基于CFD的水草收割台水流流场数值模拟

徐 扬,尹建军,陈树人

(江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室,江苏 镇江 212013)

0 引言

水草污染是水污染中最难以防治的一种,受工业化和人类活动的负面影响,导致许多江河湖泊水质恶化,水草泛滥。

现有的水草收割船多用于收集水面漂浮的水草,如宁波农业机械所研制的WH1800型河道清草机[6]、上海电气集团开发的GC2230型河道割草保洁船[7],其割刀安装在输送带前端,切割完水草直接流入输送带,但切割深度可调范围较小,收割黑藻、菹草等沉水水草较为困难,且切割幅度很小,收割效率不高。

为此,设计了一种适用于水下收割的水草收割台,并利用Fluent软件分析割台水下作业时壳体内部复杂的水流流场特性及水草的运动情况,可优化水草收割台结构。

1 水草收割台结构组成及工作原理

水草收割台主要由割台壳体、大搅龙滚筒、螺旋叶片、大搅龙驱动轴、三联动割刀、左侧小搅龙、右侧小搅龙及伸缩拨齿组成,如图1所示。水草收割台安装在两栖式水草收割船一级输送装置前端,可随着一级输送带在船体甲板前段斜坡面上下滑动以调节切割深度。水下收草时,沉水水草由割台壳体前端垂直涌入壳体内部,三联动切割器切断边缘的水草使其流入割台流体域;水草进入搅龙的旋转推送流域中,受力向壳体中间运动;搅龙圆筒上方水草直接流出割台后端出口进入输送带,搅龙圆筒下方聚集的水草受到旋转的伸缩拨齿向后拨送,完成割台的水草喂入与流出过程。

1.搅龙驱动轴 2.左侧小搅龙 3.伸缩拨齿 4.右侧小搅龙 5.三联动割刀 6.螺旋叶片 7.大搅龙滚筒 8.割台壳体

2 水草收割台流道模型与仿真前处理操作

2.1 流道模型的建立

水草收割台数值模拟计算区域是水流与水草碎料的流动空间,因搅龙螺旋叶片的不规则性与流道的复杂性将大大增加仿真的时间消耗,本文仅选取一组大搅龙作为代表进行数值模拟,主要包括割台壳体、搅龙旋转圆筒、两侧搅龙螺旋叶片及圆筒中间表面伸缩拨齿,模型计算区域具体参数如表1所示。

表1 水草收割台计算区域主要参数表

水草收割台计算区域实体三维模型在SolidWorks中建立,将建立好的水草收割台计算区域实体模型另存为parasolid文件后导入Designmodeler软件中进行三维模型的预处理。水草收割台流道模型如图2所示。

图2 水草收割台流道模型

2.2 水草收割台网格划分

对水草收割台各流体区域在Meshing模块中进行网格划分。由于割台腔内普通流体区域结构较为规则,采用质量较好的Hex dominant正六面体模型主导对其进行网格划分;而搅龙旋转流体区域含有螺旋曲面叶片与伸缩拨齿,结构较为不规则,采用适应性更好的Tetrahedrons正四面体模型对其进行网格划分。水草收割台整体流道网格被划分为2 785 967个,节点554 056个,网格质量Quality大于等于0.4,网格质量良好。

2.3 Fluent流场控制方程

水草收割台在水中常温情况下工作,且水与水草之间没有能量交换,简化水草碎料为粒径均匀的球型颗粒,流动场受到物理守恒定律支配。基础的守恒定律包括质量守恒定律及动量守恒定律。水草收割台内液固两相流主要满足体积分数、质量守恒方程、动量守恒方程及Realizablek-ε湍流模型输运方程。

输运方程为[5]

(1)

(2)

2.4 前处理设置

在FLUENT17.0中设置水草收割台流道模型的边界,即流体入口inlet、流体出口outlet、壁面wall、交界面interface。

采用多重参考坐标系法(MRF,Multiple Reference Frame)对水草收割台内部流场进行准定常模拟:搅龙旋转区域为转动流域,采用旋转参考坐标系,转速为90r/min,旋转轴线为搅龙中轴线;割台内其它区域为静止流域,设置为静止参考坐标系。动静域内的流场分别在各自的坐标系下进行计算,并通过坐标系转换进行流场耦合,得到流场的准定常模拟结果。内部搅龙叶片与拨齿设置为固体solid,采用动坐标系运动,在Relative To Cell Zone中选择搅龙旋转流域,原点与旋转轴与其保持一致,转速设置为0。 流体入口inlet采用速度入口边界条件,流体出口outlet采用压力出口边界条件。液固两相中液体相为水,调用Fluent材料库中water材料,固体相为水草,新建水草碎料命名为sc,密度为900kg/m3,颗粒直径为0.01m。边界条件中选中inlet设置流体入口水流速度为0.4m/s,水草碎料速度为0.4m/s,体积分数为0.2。

割台内液固两相流流场分析选择Eulerian模型,Implicit隐性框架;湍流模型选择Realizable带旋流修正的k-ε模型,使用标准壁面函数;速度与压力耦合方式选择Phase Coupled SIMPLE格式,各控制方程的离散格式均采用一阶迎风格式。初始化之后开始计算,本例在迭代2 467步之后达到收敛。查看Reports- Fluxes中Mass Flow Rate进口inlet总量为1 193.472 01kg/s,出口outlet总量为-1 193.546 08kg/s,差额Net Result为-0.07 407kg/s,结果相差小于0.5%,证明计算已经收敛。

3 割台水下流场数值模拟结果与分析

图3为水草收割台壳体内水流速度透视图。由图3可见:从入口进入的水流速度向出口缓慢加速,割台体内大部分区域流速在0.4～0.6m/s范围内,中间段流速较快,平均约为1m/s;水流进入搅龙流域后受旋转搅龙叶片向中间推送过程中出现小范围的提速区域,在出口前端水流开始大幅度加速,直到流出流域时大范围水流达到最高速约为3.15m/s。

图3 水草收割台壳体内水流速度透视图

为了更好地对关键区域的流场进行分析,选取搅龙滚筒几何中心为坐标原点,分别选取X=0、Y=0、Z=0、X=-0.75、outlet面5个特殊截面进行分析。

图4(搅龙水平面)水草由前方入口输入后匀加速向后方流动,受水流水压影响略微向中间偏移,两侧水草物料流经搅龙流域时,受到明显地延搅龙滚筒轴向向中间的推力,迅速改变速度方向,部分水草运动方向近乎平行于搅龙轴线。在搅龙叶片附近,由于部分水草颗粒直接受到搅龙叶片拍打,瞬间获得等同于叶片的运动速度,达到约2m/s。截面中部水草物料集中,存在小范围回流及涡流现象。这是由于搅龙横向输送的水草物料速度较快,与入口中部直接流入的水草物料同时到达搅龙壳体中部,造成小范围拥挤阻塞现象,旋转一周后再向出口加速流动。Y=0截面出口处中间流速最高,达到约3m/s,两侧由于拐角阻碍与壁面摩擦流速较慢。

图4 水草收割台壳体内Y=0截面水草碎料速度矢量图

图5(搅龙竖直面)搅龙滚筒上下两侧聚集大量水草流,由于搅龙流域下面贴近壳体地面,而上面空间较大不易阻塞流速较快,拨齿附近达到2.3m/s的速度,造成一定量的上下流量差。

图5 水草收割台壳体内Z=0截面水草碎料速度矢量图

图6(搅龙两侧对称面)的草料流动共有2个输入口:第一个是由割台壳体入口inlet中间部分直接沿Z轴负方向流向出口outlet的水草流,在初速度和浮力的作用下略微上浮向后流动,然后绝大部分在搅龙旋转流域外圆切线方向从上方越过搅龙滚筒流向出口outlet;第2个是由两侧搅龙叶片旋转形成的轴向推力水流场带领的水草流。由图6可看出:它们大多从搅龙滚筒的左下角输入,然后分为上下两部分分别从滚筒表面向后流向出口,由于中部没有搅龙叶片,不会产生旋转的流场对某一侧造成回流,上下两侧水草流量相当。综合第一部分水草流,输出口中上方流速最高,达到3.17m/s。

图6 水草收割台壳体内X=0截面水草碎料速度矢量图

图7(搅龙右侧中间截面)紧贴搅龙圆筒表面有一圈逆时针旋转的矢量箭头,是跟随滚筒表面旋转的水草流,速度约为1.5m/s;而旋转流域边缘右上方,存在一组速度较大的水草流,是受到搅龙旋转叶片直接拍打的水草物料,形成的逆流,对总流场造成一定负面影响,搅龙转速越大,其影响越大。

图7 水草收割台壳体内X=-0.75截面水草碎料速度矢量图

图8(出口面)中间流速高,靠近壁面流速低,从竖直方向来看,中下方流速较低,中上方和最下方流速较高,这是由于搅龙滚筒中部阻碍了一部分水草流的原因。

图8 水草收割台出口面水草碎料速度云图

4 水草收割台内流场影响因素分析

采取控制变量法,对水草收割台内侧流场在不同的主要参数设置下进行液固两相流CFD数值模拟。其主要参数为搅龙转速、搅龙叶片数和搅龙滚筒直径。

4.1 搅龙转速影响

搅龙转速是影响割台体内流场的关键因素。搅龙旋转时,螺旋叶片分别产生径向旋转力与轴向推力,轴向推力是设计中的目标需用力,而螺旋叶片产生的径向旋转力是不需要的力,它会导致滚筒上下两侧流速不均匀,甚至造成逆流。本文选取搅龙转速分别为60、90、120r/min进行CFD数值模拟。

由图9可见:60r/min时搅龙流域从两侧到中间的平均速度0.5m/s,在90r/min的情况下平均速度约0.8m/s,对比60r/min有明显的改善阻塞效果;随着转速的增大,在90r/min图像中,云图中间出现了椭圆包裹圆形的涡流现象,在120r/min时最为明显,是由于过大的搅龙转速产生的上方逆流场在中部与刚流入的水草流相撞造成的回流与涡流状况。综合考虑搅龙流域转速90r/min情况下流道较为通畅,且产生的回流现象较弱,对流场影响不大。

(a) 60r/min

4.2 搅龙叶片圈数影响

理论上搅龙圈数越多越可以对流进搅龙的水草进行及时的输送,但随着搅龙圈数的增多叶片外边缘也会阻挡水草进入搅龙流域,且过多的叶片也会增加割台总体的质量,不符合轻量化的设计指标。本例仅选取每侧2圈与3圈搅龙叶片进行仿真。

由图10可见:在3圈螺旋叶片的情况下,搅龙与出口处的流场更为平稳,且流场中部有效缓解了涡流与回流的现象,可见两侧搅龙各安装3圈螺旋叶片螺距360mm的情况下更有利于水草碎料的流动。

(a) 每侧2圈

4.3 搅龙滚筒直径影响

搅龙滚筒直径是影响流场分布的一个直接因素,搅龙滚筒阻挡流场使流道分为上下两段。理论上滚筒直径越小越有利于流道的畅通,但搅龙中间安装有伸缩拨齿,伸缩拨齿的外径范围与搅龙叶片外径一致,伸缩拨齿的偏心轴安装距离受到滚筒直径与搅龙叶片直径的约束,即2L偏心距=D搅龙叶片-d搅龙滚筒。因此,搅龙滚筒直径太小无法在其内部安装伸缩拨齿偏心轮,且若滚筒直径过小,在旋转过程中将容易被水草缠住。

由图11可见:对比300mm的搅龙滚筒直径,200mm的情况下速度云图更为平滑,右端出口最高流速达到2.976m/s;对比300mm直径下的最高流速3.119m/s,200mm直径的滚筒水草流速极差较小,出口处水草分布的更为均衡,不容易产生阻塞现象。

(a) 直径300mm

5 结论

1)通过Fluent中Eulerian与Realizable k-ε模型对水草收割台水下作业时水流与水草进行三维数值模拟,得到割台壳体内水流速度场的分布规律,揭示流场内水草碎料的流动特性。

2)使用控制变量法分别对影响流场分布的各因素进行对比型数值模拟。结果表明:在搅龙转速为90r/min、两侧螺旋叶片分别为3片螺距360mm、搅龙滚筒直径为200mm时,水草收割台的水流流场与水草流动更为稳定、流畅,出口面中部平均流出速度约为3m/s,流动效果较好,对于提高水下割台的喂入效率有很大帮助。