免耕播種機(jī)的拋送裝置數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究

林德志 吳努 陸永光 于昭洋 徐宏博 胡志超

摘要：為了了解全秸稈覆蓋地免耕播種機(jī)葉片式拋送裝置氣流流場(chǎng)的分布情況以及拋料管道氣流速度的影響因素，采用FLUENT對(duì)拋送裝置進(jìn)行數(shù)值模擬并對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，氣流速度沿葉輪徑向方向由內(nèi)向外逐漸升高；圓形殼體出料口外側(cè)的氣流速度較內(nèi)側(cè)處的高；模擬所得結(jié)果和試驗(yàn)值的分布趨勢(shì)基本一致，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性；拋送葉輪的轉(zhuǎn)速越高、葉片直徑越大，各測(cè)點(diǎn)的氣流速度就越大，越有利于秸稈物料的拋送；當(dāng)葉片數(shù)為4、葉片傾角為后傾10°時(shí)，更有利于秸稈物料的拋送。

關(guān)鍵詞：全秸稈覆蓋地免耕播種機(jī)；拋送裝置；數(shù)值模擬；試驗(yàn)研究

中圖分類號(hào)： S223.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號(hào)：1002-1302（2016）08-0410-04

近些年來(lái)，我國(guó)面臨著較為嚴(yán)重的空氣污染問(wèn)題，每到秋末冬初季節(jié)，全國(guó)多個(gè)省市都會(huì)被持續(xù)的霧霾天氣籠罩著，這對(duì)人們的生產(chǎn)生活以及身體健康造成了極大的影響。農(nóng)田廢棄秸稈的焚燒是造成這種問(wèn)題的主要原因之一。由于前茬農(nóng)作物收獲后，會(huì)有大量的碎秸、殘茬留在地表，對(duì)現(xiàn)行的免耕播種機(jī)而言，大量的碎秸、殘茬會(huì)引發(fā)機(jī)具入土部件掛草壅堵，進(jìn)而導(dǎo)致架種、晾種等，這不僅影響作業(yè)質(zhì)量而且影響作業(yè)順暢性[1]，所以就地焚燒秸稈成了農(nóng)民“最省事”的選擇。國(guó)家和農(nóng)民都迫切需要能夠滿足工況的機(jī)具。農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所正在試驗(yàn)研制的全秸稈覆蓋地免耕播種機(jī)，能夠很好地解決現(xiàn)有的問(wèn)題。該機(jī)具主要作業(yè)工藝：秸稈經(jīng)過(guò)秸稈粉碎裝置粉碎后，在粉碎裝置高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流帶動(dòng)下進(jìn)入橫向輸送攪龍，然后被推送至葉片式拋送裝置，越過(guò)種箱、肥箱，均勻地拋撒于播后區(qū)域[2]。拋送裝置是該機(jī)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其高速旋轉(zhuǎn)的拋送葉輪產(chǎn)生的氣流是影響碎秸能否順利拋撒以及功率消耗的重要因素。因此，本研究對(duì)拋送裝置進(jìn)行數(shù)值模擬以及試驗(yàn)研究，了解其基本特性。

1理論計(jì)算方法

1.1數(shù)學(xué)模型

由于葉片式拋送裝置工作時(shí)，氣體在拋送葉輪內(nèi)部的流動(dòng)是非定常流，因此，采用MRF（多參考系模型）作為定常流動(dòng)近似模擬此旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)[3]。當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型求解時(shí)，控制方程包括連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒方程）、動(dòng)量守恒方程以及k方程和ε方程，方程如

采用有限體積法離散控制方程，對(duì)該拋送裝置的流場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)隱式、非耦合求解?？紤]到壁面附近區(qū)域受到分子黏性的影響，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法模擬近壁區(qū)域的流動(dòng)、動(dòng)量、耗散率和湍動(dòng)能的離散格式均設(shè)置為精度較高的二階迎風(fēng)格式，對(duì)壓力—速度耦合運(yùn)用SIMPLE算法求解[7～9]。

2拋送裝置氣流流場(chǎng)的試驗(yàn)研究

為了了解葉片式拋送裝置拋料管道處氣流速度的大小與拋送葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪外徑、葉片數(shù)目以及葉片傾角之間的關(guān)系，同時(shí)也為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，對(duì)拋送裝置的氣流流場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2.1試驗(yàn)設(shè)備與儀器

試驗(yàn)是在自制的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行（圖2）。測(cè)量時(shí)沒(méi)有物料的喂入。氣流速度測(cè)試采用的儀器為JX-2000皮托管風(fēng)速儀（上海金梟電子）。

2.2試驗(yàn)方案的選擇

拋送葉輪的轉(zhuǎn)速以及葉片的結(jié)構(gòu)形式是影響拋送裝置氣

2.3試驗(yàn)方法

選取拋料管道處的A截面為測(cè)試位置，如圖1-a所示。共選擇12個(gè)點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)，如圖1-b所示，在A截面中D上取4個(gè)點(diǎn)，E線上取4個(gè)點(diǎn)，F(xiàn)線上取4個(gè)點(diǎn)。測(cè)量風(fēng)速時(shí)，需在A截面?zhèn)让娲蚩走M(jìn)行測(cè)量。每個(gè)測(cè)點(diǎn)重復(fù)測(cè)試3次，取3次測(cè)試結(jié)果的平均值為最終結(jié)果。

3計(jì)算結(jié)果與分析

3.1模擬結(jié)果與分析

由于FLUENT中的可視化信息基本是以平面為基礎(chǔ)，所以，當(dāng)數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域后，為了顯示以及輸出計(jì)算結(jié)果，需生成各種類型的平面。圖3-a、圖3-b、圖3-c分別為Z=-0.07、0、0.07 m的速度矢量圖。由圖3可知，氣流速度沿葉輪徑向方向由內(nèi)向外逐漸升高，這主要是由高速旋轉(zhuǎn)的拋送葉輪使氣體分子在離心力的作用下獲得動(dòng)能所造成的。另外，圓形殼體出料口處外側(cè)的氣流速度較內(nèi)側(cè)處的高，這主要是因?yàn)楦咚傩D(zhuǎn)的葉片末端靠近外側(cè)。

從圖3-c即Z=0.07 m平面處的速度矢量圖中可以觀察到較為明顯的渦流，這是由于其靠近進(jìn)料口處以及葉片數(shù)有限。進(jìn)口處的氣流沿著軸向方向進(jìn)入葉輪后，在拋送葉輪的作用下改變90°方向沿著葉輪徑向方向流動(dòng)。從 Z=-0.07 m 和Z=0 m平面的速度矢量圖也可以看出少量的渦流，造成這種現(xiàn)象的主要原因是葉片數(shù)目有限。所以，可以通過(guò)增加葉片數(shù)量來(lái)減少葉輪區(qū)的渦流，進(jìn)而減少能量損失，得到更有利的秸稈物料拋送的氣流流場(chǎng)。

[FK（W41][TPHZD3.tif][FK）]

3.2模擬結(jié)果與試驗(yàn)值的比較分析

當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 600、2 000 r/min時(shí)，拋送裝置中A截面上D、E、F線的速度分布散點(diǎn)圖如圖4所示，且與試驗(yàn)值進(jìn)行了比較。從圖可以看出，模擬計(jì)算所得的氣流速度的分布趨勢(shì)與試驗(yàn)值基本一致，只是遠(yuǎn)離葉輪軸心拋料管道的模擬值較實(shí)測(cè)值大，造成這種現(xiàn)象的原因是在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)簡(jiǎn)化了模型，忽略了緊固件、零件連接處微小縫隙的空氣泄漏。而靠近葉輪軸心拋送管道處的模擬值要比實(shí)測(cè)值小，這是因?yàn)楦咚傩D(zhuǎn)葉輪軸心處的吸力較大，致使圓形殼體兩側(cè)板向內(nèi)發(fā)生彎曲變形，間隙增大，導(dǎo)致實(shí)際從轉(zhuǎn)軸中心進(jìn)入的氣流流量增大，所以實(shí)測(cè)值較模擬值大。另外，D、E和F 3條線，F(xiàn)線的實(shí)測(cè)值與模擬值之間的差距較大，E線次之，這是因?yàn)镕線靠近進(jìn)料口，在拋送葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)料口處的彎曲變形較大，進(jìn)入的氣流流量較多，所以F線上實(shí)測(cè)值與模擬值差距較大。并且，拋送葉輪的轉(zhuǎn)速越高，側(cè)板發(fā)生的彎曲越大，進(jìn)入的氣流流量也就越大，這也是導(dǎo)致轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)實(shí)測(cè)值與模擬值差距比轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時(shí)大的原因?？偟膩?lái)說(shuō)，除了F線上的氣流速度實(shí)測(cè)值與模擬值差距較大外，其余測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與模擬值的相對(duì)誤差均在10%以內(nèi)，可見數(shù)值模擬的結(jié)果是合理可信的。

4試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1不同轉(zhuǎn)速、葉片直徑試驗(yàn)結(jié)果分析

在其他參數(shù)不變的情況下，只改變?nèi)~輪的轉(zhuǎn)速，分別對(duì)拋送葉輪轉(zhuǎn)速為1 600、180、2 000、2 200 r/min進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。同樣，在不改變其他尺寸的前提下，又分別做了葉片直徑為600、530、450 mm的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

由圖5可見，拋送葉輪的轉(zhuǎn)速越高，A截面E線上測(cè)點(diǎn)的氣流速度越大，這是由于轉(zhuǎn)速越高，氣體分子受到的離心力越大，獲得的動(dòng)能越大，相應(yīng)的氣流速度也就越大，也就越有利于秸稈物料的拋送。從圖6可知，當(dāng)葉片直徑為450、530 mm時(shí)，氣流速度分布較均勻，但其平均氣流速度較葉片直徑為600 mm的低，不利于秸稈的拋送。

4.2不同葉片數(shù)、葉片傾角試驗(yàn)結(jié)果分析

在不改變其余任何參數(shù)的前提下，分別做了葉片數(shù)為3、4、5的拋送裝置的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果如圖7。另外，在只考慮改變?nèi)~片傾角的情況下，分別又做了傾角為-15°、-10°、-5°、0、5°、10°、15°的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果見圖8、圖9和圖10。

由圖7可知，5葉片的氣流速度較高，4葉片次之，3葉片較小，這是因?yàn)闅饬鞯倪M(jìn)口流量會(huì)隨著葉片數(shù)的增加而增大，且在截面積不變的情況下，氣流速度也會(huì)隨著增大。但當(dāng)葉片數(shù)增加到一定數(shù)量時(shí)，氣流的進(jìn)口流量反而降低[10]。當(dāng)葉片數(shù)為4時(shí)，其氣流速度相比于5葉片與3葉片分布得更為均勻一些，因此更有利于秸稈物料的拋送。

從圖8、圖9和圖10中可以看出，前傾葉片中前傾5°比其他2種傾角的平均氣流速度略高一些，且分布相對(duì)更為均勻，所以較有利于秸稈的拋送；后傾葉片中后傾10°較其余2種傾角的平均氣流速度略高一些，并且分布較為均勻，更有利于秸稈物料的拋送；前傾5°、徑向以及后傾10° 3種葉片相比較，后傾角為10°時(shí)各測(cè)點(diǎn)的平均氣流速度較其他2種傾角稍高一些，更有利于秸稈的拋送。

5結(jié)論

氣流速度沿葉輪徑向方向由內(nèi)向外逐漸升高；圓形殼體出料口處遠(yuǎn)離拋送葉輪中心的氣流速度較靠近拋送葉輪中心處的高；可以通過(guò)增加葉片數(shù)量來(lái)減少葉輪區(qū)的渦流，進(jìn)而減

少能量損失，得到更有利的秸稈物料拋送的氣流流場(chǎng)。

模擬計(jì)算所得的氣流速度的分布趨勢(shì)與試驗(yàn)值基本一致，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的合理可靠性。

拋送葉輪的轉(zhuǎn)速越高、葉片直徑越大，各測(cè)點(diǎn)的氣流速度就越大，越有利于秸稈物料的拋送；當(dāng)葉片數(shù)為4時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的速度分布更為均勻，更有利于秸稈的拋送；另外，葉片傾角為后傾10°時(shí)更有利于拋送秸稈物料。

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