基于Fluent对文丘里施肥器的仿真与模拟.pdf

基于F l u e n t对文丘里施肥器的仿真与模拟刘 鹏,庄卫东(黑龙江八一农垦大学,黑龙江 大庆 1 6 3 3 1 9)摘要:文丘里施肥器是水肥一体化系统中常用的施肥装置,为提高文丘里施肥器工作性能,对文丘里施肥器进行优化设计,通过A n s y s W o r k b e n c h 2 0 1 9 R 2软件对文丘里施肥器进行流场分析,阐述流体仿真软件F l u e n t对文丘里施肥器模拟仿真过程,得出压力云图、速度云图、速度矢量图,并对流体压力、速度进行模拟分析。关键词:文丘里施肥器;F l u e n t;仿真模拟0 引言文丘里施肥器是目前最常用的灌溉施肥装置之一,利用压差来吸取肥料溶液1。随着农业现代化的快速发展,滴灌系统在农林灌溉中的重要性日益突出,越来越被人们所重视2,3。目前,国内和国外的许多学者对文丘里施肥器进行了大量研究,严海军等研究了4种组合喉管文丘里施肥器的吸肥性能,建立了喉部尺寸与吸肥流量比的回归模型4。王海涛等开展了6种文丘里施肥器的肥料吸收效率、压力能耗的试验研究5。但是试验研究耗费时间长,且需花费大量资金,而数值模拟方法以其高效、快捷、低成本等因素在农业灌溉领域得到应用。本文利用A n s y s W o r k b e n c h 2 0 1 9 R 2中的F l u e n t对文丘里施肥器进行仿真模拟。1 文丘里施肥器原理1.1 工作原理 文丘里施肥器内部结构一般由入口段、收缩段、喉部、吸肥段、扩散段和出口段组成(见图1)。文丘里施肥器可分为3部分,第一部分为入口段、收缩段、喉部,收缩段管径比入口段管径小,且管径呈逐渐变小趋势,到达喉部时管径达到最小,此时水流从进水口进入到达收缩段时,水流速度会逐渐增大,到达喉部时水流速度达到最大值。第二部分为吸肥图1 文丘里施肥器结构图1.入口段 2.收缩段 3.喉部 4.吸肥段 5.扩散段 6.出口段段,由于水流流经喉部速度达到最大值,此时高速流动的水流将压力能转换为动力势能,喉部附近的空气被排空,形成负压区,当负压达到一定程度时会将肥液吸取到施肥器内部,与水流进行混合。第三部分为扩散段和出口段,水流与肥液混合完成形成混合液,此时水流将一部分动能传递给混合液,混合液经过扩散段到达出口段将动能再次转换成压力能,使得施肥器出口处具有一定压力将混合液排出6。文丘里施肥器在安装使用过程中应注意,连接时切勿将入口与出口管道相连接,出口与入口管道相连接,错误连接将会导致文丘里施肥器吸肥效率变低,水和肥液混合不均匀。1.2 基本方程文丘里施肥器中的流体为水和肥液,在文丘里施肥器内混合时应符合质量和能量守恒定律,其基本控制方程可用连续性方程(式1)和伯努利方程(式2)表示7。Q=v1A1=v2A2(1)P+gh+12v2=C(2)收稿日期:2 0 2 2-1 1-1 8作者简介:刘鹏(1 9 9 8-),男,在读硕士。通讯作者:庄卫东(1 9 7 0-),男,教授,江苏邳县人,主要从事精准农业和智慧农业的研究。49 现代化农业 2 0 2 3年第9期(总第5 3 0期)式中:Q为流量,m3/s;v1、v2为两不同断面的流速,m/s;A1、A2为两不同断面的面积,m2;P为压力,MP a;为流体密度,k g/m3;g为重力加速度,m/s2;h为高度,m;C为常量。2 文丘里施肥器数值模拟A n s y s软件是目前使用人数最多,功能最全面的一款计算流体力学软件,是一款多用途通用有限元法计算机辅助工程软件,拥有完整的计算流体力学求解过程软件,包括有限元模拟的全过程。A n s y s W o r k-b e n c h 2 0 1 9 R 2是结合了A n s y s的几个核心软件模块的协同仿真环境。用户可以使用软件进行绘图作业,建立二维或者三维的图形,建立网格,运行求解计算,进行结果分析。它是一个完整的系统,能使用户清晰了解计算过程,掌握数据关系。可用于模拟多物理场环境工程问题8。F l u e n t的优势在于其内部有独立的数据库,数据库内有非常丰富的资源数据供用户选择,同时用户也可以选择自己制定材料;并且它还可以提供二次开发接口(UD F),在计算出结果后,后处理系统可生成可视化的图表以及相应的曲线9。2.1 建立模型D e s i g n M o d e l e r是A n s y s W o r k b e n c h中的几何建模软件,可进行2 D草图和3 D模型的构建。此模拟使用S o l i d w o r k 2 0 2 0软件对文丘里施肥器进行模型建立,将三维模型保存为x_t格式。使用A n s y s W o r k-b e n c h 2 0 1 9 R 2软件中的G e o m e t r y模块,导入x_t格式的文丘里施肥器模型。首先对模型进行固定操作,选择C o n c e p t-S u r f a c e s F r o m E d g e s并设置文丘里施肥器的进水口,吸肥口以及出口。其次选择T o o l s-F i l l,并在下方操作面板选择B y C a v i t y选项,选择进水腔,吸肥腔,出水腔,使模型处于封闭状态。最后对所有操作进行求解,可得到文丘里施肥器内部流道模型。2.2 网格划分网格划分是有限元分析的关键步骤之一,在使用数值方法求解控制方程时,进行离散计算,对网格进行划分。用有限元的离散点代替原来的连续空间,几何模型生成节点和单元的有限元模型,计算仅包括网格中的节点和单元。该研究采用M e s h模块对网格进行划分,M e s h模块是一个先进的流体模拟前处理软件,具有高效的体积网格生成技术。将内部流道模型导入到网格模块中来创建网格。首先,选择M e s h-i n s e r t-B o d y S i z i n g将文丘里施肥器整体选中并设置单元尺寸。其次,选择M e s h-i n f l a t i o n设置边界。最后,点击生成网格,本次模拟共生成5 3 9 3 9个节点和1 7 3 0 4 1个体网格。2.3 设置求解控制参数将模型导入到S e t u p模块中进行参数的设置。首先进行求解器的选择,P r e s s u r e-B a s e d(分离式求解器)和D e n s i t y-B a s e d(耦合式求解器)是F l u e n t软件中的两种求解器。P r e s s u r e-B a s e d采用压力修正算法,擅长求解不可压缩流和可压缩流。D e n s i t y-B a s e d的控制方程是矢量的形式,主要的离散格式有R o e和AU S M+,但目前的格式因为没有限制器而不够完善1 0,本次模拟选取分离式求解器。流体流动有两种性质:湍流和层流。打开能量方程,设置湍流模型。湍流模型主要有S p a l a r t-A l l m a r a s模型(S-A)、k-模型、R S M雷诺应力模型、k-e p s i l o n模型等8。k-e p s i l o n模型是基于湍流动能k和湍流耗散率的湍流模型。它是一个非常流行的两方程模型,具有可靠性好、收敛性好、内存需求低等优点1 1。文丘里施肥器的求解选用k-e p s i l o n模型。k-e p s i l o n模型又分为标准k-e p s i l o n模型、R NG k-e p s i l o n模型和R e a l i z a b l e k-e p s i l o n模型。标准k-e p s i l o n模型假定流场为完全湍流流动,相较于其余两种模型适用范围更广,本次模拟选取标准k-e p s i l o n模型,表达式如下。t(k)+xi(k ui)=xj(+tk)kxj+Gk+Gb-YM+Sk(3)t()+xi(ui)=xj(+t)xj+C1 k(Gk+C3 Gb)-C2 2k+S(4)式中:YM为可压缩流动中,湍流流动对耗散率贡献项,不可压缩流动时为0;C1、C2、C3 为常量;k为k方程的P r a n d t l数;为方程的P r a n d t l数;Gk为由层流速度梯度产生的湍动能;t为湍流速度;Gb是由浮力引起的湍动能;Sk为用户定义的湍动能;S为用户定义的湍流耗散源项。方程中的C1、C2、C3、k、59 现代化农业 2 0 2 3年第9期(总第5 3 0期)在F l u e n t中的默认值分别为1.4 4、1.9 2、0.9 9、1.0、1.3。由于水和肥液的密度不同,且需在腔体内充分混合,选取S p e c i e s中的组分输运模型,设置边界材料:水密度1 0 0 0 k g/m3,动力黏度为0.0 0 1 k g/(ms),入口速度设置为1 m/s;肥料密度1 1 0 6 k g/m3,动力黏度为0.0 0 5 k g/(ms),吸肥支管端为压力入口,出口处设置为压力出口,在湍流模型中选择标准壁面方法。2.4 模拟结果利用F l u e n t软件来模拟文丘里施肥器运行时的工作状况,可以为后续的工作提供参考。求解完成后,点击r e s u l t s模块建立云图参考平面,建立云图获得压力云图、速度矢量图(如图2、3)。图2 压力云图 图3 速度矢量图 文丘里施肥器进水口处的压力高,当流体通过收缩段时,流速会逐渐增大,压力会逐渐减小,在喉管处形成负压区。肥液被吸入文丘里施肥器,之后经过扩散段压力逐渐回升,压力云图如图2所示。同时,喉管变细,导致通过的流体变少,由于节流,在喉管处形成轴向对称的峰值速度带。这一速度带的强度随着扩散段的延长而逐渐减小,但出口管道的流速相较与入口管道的流速存在明显的流体加速带,速度矢量图如图3所示。3 总结文丘里施肥器结构简单、寿命长、价格低、能耗低、防沉积、防堵塞、容易更换并且可以使用多个文丘里施肥器并联进行施肥,这些优点使得文丘里施肥器在水肥一体化灌溉系统中被广泛应用,但是文丘里施肥器的缺点也很明显,起动时压力大、使用过程中压力损失较大、稳定性差也限制了它的使用范围。利用F l u e n t软件进行模拟仿真,可以清晰地观察到水和肥液在文丘里施肥器内部的压力分布、速度分布,对后续做试验具有一定参考价值。4 参考文献1 张晓明,鲍安红,谢守勇,等.基于F l u e n t的文丘里管结构参数对吸肥性能的影响J.江苏农业科学,2 0 1 7,4 5(1 8):2 0 8-2 1 0.2 林棋,娄晨.基于AN S Y S-C F X的文丘里管水力特性数值研究J.石油工业技术监督,2 0 1 4,3 0(6):4 1-4 5.3 连松锦,马栋棋,姜利昭,等.三种不同结构的文丘里施肥器对比分析研究J.机电技术,2 0 2 2(4):5 5-5 7,6 0.4 严海军,初晓一,王敏,等.微灌系统文丘里施肥器吸肥性能实验J.排灌机械工程学报,2 0 1 0,2 8(3):2 5 1-2 6 4.5 王海涛,陈晏育,王建东,等.微灌用文丘里施肥器综合性能试验研究J.排灌机械工程学报,2 0 1 8,3 6(4):3 4 0-3 4 6.6 张建阔.文丘里施肥器变量施肥调控装置设计与试验D.昆明:昆明理工大学,2 0 1 8.7 郑艳娜,朱永英,袁丽蓉,等.水力学M.南京:东南大学出版社,2 0 1 7.8 白广宇.多层覆盖一体式日光温室热环境模拟与优化D.大庆:黑龙江八一农垦大学,2 0 2 1.9 王福军.计算流体动力学分析M.北京:清华大学出版社,2 0 0 4.1 0 李明宇.基于C F D的压电式喷墨过程仿真研究D.沈阳:东北大学,2 0 1 5.1 1 于茜.推进泵进水流道优化设计及变工况分析D.大连:大连理工大学,2 0 2 0.(0 0 8)69 现代化农业 2 0 2 3年第9期(总第5 3 0期)