SolidworksFlow Simulation软件在农业机械逆向设计建模研究生课程教学中的应用与实践

李建平 边永亮 王鹏飞 刘洪杰 杨欣

(河北农业大学机电工程学院，河北 保定 071000)

引言

我国农业机械发展逐步走向高端化、大型化、自动化、精密化发展，为加快高端农机产业发展，必须扩大高素质农机人才数量。高等院校在开设更多相关专业，增大本科生、研究生招生规模的同时，应着力提升课程教学的质量[1,2]。同时，多样化的用户需求、激烈的市场竞争和国外先进理念的引入也迫使农业机械设计企业调整研发模式[3]。在保证质量达到客户要求的同时，也要尽可能将研发周期缩短，故降低生产成本是农业机械设计中的重要课题。逆向工程技术可为农机装备研发提供新的思路，开设“农业机械逆向设计建模”研究生课程是为了让研究生理解农业机械逆向设计的概念，运用逆向工程仪器、软件进行数字模型的构建；掌握实现农业机械逆向工程的具体环节；综合运用逆向工程数字模型进行产品快速成型与优化。随着现代科技的发展，利用数字模拟技术对农机具进行仿真分析是较为必要的。逆向工程技术通过运用测量工具及测量方法，对实物进行测量并根据测量的数据，采用数字建模的方式[4]，并在计算机中进行分析优化之后，再优化设计并指导实际生产。本研究通过测量应用于果园施药的轴流风机，通过Solidworks软件对风机进行等比例模型绘制，应用Solidworks Flow Simulation CFD软件进行流体仿真。Flow Simulation是Solidworks中集成的一款专用于流体力学分析的软件，利用计算流体动力学(CFD)技术计算Solidworks模型内外的流体，该软件可模拟真实条件下的液体和气体流动，可有效分析浸入零部件内部或零部件周围的液体流动、热传递和相关作用力的效果。在设计过程的早期阶段，设计人员可通过Solidworks Flow Simulation软件模拟流体流动、热传递和流体作用力，这些因素对设计的成功至关重要。通过对Solidworks Flow Simulation软件的学习、应用，可使研究生通过实践深入理解并掌握逆向设计建模方法和技巧[5]。

1 轴流风机数值仿真过程

1.1 三维模型构建

建立如图1所示的T35型轴流风机三维模型。风机按照1∶1的比例建立三维模型。

1.2 软件操作流程

将上述求解模型用Solidworks 2016打开，模型打开后加载Solidworks Flow Simulation插件，后通过插件中的“仿真向导”进行分析项目的定义，通过向导可完成分析项目75%的定义[6]。如定义项目名称，本次不作更改，命名为“项目1”。然后设置单位系统为国际标准单位S[m-kg-s]，然后点击下一步。

设置好单位尺寸之后，开始选择流场分析类型，由于风机出风的外部流场是本次主要研究内容，故选择“分析类型”为外部，外流场主要是风机通过扇叶旋转产生的气流场，由于风机旋转的部分为扇叶旋转故选择“旋转”，类型为局部区域(平均)，旋转轴为本次研究忽略重力影响，故不勾选。流体类型选择气体中的空气，流体类型选择为“层流和湍流”，由于风机流场较为复杂，尚不能判断流体类型，选择“层流与湍流”模型可依据仿真情况来计算，精度较高[7]。

本次研究不考虑散热情况，不考虑壁面粗糙度对风场的阻碍作用，故壁面条件设置为绝热壁面，粗糙度设置为0μm,见图6。之后进行初始条件的设置，见图7，空间压力设置为标准大气压101325 Pa，温度为298.5K(室温25℃)。

设置完成之后的界面如图8所示。之后设置计算域，计算域空间整体尺寸为长L=3m，宽W=3m，高H=3m的一个长方形空间，风机整体位于空间的中心位置。计算域设置完成后依据试验结果，再进行计算域的调整，计算域越大，对计算要求越严格，故计算域不能太大。设置好计算域之后，设置风机的旋转区域，旋转区域功能用于指定参考的局部旋转区域，并分析通过模型旋转组件的流体流动。通过使用稳态方法在旋转区域内计算并在旋转区域的边界求均值，流场参数将作为边界条件从相邻流动区域移动到旋转区域的边界。旋转区域选择1.1中提到的旋转域，依据风机旋转速度设置旋转区域的角速度，由于旋转方向为逆时针方向，故设置角速度为-500rad·s-1，顺时针方向为正。操作界面如图9所示。

监测目标设置为静压、总压、动压、风场力与流体速度，均勾选平均值。勾选的检测目标太少，求解精度不够，勾选的目标太多，软件的计算量会非常多，勾选上述5个目标，可基本将计算结果求解出来。

选定监测目标后，开始网格划分，Solidworks Flow Simulation软件网格划分有2种方式，分别是自动与手动网格划分。全局网格划分设置，全局网格对话框用于更改控制构建初始计算网格的自动Flow Simulation过程的参数。全局初始网格完全由生成的基础网格和细化设置定义。自动类型借助通过指定用于控制基础网格单元数量的初始网格的级别以及在模型的狭长通道中进行网格细化的默认程序。

手动构建全局网格为指定数量的单元格构建基础网格，并对该基础网格进行局部拉伸或收缩，以便更好地使用控制平面解析模型和流动特征；拆分特定类型的基础网格单元。指定网格的细化以便更好地解析狭长通道。细化获得的网格以抓取相对细小的固体特征，或解析曲度和物质接触面即细小固体特征细化、曲度细化和公差细化。全局网格设置将应用到整个计算域。如，在指定狭长通道中的网格细化时，不需要精确指向应用细化的计算域区域，系统会将其应用到具有相同特征的所有区域。设置精度为3级，勾选均匀网格、高级。

局部网格设置,通过局部网格对话框，可以指定计算域的局部区域中的初始网格，以便更好地解析模型特定的几何结构和/或此区域中的流动特性，因为使用全局初始网格设置无法准确解析这些特性。指定局部网格时可以采用与全局初始网格几乎相同的方式。由于风机的旋转区域的求解对于旋转区域的网格要求较高，故设置细化流体网格的精度为4级、细化部分网格的级别设置为4级。高级细化中的细小固体特征设置为5级，最大通道细化级别为2级。

采用全局与局部网格划分相结合的方式对该风送系统进行外部流场继续离散化处理[4]，经细化后的网格可基本满足风送系统的外流场的基本运算。点击仿真运行对话框，点选“网格”、“新建计算”、“加载结果”开始仿真运算。定义将自动创建目标图、XY图、点参数、表面参数和体积参数表和报告，并在计算完成后(或手动停止计算后)自动保存到项目文件夹中。开始计算后，设置计算控制选项，点选停止标准为“目标收敛”，满足其中一项，行程为自动。

2 仿真结果输出与分析

2.1 网格划分结果

网格划分的优劣对试验结果的影响较大，轴流风机网格划分情况如图10所示。其中，风机扇叶区域对流体速度流场影响较大，采取局部细化网格进行网格划分，其余区域则采用Flow Simulation全自动网格拾取，共计生成413121个网格，流体网格为271725个网格。风机扇叶的细化级别要求较高，故通过局部网格设置，使其网格划分较为细密，其余部分的网格对仿真影响较小，故采用全局网格设定。

2.2 流动迹线

单击Flow Simulation Results Features工具栏上的流动迹线，或单击Tools> Flow Simulation>结果>流动迹线，右键单击流动迹线项目并选择插入。流动迹线有2种,静态迹线和动态迹线。如果选择静态迹线模式，迹线将显示为导管、线条、带箭头的线条、条带或离散小球、箭头和箭头(平)。如果选择动态迹线模式，迹线只可显示为小球或箭头。设置点数为200，迹线画为线条，线宽为2mm，显示类型为速度。静态迹线如图11所示，动态迹线如图12所示。

2.3 切面图

创建切面图，在Flow Simulation Results Features 工具栏上单击切面图，或者单击Tools>Flow Simulation>结果>插入>切面图。切面图显示情况下，结果有5种显示方式。等高线显示等高线下指定的参数的分布；等值线为在等值线下指定的参数显示等值线；矢量显示用于可视化在矢量下指定的矢量参数的矢量；流线显示用于使流线下指定的矢量参数可视化的场线；网格如果在常规选项中选择了显示网格选项，可用于在切面图中显示计算网格。横向纵向切面图如图13所示。

2.4 粒子研究

粒子研究可用于显示物理粒子的迹线并获取有关粒子行为的各种信息，包括因粒子与壁面的相互作用而产生的壁面侵蚀或粒子材料累积效应。物理粒子是液体或固体的恒定质量的球形粒子，通过显示粒子迹线可查看其在流场中的分布状况。要研究粒子，需要指定粒子进入点、初始粒子属性(温度、速度、直径、所产生的质量流量)、粒子材料和壁面条件(吸收或反射)。可以选择启用重力并计算总累积质量流量和总侵蚀质量流量。粒子研究用于指定物理模型、终止粒子迹线计算的完成标准、希望可用于结果处理的参数以及粒子迹线显示选项。如图14为空气粒子流动情况。

2.5 结果分析

通过轴流风机数值仿真结果，可知轴流风机的风场分布范围、流动状态、速度云图、粒子密度、风场特定位置处的风速值、风压值等，依据这些结果，可为轴流风机的优化提供指标依据。如改变轴流风机的叶片数、叶片倾角、风机转速、风机扇叶位置等因素后，通过风场的指标来优化以上参数，进而确定风机的最佳设置参数，进而指导实践运用。

3 结语

“农业机械逆向设计建模”课程是一门培养研究生农业机械逆向设计能力的专业基础课，是从事农业机械研究的设计基础，也是学习专业知识的必修课程。而Solidworks Flow Simulation软件对这门课程的教学具有较大的辅助作用，可充分锻炼学生的创新思维、设计能力和解决实际工程中问题的能力。因此教学实践过程中引入SolidWorks Flow Simulation软件是一种非常有效的教学方法，达到了更好的教学效果。为使“农业机械逆向设计建模”研究生课程教学与实践相互融合，让研究生深入理解并掌握农业机械逆向设计建模方法和技巧，通过对T35型轴流风机的数值仿真过程，以及仿真结果的输出与分析，让学生通过实践过程掌握逆向建模分析求解的流程，有利于研究生熟练掌握Solidworks Flow Simulation软件使用方法技巧，值得进一步推广。