基于Fluent对文丘里施肥器的仿真与模拟.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、 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
6、 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
7、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
8、,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
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