基于Matlab的轴流风机风筒导流锥角的研究

汤双清 胡兰兰

（三峡大学 机械与动力学院，湖北 宜昌 443002）

使用农药防治农作物病虫草害，其最终目的是要用最少量的农药取得最佳防治效果［1］.目前我国农药喷洒面积较大，基本都采用机器喷洒农药.轴流风机是喷雾机器人的核心零件，而车载施药喷雾机器人的消杀效果直接影响着药液使用效率，在当前农药污染严重的情况下更要考虑这些因素，叶片作为轴流风机的核心工作部件，其性能优劣直接决定着轴流风机的实际工作效率高低［2］.锥角是喷雾风机设计中最为重要的一个参数，目前对喷雾机风筒锥角的设计大小不一，没有可行的理论作为设计的依据.虽然它的变化范围很小，但是变化值对于喷雾效果有重要影响，这是因为喷雾风筒内的药液在经过叶片高速旋转雾化分离后，需要经过导流锥角锥段排出，导流锥角大小影响风筒内部压力变化.因此，对风机导流锥角大小的研究对于锥角参数的设计有着重要的工程指导意义.

1 轴流风机几何建模及相关参数

本文以车载式喷雾机为载体，采用的电机额定功率为5.5kW，额定转速为1 430rpm，轴流风机在标准大气压下以稳定工况运行，空气密度为1.225m3／s，计算过程中忽略重力对流场的影响.本文采用的是SOLIDWORKS三维建模软件建立轴流风机叶片的三维模型，如图1所示，轴流风机风筒三维模型，如图2所示，然后导入ADINA软件中，由于采用的轴流风机叶片结构所在的流场简单，所以直接在有限元分析软件ADINA中建立轴流风机的流场模型并得出表1和表2中的数据［3］.

图1 轴流风机叶片简化模型

图2 轴流风机风筒三维模型

风机模型的相关参数为：轴径D＝0.08m，轴长L＝0.08m，叶片的长度、宽度、厚度分别为0.2m、0.06m、0.01m，叶片数为3，叶片呈120°等距分布，叶片与轴线方向夹角为35°.此外，本文还对轴流风机的结构进行了适当的简化，即忽略了轴流风机叶片与电机轴的连接部分，而将载荷直接加载到轴流风机轴上.

2 轴流风机流场的压强与风筒导流锥角的关系

本文分别选择轴流风机风筒导流锥角处于0°、10°、20°、30°状态下，通过 ADINA 软件分析计算出纵截面最大、最小压强，横截面最大、最小压强和绝对最大压强的数值，数据见表1［3］.

表1 风机流场的压强与风筒导流锥角

本文取轴流风机风筒导流锥角为x，风筒的纵截面最大压强为函数P1，风筒的纵截面最小压强为函数P2，风筒的横截面最大压强为函数P3，风筒的横截面最小压强为函数P4，风筒的绝对最大压强为函数P5，利用牛顿插值法［4］，可以得出P1、P2、P3、P4、P5的函数表达式如下：

利用 Matlab软件，取步长为0.01，分别绘制出P1、P2、P3、P4、P5曲线，如图3所示.

图3 风机流场的压强与风筒导流锥角的曲线

曲线分析结果：风筒导流锥角在0～30°范围内变化时，风筒的纵截面最大压强P1呈平滑下降趋势变化，整体变化差为1.2Pa；风筒的纵截面最小压强P2在5°时达到最小，在30°时达到最大，整体变化差为0.12Pa；风筒的横截面最大压强P3在7°附近达到最小，在24°达到最大，整体变化差为0.02Pa；风筒的横截面最小压强P4呈直线下降趋势变化；风筒的绝对最大压强P5在10°附近达到最大，0°时最小，整体变化差为0.017Pa.

3 轴流风机流场的速度与风筒导流锥角的关系

本文分别选择轴流风机风筒导流锥角处于0°、10°、20°、30°状态下，通过 ADINA 软件分析计算出纵截面最大、最小速度，横截面最大、最小速度和绝对最大速度的数值，数据见表2［3］.

表2 风机流场的速度与风筒导流锥角

本文取轴流风机风筒的导流锥角为x，风筒的纵截面最大速度为函数V1，风筒的纵截面最小速度为函数V2，风筒的横截面最大速度为函数V3，风筒的横截面最小速度为函数P4，风筒的绝对最大速度为函数P5，利用牛顿插值法［4］，可以得出V1、V2、V3、V4、V5的函数表达式如下：

利用 Matlab软件，取步长为0.01，分别绘制出V1、V2、V3、V4、V5曲线，如图4所示.

图4 风机流场的速度与风筒导流锥角的曲线

曲线分析结果：风筒的导流锥角在0～30°范围内变化时，风筒的纵截面最大速度V1和横截面最大速度V3均在7°附近达到最小，25°附近达到最大，整体变化差为0.35m／s；风筒的纵截面最小速度V2为定值－1.652m／s；风筒的横截面最小速度V4在8°附近达到最小，在0°达到最大，整体变化差为0.006m／s；风筒的绝对最大速度在13°附近达到最大，在0°最小，整体变化差为0.09m／s.

4 总 结

由以上分析结果可知，采用牛顿插值法处理仿真实验数据求出插值多项式，通过Matlab编程绘制出函数曲线.压强曲线结果表明，在0～30°范围内，风筒的导流锥角越大，轴流风机整体压强变化越小，风机工作可靠性越高；速度曲线结果表明，在0～30°范围内，风筒的导流锥角在7°时，轴流风机整体速度变化最平稳，风机工作性能越好.总之，本文为轴流风机风筒的导流锥角大小的设计提供了一定的理论参考.

［1］ 张发军，方文杰.动态施药模糊神经控制系统的设计与研究［J］.中国农机化，2012（5）：122－125，140.

［2］ 申卫星.泰山松材线虫病、美国白蛾风险分析评估与预警技术研究［D］.泰安：山东农业大学，2012.

［3］ 雷 祎.流固耦合下风机叶片随导流锥角变化的动态响应研究［D］.宜昌：三峡大学，2014.

［4］ 杜廷松，沈艳军，覃太贵.数值分析及实验［M］.北京：科学出版社，2006.