，其特征在于，在进行三维仿真模型建立时，对风送式喷雾机的结构进行简化，对一些非常细小的细节部件以及圆角、倒角、薄壁面进行简化，对具有一定弧度的，利用3D扫描仪进行扫描。
4.根据权利要求1所述的一种基于CFD的风送式喷雾机结构参数优化设计方法，其特征在于，网格划分的方法包括如下步骤：
在ANSYS Meshing模块中读取建立好的模型，先进行整体网格划分，将整体网格尺寸大小设置为5mm，整体网格划分完后，再将Size Function设置为Proximity and Curvature的方式对网格进行局部加密，将网格尺寸设置为3mm，整体网格采用六面体非结构化网格；最后进行边界层网格划分，边界层采用四面体结构化网格，设置边界层数为5层。
5.根据权利要求1所述的一种基于CFD的风送式喷雾机结构参数优化设计方法，其特征在于，所述步骤3中仿真计算的方法为：
湍流黏度：
式中，μeff＝μ+μt，Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能产生，Gb是由于浮力影响引起的湍动能产生；YM为在可压缩流动中，湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响，αk，αε分别为湍动能和耗散率的有效普朗特的倒数，Cμ是一个常数，为0.0845，p为压力，k为湍流动能项，ui为i方向上的动量，xi为x空间上的i方向分量，xj为x空间上的j方向分量，ρ表示气体密度，ε为湍流耗散率，t为时间，C1s、C2s、C3s为三个常数项，表示经验常数，R为一个函数项，μ为标准k-ε湍流模型的湍流黏度，μt表示湍流黏度。
6.根据权利要求1所述的一种基于CFD的风送式喷雾机结构参数优化设计方法，其特征在于，利用后处理软件Tecplot查看仿真结果的云图，主要关注风机的压力、速度、湍流强度云图，并且读取Fluent计算完成后的风机的扭矩、出口体积流率数据，基于上述数据得到风送式喷雾机的各种性能参数，综合各种性能输出参数对风机性能进行评价。
7.根据权利要求6所述的一种基于CFD的风送式喷雾机结构参数优化设计方法，其特征在于，利用现有的风送式喷雾机模型对仿真模型进行验证，根据实测的出口风速、风压参数与仿真模型出口的风速、风压进行对比，证明仿真模型和仿真设置的合理性。
8.根据权利要求7所述的一种基于CFD的风送式喷雾机结构参数优化设计方法，其特征在于，改变风送式喷雾机的结构参数，总结结构参数变化对风机性能的影响。
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