基于CFD的2BM-4型氣吸式排種器氣流場(chǎng)分析

張芙嫻，郭占斌

基于CFD的2BM-4型氣吸式排種器氣流場(chǎng)分析

張芙嫻1，郭占斌1

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319）

課題主要為提高氣吸式排種器吸種管的吸種效率，并分析影響吸種管在吸種作業(yè)中氣流場(chǎng)變化的主要因素，以眾榮公司2BM-4型氣吸式播種機(jī)為例，對(duì)影響排種器吸種管的氣流場(chǎng)進(jìn)行分析探究，并借助fluent軟件建立仿真模型，模擬吸種管的氣流場(chǎng)的變化并進(jìn)行分析，對(duì)其進(jìn)行仿真模擬，同時(shí)進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算，探究氣流場(chǎng)內(nèi)部走向?qū)ε欧N質(zhì)量的影響，并對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行探究，找出最優(yōu)組合，降低漏播率與重播率，從而給吸種管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并且提供合理化建議，為相關(guān)參數(shù)設(shè)定提供依據(jù)。仿真結(jié)果表明：錐形孔的吸種性能最佳，優(yōu)于其他孔型；吸孔導(dǎo)程對(duì)吸種效果的影響并不明顯；孔徑越大，吸種能力越強(qiáng)。

吸種管；仿真；CFD氣流場(chǎng)

我國(guó)是一個(gè)以農(nóng)業(yè)發(fā)展為主要經(jīng)濟(jì)的國(guó)家，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)與人民生活的水平逐漸提高，舊的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式方法已經(jīng)跟不上快速增長(zhǎng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。國(guó)內(nèi)的精密播種機(jī)發(fā)展速度很快，但國(guó)內(nèi)播種機(jī)的播種精密程度以及播種速度一直是影響氣吸式播種機(jī)效率的主要因素。排種器是制約精密播種機(jī)播種性能主要因素[1]。氣吸式播種機(jī)與老式的機(jī)械式播種機(jī)相比較而言，前者的播種精度大，效率高，并且?guī)淼慕?jīng)濟(jì)效益比較大[2]，因此，為了提高精密播種的質(zhì)量和效率，需要優(yōu)化氣吸式播種機(jī)各個(gè)部件的性能。目前國(guó)內(nèi)的農(nóng)作物播種，例如玉米、大豆，大多數(shù)選老式的機(jī)械式播種機(jī)，機(jī)械式播種機(jī)存在很多不足，播種作業(yè)過程中容易傷種，且容易出現(xiàn)重播、漏播的現(xiàn)象，所以如何設(shè)計(jì)排種器提高播種工作效率，優(yōu)化其工作性能在我國(guó)具有非常廣闊的發(fā)展前景[3]。

1 吸孔氣流場(chǎng)仿真

1.1 吸孔的初始化條件

CFD分析軟件fluent采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，可以達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度。運(yùn)用fluent軟件對(duì)2BM-4氣吸式播種機(jī)工作原理進(jìn)行模擬仿真，并進(jìn)行試驗(yàn)研究，同時(shí)探究排種器導(dǎo)種管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)對(duì)吸種管的工作過程進(jìn)行理論分析，對(duì)于吸種管的不同吸孔形狀、吸孔直徑、吸孔導(dǎo)程，對(duì)氣流場(chǎng)變化情況進(jìn)行分析，找出氣流場(chǎng)變化規(guī)律，并作出以下假設(shè)：排種器導(dǎo)種管吸孔氣流速度均勻，所有壁上施加無滑移條件。

Fluent軟件模擬試驗(yàn)時(shí)參數(shù)設(shè)置：流體設(shè)置為空氣，參考溫度20℃，流體密度1.225 kg·m-3，流體粘度 1.8×10-5pa·s，吸孔入口壓力：-2 000 pa，吸孔出口壓力0 pa，試驗(yàn)條件為絕熱[4]。

1.2 流體類型

流體類型通過雷諾數(shù)來判定，其公式如下：

式中 ρ-氣體密度（kg·m-3），μ-動(dòng)力粘度（Pa·s），v-平均流速（m·s-1）D-孔直徑（m）。

由公式（1-1）可計(jì)算 最小的雷諾數(shù)Re=36 607，可以判斷進(jìn)出口的空氣流為湍流。

1.3 仿真結(jié)果

1.3.1 不同的吸孔形狀對(duì)吸種性能的影響

在fluent仿真試驗(yàn)，以三種不同的孔型，直孔、錐形孔和沉孔作為試驗(yàn)對(duì)象，吸種孔直徑均為3.4 mm，吸孔結(jié)構(gòu)形狀如圖所示。

圖1 吸孔結(jié)構(gòu)圖Fig.1 suction hole structure

為了使仿真試驗(yàn)結(jié)果更加直觀，取x=0的截面進(jìn)行探究，由圖2可知，錐形孔的氣流平均速度為39.285 m·s-1最大速度為 67.673 m·s-1，進(jìn)口的平均速度11.491 m·s-1最大速度為27.953 m·s-1，沉孔的平均速度為 15.183 m·s-1， 最大速度為 53.368 m·s-1，進(jìn)口平均速度為8.682 m·s-1，最大速度為18.914 m·s-1，直孔的氣流平均速度為43.967 m·s-1，最大速度為53.190 m·s-1，進(jìn)口的平均速度為 45.817 m·s-1，最大速度為 50.826 m·s-1。

圖2 吸種孔不同的流場(chǎng)變化速度圖Fig.2 Flow field change velocity diagram of different suction hole

1.3.1.1 種子在氣流中的作用力

種子在吸種孔中形成的壓力差為F，其中P1為吸種孔出口氣流的壓力，P2為出口壓力大氣壓，P1＜P2形成的壓力差為F。

圖3 種子在氣流中的受力Fig.3 Stress of seeds in air force

由圖 3 可知 ΔP=P1-P2， 當(dāng) P1＜P2， 種子下落，當(dāng)P1＞P2時(shí)，種子被吸附在排種盤的種孔內(nèi)，當(dāng)P1=P2時(shí)，壓力差為0，此時(shí)種子不被吸附也不下落，處于臨界狀態(tài)。

氣流對(duì)種子表面作用力可根據(jù)公式計(jì)算，即：[5]

其中：F—種子在氣流中的作用力（N）；C—空氣阻力系數(shù)，與種子面積與雷諾數(shù)有關(guān)，為常數(shù)；V—?dú)饬飨鄬?duì)于種子的速度（m·s-1）；S—種子的迎風(fēng)面積（m2）；ρ—空氣密度（kg·m-3）；其中 ρ=γ/g（γ—空氣比重），當(dāng)流速小于70 m·s-1時(shí)，ρ＜2%，因?yàn)樵诹魉俨桓邥r(shí)，壓力與溫度不變時(shí)，可認(rèn)為ρ不變。

由上述公式可知，排種器在吸取種子的過程中，排種器氣流對(duì)種子表面的作用力只與氣流的速度有關(guān)，由以上數(shù)據(jù)分析可得，直孔的氣流平均速度和進(jìn)口氣流的平均速度均大于錐形孔，錐形孔大于沉孔，三種孔型相比，直孔的吸種能力優(yōu)于其他孔型，但直孔的入口處的面積最小，可吸附種子直徑的范圍也較小，所以需要用試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.3.2 不同吸孔導(dǎo)程對(duì)吸種效果的影響

模擬吸孔直徑為3.4 mm導(dǎo)程為2 mm 4 mm 6 mm的錐形孔。試驗(yàn)結(jié)果如圖所示。

圖4 不同導(dǎo)程的錐形孔氣流速度圖Fig.4 Taper hole airflow velocity diagram of different lead

由圖4仿真結(jié)果得，孔徑為3.4 mm，導(dǎo)程為2 mm的錐形孔的氣流平均速度為39.285 m·s-1，最大速度為 67.673 m·s-1，進(jìn)口的平均速度 11.491 m·s-1，最大速度為27.953 m·s-1，導(dǎo)程為4 mm的導(dǎo)種管氣流平均速度為 35.013 m·s-1，最大速度為 55.811 m·s-1，進(jìn)口的平均速度為 10.259 m·s-1，最大速度為 24.176 m·s-1，導(dǎo)程為6 mm的錐形孔的氣流平均速度為36.601 m·s-1，最大速度為55.845 m·s-1，進(jìn)口的平均速度為10.169 m·s-1，最大速度為23.962 m·s-1。

由以上數(shù)據(jù)可知，增加吸孔的導(dǎo)程后，吸種孔內(nèi)部的氣流速度有所改變，速度減小，但是速度變化不大，所以得出結(jié)論：吸孔導(dǎo)程的增加只是使對(duì)吸孔內(nèi)部氣流有調(diào)整和穩(wěn)定的作用，但對(duì)吸種性能的影響不明顯。

1.3.3 吸孔孔徑大小對(duì)吸種性能的影響

模擬導(dǎo)程為2 mm，孔徑為3.4 mm 4.4 mm 5 mm的錐形孔，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖5 孔徑不同時(shí)的氣流速度圖Fig.5 Airflow velocity diagram of different aperture

由圖4仿真結(jié)果得出，孔徑為3.4 mm，導(dǎo)程為2 mm的錐形孔的氣流平均速度為39.285 m·s-1，最大速度為67.673 m·s-1，進(jìn)口的平均速度11.491 m·s-1，最大速度為27.953 m·s-1，孔徑4.4 mm導(dǎo)程為2 mm的錐形孔平均速度為37.753 m·s-1，最大速度為62.65 m·s-1，進(jìn)口的平均速度為 18.379 m·s-1，最大速度為35.387 m·s-1，孔徑為3.4 mm，導(dǎo)程為5 mm的錐形孔的氣流平均速度為36.302 m·s-1，最大速度為60.828 m·s-1，進(jìn)口的平均速度為 21.449 m·s-1，最大速度為 32.590 m·s-1。

1.3.3.1 空氣經(jīng)吸孔的流速和流量

當(dāng)種子受到氣流作用時(shí)，被吸起的空氣流速公式：

其中 Vk—空氣流速（m·s-1）；μ—吸孔內(nèi)部空氣的動(dòng)力系數(shù)，ΔP—吸種管兩側(cè)氣壓（N·m-2），ρ—?dú)怏w密度（kg·m-2）

吸孔氣流的流量由下式確定：

其中 G—吸孔的氣體流量（m3·s-1），A—吸孔橫截面積（m2）。

由圖4可知，在氣壓相同的條件下，孔徑為3.4、4.4和5 mm的三種孔型，增加孔徑時(shí)，流速增強(qiáng)，在相同條件下，種子表面氣流速度越高，吸種孔吸附種子的能力越強(qiáng)，結(jié)論為孔徑越大，吸種性能越好。

由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，排種器吸種孔的孔徑的變化對(duì)排種器內(nèi)部的氣流速度影響較大，在其他條件相同時(shí)，增大吸孔孔徑則使種子的吸附能力增強(qiáng)，但是孔徑大小的設(shè)計(jì)要遵循與其尺寸相符合的原則，如果孔徑設(shè)計(jì)的過大會(huì)使吸附的種子種子過多，孔徑設(shè)計(jì)的過小會(huì)發(fā)生卡種的現(xiàn)象。

2 結(jié)論

（1）三種孔型模擬試驗(yàn)結(jié)果：吸種孔的孔型是影響播種機(jī)吸種效果的重要因素，錐形孔的吸種性能高于直孔和沉孔。

（2）其他因素相同的條件下，增加排種器的吸種導(dǎo)程后，吸孔的氣流速度有所減小，但是速度變化不明顯，所以試驗(yàn)表明，增加導(dǎo)程只能使氣流更加穩(wěn)定，并且對(duì)氣流有調(diào)整和穩(wěn)定的作用，對(duì)吸種性能的影響很小。

（3）其他因素相同的條件下，增加吸種孔的孔徑，種子的吸附能力也相應(yīng)的增強(qiáng)。

［1］ 董永鷺，袁月明，王朝暉.氣吸滾筒式排種器種盤參數(shù)對(duì)種子分布規(guī)律的影響［J］.當(dāng)代生態(tài)農(nóng)業(yè)，2011（1-2）：19-23.

［2］ 徐正林.關(guān)于氣吸式精密播種有關(guān)問題的研究［J］.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，16（2）：145-148.

［3］ 尹海燕.水稻芽播氣吸式排種器的試驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)春：吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004.

［4］ 陳進(jìn)，李耀明，王希強(qiáng)，等.氣吸式排種器吸孔氣流場(chǎng)的有限元分析［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械報(bào)，2007，38（9）：59-62.

［5］ 劉月琴.免耕播種機(jī)氣吸式排種裝置的氣流場(chǎng)有限元分析［D］.呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011.

Analysis of 2BM-4 Gas Suction Seed Metering Device Airflow Field Based on CFD

Zhang Fuxian1，Guo Zhanbin1
（College of Engineering Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

To improve the air suction seed metering device of absorption efficiency of pipe，and analyze the main factors that influenced flow field changes of pipe absorption in suction operation，bm 2-4 gas suction seeder of the Glorious Company was used as an example to analyze the effect factors of the airflow field of seed suction pipe，with the help of fluent software to establish the simulation model，the suction pipe was simulated and the numerical calculation was done at the same time，to explore the effect of airflow internal alignment on the quality of the seed，and to study the research results to find out the optimal combination of the decrease of seeding leakage rate and replay rate，then the reasonable suggestions of the structure of suction pipe design were provided to give the basis for related parameters setting.The simulation results showed that the taper hole of absorption performance was the best，better than other groove;the effect of suction hole lead on suction pipe was not obvious;the larger the aperture，the stronger the ability.

suction pipe;simulation;CFD flow

S2

A

1002-2090（2017）05-0095-04

10.3969/j.issn.1002-2090.2017.05.022

2016-07-16