CC BY
8УДК. 631.352:634
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРА ДВИЖЕНИЯ ВОЗДУХА В КОЖУХЕ КОСИЛКИ ДЛЯ СКАШИВАНИЯ ТРАВОСТОЯ В МЕЖДУРЯДЬЯХ САДОВ И ВИНОГРАДНИКОВ
Красовский В. В., ассистент кафедры сельскохозяйственной техники; Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского»
В работе исследовались характер течения воздуха в проточной части предлагаемой конструкции ротационной косилки, профиль скорости воздуха в ее выходном сечении и проводилась оценка величины скорости в выходном сечении.
Ключевые слова: агропромышленный комплекс, сельское хозяйство, виноградные насаждения, косилка, экономия, машина, теория, силы, воздушный поток.
RESEARCH OF THE NATURE OF AIR MOTION IN THE CUTTING MOWER'S ENCLOSURE FOR MOWING HERBAGE BETWEEN ROWS OF ORCHARDS AND VINEYARDS
Krasovskiy V. V., assistant of the department of agricultural machinery; Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University»
We investigated the nature of the air flow in the flow part of the proposed construction of a rotary mower, the air velocity profile in its outlet section, and evaluated the magnitude of the velocity in the outlet section.
Key words: agribusiness, agriculture, vineyards, mower, savings, car, theory, power, airflow.
Введение. В предлагаемой конструкции косилки рабочий орган помещен в кожух в форме улитки, а ножи снабжены лопастями (Рис. 1). При вращении ножей с установленными на них лопатками возбуждается воздушный поток, который поднимает примятый травостой, способствуя улучшенному качеству кошения, геометрия кожуха направляет воздушный поток в выходное отверстие, выбрасывая измельченную массу в приствольную полосу.
Материал и методы исследований. Теоретические исследования проводились с использованием основных положений, законов и методов классической газомеханики, теории и расчета авиационных лопаточных машин. В работе исследовались характер течения воздуха в проточной части косилки, профиль скорости воздуха в ее выходном сечении и проводилась оценка величины скорости в выходном сечении.
Результаты и обсуждение. Для выяснения характера течения воздуха в проточной части косилки, профиля скорости воздуха в ее выходном сечении и оценки величины скорости в выходном сечении нами разработана 3D расчетная конечно-элементная модель косилки-измельчителя. Модель разработана
при непосредственном участии доктора технических наук, заведующего кафедрой общетехнических дисциплин АБиП КФУ Завалия Алексея Алексеевича.
Схема модели представлена на рис. 1. Наружный диаметр цилиндра модели - 1200 мм, высота - 150 мм; размеры выходного сечения - 600х150 мм. Вращающийся ротор модели представляет собой цилиндр с 4-мя лопастями шириной 10 мм высотой 150 мм и длиной 570 мм. По всей длине лопасти оснащены горизонтальным ножами шириной 60 мм и высотой 10 мм.
в) г)
Рис. 1. Схема модели косилки-измельчителя а) лопасть параллельна сечения выхода; б) лопасть под углом 22,5° к сечению выхода; в) лопасть под углом 45° к сечению выхода; г) лопасть под углом 67,5° к сечению выхода 1 - ось вращения; 2 - лопасть; 3 - нож; 4 - сечение выхода
Для модели создана сетка конечных элементов, содержащая 2 зоны (объема): зону вращения, содержащую ротор, и неподвижную зону или статор, представляющую объем корпуса косилки (см. рис. 2). Конечные элементы - тетраэдры и треугольные призмы со стороной 10 мм. Зона 1 содержит 32618 узлов и 135863 элемента, зона 2 содержит 108748 узлов и 532668 элементов.
Расчетный анализ модели выполнен в CFD-программе Fluent с использованием неявной схемы решателя (программы численного метода решения систем уравнений) для физических свойств воздуха без учета сил гравитации [1]. Использована k-s модель турбулентности.
Границами расчетной области являются:
- поверхность входа воздуха - нижняя плоскость зоны вращения;
- поверхность выхода воздуха - сечение выхода неподвижной зоны;
- поверхности ротора (вращаются вместе с зоной вращения);
- поверхности корпуса.
Граничные условия решения задачи:
- давления в сечениях входа и выхода равны атмосферному;
- частота вращения зоны вращения и поверхностей ротора - 83 рад/с.
Рис. 2. Конечно-элементное представление модели (сетка конечных элементов показана только для неподвижной зоны) 1 - зона вращения; 2 - неподвижная зона
Для решения задачи, в которой сопряжены вращающаяся и неподвижная области, использована модель Multiple Reference Frame, которая позволяет получить решение для вращающегося ротора в заданный момент его положения в пространстве [2]. Поэтому решение выполнено для 4-х положений лопасти по отношению к сечению выхода (см. рис. 1). Эти положения перекрывают диапазон возможных изменений состояния поля скоростей в сечении выхода и позволяют получить осредненные оценки как профилей, так и величин скорости в этом сечении.
Результаты расчета модели показывают, что течение в межлопастном пространстве характеризуется циркуляционными потоками: зона разрежения за стенкой лопасти формирует восходящий поток воздуха, скорость которого на периферии лопасти достигает 50-80 м/с; зона повышенного давления перед лопастью и над ножом создает нисходящий поток воздуха со скоростями, достигающими 30-50 м/с. На рис. 3 приведены поля статических давлений в поперечном сечении межлопастного пространства для всех расчетных положений ротора.
Как следует из рис. 3 наименьшее статическое давление в зоне выхода из корпуса косилки соответствует положению (а), этому же положению соответствует и наименьшее значение массового расхода воздуха через сечение выхода. Максимальное статическое давление в зоне выхода и расход воздуха через косилку соответствует положению (в).
Максимальная скорость истечения воздуха колеблется в пределах 45-50 м/с в зоне периферийной части лопасти, что практически соответствует окружной скорости ее вращения. Зона высокой (более 40 м/с) скорости истечения составляет от 9,4 до 13,3% площади выходного сечения, что составляет 8460-11970 мм2. Эквивалентный радиус такой зоны равен 51,9-61,7 мм.
а)
б)
I Contours of Static Pressure (pascal)
' z
в) г)
Рис. 3. Поле статических давлений в поперечном сечении межлопастного пространства а) лопасть параллельна сечения выхода; б) лопасть под углом 22,5° к сечению выхода; в) лопасть под углом 45° к сечению выхода; г) лопасть под углом 67,5° к сечению выхода
На рисунке 4 приведены векторные поля скоростей в сечении выхода. Во всех положениях ротора направление истечения потока воздуха практически перпендикулярно плоскости выходного сечения. Рисунок 4 демонстрирует перемещение волны максимальной скорости при изменении угла положения лопасти, то есть зона высокой скорости истечения «следит» за движением лопасти.
На рисунках 4-5 - векторные поля скоростей в поперечных и вертикальных сечениях расчетной области, иллюстрирующие области восходящих и нисходящих потоков воздуха в межлопастных пространствах.
Можно предположить, что восходящие потоки приводят к поднятию и втягиванию стеблей скашиваемой травы в проточную часть косилки сразу за вращающейся лопастью, а нисходящие потоки прижимают стебли к поверхности набегающего на них ножа, что способствует повышению качества скашивания.
ШШШШщщш
Щщщ
И—м—иииии—
В;
Рис. 4. Векторные поля скорости в сечении выхода
а)
б)
VгЬТ, Уес1оге Со1огес4 Ву **< Ь:- ¡|у Мае п йийе Гш'з}
Уе1«11у Эу МвдшЕийе ггл/г.)
Рис. 5. Векторное поле скорости в а) сечении входа (у = 0 мм), б) серединном сечении (у = 75 мм), в) поверхности (у = 149 мм), г) вертикальных сечениях на расстоянии 300 мм от оси вращения 1 - области восходящих потоков; 2 - области нисходящих потоков
Выводы. В результате выполненного численного анализа течения воздуха в проточной части косилки можно сделать следующие выводы:
1. Характер течения воздуха в межлопастном пространстве способствует улучшению качества скашивания травы: восходящие потоки воздуха за вращающейся лопастью поднимают полегшую траву и втягивают ее стебли в проточную часть косилки, а нисходящие потоки перед лопастью прижимают стебли к поверхности набегающего на них ножа.
2. Высокая скорость истечения воздуха из косилки в окрестности положения лопасти должна приводить существенному увеличению расстояния выброса скошенной травы из косилки.
Список использованных источников:
1. FLUENT 6.2 User's Guide [Электронный ресурс] / FLUENT -Режим доступа: http://sydney.edu.au/ engineering/aeromech/AMME5202/ documents/manuals/fluent_help/html/ ug/main_pre.htm.
2. Батурин О. В. Расчет течений жидкостей и газов с помощью универсального программного комплекса Fluent. Учеб. пособие / О. В. Батурин, Н. В. Батурин, В. Н. Матвеев - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. унта, 2009. - 151с.
Сведения об авторе:
Красовский Виталий Викторович -ассистент кафедры сельскохозяйственной техники, Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского», e-mail: vitaliy-krasovskiy@mail.ru, 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского».
References:
1. FLUENT 6.2 User's Guide [electronic resource] / FLUENT -Access: http://sydney.edu.au / engineering aeromech/AMME5202/documents/ manuals/fluent_help/html/ug/main_pre. htm.
2. Baturin O. V. Calculation of liquid and gas flows using the Fluent Universal software. Proc. Benefit / O. V. Baturin, N. V. Baturin, V. N. Matveev - Samara: Publishing House of Samar. state. aerokosm. University Press, 2009. - 151 c.
Information about the author:
Krasovskiy Vitaliy Viktorovich -assistant of the department of agricultural machinery Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» e-mail: vitaliy-krasovskiy @mail.ru, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Ver-nadsky Crimean Federal University» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.
