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便携式采棉机风机的三维数值模拟与优化研究

作　者: 刘文龙
导　师: 冯定忠
学　校: 浙江工业大学
专　业: 工业工程
关键词: 叶轮机械采棉机风机数值模拟效率
分类号: S225.911
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

我国是一个农业大国,棉花种植面积居世界首位,但采摘作业多以落后的手工作业方式为主。近几十年从国外引进和我国自行研制的采棉机都或多或少的存在一些问题,使得机械采棉没有得到大面积的推广。所以,目前市场上迫切需要一款采摘效率高,成本低且便于携带的采棉机。X公司的X牌便携式采棉机能够较好的满足这一市场需求,但是存在着效率低和棉花进入风机后不能及时排出的问题。本文使用商用CFD软件FLUENT对X牌便携式采棉机风机进行了三维数值模拟,并利用所得结果再结合相关理论知识,对其叶轮结构参数和出口进行优化。主要工作及成果如下：(1)完成了采棉机风机的性能测试。建立了风机的三维模型,合理的划分了计算区域,确定了合适的湍流模型与求解参数,完成了对风机内部流场的三维数值模拟。同时,通过与测试结果的对比,验证了数值模拟的准确性。(2)仔细分析了整机的流动规律,形成了风机内部流场整体认识。详细分析了斜槽内的流场和压力,得出了凸台对于棉花在风机内的流动具有重要作用,无需对凸台进行优化的结论。本文还对风机出口内部流场进行了仔细分析,得出了造成出口流场较差,棉花流出不畅的原因是风机奇特的出口方式的结论。(3)利用正交试验设计原理和方法,以风机叶轮的入口角、出口角、厚度及叶片数量作为影响因子,各选四个不同水平,以风机效率为目标,对风机叶轮的结构参数进行优化。优化后风机效率得到了明显提升,但是出口流场没有明显改善。最后通过改变蜗壳出口的办法,优化风机出口流场。优化后风机效率较原风机提升了3.67%,全压较原风机提升了36.95%,风机出口流场得到明显改善,解决了棉花流出不畅的问题。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-21
  1.1 研究便携式采棉机的背景及意义  11-12
  1.2 便携式采棉机介绍  12-15
    1.2.1 便携式采棉机简介  12-13
    1.2.2 风机简介  13-14
    1.2.3 几个特殊名词  14-15
  1.3 叶轮机械与风机的相似性和特殊性  15-16
  1.4 叶轮机械数值模拟的研究现状及发展趋势  16-19
    1.4.1 叶轮机械数值模拟的研究现状  16-19
    1.4.2 叶轮机械数值模拟的发展趋势  19
  1.5 本文研究内容  19-21
第2章风机数值模拟理论基础  21-29
  2.1 计算流体力学理论  21-24
    2.1.1 流体力学的基本控制方程  21-22
    2.1.2 控制方程的离散  22-24
  2.2 湍流模型  24-26
    2.2.1 湍流数值模拟方法介绍  24-25
    2.2.2 湍流基本方程  25
    2.2.3 本文所用的RNG k-ε模型  25-26
  2.3 近壁面流动计算  26-27
  2.4 数值模拟软件介绍  27-28
    2.4.1 GAMBIT  27
    2.4.2 FLUENT  27-28
  2.5 本章小结  28-29
第3章风机测试及数值模拟的前处理  29-41
  3.1 风机性能测试  29-31
    3.1.1 测试装置  29-30
    3.1.2 测试数据分析  30-31
  3.2 几何建模  31-32
  3.3 网格划分  32-37
    3.3.1 网格的类型及其特点  33-34
    3.3.2 网格划分的基本原则  34-35
    3.3.3 机实体网格生成及无关性  35-37
  3.4 边界条件设置  37-39
  3.5 本章小结  39-41
第4章风机三维数值模拟及结果分析  41-59
  4.1 设置计算模型与湍流模型  41-44
    4.1.1 选择求解器  41-42
    4.1.2 设置湍流模型  42-44
  4.2 设置求解参数  44-45
    4.2.1 选择压力速度耦合方法  44
    4.2.2 设置欠松弛因子和离散格式  44-45
  4.3 监视变量及收敛判别  45-47
    4.3.1 监视变量  45
    4.3.2 收敛判别  45-47
  4.4 模拟结果和原机测试结果对比分析  47-48
  4.5 整机流动性规律分析  48-52
  4.6 凸台部分流动性规律分析  52-54
    4.6.1 凸台部分速度分析  52-54
    4.6.2 凸台部分静压分析  54
  4.7 出口部分流动性规律分析  54-58
    4.7.1 出口部分X截面速度分析  54-55
    4.7.2 出口部分Y截面速度分析  55-57
    4.7.3 出口部分Z截面速度分析  57-58
  4.8 本章小结  58-59
第5章风机的优化研究  59-71
  5.1 正交试验介绍  59-60
    5.1.1 正交试验设计方法  59-60
    5.1.2 正交试验的优点  60
  5.2 确定叶轮优化目标和参数  60-61
  5.3 提出优化方案  61-62
  5.4 试验结果及分析  62-67
  5.5 蜗壳出口优化  67-70
    5.5.1 几何模型及数值模拟  67-68
    5.5.2 结果对比分析  68-70
  5.6 本章小结  70-71
第6章总结与展望  71-73
  6.1 总结  71
  6.2 展望  71-73
参考文献  73-77
致谢  77

便携式采棉机风机的三维数值模拟与优化研究

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