盤吸式播種機吸嘴流場性能的分析

董春旺,胡斌,毛樹春,李亞兵,韓迎春,馮璐,朱巧玲

(1石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院,石河子832003;2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所,安陽455000)

盤吸式播種機吸嘴流場性能的分析

董春旺1,胡斌1,毛樹春2,李亞兵2,韓迎春2,馮璐2,朱巧玲2

(1石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院,石河子832003;2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所,安陽455000)

為給氣吸式播種機吸嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù),采用CFD方法對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)吸嘴的三維流場進行數(shù)值模擬及分析,得到吸嘴端口結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)與吸附性能的影響關(guān)系。仿真結(jié)果表明:吸嘴吸附性能強弱關(guān)系為V型>U型>A型,吸附能力隨口徑增加而增強,導(dǎo)程對吸附性能影響較小,在吸嘴端口開設(shè)合適錐形角有利于提高取種精度。

播種機;吸嘴;流場分析;仿真;Floworks軟件

Abstract:CFD method was used to analyze the 3D flow fields of nozzles of different structural parameters.Simulation results show that the relationship strength of the absorbablity of the nozzles were V>U>A,and he absorbablity increased when the diameter increased.The lead had a comparatively slight influence on opening appropriate conelike angles at the ends of nozzles will help precision of getting seeds.

Key words:seeder;nozzle;CFD;simulation;floworks software

吸嘴是盤吸式育苗精量播種機的重要工作件之一。盛江源[1-2]、陳進[3]、莊森[4]、B B Gaikwad[5]和P Guarella[6]等基于測點試驗方法或簡化吸嘴為二維的計算模型對吸嘴或吸孔流場特性進行了研究,結(jié)果表明吸嘴端口的形狀、大小對氣吸式播種器的性能有著重要影響。上述研究雖初步揭示了吸嘴流場特性的內(nèi)在規(guī)律,但對吸嘴空間流場分布的描述不是很直觀,吸嘴內(nèi)沿程流速的變化尚未明確,因此,采用三維計算模型分析吸嘴空間流場的效果具有重要意義。

本文對自行設(shè)計的盤吸式棉花育苗播種機[7-9],采用計算流體動力學(xué)仿真技術(shù)對吸嘴的三維流場進行數(shù)值模擬,更直觀地揭示了吸孔形狀、孔徑、導(dǎo)程等因素對種子吸附性能的影響規(guī)律,為該類播種機真空吸嘴的選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)和方法,對進一步提高整機播種性能有參考價值。

1 吸嘴端口結(jié)構(gòu)流場性能分析

吸嘴是盤吸式播種機氣吸系統(tǒng)的終端,與真空吸盤氣室連接相通,在吸孔內(nèi)及端口形成一定負壓來實現(xiàn)取種[8]。常見吸嘴以端口型狀分為:U型嘴、A型嘴和V型嘴等[3,9]。

1.1 模型建立與仿真分析

在 Floworks仿真環(huán)境中[10],用 SolidWorks軟件建立U型嘴、A型嘴和V型嘴的三維計算模型,孔徑均為2 mm,導(dǎo)程為8 mm A型錐角吸嘴錐角依據(jù)棉種結(jié)構(gòu)特點設(shè)置為90°角。吸嘴結(jié)構(gòu)形狀如圖1所示。

作以下假設(shè):吸嘴進氣口流速均勻,所有壁面施加無滑移邊界條件。各參數(shù)與邊界條件設(shè)置為:空氣密度=1.2 kg/m3,吸嘴入口處環(huán)境壓力為101 kPa,出口壓力是播種機氣源(旋渦氣泵)的工作真空度,為15 kPa,即絕對壓力為86 kPa;網(wǎng)格劃分精度選3級,其余選項設(shè)為默認值[10-12]。經(jīng)迭代求解運算后,仿真結(jié)果如圖2所示。

由圖2所示,不同顏色表示不同速度,紅色(圖2中A區(qū))描述高流速,藍色(圖2中B區(qū))描述低流速。U型嘴內(nèi)流速分布均勻;A型嘴導(dǎo)程內(nèi)流速較高,在吸種端口處流速較低且分布不均勻,沿端口中心到邊角位置,流速急速下降;V型嘴和A型嘴剛好相反,在導(dǎo)程內(nèi)流速較低且分布不均勻,而在吸嘴端口范圍,流速急劇上升且在頸口處出現(xiàn)峰值。

圖1 典型吸嘴三維計算模型Fig.1 3D calculation model of typical nozzle

圖2 流速數(shù)值模擬云Fig.2 Numerical simulation of flow chart

表1是3種吸嘴各部位流速的數(shù)值,圖3是 3種吸嘴中軸線流速分布情況。

由表1與圖3知,同等真空度(負壓)下,吸嘴端口流速關(guān)系為:V型>U型>A型,各嘴形的吸嘴最高流速均發(fā)生在吸孔頸口處。由伯努利方程知,流速大則壓力小,吸種口形成的真空度越高(壓力差大),由此可知V型嘴的吸種性能好于U型嘴和A型嘴。

表1 吸嘴內(nèi)各部位流速Tab.1 Various parts of the nozzle flow rate m/s

1.2 吸嘴外流場數(shù)值模擬與端口優(yōu)化

V型吸嘴同等條件下較其它嘴型能獲得最好流速,應(yīng)該具有最好的吸種效果。而實際中由于種子形狀不規(guī)則,頂部與根部直徑差異較大,在吸種過程中,頂部或根部與吸嘴口接觸具有隨機性,當(dāng)種子根部吸附于吸嘴口時易卡死,不能自由落入穴盤而造成空穴。所以有必要在嘴端開設(shè)錐形倒角,以降低吸附卡死幾率。同時吸嘴氣流場分布與端口結(jié)構(gòu)形式有關(guān)[14-15],故采用AL GOR軟件對吸嘴端口外流場模擬[16],如圖4所示。

由圖4可知,當(dāng)氣流通過吸嘴孔時,氣流從吸嘴向外成擴散狀,氣流方向截面呈收縮狀,沿氣流的運動方向流速逐漸增加,到吸嘴口處達到最大速度。對比2種吸嘴,V型直口吸嘴氣流主要源自端口正下方區(qū)域,而設(shè)計錐形角后加大了收縮橫截面積,氣流組成上縱向氣源消弱,兩邊橫向氣源拓寬,優(yōu)化了端口進氣流場,使吸種范圍增加,降低了對真空度的要求,從而既可提高吸附率,又能避免種子卡住的情況。

在樣機性能試驗中發(fā)現(xiàn),吸附時吸嘴與棉種接觸點多為棉種小端(根部)。依據(jù)試驗用新陸早10號光籽棉種為例,其平均基準(zhǔn)尺寸為(長×寬×高)8.5 mm×4.4 mm ×4.1 mm,小端錐角度為 30°～60°,為避免錐角過小投種不暢,設(shè)計吸嘴錐形角度為 60°。

圖4 二種吸嘴端口流場Fig.4 The flow field of two-port nozzle distribution

2 吸嘴參數(shù)對流場性能的影響

2.1 導(dǎo)程流場模擬分析

選擇孔徑為2 mm,吸種導(dǎo)程分別為6 mm、8 mm、10 mm、12 mm的V型錐角吸嘴進行數(shù)值模擬試驗,計算結(jié)果見表2。

由表2可知,吸孔導(dǎo)程增加后,吸孔處的氣流速度有變化,但變化幅度不明顯,也無定向的發(fā)展趨勢。這表明導(dǎo)程更多起到對氣流的調(diào)整和穩(wěn)定作用,增加導(dǎo)程提高了氣流的穩(wěn)定性,但對吸種性能的影響并不大。

表2 不同吸嘴導(dǎo)程的流場特性Tab.2 Different lengths of nozzle flow field characteristics

2.2 孔徑流場模擬分析

選擇孔徑分別為1.8 mm、2.0mm、2.2 mm和2.4 mm、2.6 mm、2.8 mm,導(dǎo)程為8 mm的V型錐角吸嘴進行仿真試驗,統(tǒng)計結(jié)果見表3,吸嘴內(nèi)流速隨孔徑變化趨勢如圖5所示。

由表3和圖5可知,隨著嘴徑的增加,吸嘴口以及頸口峰值氣流速度均增加,在1.8 mm到2.2 mm口徑變化時,氣流速度明顯增加。當(dāng)吸嘴增加到一定寬度值時,幅度趨勢放緩,吸嘴口徑對吸種性能的影響減弱。仿真分析結(jié)果表明:孔徑越大,吸種性能越好。這與理論分析相符合,經(jīng)樣機試驗驗證符合實際工作情況[7],這說明采用CFD數(shù)值模擬吸嘴氣流流場研究吸嘴吸附性能的方法是準(zhǔn)確、可行的。

表3 V型錐角吸嘴口徑的流場特性Tab.3 Different nozzle diameter of the flow field

圖5 不同孔徑吸嘴各部位流速Fig.5 The flow rate in different parts of different diameter nozzles

3 結(jié)論

1)在3種吸嘴結(jié)構(gòu)中,以V型結(jié)構(gòu)的工作效果最好,U型結(jié)構(gòu)的效果次之,A型結(jié)構(gòu)的效果最差。針對棉種的幾何特征,通過嘴端開設(shè)錐角可進一步提高吸嘴取種的精度。

2)吸孔導(dǎo)程對播種機吸種性能無明顯的影響,只起到了對氣流的調(diào)整和穩(wěn)定的作用。

3)吸嘴的孔徑越大,吸種能力越強,吸種效果越好。但超過一定范圍時,吸力隨嘴徑增加而增強的趨勢放緩。

4)基于CFD軟件的吸嘴流場數(shù)值模擬分析是一種快捷、直觀的設(shè)計方法,與傳統(tǒng)測點試驗研究方法相比,能夠大幅度提高試驗研究效率和精度。

[1]盛江源,田宏煒,高玉林,等.吸盤式排種器幾個基本參數(shù)的試驗研究[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,1989,20(3):102-104.

[2]盛江源,齊紅彬.吸盤真空室理論流場的確定[J].吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,1990,12(3):89-93.

[3]陳進,李耀明.氣吸式排種器吸孔氣流場的有限元分析[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2007,38(9):59-62.

[4]莊森,田盈輝.真空氣吸式播種期吸嘴流場的研究[J].農(nóng)機化研究,2007(11)83-86.

[5]B B Gaikwad.Design of a low-cost pneumatic seeder for nursery plug trays[J].Bios stems Engineering,1999:322-329.

[6]P Guarella.Experimental and Theoretical Performance of a Vacuum Seeder Nozzle for Vegetable Seeds[J].Agriculture Engineer Research,1996,64(1):29-36.

[7]胡斌,李明志,董春旺,等.吸盤拋振式穴盤育苗半自動精量播種機:中國,20183126[P].2008-11-12.

[8]董春旺,羅昕,胡斌.半自動穴盤育苗精量播種機的設(shè)計[J].石河子大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2008,26(5):630-632.

[9]胡斌,董春旺,羅昕.氣吸式穴盤精量播種機吸嘴吸附性能的試驗研究[J].石河子大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2009,27(1):100-103.

[10]鄭長松,郭軍.Solidworks2006中文版機械設(shè)計高級應(yīng)用實例[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[11]John E Matsson.An Introduction to SolidWorks Flow Simulation 2009[M].Kansas city:Vital Information Publications,2000.

[12]David C Planchard,Marie P Planchard.Engineering Design with SolidWorks 2009 and MultiMedia[M].Kansas city:Schroff Development Corporation,2008.

[13]王福軍.計算流體動力學(xué)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004:1-3.

[14]邱秀麗.針孔氣力式蔬菜穴盤育苗排種器的研究.[D].廣州:華南農(nóng)業(yè)大學(xué),2004.

[15]周曉峰,胡敦俊.穴盤育苗氣吸式精量排種器的吸附性能[J].山東理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2004,18(2):37-41.

[16]J C Misra.Computational Mathematics:Modeling and Algor[M].New Delhi:NarosaPublishingHouse,2003.

Numerical Simulation for Air Flow in Nozzle of Air-suction Seeder

DONG Chunwang1,HU Bin2,MAO Shuchun1,LI Yabing1,HAN Yingchun1,FENG Lu1,ZHU Qiaoling1
(1 Institute of Cotton,the Chinese Academy of Agricultural Sciences,Anyang 455000,China;2 College of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

S223.25

A

1007-7383(2010)05-0636-04

2010-05-17

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(szjjb1001),農(nóng)業(yè)部行業(yè)科研專項(nyhyzx07-005:3-5-1)。

董春旺(1980-),男,助研,從事農(nóng)業(yè)機械設(shè)計與性能試驗研究;e-mail:dongchunwang@163.com。

毛樹春(1956-),男,研究員,博士生導(dǎo)師,從事棉花高效栽培技術(shù)研究;e-mail:maosc@cricaas.com.cn。