(1.石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，河北 石家莊 050043；)

0 引言

在我國北方地區(qū)的冬季，降雪與風(fēng)吹雪時常會將鐵道線路掩埋，阻斷鐵路運(yùn)輸。覆蓋在鐵路上的積雪如果不能得到及時清除，將對我國各地間經(jīng)濟(jì)文化交流產(chǎn)生非常不利的影響。針對該問題，傳統(tǒng)的解決方法是利用人工挖掘的方法清除積雪，但是人工除雪成本高，效率低，難以滿足快速恢復(fù)鐵路通行的要求。近年來，機(jī)械式除雪快速發(fā)展，該方式作業(yè)效率高，成本卻比人工除雪低得多，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

自主研制的除雪裝置屬于拋揚(yáng)式除雪機(jī)械，在其使用過程中，出現(xiàn)拋雪效率低、能量消耗大、拋雪筒易發(fā)生堵塞等缺陷[1]。拋雪風(fēng)機(jī)是拋揚(yáng)式除雪裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，其結(jié)構(gòu)是否合理直接決定了除雪裝置的性能。風(fēng)機(jī)內(nèi)部的氣固兩相流場相當(dāng)復(fù)雜[2-3]，難以直接觀察其流動特性，因此文章利用CFD的方法，對風(fēng)機(jī)內(nèi)部的氣固兩相流場進(jìn)行仿真研究，分析機(jī)殼形狀、風(fēng)扇葉片安裝傾角和葉片數(shù)目等參數(shù)對氣固兩相流場和雪的速度濃度分布的影響，并對風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

1 模型建立與仿真

拋雪風(fēng)機(jī)進(jìn)行拋雪作業(yè)的過程，是個非常復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)、三維、不可壓縮的氣固兩相流體運(yùn)動過程。要對這個過程用數(shù)值方法進(jìn)行完全的描述與計算，是不可能完成的[4]。因此需要忽略掉一些非關(guān)鍵的流動特征，對CFD模型進(jìn)行一些理想化的假設(shè)：

(1)拋雪風(fēng)機(jī)內(nèi)部流體為雪跟空氣的混合物，不考慮其他的物質(zhì)成分。

(2)由于風(fēng)機(jī)風(fēng)扇的作用，進(jìn)入風(fēng)機(jī)的雪密度會增大，取雪的密度為688 kg/m3，空氣密度為1.225 kg/m3。

(3)不考慮氣體與雪的質(zhì)量交換和能量交換，并把雪視為連續(xù)的流體[5]。

(4)不考慮溫度變化。

(5)把拋雪風(fēng)機(jī)的壁面視為剛體。

(6)流體僅從入口進(jìn)入，從出口拋出。

1.1 流道三維建模與網(wǎng)格劃分

用FLUENT建模之前，首先要對拋雪風(fēng)機(jī)的流道建立三維模型，流道直徑為720 mm，扇葉葉片旋轉(zhuǎn)半徑為350 mm，寬度300 mm，安裝傾角為0°，出風(fēng)口尺寸為300 mm×260 mm,保存為.xt格式，建好的拋雪風(fēng)機(jī)流道三維模型如圖1所示。

將建好的三維模型導(dǎo)入ANSYS workbench軟件的geometry模塊，對模型進(jìn)行分塊處理，為后期CFD模型的參數(shù)設(shè)置提供便利。設(shè)置幾何體類型為流體，切分風(fēng)扇扇葉旋轉(zhuǎn)的區(qū)域?yàn)殪o域，如圖2所示，切分非扇葉旋轉(zhuǎn)區(qū)域?yàn)閯佑?，如圖3所示，并將入口面、出口面、扇葉面分組命名。

將處理好的模型導(dǎo)入FLUENT軟件的mesh模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于mesh模塊的網(wǎng)格自動劃分功能已經(jīng)相當(dāng)強(qiáng)大，設(shè)置網(wǎng)格劃分質(zhì)量為最好，自動劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分完成后如圖4所示，整個模型劃分網(wǎng)格數(shù)目為57 408個。

圖1 拋雪風(fēng)機(jī)流道三維模型

圖2 幾何模型靜域

圖3 幾何模型動域

圖4 流道網(wǎng)格模型

圖5 定義入、出口面

1.2 流體區(qū)域與邊界條件設(shè)置

拋雪風(fēng)扇內(nèi)部的氣固兩相流采用Eulerian多相流模型進(jìn)行數(shù)值模擬計算，隱式求解法進(jìn)行計算[6]。湍流模型采用的是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[7]，邊界條件為無滑移壁面邊界條件。定義流道模型的前面為入口面，定義拋雪筒面為出口面，如圖5所示。設(shè)置空氣密度為1.225 kg/m3，黏度為1.789 4e-05 kg/(m·s)。雪的密度為688 kg/m3，黏度為1.72e-05 kg/(m·s)。

在進(jìn)行CFD數(shù)值計算時，選擇MRF模型即多重參考系模型模擬拋雪風(fēng)機(jī)的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)流場，風(fēng)扇扇葉所在旋轉(zhuǎn)區(qū)域?yàn)閯佑颍O(shè)定在運(yùn)動坐標(biāo)系，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速設(shè)為700 r/min其余部分處于靜止?fàn)顟B(tài)為靜域，設(shè)定在固定坐標(biāo)系。拋雪風(fēng)機(jī)的進(jìn)雪口即入口面設(shè)置為速度入口，混合物料中空氣與雪的體積分?jǐn)?shù)各占50%，進(jìn)料速度為0.3 m/s。出口處定義為壓力出口，壓力邊界大小為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值。設(shè)置完成后，進(jìn)行仿真計算，計算結(jié)果收斂。

2 仿真結(jié)果分析

仿真計算完成后，用FLUENT的后處理模塊對仿真結(jié)果進(jìn)行分析處理，得到了Z等于150 mm處拋雪風(fēng)機(jī)剖面的壓力云圖、雪的速度云圖、雪的體積濃度云圖和雪的速度矢量圖。如圖6～圖9所示。

圖7 Z=150 mm處剖面雪的速度云圖

圖8 Z=150 mm處剖面雪的體積濃度云圖

圖9 Z=150 mm處剖面雪的速度矢量圖

由壓力云圖可知，拋雪風(fēng)機(jī)內(nèi)部壓力值要小于外界標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)將流體排向拋雪筒，使風(fēng)扇筒內(nèi)形成了低壓區(qū)，對風(fēng)機(jī)外空氣產(chǎn)生吸引的效應(yīng)，其中，拋雪筒下方區(qū)域壓力值最低。

由雪的體積濃度云圖可知，雪在風(fēng)機(jī)內(nèi)部各區(qū)域濃度分布并不均勻，在出口處濃度最低，底端遠(yuǎn)離出雪口處雪的濃度最高，最高體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.868 8。由雪的速度云圖和速度矢量圖可知，在拋雪筒的左端出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的渦流和回流現(xiàn)象，且速度很高，達(dá)到了55.25 m/s，雪在拋雪筒的出口處速度約22 m/s，且拋雪風(fēng)機(jī)的機(jī)殼在風(fēng)機(jī)的最低點(diǎn)處開始與風(fēng)扇產(chǎn)生越來越大的空隙，使雪在風(fēng)機(jī)的最低端與風(fēng)扇葉片脫離，拋出方向向右，并沿著機(jī)殼向上滑移，當(dāng)雪運(yùn)動到拋雪筒出口處時，產(chǎn)生了嚴(yán)重的速度損失。因此需要對拋雪風(fēng)機(jī)的機(jī)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)分析與優(yōu)化

3.1 拋雪風(fēng)機(jī)的機(jī)殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了減少拋雪風(fēng)機(jī)拋雪作業(yè)時的速度損失，對風(fēng)機(jī)殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將拋雪筒向左移動，使雪在脫離風(fēng)扇時的速度方向垂直向上。優(yōu)化前后的雪的速度云圖對比如圖10所示。

圖10 優(yōu)化前后雪速度對比云圖

由對比圖可知，對風(fēng)機(jī)機(jī)殼進(jìn)行優(yōu)化后，雪的拋出速度明顯提高，二次回流現(xiàn)象與渦流現(xiàn)象也明顯改善。降低了拋雪過程的速度損失，提高了效率，改善了除雪裝置的性能，因此優(yōu)化后的拋雪風(fēng)機(jī)機(jī)殼結(jié)構(gòu)更為合理。

3.2 不同葉片傾角對流場的影響

利用控制變量的方法對不同葉片傾角對流場的影響進(jìn)行研究，分別研究葉片前傾10°、無傾角、后傾10° 3種狀況下風(fēng)扇內(nèi)部的氣固兩相流動情況。3種狀況的氣固兩相流動雪的速度云圖對比如圖11所示。

圖11 不同葉片傾角風(fēng)機(jī)內(nèi)部雪的速度云圖對比

由圖11可知，不同的葉片傾角對雪的拋出速度大小影響不大，對雪的速度分布影響也很小。當(dāng)葉片左傾10°或葉片右傾10°時，都會使風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣固兩相流動的渦流和回流現(xiàn)象變得更嚴(yán)重，因此，葉片傾角為0°，即葉片徑向安裝，風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)較為合理。

3.3 不同葉片數(shù)對流場的影響

保持其他的條件和參數(shù)設(shè)置不變，分析計算多數(shù)風(fēng)機(jī)采用的3葉片、4葉片、5葉片形式風(fēng)扇，3種風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣固兩相流場活動，得到了3種風(fēng)機(jī)的雪速度云圖以及雪的體積濃度分布圖。其對比圖如圖12、圖13所示。

由圖12可知，葉片數(shù)不同時，對雪的拋出速度有一定的影響，3葉片與4葉片時，雪的拋出速度可達(dá)到37 m/s，當(dāng)葉片數(shù)為5時，雪的拋出速度有一定的降低，只有33 m/s。這是由于5葉片時，相鄰葉片間的夾角低于90°，當(dāng)雪脫離扇葉開始拋出時，相鄰的扇葉會對氣固兩相流體向拋雪筒方向的流動產(chǎn)生一定的阻礙效果，降低了雪的拋出速度。3種葉片風(fēng)機(jī)內(nèi)部都有渦流和回流現(xiàn)象的產(chǎn)生，4葉片時渦流產(chǎn)生區(qū)域最小，且渦流區(qū)域雪的回流速度更低。由圖13可以看出，當(dāng)葉片數(shù)為4時，雪的體積濃度分布更為均勻。綜上分析，風(fēng)扇葉片數(shù)為4時，風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)更為合理。

圖12 不同葉片數(shù)風(fēng)機(jī)內(nèi)部雪的速度云圖對比

圖13 不同葉片數(shù)風(fēng)機(jī)內(nèi)部雪的體積濃度分布云圖對比

4 結(jié)論

(1)經(jīng)除雪車實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，論文所建立的拋雪風(fēng)機(jī)氣固兩相流數(shù)值模型對風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行仿真分析是可行的。

(2)適當(dāng)?shù)臋C(jī)殼形狀有利于改善流場流動狀況，當(dāng)雪的拋出方向平行于拋雪筒即垂直向上時，能夠減少雪與風(fēng)機(jī)內(nèi)壁的摩擦，降低速度和能量損失，提高雪的拋出速度，改善渦流、回流等流動現(xiàn)象。

(3)葉片安裝傾角為0°時，流場流動的渦流回流現(xiàn)象最少，風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)更合理。

(4)當(dāng)葉片數(shù)目為4時，流場內(nèi)部雪的體積濃度分布比3個葉片和5個葉片時更均勻，雪的拋出速度也比較高，渦流回流等流動現(xiàn)象最不明顯，更有利于積雪的拋送。