基于CFD-DEM的排肥用波纹管结构优化设计与试验_张一帆.pdf

浙江农业学报 Acta Agriculturae Zhejiangensis，2023，35(1):191 201http:/www zjnyxb cn张一帆，何瑞银，段庆飞，等 基于 CFD-DEM 的排肥用波纹管结构优化设计与试验J 浙江农业学报，2023，35(1):191 201DOI:10.3969/j issn 1004-1524.2023.01.21收稿日期:2021-09-24基金项目:国家重点研发计划(2016YFD0300908);江苏省农业科技自主创新资金(CX(19)2012)作者简介:张一帆(1996)，男，江苏南京人，硕士研究生，主要从事农机现代设计理论及方法研究。E-mail:njauzhangyifan163 com*通信作者，何瑞银，E-mail:ryhe_njau163 com基于 CFD-DEM 的排肥用波纹管结构优化设计与试验张一帆，何瑞银*，段庆飞，徐勇(南京农业大学 工学院，江苏 南京 210031)摘要:为探究波纹管结构参数与输送均匀性的关系，获得最优参数组合以提高气力排肥均匀性。本文基于CFD-DEM 耦合仿真技术构建了以排肥均匀性变异系数为响应值的二次响应面模型，在单因素试验的基础上采用 BDD 法研究了波纹管幅宽、波纹间距和波长之间交互作用对排肥均匀性的影响，并获得了波纹管的最佳参数组合，最后进行台架试验对仿真模型与优化结果进行验证。仿真试验结果表明，排肥均匀性变异系数随波长、幅宽、波纹间距的增加先减小后增加，波纹管结构参数对排肥均匀性的影响显著性顺序为幅宽 波长 波纹间距。波纹管最优结构参数为波长 18.103 mm，波纹间距 12.158 mm，幅宽 8.863 mm，此时排肥均匀性变异系数为 7.5%。单因素台架试验中尿素颗粒仿真预测值与台架实际值变化趋势一致，数值基本重合，最优参数组合波纹管排肥均匀性变异系数与仿真试验预测值相对误差的均值为 5.84%，说明仿真模型精确可靠。复合肥颗粒变化趋势与尿素颗粒基本一致，说明仿真模型具有普适性。本研究可为波纹管的使用与优化提供参考。关键词:波纹管;响应面;仿真试验;结构优化;排肥均匀性中图分类号:S220.3文献标志码:A文章编号:1004-1524(2023)01-0191-11Numerical analysis of flow characteristics and structural optimization of bellows based onCFD-DEMZHANG Yifan，HE Ruiyin*，DUAN Qingfei，XU Yong(College of Engineering，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210031，China)Abstract:In order to explore the relationship between bellows structural parameters and conveying uniformity，theoptimal parameter combination was obtained to improve the uniformity of pneumatic fertilizer discharge Based onCFD-DEM coupling simulation technology，this paper constructed a quadratic response surface model with the varia-tion coefficient of fertilizer discharge uniformity as the response value On the basis of single factor test，BDD methodwas used to study the influence of the interaction between bellows width，bellows spacing and wavelength on fertilizerdischarge uniformity，and the best parameter combination of bellows was obtained，Finally，the bench test was car-ried out to verify the simulation model and optimization results The simulation results showed that the variation coef-ficient of fertilizer discharge uniformity firstly decreased and then increased with the increase of wavelength，widthand ripple spacing The order of significance of the influence of bellows structural parameters on fertilizer discharge u-niformity was width wavelength ripple spacing The optimal structural parameters of bellows were wavelength 18.103mm，ripple spacing 12.158 mm and width 8.863 mm At this time，the variation coefficient of fertilizer discharge uni-formity was 7.5%In the single factor bench test，the change trend of urea particle simulation predicted value wasconsistent with the actual value of the bench，and the values basically coincided The average value of the relative errorbetween the variation coefficient of corrugated pipe fertilizer discharge uniformity of the optimal parameter combinationand the predicted value of the simulation test was 5.84%，which showed that the simulation model was accurate and relia-ble The change trend of compound fertilizer particles was basically consistent with that of urea particles，which showedthat the simulation model was universal This study can provide a reference for the use and optimization of bellowsKey words:corrugated pipe;response surface;simulation test;structural optimization;fertilizer uniformity肥料是作物的“粮食”，合理使用肥料可以改良土壤肥力、提高单位面积产量1 3。然而随着肥料使用量的增大与不科学施肥方式的增多，国内施肥行业产生了肥料用量大、利用率低、面源污染严重等问题4 6。传统粗放的施肥方式已不适合新时代绿色农业的发展要求，急需新型施肥技术提高肥料利用率，减少使用量7 9。气力输肥系统由于排肥均匀性好，输送效率高近年来在施肥领域得到了广泛应用10 11。波纹管具有良好的理化特性，许多专家学者在气力输肥系统中使用波纹管作为关键输送部件并开展了相关研究。杨庆璐等12 研究了波纹管直径对气固两相流动性的影响，通过颗粒碰撞次数与颗粒分布图判断均匀性。张晓辉等13 以气流场内速度分布均匀性作为评价指标，通过对比直管与褶皱管内部速度场分布判断输送性能。戴亿政等14 通过空气流的单相仿真分析了波纹管结构对内部气体速度场的影响。李中华等15 研究了波纹管内部单相压力场，得出了波纹管结构导致气流压力平缓降低。常金丽16 设计了一种褶皱管，用来增压提升输送均匀性。以上学者大都只针对波纹管某一结构参数变量进行定性研究，鲜有研究不同结构参数变量之间交互作用对输送均匀性的影响。在判断输送均匀性时大多依据非标准化的流场分布图，没有参数化的指标进行均匀性判断。本文旨在通过 CFD-DEM 耦合仿真分析技术，在单因素试验的基础上研究波纹管幅宽、波纹间距和波长之间交互作用对输送均匀性的影响，通过仿真试验明确波纹管结构参数与输送均匀性的关系。构建以排肥均匀性变异系数为响应值的二次响应面模型，并利用响应面分析法获得波纹管的最佳参数组合以提高气力排肥均匀性。最后通过台架试验对仿真模型与最优参数组合进行验证，确定仿真模型的可靠性。1基于CFD-DEM 的耦合仿真模型建立1.1几何模型建立参考戴亿政等14 的研究，波纹管几何结构如图 1-a 所示，图中 d 表示波纹管内径，A 表示幅宽，L 表示波长，S 表示波纹间距，H 表示总长。三维建模效果如图 1-b 所示。1.2Fluent 参数设置1.2.1数学模型本次研究模拟工作介质为不可压缩牛顿流体空气，忽略流体流动时黏性耗散作用，假设波纹管壁面为刚性17。连续性方程、动量方程、能量方程分别表示如下18:连续性方程:u=0。(1)动量方程:ut+u()u=f p+2u。(2)能量方程:cpTt+u()T=2T+q。(3)a，波纹管几何结构图;b，三维建模效果图。a，Bellows geometric structure diagram;b，3D modeling rendering图 1波纹管结构示意图Fig 1Structural diagram of bellows291浙江农业学报第 35 卷第 1 期式中:u 为速度矢量，m s1;t 为时间，s;T 为温度，K;为密度，kgm3;f 为单位质量上的质量力，N kg1;p 为压强，Pa;为动力黏度，Pa s;cp为定压比热容，J kg1 K1;为导热系数，W m1 K1。1.2.2网格划分与模拟方法利用前处理软件 Meshing 进行网格划分，由于波纹管本身曲率变化较大，对整体进行网格划分时采用 Tet/Hybrid 非结构性网格19。划分完成后通过软件自带的 Statistic 功能进行质量检验20。划 分 后 网 格 数 量 233 634，节 点 数 量80 911，平均偏度(skewness)为 0.25，正交质量(orthogonal quality)为 0.823，说明网格质量较好可以用来模拟，网格划分效果如图 2 所示。考虑到实际使用情况，将进出口适当延长以消除仿真过程中物理边界对进出口边界影响。模拟方法根据流动状态雷诺数判断，雷诺数计算公式如下:Re=L。(4)式中:Re表示雷诺数;表示密度，kg m3;表示速度，ms1;L 表示特征长度，m;表示动力黏度，Pa s1。试验模拟工作介质为标准条件下空气，密度为 =1.29 kg m3，动力黏度 =1.79 105Pa s，特征长度 L=0.06 m。参考文献 21，模拟风速 =25 m s1，将空气物性参数与风速带入公式(4)可得波纹管入口处雷诺数 Re=108 136 4 000，因此本次模拟