油麥兼用型氣送式集排器增壓管氣固兩相流仿真與參數(shù)優(yōu)化

雷小龍，廖宜濤，王 磊，王 都，姚 露，廖慶喜※

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油麥兼用型氣送式集排器增壓管氣固兩相流仿真與參數(shù)優(yōu)化

雷小龍1,2，廖宜濤1，王 磊1，王 都1，姚 露1，廖慶喜1※

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，雅安 625014）

為明確增壓管結(jié)構(gòu)對油麥兼用型氣送式集排器分配均勻性的影響，該文運用DEM-CFD氣固耦合方法仿真分析了波紋間距、凹窩深度和增壓管長度對種子運動特性、分配均勻性和增壓管氣流場的影響，臺架試驗研究了增壓管長度和氣流壓強對分配均勻性的影響。結(jié)果表明：增設(shè)增壓管明顯提高種子分布均勻度系數(shù)，降低種子速度和分配均勻性變異系數(shù)。速度流場分析表明增壓管波峰與波谷的氣流速度和壓強交替變化，增壓管中種子速度與受力呈現(xiàn)“正弦形”變化趨勢。凹窩深度、波紋間距和增壓管長度分別為4.2、15和180 mm時，種子分布均勻度系數(shù)和分配均勻性變異系數(shù)分別為91.17%和4.91%。臺架試驗表明，在優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下，排種油菜和小麥的氣流壓強分別為1 200和1 600 Pa時，分配均勻性變異系數(shù)分別達2.84%和2.89%。該研究為分析增壓管中種子運動特性和優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)提供了參考。

農(nóng)業(yè)機械；計算機仿真；農(nóng)作物；氣送式集排器；增壓管；氣固兩相流；分配均勻性

0 引 言

氣送式集排器具有適應(yīng)高速、寬幅和不同種子類型等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于多種作物播種[1]。美國John Deere公司1890型、德國Amazone公司Primera DMC和美國凱斯公司的Flex Hoe等國外大型氣送式播種機工作幅寬和效率與自動化程度均較高，適應(yīng)旱區(qū)大型農(nóng)場播種作業(yè)[2]。中國當(dāng)前農(nóng)村土地經(jīng)營方式多為中小規(guī)模經(jīng)營，且長江中下游地區(qū)以油（麥）-稻水旱輪作種植模式為主[3-4]，土壤含水率較高且黏重板結(jié)[5-6]，國外大型氣送式播種機不適用于該地區(qū)，且價格昂貴。為提高機具利用率和節(jié)省生產(chǎn)成本，亟需研制適應(yīng)中國的油麥兼用氣送式直播機[7]。

播種均勻性影響作物光合利用率、干物質(zhì)量和產(chǎn) 量[8-9]，氣送式集排器均勻分配是保證播種均勻性的前提。氣送式集排器采用機械定量供種、氣流均勻分配的排種方式，前期研制的油麥兼用型傾斜錐孔輪式供種裝置能夠?qū)崿F(xiàn)油麥兼用及定量供種[10-11]，而種子在集排器氣流場的分布狀態(tài)直接影響分配均勻性。種子在氣流場中經(jīng)過供料裝置、輸種管道、增壓管進入分配器，前期分析了種子在供料裝置和輸種管道的運動狀態(tài)并優(yōu)化其結(jié)構(gòu)[12-13]。種子在集排器氣流場中混合、輸送和分配為串聯(lián)環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)均會影響分配均勻性；種子在增壓管氣流場中減速增壓，從而使種子分布更均勻[14]。增壓管主要分波紋狀和微凹狀，波紋狀增壓管應(yīng)用較廣[15-16]。相關(guān)學(xué)者對波紋狀增壓管結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和分析，并對壓強損失進行了計算[16-17]。戴億政等發(fā)現(xiàn)輸送管內(nèi)波紋結(jié)構(gòu)有利于分種器中氣種等混合流場形成，提高播種均勻性[18]。而種子在增壓管氣流場中的運動較為復(fù)雜，難以準確描述和分析種子運動特性。

隨著離散單元法（discrete element method，DEM）和計算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)已成為研究多相流的重要工具，DEM-CFD氣固耦合仿真方法廣泛應(yīng)用于流化床、兩相流混合和氣流輸送等方面[19-21]。相關(guān)學(xué)者采用Fluent仿真分析微凸管的氣流場分布和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[22]，三維數(shù)值分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對微凸管熱量傳遞特性和液體流動的影響[23-24]。并對波紋狀增壓管內(nèi)壓強分布和結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行研究[25-26]。這些研究對象主要是單相流，關(guān)于兩相流在氣送式集排器增壓管的運動規(guī)律研究較少。為分析種子在增壓管的運動狀態(tài)和優(yōu)化增壓管結(jié)構(gòu)，本文采用DEM-CFD耦合方法分析種子在不同增壓管結(jié)構(gòu)參數(shù)下的運動特性和分配均勻性，并開展臺架試驗驗證仿真結(jié)果，為優(yōu)化增壓管結(jié)構(gòu)參數(shù)和提高排種均勻性提供參考。

1 增壓管結(jié)構(gòu)與仿真模型

1.1 油麥兼用型氣送式直播機工作原理與增壓管結(jié)構(gòu)

油麥兼用型氣送式直播機如圖1所示，包括地輪、旋耕系統(tǒng)、畦溝犁、供種裝置、供料裝置、輸種管道、增壓管、分配器、導(dǎo)種管、風(fēng)機和變速裝置等。直播機工作時，地輪驅(qū)動供種裝置向供料裝置定量供種，變速裝置可變量調(diào)節(jié)供種量；風(fēng)機產(chǎn)生的高速氣流與種子流在供料裝置中混合形成氣固兩相流，氣固兩相流在輸種管道、增壓管進行輸送、混合，種子流在分配器中被均勻分配成8行，經(jīng)導(dǎo)種管輸送至開溝器，開溝器在旋耕系統(tǒng)形成的平整種床上開溝、覆土，使種子到達適宜的位置，畦溝犁同步開畦溝，同步完成旋耕、開畦溝、播種、開溝和覆土等過程。供料裝置、輸種管道、增壓管與分配器形成串聯(lián)環(huán)節(jié)，均能影響種子流的分配均勻性，其中增壓管是影響種子進入分配器狀態(tài)的關(guān)鍵部件。

1. 畦溝犁 2. 地輪 3. 旋耕系統(tǒng) 4. 懸掛裝置 5. 變速裝置 6. 風(fēng)機 7. 種箱 8. 分配器 9. 增壓管10. 輸種管道 11. 供種裝置 12. 供料裝置 13. 導(dǎo)種管 14. 開溝器

增壓管結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括增壓管直徑、凹窩深度、波紋間距和增壓管長度。增壓管與輸種管道連接，其平均直徑為42 mm[12]。

1. 增壓管波峰 2. 增壓管波谷

1. Trough in pressurized tube 2. Peak in pressurized tube

注：為增壓管平均直徑，mm；為凹窩深度，mm；為波紋間距，mm；為增壓管長度，mm。

Note:is mean diameter of pressurized tube, mm;is dimple depth, mm;is dimple pitch, mm;is length of pressurized tube, mm.

圖2 增壓管結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.2 Structure diagram of pressurized tube

波深系數(shù)為波紋增壓管外徑與內(nèi)徑的關(guān)聯(lián)指標(biāo)，是決定波紋管幾何形狀的重要參數(shù)，顯著影響波紋增壓管的成型工藝，則

當(dāng)波深系數(shù)為1.1～1.5范圍內(nèi)時為淺波紋管，成型較容易；為1.6～1.9之間時為深波紋管，成型難度大。淺波紋管具有剛度大、靈敏度低和允許位移較小的優(yōu)點，且能承受較大的壓力。增壓管是集排器的重要組成部分，在田間播種作業(yè)受拖拉機振動和地面不平等影響，采用淺波紋管作為增壓管。本研究初步設(shè)計凹窩深度為5 mm，則波深系數(shù)為1.12。

增壓管壁厚決定增壓管剛度，綜合考慮增壓管剛度和強度，設(shè)計波紋狀增壓管壁厚為2.5 mm。選用增壓管波型為C形，波紋間距和凹窩深度是增壓管的重要參數(shù)，本研究初始設(shè)計波紋間距為15 mm。增壓管長度與波紋數(shù)密切相關(guān)，初步設(shè)計波紋數(shù)為10個，則增壓管長度為150 mm。

增壓管結(jié)構(gòu)影響氣流場和種子運動狀態(tài)，采用數(shù)值模擬能縮短研究周期和模擬分析種子遷移軌跡，從而開展了不同增壓管結(jié)構(gòu)參數(shù)的氣固兩相流仿真。

1.2 DEM-CFD耦合數(shù)值模擬方法

1.2.1 控制方程與模型選擇

控制方程為DEM-CFD耦合方法參數(shù)設(shè)定提供依據(jù)，增壓管中空氣流動視為不可壓縮湍流運動，其連續(xù)性方程和運動方程可表達為：

式中ρ為氣流密度，kg/m3；x、x為不同方向的運動距離，m；υ、υ為不同方向的氣流速度，m/s；f為氣相體積分數(shù)；為氣流壓強，Pa；為黏性應(yīng)力張量，Pa·s；為時間，s。

主要采用兩方程模型研究湍流運動，其對應(yīng)的輸送方程為：

式中為湍動能；為湍動耗散率；G為平均速度梯度引起湍動能產(chǎn)生項；σ、σ為湍動能和湍動耗散率對應(yīng)的普朗特數(shù)；1和2經(jīng)驗常數(shù)，標(biāo)準模型中取值分別為1.44和1.92。

在湍流運動中，壁面結(jié)構(gòu)會對氣流產(chǎn)生擾動，影響沿程阻力系數(shù)和氣流場分布，同時壓強損失為增壓管氣流運動的典型特征。為確定增壓管內(nèi)氣流壓力降，采用達西摩擦系數(shù)（Darcy friction factor）進行描述[22]：

式中D為測試兩截面間的壓力降，Pa；D為與直徑相關(guān)的相對直徑，mm；為測試兩截面間距，mm。因此，D和為影響壓強損失的重要參數(shù)。

種子在增壓管氣流場中與增壓管壁面發(fā)生碰撞，從而改變種子運動軌跡和分布狀態(tài)。種子在增壓管氣流場中運動時，顆粒與壁面碰撞發(fā)生時間很短，可忽略顆粒變形。種子在增壓管氣流場中受到作用力包括重力與浮力、顆粒與顆粒的接觸力和顆粒與氣流作用力（流體阻力、升力）[27]，則

式中p為顆粒質(zhì)量，kg；D為流體阻力，N；GB為重力與浮力的合力，N；Sa為Saffman升力，N；Ma為Magnus升力，N；c為顆粒與壁面的接觸力，N；p為顆粒的速度，m/s。

顆粒與壁面的接觸力為

1.2.2 DEM-CFD耦合仿真方法

在DEM-CFD耦合仿真中，分別采用ANSYS Fluent 12.0和EDEM 2.2軟件進行氣固耦合仿真。根據(jù)理論分析，由于顆粒占增壓管中氣流體積小于10%時，DEM- CFD耦合時離散元模塊選用Lagrangian模型，該模型忽略種子（固相）對氣流（氣相）的影響，著重考慮氣流（氣相）對種子（固相）的影響。通過氣固耦合仿真分析可明確氣流場分布及種子在增壓管氣流場中的運動特性。在Fluent軟件中采用標(biāo)準模型，EDEM仿真中選用Hertz-Mindlin無滑動接觸模型。DEM-CFD耦合仿真模塊的氣流作用于顆粒上的力選擇Freestream Equation流體阻力、Saffman升力和Magnus升力模型。仿真中增壓管模型外殼材料為鋁合金，種子和鋁合金的材料特性及其相互間的力學(xué)特性[11-12]見表1。由于EDEM仿真的時間步長要遠低于CFD，EDEM和CFD的時間步長分別設(shè)為5′10-6和1′10-3s。DEM-CFD耦合仿真中氣相流體為空氣，密度和黏性系數(shù)分別為1.225 kg/m3和 1.789 4× 10-5kg/(m·s)，重力加速度為9.81 m/s2。油菜種子與小麥種子氣流入口速度分別為16、24 m/s。

1.2.3 建模與網(wǎng)格劃分

三維模型為氣送式集排器結(jié)構(gòu)，采用Workbench 12.0的四面體結(jié)構(gòu)化方法劃分網(wǎng)格，集排器和增壓管結(jié)構(gòu)及建立的坐標(biāo)系如圖3所示。對于氣流相，氣流入口設(shè)為氣流速度入口；種子入口和種子分配出口均設(shè)為氣流壓強出口。種子入口為種子連續(xù)進入供料裝置中的通道，種子分配出口為種子與氣流的經(jīng)過分配器后的出口。

表1 DEM-CFD耦合仿真固相參數(shù)

1. 氣流入口 2. 種子入口 3. 供料裝置 4. 輸種管道 5. 增壓管 6. 分配器 7. 種子分配出口

2 DEM-CFD耦合仿真

2.1 仿真試驗方法

根據(jù)理論分析，影響種子在增壓管運動和氣流場的參數(shù)主要為增壓管的壁面結(jié)構(gòu)。因此，開展了增壓管結(jié)構(gòu)參數(shù)對種子在增壓管氣流場運動特性影響的仿真試驗。仿真試驗采用三元二次回歸正交組合設(shè)計，試驗因素設(shè)凹窩深度1、波紋間距2和增壓管長度3共3個因素，1、2、3分別為編碼的凹窩深度、波紋間距和增壓管長度，設(shè)計試驗因素與水平見表2。仿真時通過導(dǎo)入不同的增壓管結(jié)構(gòu)構(gòu)成的氣送式集排器幾何模型，總仿真時長為2.0 s。

表2 試驗因素及水平表

注：“( )”內(nèi)為修正的增壓管結(jié)構(gòu)參數(shù)值。

Note: Numbers in “( )” are revised values of pressurized tube’s structure.

1. 種子出口統(tǒng)計框 2. 種子分布橫向統(tǒng)計框 3. 種子分布縱向統(tǒng)計框 4. 增壓管

2.2 仿真結(jié)果與分析

2.2.1 增壓管結(jié)構(gòu)參數(shù)對種子分布和分配均勻性的影響

增壓管結(jié)構(gòu)參數(shù)對種子分布和分配均勻性影響的試驗結(jié)果見表3。由表3可知，增設(shè)增壓管明顯增加種子分布均勻度系數(shù)，而種子速度和分配均勻性變異系數(shù)明顯降低。方差分析結(jié)果表明（表4），凹窩深度1、凹窩深度與波紋間距交互作用12、11、22和33對種子分布均勻度系數(shù)影響達到顯著或極顯著水平。增壓管長度3、凹窩深度與增壓管長度交互作用13、11和22顯著或極顯著影響分配均勻性變異系數(shù)。對壓強損失影響顯著的因素包括凹窩深度1、增壓管長度3和22。凹窩深度1、波紋間距2和11。

為獲得較優(yōu)的增壓管結(jié)構(gòu)參數(shù)，以種子分布均勻度系數(shù)和分配均勻性變異系數(shù)為評價指標(biāo)，得出種子分布均勻度系數(shù)1和分配均勻性變異系數(shù)2的回歸方程如式（13）所示，對1和2的方差結(jié)果顯示值分別為5.88和6.08，表明該回歸模型均顯著。

為提高分配均勻性，應(yīng)增加種子分布均勻度系數(shù)時降低分配均勻性變異系數(shù)，2個評價指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)為-0.722**（<0.001）。因此，采用兩目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計求解最優(yōu)參數(shù)。目標(biāo)函數(shù)：

表3 增壓管結(jié)構(gòu)參數(shù)對種子分布和分配均勻性的影響

注：VCSD表示種子分布均勻度系數(shù)；VCSDU表示分配均勻性變異系數(shù)，下同。

Note: VCSD is variation coefficient of seed distribution and VCSDU is variation coefficient of seeds’ distribution uniformity. The same as below.

應(yīng)用Matlab軟件的多目標(biāo)規(guī)劃問題函數(shù)fminimax進行求解，調(diào)用格式為[, fval] = fminimax(@myfun,0, [], [], [], [], lb, ub)[28]。其中為目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解；fval為目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解；@myfun為調(diào)用目標(biāo)函數(shù)名稱；該模型中變量初始值向量0=[0, 0, 0]；變量下限lb和上限ub分別為[-1.353,-1.353,-1.353]和[1.353, 1.353, 1.353]。求得較優(yōu)解：1、2和3分別為-0.434 7、0.000 05和0.822 7，對應(yīng)的凹窩深度、波紋間距和增壓管長度分別為4.2、15和191.14 mm，種子分布均勻度系數(shù)和分配均勻性變異系數(shù)分別達84.49%和5.16%。由于增壓管長度與波紋間距之比應(yīng)成整數(shù)，增壓管長度取180 mm。在該優(yōu)化條件下，仿真得到種子分布均勻度系數(shù)和分配均勻性變異系數(shù)分別為91.17%和4.91%，表明該結(jié)構(gòu)參數(shù)下的分配均勻性較優(yōu)。

表4 方差分析結(jié)果

注：**和*分別表示方差分析在0.01和0.05水平上顯著。

Note: ** and *denotes significance of variance analysis at the 0.01 and 0.05 probability levels, respectively.

2.2.2 種子在增壓管的運動狀態(tài)分析

仿真結(jié)果顯示，本模型氣流結(jié)構(gòu)具有良好的收斂性，在0.2 s時氣流場基本達到平穩(wěn)。圖5a為增壓管不同垂截面和中軸面的氣流速度分布圖，可以看出由輸種管道進入增壓管時氣流速度減小且變得紊亂。增壓管各垂截面由中心區(qū)域向四周壁面擴散的氣流速度逐漸降低，尤其是波紋狀壁面處的氣流速度極低。從增壓管波峰和波谷的氣流壓強與速度來看（圖5b），氣流速度和壓強均呈“正弦形”變化，波峰與波谷的氣流壓強和速度呈交替變化趨勢。由于增壓管為迭代的波峰、波谷結(jié)構(gòu)，氣壓損失致使氣流壓強呈逐漸降低趨勢。增壓管波谷至波峰處截面積增大，氣流壓強增加，而氣流速度降低；而波峰至波谷的變化趨勢則相反。增壓管在波峰和波谷處分別產(chǎn)生高壓低速和低壓高速流場，交替變化的氣流場形成擾動較大的湍流，完成對種子減速的功能。

圖6為種子在增壓管的速度示意圖，顆粒采用Stream的形式表示，可以看出種子由輸種管道進入增壓管后速度明顯降低；種子在增壓管中離散度高于輸種管道，但固氣比明顯增加。同時，從種子在增壓管的分布來看（圖7），種子在增壓管中能夠較均勻分布，且在進入分配器入口統(tǒng)計區(qū)種子數(shù)量基本一致，從而使種子在增壓管中能夠均勻分配到各導(dǎo)種管。

注：T為增壓管波谷；P為增壓管波峰；為氣流速度方向，下同。

圖6 種子在增壓管的流速圖

圖7 種子在增壓管的分布圖

種子在增壓管運動軌跡如圖8所述，在增壓管中種子與壁面碰撞改變其運動方向，種子呈折線型向上運動。從種子運動軌跡的受力和速度來看（圖9），種子進入增壓管受到氣流的擾動，種子合力快速增加，且種子速度迅速降低。種子在增壓管中速度與受力均呈現(xiàn)出“正弦形”的變化趨勢。表明在增壓管波紋狀結(jié)構(gòu)影響下，氣流速度呈交替升降的狀態(tài)，從而整體降低種子速度，增加種子與壁面碰撞概率，促使種子在增壓管分布更離散和均勻。

圖8 種子在增壓管的運動軌跡圖

圖9 油菜、小麥種子在排種過程的受力與速度

3 臺架試驗

3.1 材料與方法

試驗以華油雜62和鄭麥9023為試驗材料，華油雜62的千粒質(zhì)量為4.67 g，含水率為7.15%；鄭麥9023的千粒質(zhì)量為44.87 g，含水率為8.44%。試驗設(shè)備及裝置如圖10所示，分配器均勻?qū)⒎N子流分成8行。本研究主要分析種子經(jīng)過增壓管后在分配器的分配均勻性，因此除去導(dǎo)種管對分配均勻性的影響，在分配器出口處用種子袋收集種子。

1. 風(fēng)泵 2. 變頻器3. 減速電機 4. 種箱5. 分配器 6. 種子袋 7. 增壓管 8. 輸種管道 9. 供種裝置 10. 系統(tǒng)臺架

為驗證DEM-CFD耦合的合理性，開展了不同供種裝置轉(zhuǎn)速（供種速率）對分配均勻性影響的試驗，供種裝置轉(zhuǎn)速設(shè)20～40 r/min共3個水平，增量為10 r/min。為分析增壓管結(jié)構(gòu)和氣流壓強對分配均勻性的影響，由于仿真獲得較優(yōu)的凹窩深度和波紋間距分別為4.2和 15 mm，在該結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下主要分析增壓管長度對分配均勻性的影響。開展了增壓管長度與氣流壓強對排種性能影響的二因素試驗，增壓管長度設(shè)0（CK）、100、180和260 mm共4個水平；根據(jù)前期排種預(yù)試驗，氣流壓強在400 Pa小麥種子不能正常分配，因此排種油菜氣流壓強設(shè)400、800、1 200和1 600 Pa共4個水平，排種小麥氣流壓強設(shè)800、1 200和1 600 Pa共3個水平。

試驗以GB/T 9478-2005“谷物條播機試驗方法”為依據(jù)，試驗中用種子袋收集導(dǎo)種口排出的種子，稱量凈質(zhì)量，采集時間為1 min，重復(fù)5次，計算不同處理下各行排種量、分配均勻性變異系數(shù)和種子破損率[29-30]。應(yīng)用MATLAB軟件進行方差分析。

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 模型的驗證

為檢驗仿真模型及DEM-CFD耦合仿真參數(shù)的合理性，對比分析了不同供種速率條件下仿真與臺架試驗的各行排量一致性均勻度[31]。仿真與臺架試驗結(jié)果比較分析（表5），在不同供種速率條件下，各行排量一致性均勻度的仿真值與試驗值的相對誤差在8%范圍內(nèi)，表明該模型與參數(shù)選擇能較好地模擬油麥兼用氣送式集排器工作過程和反映種子顆粒的運動與力學(xué)特性。

表5 仿真與臺架試驗結(jié)果對比

3.2.2 增壓管長度與氣流壓強對分配均勻性影響

表6為增壓管長度和氣流壓強對分配均勻性的影響結(jié)果。結(jié)果表明，排種油菜、小麥時，不安裝增壓管（CK）處理的分配均勻性變異系數(shù)明顯高于安裝增壓管處理，表明增設(shè)增壓管有助于增強種子在分配器的分配均勻性，與仿真分析結(jié)果一致。方差分析表明，排種油菜時，增壓管長度、氣流壓強和增壓管長度與氣流壓強交互作用對平均行排種量影響極顯著；排種小麥時氣流壓強對其影響達極顯著水平。從分配均勻性變異系數(shù)來看，排種油菜、小麥時增壓管長度對其均有極顯著影響，排種油菜時氣流壓強對分配均勻性變異系數(shù)影響極顯著，這是因排種小麥時排種壓強初始值為800 Pa。總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)和種子破損率分別低于1.0%和0.1%。

表6 不同增壓管長度和氣流壓強對分配均勻性影響

注：CVTQ表示總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)。

Note: CVTQ is stability of full seeding quantity.

為進一步分析增壓管長度和氣流壓強對分配均勻性變異系數(shù)的影響，進行了極差分析（表7）。結(jié)果表明，影響分配均勻性變異系數(shù)的主次因素分別為：排種油菜為氣流壓強>增壓管長度，排種小麥為增壓管長度>氣流壓強。最佳組合均為33，以增壓管長度為180 mm，排種油菜和小麥的氣流壓強分別以1 200和1 600 Pa較優(yōu)。在該較優(yōu)的組合條件下，油菜、小麥的分配均勻性變異系數(shù)分別達2.84%和2.89%，可為均勻播種提供參考。

表7 分配均勻性變異系數(shù)極差分析結(jié)果

4 結(jié) 論

1）本文確定波紋間距、凹窩深度和增壓管長度為增壓管影響油麥兼用氣送式集排器分配性能的因素。采用DEM-CFD氣固耦合方法分析種子在波紋狀增壓管結(jié)構(gòu)下的運動特性，并分析不同增壓管結(jié)構(gòu)對分配性能的影響。結(jié)果表明，增設(shè)增壓管明顯增加種子分布均勻度系數(shù)，降低種子速度和分配均勻性變異系數(shù)。增壓管長度、凹窩深度與增壓管長度交互作用顯著或極顯著影響分配均勻性變異系數(shù)。凹窩深度、波紋間距和增壓管長度分別為4.2、15和180 mm，種子分布均勻度系數(shù)和分配均勻性變異系數(shù)分別為91.17%和4.91%。

2）分析了增壓管氣流場和種子在增壓管運動狀態(tài)：增壓管波峰與波谷的氣流速度和壓強交替變化，交替變化的氣流場成擾動較大的湍流，完成對種子減速功能。種子在增壓管中速度與受力均呈現(xiàn)出“正弦形”的變化趨勢。

3）臺架試驗研究了增壓管長度和氣流壓強對分配均勻性影響，結(jié)果表明影響分配均勻性變異系數(shù)的主次因素分別為：排種油菜為氣流壓強>增壓管長度，排種小麥為增壓管長度>氣流壓強。在增壓管長度為180 mm，排種油菜和小麥的氣流壓強分別以1 200和1 600 Pa條件下，油菜、小麥的分配均勻性變異系數(shù)分別達2.84%和2.89%。

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Simulation of gas-solid two-phase flow and parameter optimization of pressurized tube of air-assisted centralized metering device for rapeseed and wheat

Lei Xiaolong1,2, Liao Yitao1, Wang Lei1, Wang Du1, Yao Lu1, Liao Qingxi1※

(1,,430070,2.625014,)

Seeding uniformity is a very important index in the air-assisted centralized metering device. Gas-solid two-phase flow including seeds and airflow exists in seed feeding device, seed delivering tube, pressurized tube and distributor. In order to study effects of pressurized tube’s structure on seed distribution uniformity in the air-assisted centralized metering device, a numerical study of gas-solid flow in pressurized tube was carried out by the coupling approach of discrete element method (DEM) and computational fluid dynamics (CFD). Effects of structural parameters including dimple depth, dimple pitch and pressurized tube’s length on seed motion, distribution uniformity and airflow field were studied. The variation coefficient of seed distribution and variation coefficient of seeds’ distribution uniformity were utilized to evaluate seed distribution. The mathematical models were set to describe structural parameters and seed distribution uniformity by means of the design of the regression-orthogonal combination. Besides, effects of pressurized tube’s length and airflow pressure on seed distribution uniformity were analyzed using bench experiments. Results showed that: 1)The air-assisted centralized metering device with pressurized tube increased variation coefficient of seed distribution and decreased seed velocity and variation coefficient of seeds’ distribution uniformity. Pressurized tube’s length, dimple depth, interaction between dimple depth and pressurized tube’s length affected variation coefficient of seeds’ distribution uniformity significantly. The optimum parameters combination was dimple depth of 4.2 mm, dimple pitch of 15 mm and pressurized tube’s length of 180 mm, which was achieved by the method of multi-objective programming problem function. Under the superior combination of structural parameters, the variation coefficient of seed distribution and the variation coefficient of seeds’ distribution uniformity were 91.17% and 4.91%, respectively. 2) Airflow velocity field in pressurized tube and seed motion characteristics were obtained by analyzing gas-solid flow status. Airflow velocity and pressure in peak of pressurized tube had the minimum value and the maximum value, respectively. Otherwise, airflow velocity and pressure in trough of pressurized tube was the maximum and the minimum, respectively. The peak surface of pressurized tube was located in high pressure and low airflow velocity zone and trough surface of pressurized tube was located in high airflow velocity and low pressure zone. The alternate high and low airflow pressure in pressurized tube changed airflow field distribution. Seed velocity and force in pressurized tube had the trend of sine. 3) Bench experiments indicated that the ranking order of the factors affecting variation coefficient of seeds’ distribution uniformity was: airflow pressure > pressurized tube’s length for rapeseed and pressurized tube’s length > airflow pressure for wheat. Based on the optimized structural parameters and airflow pressure of 1 200 Pa for rapeseed and 1 600 Pa for wheat, variation coefficients of seeds’ distribution uniformity were 2.84% and 2.89%, respectively. Results suggest that the optimization of structural and working parameters of pressurized tube can improve seed distribution uniformity. The investigation of airflow field, seed movement and seed distribution uniformity involved in this research may contribute to optimizing pressurized tube’s structure and analyzing seed movement mechanism.

agricultural machinery;computer simulation; crops; air-assisted centralized metering device; pressurized tube; gas-solid flow; seed distribution uniformity

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.009

S223.2+3

A

1002-6819(2017)-19-0067-09

2017-03-08

2017-07-27

國家自然科學(xué)基金資助項目（51575218、51405180）；國家油菜產(chǎn)業(yè)體系專項資助項目（CARS-13）；農(nóng)業(yè)部科研杰出人才及創(chuàng)新團隊

雷小龍，四川營山人，博士，講師，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計與測控研究。雅安 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，625014。Email：leixl1989@163.com

※通信作者：廖慶喜，湖北江陵人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事油菜機械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備等方面的研究。武漢 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，430070。Email：liaoqx@mail.hzau.edu.cn