玉米收获机苞叶粉碎风机数值模拟与试验

解福祥， 宋 健， 姜军生

(潍坊学院 机电与车辆工程学院， 山东 潍坊 261061)



玉米收获机苞叶粉碎风机数值模拟与试验

解福祥， 宋 健， 姜军生

(潍坊学院 机电与车辆工程学院， 山东 潍坊 261061)

为了解决玉米联合收获机的苞叶粉碎还田问题，利用ANSYS软件对轴向进风的苞叶粉碎风机进行了数值模拟，并在试验台上进行了验证试验研究。以苞叶粉碎风机的风速、全压、静压和动压为试验指标，对风机叶轮的转速进行了单因素试验。数值模拟结果表明，苞叶粉碎风机转速为1 100、1 400和1 800 r/min三个水平时，风机静压平均值分别为151.75、257.18和379.73 Pa，全压平均值分别为230.09、331.31和454.36 Pa，风速平均值分别为9.51、10.56和11.77 m/s。验证试验结果表明，风机转速为1 100、1 400、1 800 r/min时，出风口风速平均值分别为8.043、9.79和12.643 m/s；出风口动压平均值分别为76.33、103.7和241.5 Pa；全压平均值分别为75.83、102.03和214.37 Pa。数值模拟与验证试验结果一致，风机转速三个水平中以风速为试验指标数值模拟结果与验证试验结果近似率分别为84.54%，92.71%，93.12%。

玉米; 苞叶粉碎; 风机; 数值模拟; 试验

0 引 言

玉米收获机械化程度和普及率不高，玉米收获机苞叶粉碎还田技术的水平低下目前已经成为制约和阻碍玉米收获技术进一步发展的主要因素[1-2]。玉米联合收获工艺是适合我国玉米生产体系的机械化工艺，但普遍存在苞叶粉碎还田困难的技术难题。针对当前玉米联合收获机苞叶粉碎还田这一难题，对苞叶粉碎装置中风机进行了研究。当前风机在农业机械和工程技术中的应用主要体现在贯流式、离心式和轴流式三个方面。贯流式风机主要应用于空调和稻麦联合收获机清选机构中[3-6]；离心式风机主要应用于吸粮机、清粮机和谷物联合收割机[7-10]。轴流式风机主要应用于稻麦联合收获机和全喂入联合收获机[11-14]等。苞叶粉碎风机轮在蜗壳中的进风口方式为轴向进风，轴向进风是沿苞叶粉碎风机叶轮的轴线方向。

1 苞叶粉碎风机的工作原理和结构

1.1 工作原理

当气体质点进入苞叶粉碎风机叶轮时，以绝对速度v1流经苞叶粉碎风机叶轮叶片进口a处，如图1所示，此时，叶轮正在高速旋转，气体质点同时随着苞叶粉碎风机叶轮做圆周运动，气体质点的牵连速度为u1,因此气流以相对速度ω1开始进入风机叶轮叶片进口a处。风机内气体的圆周速度u1与气体的相对速度ω1的矢量和即是绝对速度v1。若经时间t后，苞叶粉碎风机叶轮叶片a-b转到c-d位置，此时气体质点如果同时运动到出口d处，在苞叶粉碎风机叶轮出口处气流相对于叶片以相对速度ω2流出叶道，但是因为叶轮出口处具有圆周速度u2，故苞叶粉碎风机叶轮气流实际上是以绝对速度v2进行流动。风机内气体的绝对速度v1与气体质点的牵连速度u1构成的夹角是θ1，气体的绝对速度v2与气体的圆周速度u2构成的角度是θ2。

图1 苞叶粉碎风机内流场分析图

根据通风机的基本方程式[15]，

(1)

式中:P为苞叶粉碎风机叶轮对每kg质量气体所做的功，N/m；ρ为气体密度，kg/m3；v1u为绝对速度v1的周向分速度，m/s；v2u为绝对速度v2的周向分速度，m/s。

利用图1中进风口和出风口的速度三角形，运用余弦定理得出：

(2)

(3)

根据式(2)和(3)得出：

(4)

(5)

将式(4)、(5)代入式(1)得：

(6)

式(6)是欧拉方程式的另一种表达形式。

1.2 苞叶粉碎风机结构

风机叶轮安装在苞叶粉碎装置通道中。根据苞叶粉碎风机的安装位置关系，参考文献[16]选取苞叶粉碎风机叶轮为贯流风机叶轮，其外圈的直径为200 mm，内圈的直径为170 mm，风机叶轮叶片的厚度为1 mm，长度为490 mm。苞叶粉碎风机蜗壳的作用是凝聚气流。风机进风方式为轴向进风，蜗壳的最大外径为290 mm，长度为510 mm，风机叶轮和蜗壳结构如图2所示。

2 苞叶粉碎风机数值模拟

2.1 建模条件

对苞叶粉碎风机气流场进行数值模拟分析时，根据文献[16],风机的转速分别确定为1 100、1 400和1 800 r/min三个水平。苞叶粉碎风机的流体计算所用气体参数如下：标准大气压1.013 25×105Pa， 密度1.205 kg/m3，黏度1.83×10-5Pa·s，运动粘滞系数15.7×10-6m2/s，绝对温度293 K。

2.2 计算模型的选取

根据流体力学可知，在苞叶粉碎风机中气体速度较低(远小于音速)的情况下，由于苞叶粉碎风机内气体流动过程中的压强和温度变化较小，因此将苞叶粉碎风机内气体密度看做是常数，是不可压缩气体。

3.加强对选拔任用干部工作情况的监督检查。以解决选拔任用干部中的突出问题、提高选人用人的公信度为切入点，重点监督检查被巡视单位违规违纪用人、拉票、跑官要官、买官卖官等问题，促进被巡视单位防止和克服选人用人上的不正之风。检查的情况要如实向党委和组织部门汇报和通报，对重要情况，要及时请示报告。对“跑官要官”的，要严肃批评，记录在案，并取消其被推荐、考察和作为候选人的资格，情节严重的要进行组织处理；对行贿“买官”的，一律先免去职务，再按有关规定处理；对受贿“卖官”的，要依纪依法严惩；对在民主推荐和选举中搞拉帮结派、拉票贿选的，要坚决查处，已经提拔的要从领导岗位上撤下来，坚决纠正用人上的不正之风。

由于在苞叶粉碎风机内流体的流动大多处于湍流状态，因此本文将对苞叶粉碎风机进行湍流分析。利用ANSYS软件对风机进行流体分析的湍流模型采用标准k-ε双方程模型[17]。

2.3 网格划分

首先通过ANSYS软件对苞叶粉碎风机模型进行网格划分，选取自由网格划分方式，风机内部流动流场划分为19 264个网格，蜗壳流动区域划分为8 057个网格，共有19 255个结点。苞叶粉碎风机网格划分结果如图3所示。

图3 网格划分

2.4 数值模拟结果与分析

2.4.1 风机在1 100 r/min时流场分析

图4是风机在1 100 r/min时，苞叶粉碎风机静压分布、全压分布、速度分布和速度矢量分布图。通过风机静压分布图得出，风机由内到外静压逐渐增大，在蜗壳与风机出风口拐点处，风机静压最大，其静压值为198～226 Pa。由全压分布图可知，风机内部全压分布比较均匀，风机叶轮内部全压为负值，由内到外全压逐渐增大，全压值为209～254 Pa。速度分布图表明，在风机叶轮外缘区域的风速最大，蜗壳与风机出风口拐点处，风机风速最小，其值为5.59～7.83 m/s。速度矢量分布图表明，风机风速矢量皆流向风机出风口，在风机出风口区域形成湍流。数值模拟结果表明，苞叶粉碎风机静压平均值为151.75 Pa，全压平均值为230.09 Pa，风速平均值为9.51 m/s。

(a)静压模拟图(b)全压模拟图

(c)速度模拟图(d)速度矢量模拟图

图4 1 100 r/min时风机的数值模拟结果

图5是风机在1 400 r/min时，苞叶粉碎风机静压分布、全压分布、速度分布和速度矢量分布图。通过风机静压分布图得出，风机由内到外静压逐渐增大，在蜗壳与风机出风口拐点处，风机静压最大，其静压值为313～375 Pa。由全压分布图可知，风机内部全压分布比较均匀，风机叶轮内部全压为负值，由内到外全压逐渐增大，全压值为301～382 Pa。速度分布图表明，在风机叶轮外缘区域的风速最大，蜗壳与风机出风口拐点处，风机风速最小，其值为6.49～8.12 m/s。速度矢量分布图表明，风机风速矢量皆流向风机出风口，在风机出风口区域形成湍流。数值模拟结果表明，苞叶粉碎风机静压平均值为257.18 Pa，全压平均值为331.31 Pa，风速平均值为10.56 m/s。

(a)静压模拟图(b)全压模拟图

(c)速度模拟图(d)速度矢量模拟图

图5 1 400 r/min时风机的数值模拟结果

2.4.3 风机在1 800 r/min时流场分析

图6是风机在1 800 r/min时，苞叶粉碎风机静压分布、全压分布、速度分布和速度矢量分布图。通过风机静压分布图得出，苞叶粉碎风机由内到外静压逐渐增大，在蜗壳与风机出风口拐点处，风机静压最大，其静压值为474～595 Pa。由全压分布图可知，风机内部全压分布比较均匀，风机叶轮内部全压为负值，由内到外全压逐渐增大，全压值为444～647 Pa。速度分布图表明，在风机叶轮外缘区域的风速最大，蜗壳与风机出风口拐点处，风机风速最小，其值为10.7～12.8 m/s。速度矢量分布图表明，风机风速矢量皆流向风机出风口，在风机出风口区域形成湍流。数值模拟结果表明，

(a)静压模拟图(b)全压模拟图

(c)速度模拟图(d)速度矢量模拟图

图6 1 800 r/min时风机的数值模拟结果

苞叶粉碎风机静压平均值为379.73 Pa，全压平均值为454.36 Pa，风速平均值为11.77 m/s。

苞叶粉碎风机数值模拟结果表明，随着风机转速的增大，风机内出风口处静压、全压和风速逐渐增大。苞叶粉碎风机叶轮转速在1 800 r/min时，风机具有较好的效果。叶轮转速继续上升导致整机的功耗变大，因此，苞叶粉碎风机在1 800 r/min时，风机性能最佳，其出风口平均值为11.77 m/s。

3 试 验

3.1 试验设备与试验指标

试验在潍坊学院机电与车辆工程学院实验室内进行。试验设备为苞叶粉碎风机试验台。其他设备还有，转速测试仪、数码相机、风速风压仪(读数精度0.1 m/s,0.1 Pa)。

根据苞叶粉碎风机内数值模拟结果，风机叶轮的转速分别选取1 100、1 400和1 800 r/min三个水平进行单因素试验。试验指标为风机风速、动压和全压。研究苞叶粉碎风机的结构参数和运动参数对于风机风速、动压和全压的影响，通过单因素试验得出苞叶粉碎风机的最佳参数。

3.2 试验结果与分析

图7中x轴表示苞叶粉碎风机测量点，y轴表示苞叶粉碎风机风速平均值。苞叶粉碎风机转速越高，其出风口风速平均值越大。当风机转速为1 800 r/min时，苞叶粉碎风机风速平均值达到最大。试验结果表明，苞叶粉碎风机转速为1 100、1 400和1 800 r/min三个水平时，风速平均值分别为8.043、9.79和12.643 m/s。

图7 风机风速平均值

图8中x轴表示苞叶粉碎风机测量点，y轴表示苞叶粉碎风机动压和全压平均值。苞叶粉碎风机转速为1 800 r/min时，动压和全压平均值最大。其5个测量点的动压平均值依次为：301.83、274.0、215.67、171.83、244.17 Pa。全压平均值依次为：286.5、221.17、195.67、162.83、205.67 Pa。试验结果表明，苞叶粉碎风机转速为1 100、1 400、1 800 r/min时，出风口动压平均值76.33、103.7和241.5 Pa。全压平均值分别为75.83、102.03和214.37 Pa。随着苞叶粉碎风机转速的增大，其出风口风压平均值逐渐增大。验证试验结果与数值模拟结果一致，在苞叶粉碎风机叶轮转速三个水平中风速数值模拟结果与验证试验结果近似率分别为84.54%，92.71%，93.12%。

4 结 语

通过ANSYS软件主要对苞叶粉碎风机内部的静压和全压进行了数值模拟，而验证试验主要测量了出风口的动压和全压，属于风机的外部。因此两组试验结果针对风压这一试验指标有差异。根据以风机出风口风速为试验指标的试验结果可知，数值模拟结果与验证试验结果非常接近，近似率达到90.12%。因此数值模拟结果具有较高的可信性，根据数值模拟结果可以得出风机内部的性能指标，为苞叶粉碎风机下一步的设计与试验提供依据。

(1) 数值模拟结果表明，苞叶粉碎风机在1 100、1 400和1 800 r/min时，风速平均值分别为9.51、10.56和11.77 m/s，风机静压平均值分别为151.75、257.18和379.73 Pa，全压平均值分别为230.09、331.31和454.36 Pa。风机转速越高，其静压、全压和风速越大。风机在1 800 r/min时，风机性能最佳。

(2) 验证试验结果表明，苞叶粉碎风机转速为1 100、1 400、1 800 r/min时，出风口风速平均值分别为8.043、9.79和12.643 m/s；出风口动压平均值分别为76.33、103.7和241.5 Pa；全压平均值分别为75.83、102.03和214.37 Pa。

(3) 验证试验结果与数值模拟结果一致，苞叶粉碎风机转速三个水平中以风速为试验指标的数值模拟结果与验证试验结果近似率分别为84.54%，92.71%，93.12%。

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Numerical Simulation and Experiment on Bract Smash Fan of Corn Harvester

XIEFu-xiang,SONGJian,JIANGJun-sheng

(School of Mechanical-electronic and Vehicle Engineering, Weifang University, Weifang 261061, China)

To solve the return land on bract smash of corn harvester, the axial inlet of fan was numerically simulated of bract smash by ANSYS software and verified by experimental research of test bed. The test indexes were taken as bract crush fan speed, total pressure, static pressure and dynamic pressure, and single-factor test was completed by the rotational speed of fan. Numerical simulation results showed that when the fan rotational speeds are 1 100, 1 400 and 1 800 r/min, the mean static pressures of fan outlet are respectively 151.75, 257.18 and 379.73 Pa; total pressure averages are 230.09, 331.31 and 454.36 Pa; the average wind speeds are 9.51, 10.56 and 11.77 m/s. Verification test results showed that when the fan speeds are 1 100, 1 400, 1 800 r/min, the average speeds are 8.043, 9.79 and 12.643 m/s; mean dynamic pressures of outlet are 76.33, 103.7 and 241.5 Pa; the averages of total pressure are 75.83, 102.03 and 214.37 Pa, respectively. The verifying test results are consistent with the numerical simulation, approximate rates which in three levels of fan speed and verify test results reach 84.54%, 92.71%, 93.12%, respectively.

corn; bract smash; fan; numerical simulation; experiments

2015-12-30

国家自然科学基金项目(51505337)；山东省自然科学基金项目(ZR2014EEP013)；潍坊市科技发展计划项目(201301046); 潍坊学院博士科研启动基金资助项目(2013BS07)

解福祥(1982-)，男，山东临沂人，博士，讲师，主要从事农业机械设计与试验研究。E-mail：xfx608@126.com

S 225.5+1

A

1006-7167(2016)09-0101-04