一种叶片式抛送装置出料管结构形状优化设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种叶片式抛送装置出料管结构形状优化设计方法，其特征在于：步骤如下：1)通过高速摄像试验观察出料管中物料的运动规律，结合理论分析建立出料管中物料运动的数学模型；2)采用欧拉-拉格朗日法对出料管中的气固两相流动进行数值仿真，其中物料运动规律采用用户自定义函数，为上述已建物料运动数学模型，并将数值仿真结果与高速摄像试验结果比较验证其可靠性；3)在相同工况情况下，选取出料管结构形状及参数，对其内部气固两相流动进行仿真，利用物料离开出料管的运动速度的仿真结果，确定出料管结构形状的优化结果。本发明缩短了开发周期，而且提高了设计效率、设计质量和一次开发的成功率。
【专利说明】一种叶片式抛送装置出料管结构形状优化设计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于农业纤维物料收获和加工机械设计与计算机辅助设计的交叉领域，具体地说，涉及一种叶片式抛送装置出料管结构形状优化设计方法。
【背景技术】
[0002]叶片式抛送装置广泛应用于各种牧草、青贮饲料收获机、秸杆粉碎还田机、各种揉碎机和切碎机等农业纤维物料收获和加工机械上。叶片式抛送装置主要由抛送叶轮、抛送外壳以及出料管(包括出料直管和出料弯管)等组成。工作时高速旋转的抛送叶轮所产生的空气流在出料管协助输送物料。
[0003]在实际应用中，叶片式抛送装置主要存在着抛送功耗大、抛送效率低，容易堵塞以及抛送距离不能满足要求等问题。为了将物料抛送到指定位置，出料管由出料直管和出料弯管两部分组成。物料沿直管运动经过弯管部分会与弯管外壁发生碰撞，然后沿弯管外壁运动直到被抛出。如果出料管的结构形状设计得不合理，物料与管壁的碰撞、摩擦能耗就会增大，物料离开出料管的速度降低，不但会使抛送功耗增大，抛送效率降低，抛送距离不能满足要求，而且极易使抛送装置堵塞。
[0004]目前国外主要采用试验研究的方法通过改进结构来降低叶片式抛送装置的功耗、提高抛送效率以及增加抛送距离。国内主要通过理论分析和试验研究的方法确定某些特定条件下抛送装置的结构参数。设计出的抛送装置是否功耗小、抛送效率高、不易阻塞且满足抛送距离要求，还需加工出样机进行试验研究才能确定，如不满足要求还需重新调整其结构及形状参数。存在设计研发过程周期长、工作量大、成本高等缺陷，制约了产品质量的提闻。
[0005]计算流体力学仿真技术已经比较成熟，为叶片式抛送装置出料管的结构优化设计提供了强有力的工具。利用该技术可以快速模拟各种真实工况下出料管内物料的运动特征以及速度，从而无需制造物理样机就可获得抛送装置出料管的优化设计方案，不仅缩短了开发周期，而且提高了设计效率、设计质量和一次开发的成功率。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是克服上述缺陷，提供一种基于计算机仿真的适应快速开发需求的叶片式抛送装置出料管结构形状优化设计方法，利用物料离开出料管时的运动仿真结果，来确定出料管结构形状优化设计方案。最终获得一个结构形状更为合理的叶片式抛送装置出料管，从而有效地降低抛送装置功耗，提高抛送效率，满足抛送距离要求。
[0007]为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是:
[0008]一种叶片式抛送装置出料管结构形状优化设计方法，其特征在于:步骤如下:
[0009]I)、通过高速摄像试验观察出料管中物料的运动规律，结合理论分析建立出料管中物料运动的数学模型；
[0010]2)、采用计算流体力学软件Fluent中的欧拉-拉格朗日法对出料管中的气固两相流动进行数值仿真，其中物料运动规律采用用户自定义函数，为上述已建物料运动数学模型，并将数值仿真结果与高速摄像试验结果比较验证其可靠性；
[0011]3)、在相同工况情况下，选取出料管结构形状及参数，对其内部气固两相流动进行仿真，利用物料离开出料管的运动速度的仿真结果，确定出料管结构形状的优化结果。
[0012]作为一种改进的技术方案，所述步骤I)中建立抛送装置出料管内物料运动的数学模型:
[0013]由高速摄像试验可观察到物料颗粒离开抛送叶片后，以分散的方式沿出料直管垂直向上运动，直到与出料弯管上壁碰撞，然后以密集的方式沿弯管上壁运动直至被抛离出料管；
[0014](I)物料颗粒刚离开抛送叶片时，受到的离心力远大于气流所受到的离心力，因此物料速度％大于气流平均速度Ua，气流对物料的作用力Pa为气动阻力，方向与物料运动方向相反；物料在重力、摩擦碰撞阻力及气动阻力作用下以分散的方式沿出料直管垂直向上运动，其速度逐渐下降，当下降到低于气流速度时，气流对物料产生向上的气动力，维持物料向上的速度；
[0015]出料直管内物料运动的方程式为:
【权利要求】
1.一种叶片式抛送装置出料管结构形状优化设计方法，其特征在于:步骤如下: 1)、通过高速摄像试验观察出料管中物料的运动规律，结合理论分析建立出料管中物料运动的数学模型； 2)、采用计算流体力学软件Fluent中的欧拉-拉格朗日法对出料管中的气固两相流动进行数值仿真，其中物料运动规律采用用户自定义函数，为上述已建物料运动数学模型，并将数值仿真结果与高速摄像试验结果比较验证其可靠性； 3)、在相同工况情况下，选取出料管结构形状及参数，对其内部气固两相流动进行仿真，利用物料离开出料管的运动速度的仿真结果，确定出料管结构形状的优化结果。
2.根据权利要求1中所述的一种叶片式抛送装置出料管结构形状优化设计方法，其特征在于:所述步骤I)中建立抛送装置出料管内物料运动的数学模型: 由高速摄像试验可观察到物料颗粒离开抛送叶片后，以分散的方式沿出料直管垂直向上运动，直到与出料弯管上壁碰撞，然后以密集的方式沿弯管上壁运动直至被抛离出料管； (1)物料颗粒刚离开抛送叶片时，受到的离心力远大于气流所受到的离心力，因此物料速度％大于气流平均速度Ua，气流对物料的作用力Pa为气动阻力，方向与物料运动方向相反；物料在重力、摩擦碰撞阻力及气动阻力作用下以分散的方式沿出料直管垂直向上运动，其速度逐渐下降，当下降到低于气流速度时，气流对物料产生向上的气动力，维持物料向上的速度； 出料直管内物料运动的方程式为:
3.根据权利要求1中所述的一种叶片式抛送装置出料管结构形状优化设计方法，其特征在于:所述步骤2)中基于欧拉-拉格朗日法建立出料管中气固两相流动数值仿真模型: 选取整个叶片式抛送装置的流动空间作为计算区域，在CFD的前处理软件GAMBIT中生成计算区域的实体模型，并对计算区域进行网格划分；计算区域的进口设为速度进口边界条件，出口设为压力出口，给定标准大气条件作为压力边界值； 采用欧拉-拉格朗日法模拟出料管内的气固两相流动，即在欧拉坐标系下考察气流的运动，在拉格朗日坐标系下研究固体颗粒的运动；选取Fluent软件中的DPM(DiscretePhase Model)模型，考虑物料流和气流的相互作用，采用耦合计算；其中出料管中物料运动规律采用用户自定义UDF(User-Defined Functions、)函数,为上述已建物料运动数学模型；将数值模拟结果与出料管内物料运动的高速摄像试验结果比较，验证数学模型及数值计算结果的可靠性。
4.根据权利要求1中所述的一种叶片式抛送装置出料管结构形状优化设计方法，其特征在于:所述步骤3)利用数值仿真模型对叶片式抛送装置出料管结构形状进行优化 在相同工况下，分别选取出料管结构形状及参数，对各种形状出料管内部气固两相流动进行仿真，利用物料离开出料管速度的仿真结果，确定出料管结构形状的优化结果；相同条件下，物料离开出料管的速度越高，那么物料与管壁碰撞、摩擦能耗越小，功耗越小，抛送效率越高，抛送距离越远，越不易堵塞。
【文档编号】G06F9/455GK103617331SQ201310675254
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2013年12月13日
【发明者】翟之平, 周蕊, 周岗, 朱明新, 杨忠义 申请人:内蒙古工业大学