基于DEM-CFD耦合的氣吸式排種器仿真研究

張凱 洪楊 徐祝欣

摘要

為提高大白菜等小粒徑精密播種機(jī)的機(jī)械化水平，設(shè)計(jì)了一種小粒徑氣吸式排種器.首先利用JPS-12排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)排種器進(jìn)行測(cè)試，得到不同參數(shù)組合下的性能指標(biāo)與最優(yōu)參數(shù)組合.然后使用計(jì)算流體力學(xué)方法（CFD），借助FLUENT軟件分析了吸種器內(nèi)部流場(chǎng)的分布，得到了吸種器內(nèi)部壓力分布云圖和吸種孔截面云圖.最后基于離散元法（DEM）建立大白菜種子顆粒模型，對(duì)排種器仿真模型進(jìn)行簡(jiǎn)化和網(wǎng)格劃分，完成了小粒徑氣吸式排種器DEM-CFD耦合仿真實(shí)驗(yàn).對(duì)比臺(tái)架與仿真試驗(yàn)結(jié)果，得出如下的結(jié)論：當(dāng)排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為20 r/min，真空度為2.2 kPa時(shí)，排種性能最佳.關(guān)鍵詞

氣吸式排種器;小粒徑種子;離散元法;流體力學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào) S223.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

為解決大白菜等小顆粒種子選育施肥中機(jī)械化程度低、稠度差、播種效率低、機(jī)械要求差異性大等問(wèn)題，研制適合小粒徑播種的氣吸式精密播種機(jī)非常重要[1].作為播種機(jī)核心部分的氣吸式排種器，其工作性能直接影響播種質(zhì)量.本文采用負(fù)壓吸種的工作原理，設(shè)計(jì)了一種氣吸式排種器，依靠氣吸室的真空度將種子吸附在吸種孔上，因此氣吸室的流場(chǎng)壓力分布需要均勻.

近年來(lái)，DEM（離散元法）-CFD（計(jì)算流體力學(xué)）耦合仿真在工業(yè)、農(nóng)業(yè)方面得到了廣泛的運(yùn)用，國(guó)內(nèi)外主要應(yīng)用在中大型顆粒種子的氣吸式排種器上[2]，很少應(yīng)用于小粒徑氣吸式排種器.本文首先進(jìn)行JPS-12臺(tái)架試驗(yàn)，得到不同參數(shù)組合下的排種器性能指標(biāo)與最優(yōu)參數(shù)組合，接著利用FLUENT 軟件分析氣吸式排種器內(nèi)部流場(chǎng)分布，最后利用EDEM軟件建立大白菜種子顆粒模型，實(shí)現(xiàn)小粒徑氣吸式排種器DEM-CFD耦合仿真[3]，對(duì)比臺(tái)架與仿真試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了仿真分析的可行性.

1 排種器的結(jié)構(gòu)與工作原理

氣吸式排種器主要由排種盤(pán)、殼體、攪拌器、刮種器、泄種量調(diào)節(jié)插板、氣吸室等結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示.采用負(fù)壓吸種的原理，排種盤(pán)垂直放置在排種器中間，一側(cè)與充種室相連，另一側(cè)與氣吸室相接[4].排種器經(jīng)由上方的管道與風(fēng)機(jī)連接，工作時(shí)由高速風(fēng)機(jī)產(chǎn)生負(fù)壓，再傳送至排種單體的真空室.排種盤(pán)在前進(jìn)作業(yè)過(guò)程中，種子依靠負(fù)壓的作用附著在排種盤(pán)上并隨其一齊轉(zhuǎn)動(dòng)[5]，當(dāng)種子從真空室移出時(shí)，由于負(fù)壓的消失，僅靠重力或在刮種器作用下落入溝內(nèi)，進(jìn)而完成一次排種過(guò)程.

2 試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)

2.1 不同轉(zhuǎn)速試驗(yàn)結(jié)果分析

為了研究排種盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)排種性能的影響，排種盤(pán)轉(zhuǎn)速?gòu)?0 r/min到40 r/min，每5 r/min一個(gè)水平，共分為7個(gè)水平，真空度保持為3 kPa.在種床帶運(yùn)行平穩(wěn)之后，每個(gè)參數(shù)試驗(yàn)記錄種床帶連續(xù)分布的200粒種子，重復(fù)3次取平均值作為最終結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.

2.2 不同真空度試驗(yàn)結(jié)果分析

在其他工作參數(shù)相同的情況下，真空度從1.5 kPa到5 kPa，平均分為8個(gè)水平，轉(zhuǎn)速保持為30 r/min，在種床帶運(yùn)行平穩(wěn)之后，每個(gè)參數(shù)試驗(yàn)記錄種床帶連續(xù)分布的200粒種子，重復(fù)3次取平均值作為最終結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

2.3 正交試驗(yàn)

在轉(zhuǎn)速單因素試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速在20～30 r/min時(shí)，播種性能比較好.在真空度單因素試驗(yàn)中，真空度在2～3.5 kPa時(shí)，播種性能比較好.為了研究轉(zhuǎn)速和真空度對(duì)排種性能影響的主次順序以及最優(yōu)參數(shù)組合，對(duì)每個(gè)參數(shù)取3個(gè)試驗(yàn)水平，考慮到轉(zhuǎn)速與真空度之間存在相互作用，采用正交表L9（34）進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)，正交試驗(yàn)水平如表1所示.每個(gè)參數(shù)組合試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)種床帶連續(xù)分布的200粒種子，重復(fù)3次取平均值作為最終結(jié)果，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表2所示.

極差的大小代表著因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的大小，極差越大，影響越顯著.對(duì)表2的極差進(jìn)行分析，對(duì)于合格指數(shù)和漏播指數(shù)，轉(zhuǎn)速的影響較顯著;對(duì)于重播指數(shù)，真空度影響較顯著.當(dāng)轉(zhuǎn)速20 r/min、真空度2.2 kPa時(shí)，排種性能達(dá)到最佳，合格指數(shù)為93.02%，重播指數(shù)為4.41%，漏播指數(shù)僅有2.79%，各項(xiàng)性能均符合國(guó)家農(nóng)作物單粒精量播種質(zhì)量指標(biāo)要求.

3 氣吸式排種器流場(chǎng)仿真分析

3.1 模型建立與前處理

采用SolidWorks軟件建立了氣吸式排種器的仿真模型，通過(guò)觀(guān)察測(cè)量發(fā)現(xiàn)實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸較為復(fù)雜，有必要對(duì)模型進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化去雜[6]，如圖4所示.對(duì)簡(jiǎn)化的模型利用GAMBIT進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義空氣出入口，定義吸種孔與氣吸室及充種室的交界面為interface，其他面默認(rèn)為壁面wall，生成的網(wǎng)格文件如圖5所示.

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 不同真空度下流場(chǎng)的變化規(guī)律

為了得出真空度影響排種器內(nèi)部流場(chǎng)分布的變化規(guī)律，選擇了3種不同真空度條件，設(shè)置合適的算法參數(shù)，經(jīng)過(guò)多次迭代計(jì)算，當(dāng)殘差曲線(xiàn)收斂時(shí)，得到的仿真結(jié)果如圖6所示.圖6a為氣吸室流場(chǎng)壓力云圖，圖6b為吸種孔內(nèi)部速度云圖，圖6c為不同吸種孔截面速度云圖.

由圖6可知，在不同真空度下，壓力大小呈軸對(duì)稱(chēng)分布，管道處壓力值達(dá)到最高（圖6a）.隨著真空度的變化，氣吸室的壓力分布沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明真空度對(duì)氣吸室壓力分布沒(méi)有影響，只是改變了壓力大小.吸種孔內(nèi)速度大小受真空度的影響而改變，其區(qū)域的速度分布相對(duì)一致（圖6b）;而吸種孔端面的速度大小以管道處為峰值，呈軸對(duì)稱(chēng)狀分布并向圓環(huán)兩側(cè)遞減（圖6c）.

3.2.2 改變轉(zhuǎn)速后的流場(chǎng)變化

選擇了10 r/min、20 r/min和30 r/min這三種轉(zhuǎn)速條件，真空度保持3 kPa不變.設(shè)置適當(dāng)?shù)乃惴▍?shù)，經(jīng)過(guò)多次計(jì)算迭代，當(dāng)殘差曲線(xiàn)收斂時(shí)，得到的仿真結(jié)果如圖7所示.在本研究中，24個(gè)錐形吸種孔均勻分布在排種盤(pán)上，每?jī)蓚€(gè)吸種孔之間間隔15°，為此區(qū)間選擇了4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)度數(shù)：0°、4°、8°、12°，如圖7所示.

從圖7可以看出，同一時(shí)間，在不同轉(zhuǎn)速下，氣吸室壓力分布變化不大，說(shuō)明氣吸室流場(chǎng)壓力分布受轉(zhuǎn)速的影響不明顯.而在相同轉(zhuǎn)速下，隨著排種盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，氣吸室的壓力分布變化較為明顯，說(shuō)明排種盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)氣吸室壓力分布有很大影響.

4 氣吸式排種器工作過(guò)程耦合仿真分析

4.1 建立仿真模型

為構(gòu)建大白菜種子顆粒模型，需要測(cè)量種子的物理特性，測(cè)得種子的三徑為：長(zhǎng)1.98 mm，寬1.95 mm，高1.92 mm.為了便于進(jìn)行仿真，本文特意簡(jiǎn)化了大白菜種子顆粒模型，采用等效直徑為1.95 mm的單球模型[7]，如圖8所示.

4.2 耦合仿真結(jié)果分析

在耦合的模擬仿真試驗(yàn)過(guò)程中，可直接觀(guān)察到排種盤(pán)每個(gè)吸種孔上的大白菜種子數(shù)并手動(dòng)記錄.每次模擬試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)80個(gè)樣本，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得出排種器的性能指標(biāo)，如表3所示.

通過(guò)對(duì)表3中數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)重播指數(shù)較其他兩個(gè)指數(shù)差距較大，進(jìn)而推測(cè)在現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)中，因?yàn)殡姍C(jī)工作振動(dòng)的影響，吸種孔內(nèi)的若干種子可能會(huì)被抖落掉出.而耦合仿真環(huán)境理想，沒(méi)有干擾因素，所以造成了仿真試驗(yàn)的重播指數(shù)略大于臺(tái)架試驗(yàn)的重播指數(shù).

為了驗(yàn)證真空度和轉(zhuǎn)速在耦合仿真條件下均會(huì)對(duì)排種器的排種性能造成影響，通過(guò)改變轉(zhuǎn)速并觀(guān)察統(tǒng)計(jì)各個(gè)吸種孔上的種子數(shù)，其中轉(zhuǎn)速參數(shù)的設(shè)置與之前的臺(tái)架試驗(yàn)保持一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示.

經(jīng)過(guò)對(duì)上述數(shù)據(jù)的觀(guān)察和分析，可以發(fā)現(xiàn)兩次檢測(cè)的合格、重播和漏播指數(shù)這三者的變化趨勢(shì)是相同的;通過(guò)對(duì)模擬試驗(yàn)中轉(zhuǎn)速對(duì)排種性能影響的顯著性分析，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速對(duì)漏播和合格指數(shù)的影響較為顯著，對(duì)重播指數(shù)的影響很小.

5 結(jié)論

針對(duì)目前小粒徑種子精密播種機(jī)機(jī)械化程度較低的問(wèn)題，基于負(fù)壓吸種的原理設(shè)計(jì)出一款小粒徑氣吸式排種器，滿(mǎn)足小粒徑種子精密播種的需要.對(duì)氣吸式排種器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，得到了真空度和轉(zhuǎn)速對(duì)流場(chǎng)的作用規(guī)律.吸種孔內(nèi)的速度大小只受真空度的影響，且隨著真空度的增大減小成正比關(guān)系;轉(zhuǎn)速對(duì)氣吸室整體的壓力分布影響不顯著，起主導(dǎo)作用的是吸種孔的轉(zhuǎn)速.

不論是耦合仿真試驗(yàn)還是臺(tái)架試驗(yàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為20 r/min、真空度為2.2 kPa時(shí)，排種器的性能最佳.臺(tái)架試驗(yàn)的合格指數(shù)為93.02%，重播指數(shù)為4.41%，漏播指數(shù)2.79%，耦合仿真試驗(yàn)的合格指數(shù)為91%，重播指數(shù)為7%，漏播指數(shù)為2%.通過(guò)對(duì)比分析，仿真試驗(yàn)與臺(tái)架試驗(yàn)的規(guī)律是一致的，試驗(yàn)結(jié)果較為接近，表明了基于EDEM-FLUENT耦合仿真試驗(yàn)來(lái)分析排種器的排種性能是可行而有效的.

參考文獻(xiàn)

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Simulation of an air suction seed drainer based on DEM-CFD coupling

ZHANG Kai1 HONG Yang2 XU Zhuxin3

1 School of Automation，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044

2 Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology，

Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044

3 Qingdao Plantec Machinery Technology Company Limited，Qingdao 266109

Abstract An air suction seed drainer was designed and simulated in order to improve the mechanization level of precision seeders applicable for small size grains such as Chinese cabbage seeds.Firstly，the performance of the seed metering device was acquired through tests using performance test-bench of JPS-12，based on which the optimal parameter combination was obtained.Then，the flow field distribution inside the air suction chamber under different vacuum degrees or rotating speeds was analyzed using computational fluid dynamics （CFD） and FLUENT software，and a seed shape model of Chinese cabbage was established based on discrete element method （DEM）.Finally，the seed metering device simulation was carried out by a simplified model and grid meshing.The comparison between bench test and simulation result showed that the air suction seed drainer performed best when the rotating speed of seed metering tray is 20 r/min and the vacuum degree of air suction chamber is 2.2 kPa.

Key words air suction seed metering device;small seeds;discrete element method （DEM）;fluid mechanics

收稿日期 2020-07-03

資助項(xiàng)目 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFD0701201-02）

作者簡(jiǎn)介

張凱，男，博士，教授，研究方向?yàn)橹悄苎b備研究.zkark@163.com