耦合CFD-DEM 的氣力式種肥穴施裝置投肥路徑分析與試驗

劉正道，王慶杰，李洪文，何 進(jìn)，盧彩云，于暢暢

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

0 引 言

肥料穴施技術(shù)可以定點定量精準(zhǔn)施肥，是提高作物肥料利用效率的有效手段[1-3]。作者設(shè)計了氣吹腔盤式精量穴施肥裝置[4]，裝置工作過程分取肥、輸肥（護(hù)肥）和投肥3 個階段，前期已經(jīng)對腔盤（肥盤）的取肥性能[4]和輸肥過程[5]進(jìn)行了研究。投肥階段是指肥團(tuán)在肥腔內(nèi)被輸送至裝置底部后，在氣力作用下從肥腔中排出到投送至土壤的過程。受機(jī)具前進(jìn)速度和肥盤轉(zhuǎn)速的影響，為保證每穴施肥量的穩(wěn)定性和肥料在土壤中的成穴性能，投肥機(jī)構(gòu)必須保證能夠完全地將肥料從肥腔中清出并快速投放到土壤中。投肥機(jī)構(gòu)內(nèi)部氣體通道的結(jié)構(gòu)將直接影響其投肥性能的好壞，但目前肥腔內(nèi)肥料在氣力作用的運(yùn)動特性尚不明確，投肥路徑的選取缺乏理論依據(jù)。

計算流體力學(xué)（CFD）是目前研究流體運(yùn)動的一個重要手段，而離散元法（DEM）是顆粒碰撞模型中應(yīng)用最廣泛的一種，CFD 和DEM 相結(jié)合的方法可以跟蹤氣固流動系統(tǒng)中每個顆粒的運(yùn)動，能夠獲得大量的微觀信息，因而受到人們的關(guān)注。在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域，CFD-DEM 耦合 方法被廣泛用于氣力排種[6-8]、聯(lián)合收獲機(jī)風(fēng)篩風(fēng)選[9-11]、挖藕機(jī)[12]、滅火機(jī)[13]、水砂[14]等方面，分析流體作用下物料的運(yùn)動特性。在施肥領(lǐng)域，CFD 被用于液體肥料混合[15]、氣力送肥[16-17]等的數(shù)值分析，DEM 被用于肥料調(diào)配[18]、撒肥機(jī)[19]等過程的分析，但這些研究均是CFD 或DEM 的單獨應(yīng)用，氣力投肥是一個由氣流和肥料顆粒組成的氣固流動系統(tǒng)，肥團(tuán)在氣流作用下運(yùn)動，運(yùn)用單一方法無法真實地模擬肥團(tuán)的運(yùn)動情況。

因此，本文將運(yùn)用CFD-DEM 耦合分析方法，對2種投肥路徑進(jìn)行仿真分析，明確不同路徑下流場分布和肥料運(yùn)動特性，得出不同結(jié)構(gòu)對投肥性能的影響，以期為后續(xù)投肥機(jī)構(gòu)投肥路徑的設(shè)計和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 氣力投肥機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及原理

氣力式穴施肥裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其工作過程分為取肥、輸肥和投肥3 個階段，本文主要針對投肥階段展開論述。裝置工作時，排肥盤轉(zhuǎn)動經(jīng)過肥箱，肥料被填入肥腔，肥腔內(nèi)團(tuán)狀肥料隨排肥盤的轉(zhuǎn)動被送至裝置底部投肥機(jī)構(gòu)。投肥機(jī)構(gòu)主要由進(jìn)氣管、導(dǎo)向塊和出肥管組成，結(jié)構(gòu)如圖2 所示，其結(jié)構(gòu)參數(shù)主要由排肥盤和肥腔結(jié)構(gòu)決定[4-5]。導(dǎo)向塊內(nèi)部通道一端和進(jìn)氣管相連，一端和出肥管相連。當(dāng)肥腔攜帶肥料經(jīng)過導(dǎo)向塊時，進(jìn)氣管-導(dǎo)向塊-肥腔-導(dǎo)向塊-出肥管連通，形成完整的氣流通道，肥腔內(nèi)肥料在氣流的作用下經(jīng)出肥口投出，完成投肥過程。

圖1 氣力式穴施肥裝置結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Structure diagram of pneumatic hole fertilization device

圖2 投肥機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖 Fig.2 Structure diagram of fertilizer injected mechanism

氣力投肥過程肥團(tuán)運(yùn)動的動力來源分為清肥動力和投肥動力，清肥動力保證肥料從肥腔中清出，而投肥動力是指將清出的肥料投送到土壤中的力。根據(jù)出肥管起始段與肥盤接觸面的不同，投肥路徑可分為側(cè)投肥（圖2a）和底投肥（圖2b）2 種。底投肥方式下，出肥管起始段與肥盤底面接觸，出肥管軸線與進(jìn)氣管軸線垂直，肥團(tuán)從裝置底部排出，清肥和投肥動力均包括肥料自身重力和氣流對肥料的作用力。側(cè)投肥方式下，出肥管起始段與肥盤側(cè)面接觸，出肥管起始段和進(jìn)氣管軸線重合，肥料在氣流作用下先從肥盤側(cè)面排出，水平進(jìn)入出肥管，然后沿出肥管向下排出，清肥動力只有氣流對肥料的作用力。相對底投肥方式而言，側(cè)投肥方式清肥動力雖然少了重力作用，但肥料還受到氣流的作用，二者流場分布規(guī)律尚不明確，不能簡單地評判清肥和投肥性能的好壞，因此本文對二者的投肥過程進(jìn)行詳細(xì)分析和對比。

2 材料與方法

2.1 顆粒建模

顆粒肥料是按預(yù)定平均粒徑制成的固體肥料，形狀有圓球形或不規(guī)則多面體，但主要以圓球形為主。播種時種肥施用一般以顆粒狀復(fù)合肥料為主，仿真過程選用復(fù)合肥（中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料集團(tuán)，N:P2O5:K2O 為15%:15%:15%）為建模對象，肥料顆粒基本呈圓球形，平均直徑3.41 mm，82%的顆粒直徑在2.9~4.0 mm之間，且顆粒大小隨機(jī)分布。由于肥料顆粒表面沒有黏附力，選擇 Hertz-Mindlin 無滑動接觸模型，在EDEM 中創(chuàng)建肥料顆粒。

2.2 幾何建模

氣力投肥過程，肥腔需繞排肥盤軸轉(zhuǎn)動，相應(yīng)的，在CFD 計算域中，肥腔區(qū)域應(yīng)設(shè)置轉(zhuǎn)動以配合EDEM 中排肥盤的轉(zhuǎn)動，但其余部件不轉(zhuǎn)動，即肥腔區(qū)域與導(dǎo)向塊、進(jìn)氣管和出肥管內(nèi)部流體域存在相對轉(zhuǎn)動。目前Fluent 中常用的轉(zhuǎn)動模型有動參考系模型、滑移網(wǎng)格模型（moving mesh）和動網(wǎng)格模型[20-22]，其中滑移網(wǎng)格法將計算域分為動區(qū)域和靜區(qū)域，兩部分網(wǎng)格之間彼此獨立，在交界面處有相對滑動，可以實時觀察轉(zhuǎn)動物體空間位置的變化[6]，因此本文采用滑移網(wǎng)格法。為了簡化仿真過程，取單個肥腔和投肥機(jī)構(gòu)作為仿真模型，分析單個肥腔經(jīng)過投肥機(jī)構(gòu)時的投肥過程。利用ANSYS Workbench中Mesh 工具對流體域結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型采用四面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，肥腔和進(jìn)氣管及出肥管接觸面設(shè)為interface 并對網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。

2.3 仿真參數(shù)確定

投肥機(jī)構(gòu)肥盤、導(dǎo)向塊、進(jìn)氣管和出肥管均采用樹脂材料（未來8 000）3D 打印而成，肥料顆粒和樹脂材料的力學(xué)性能及相互之間的物理特性如表1 所示[4]。仿真所需排肥盤轉(zhuǎn)速由排肥盤結(jié)構(gòu)、玉米株距和機(jī)具前進(jìn)速度確定，根據(jù)前期設(shè)計的排肥盤結(jié)構(gòu)[4]，機(jī)具前進(jìn)速度4 km/h，株距25 cm，確定排肥盤轉(zhuǎn)速為30 r/min。在EDEM 中設(shè)置時間步長為1×10-5s，F(xiàn)luent 中時間步長為5×10-4s （為EDEM 的50 倍），排肥盤轉(zhuǎn)速均為30 r/min。根據(jù)肥腔長度和肥盤轉(zhuǎn)速，為保證仿真時間內(nèi)肥腔完全經(jīng)過投肥機(jī)構(gòu)，并將排肥管內(nèi)肥料清出，設(shè)置Fluent 仿真步數(shù)為300，EDEM 中仿真時長為0.15 s。

表1 仿真模型參數(shù) Table 1 Parameters of simulation model

入口風(fēng)速的大小將影響投肥裝置的投肥性能，為研究不同入口風(fēng)速下2 種機(jī)構(gòu)的排肥性能，首先進(jìn)行了初步的預(yù)試驗，結(jié)果表明當(dāng)風(fēng)速較小時，側(cè)投肥和底投肥方式均無法及時將肥料排出肥腔，尤其是側(cè)投肥方式，無法正常工作；而風(fēng)速過大，雖然投肥性能有所增強(qiáng)，但出口處肥料顆粒速度過大，出現(xiàn)肥料顆粒飛濺現(xiàn)象，且氣流會吹動土壤，影響肥料的著床，入口風(fēng)速應(yīng)保持在4~10 m/s。因此，本文仿真和驗證試驗分別在入口風(fēng)速為4、6 和8 m/s 條件下進(jìn)行。

3 仿真結(jié)果分析

氣固系統(tǒng)的運(yùn)動特性包括流體相的運(yùn)動特性和固體（顆粒）相的運(yùn)動特性，由文獻(xiàn)[4]可知，肥箱結(jié)構(gòu)分為入口段、調(diào)節(jié)段和出口段，在后處理階段，分別提取0.005、0.015 和0.045 s 時刻對比分析2 種投肥路徑下氣固系統(tǒng)內(nèi)流場特性和肥料運(yùn)動特性。

3.1 投肥性能指標(biāo)

目前在播種階段穴施顆粒肥料的研究相對較少，尚缺乏相關(guān)的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。為保證肥料盡可能的集聚在種子附近，便于作物吸收，穴施肥機(jī)構(gòu)需滿足：1）良好的成穴性能，即肥料在肥溝中的分布長度盡可能短；2）施肥量合格且穩(wěn)定；3）肥料能夠穩(wěn)定入土，即入土后彈跳盡可能小。

肥團(tuán)投送過程氣固系統(tǒng)的動力學(xué)特性將最終影響肥料在肥溝中的分布情況。當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度一定時，肥團(tuán)在肥溝內(nèi)的分布情況與肥團(tuán)離開出肥口時的速度、投肥占空比和清肥率有關(guān)。肥團(tuán)離開出肥口處的速度將影響肥料入土的穩(wěn)定性，速度越小，入土過程的彈跳越小。投肥占空比是指1個排肥周期內(nèi)，肥團(tuán)從出肥口投出所用的時間占整個排肥周期的比例，單穴肥料在肥溝內(nèi)分布長度的計算公式為

式中L 為肥料在肥溝內(nèi)分布的長度，mm；τ 為投肥占空比；n 為肥盤轉(zhuǎn)速，r/min；N 為肥盤上肥腔的數(shù)量；V 為機(jī)具前進(jìn)速度，m/s。

當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度和肥盤轉(zhuǎn)速一定時，肥料在肥溝內(nèi)分布的長度由投肥占空比決定，占空比越小，肥團(tuán)在肥溝內(nèi)分布長度越小，肥料成穴性能越好。

清肥率是指排出肥腔的肥料質(zhì)量占肥腔內(nèi)肥料總質(zhì)量的百分比，清肥率將影響每穴施肥量的合格率和穩(wěn)定性。清肥率的計算公式為

式中m 為從肥腔中排出（排入肥溝）的肥料質(zhì)量，g；M為進(jìn)入投肥機(jī)構(gòu)前，肥腔內(nèi)肥料總質(zhì)量，g。

3.2 流場特性分析

在入口風(fēng)速為6 m/s 時，側(cè)投肥方式下不同時刻投肥機(jī)構(gòu)內(nèi)氣流流線和速度分布如圖3a 所示。肥腔帶動肥料以團(tuán)狀形式轉(zhuǎn)動經(jīng)過投肥機(jī)構(gòu)，氣流從進(jìn)氣口流入。起始階段（t=0.005 s），肥腔只有入口段和進(jìn)氣端面（進(jìn)氣管末端端面）重合，氣流沿重合部分進(jìn)入肥腔，由流線分布可知，因入口段結(jié)構(gòu)呈“尖角”形，肥料顆粒分布較為疏松，流入肥腔中的氣流主要通過肥腔入口段流出，另一部分氣流受肥腔結(jié)構(gòu)和肥料顆粒阻力的影響，在肥腔內(nèi)形成“漩渦”。由于氣流在流經(jīng)肥腔和進(jìn)氣端交界面以及從肥腔入口段流出時，氣流流通截面變小，氣流速度極具增大，局部最大速度可達(dá)270.81 m/s；流出肥腔的高速氣流主要沿出肥端側(cè)壁運(yùn)動，在側(cè)壁的沖擊作用下，一部分氣流在出肥端起始段形成旋渦流。

圖3 不同投肥路徑下不同時刻的氣流流線及速度分布 Fig.3 Airflow line and velocity distribution at different time under different fertilizer feeding paths

隨肥腔的轉(zhuǎn)動，當(dāng)肥腔調(diào)節(jié)段和入口段與進(jìn)氣端重合時（t=0.015 s），肥腔和進(jìn)氣端交界面面積增大，氣流流通截面增大，流入肥腔的氣流流速減小，最大流速為53.34 m/s，在肥腔內(nèi)氣流仍存在旋渦現(xiàn)象。

當(dāng)肥腔全部進(jìn)入投肥機(jī)構(gòu)時（t=0.045 s），肥腔入口段、調(diào)節(jié)段和出口段均與進(jìn)氣端重合，氣流流通截面達(dá)到最大值，氣流在流經(jīng)肥腔時流速稍有增大，主要分布在6~8 m/s 范圍，氣流在入口端、肥腔和出肥端間均勻分布，肥腔內(nèi)漩渦現(xiàn)象消失，氣流趨于穩(wěn)定。

底投肥方式下不同時刻投肥機(jī)構(gòu)內(nèi)氣流流線和速度分布如圖3b 所示。當(dāng)t=0.005 s 時，氣流沿肥腔入口段和進(jìn)氣端重合部分進(jìn)入肥腔，與側(cè)投肥方式類似，由于氣流流通截面變小，氣流速度急劇增大，最大速度達(dá)到116.66 m/s，但進(jìn)氣管和出肥管軸線垂直，氣流在肥腔內(nèi)需經(jīng)過換向才能流出，氣流在肥腔內(nèi)形成較大擾動，且從肥腔流出后在出肥管內(nèi)形成旋渦，氣流在出肥管軸線方向流速較小。

當(dāng)t=0.015 s 時，肥腔和進(jìn)氣端交界面面積增大，氣流入肥腔的氣流流速減小，最大流速為40.80 m/s，主要分布在30 m/s 以下，因肥腔和出肥口端面重合部分增大，氣流從肥腔流出時在出肥管軸線方向分速度占比增大，“漩渦”下移。

當(dāng)t=0.045 s 時，肥腔全部進(jìn)入投肥機(jī)構(gòu)，進(jìn)氣管、肥腔和出肥管形成類似彎管結(jié)構(gòu)，氣流在出肥管起始段“漩渦”現(xiàn)象基本消失，在出肥管軸線方向流速增大，主要在4~7 m/s 范圍。

當(dāng)肥腔全部進(jìn)入投肥機(jī)構(gòu)、投肥趨于穩(wěn)定時，不同入口風(fēng)速下2 種投肥路徑內(nèi)部氣流流線和速度分布如圖4所示。同一投肥路徑、不同入口風(fēng)速下投肥機(jī)構(gòu)內(nèi)部流場分布對比可知，隨入口風(fēng)速增大，2 種投肥路徑流線和速度分布規(guī)律均無明顯變化，但機(jī)構(gòu)內(nèi)氣流流速隨入口風(fēng)速增大而增大，入口風(fēng)速分別為4、6 和8 m/s 時，側(cè)投肥方式的氣流最大速度分別為8.78、11.60 和15.98 m/s，出肥口處最大流速分別為7.02、8.69 和9.59 m/s；底投肥方式的氣流最大速度均位于出肥口處，分別為9.05、13.52和18.41 m/s，底投肥方式出肥口處氣流速度均大于側(cè)投肥方式。

圖4 入口風(fēng)速4~8 m·s-1 下投肥機(jī)構(gòu)內(nèi)部氣流流線和出肥口速度云圖 Fig.4 Internal airflow line and outlet velocity contours of fertilizer injected mechanism under different inlet wind speed of 4~8 m·s-1

3.3 肥團(tuán)運(yùn)動分析

圖5 為不同入口風(fēng)速下出肥口肥料顆粒平均速度隨時間的變化曲線。由圖5 可知，2 種投肥路徑下，起始階段出肥口肥料顆粒速度較大且波動比較明顯，隨時間增大，肥料顆粒速度逐漸減小并趨于穩(wěn)定。這與排肥機(jī)構(gòu)內(nèi)流場分布有關(guān)，隨時間增大，肥腔與進(jìn)氣端面重合面積增加，氣流流速減小，對肥料的作用力減小，肥料從出肥口排出的速度也隨之降低。

當(dāng)出肥口顆粒速度趨于穩(wěn)定后，在入口風(fēng)速為4、6和8 m/s 條件下，側(cè)投肥方式出肥口顆粒平均速度分別為1.51、2.14 和2.99 m/s，底投肥方式分別為1.85、2.37 和3.21 m/s，出肥口顆粒平均速度均隨入口風(fēng)速的增大而增大，且底投肥方式大于側(cè)投肥方式，與流場特性分析中出肥口流速變化規(guī)律相吻合。側(cè)投肥方式肥腔內(nèi)肥料完全依靠氣流的帶動排出肥腔，且側(cè)投肥方式出肥管起始段為水平方向，肥料在肥腔和出肥管起始段內(nèi)運(yùn)動時，肥料顆粒自身重力引起的出肥管管壁的摩擦力阻礙了肥料顆粒的運(yùn)動；而底投肥方式肥料自身重力促進(jìn)了肥料從肥腔中排出，且對排出的肥料起到一定加速作用，因此側(cè)投肥方式出肥口處肥料顆粒速度小于底投肥方式。

圖5 肥料的出口平均速度隨時間變化曲線 Fig.5 Change of average velocity of fertilizer at export with time

此外，在速度變化曲線中，出肥口處顆粒速度大于0 的時間段即為排肥時間，隨入口風(fēng)速增大，側(cè)投肥方式排肥時間分別為0.132、0.104 和0.077 s，底投肥方式分別為0.113、0.095 和0.086 s，排肥盤轉(zhuǎn)速為30 r/min，單穴肥料排肥周期為0.25 s，則側(cè)投肥方式投肥占空比分別為52.8%、41.6%和30.8%，底投肥方式分別為49.2%、38.0%和34.4%。因此，當(dāng)入口風(fēng)速為4 和6 m/s 時，底投肥方式成穴性能較好，而入口風(fēng)速為8 m/s 時側(cè)投肥方式成穴性能更好。投肥過程隨入口風(fēng)速增大，氣流對肥料顆粒作用力變大，顆粒受力中管壁摩擦力所占比重降低，底投肥方式因顆粒重力產(chǎn)生的優(yōu)勢減弱；此外，底投肥方式出肥管起始段軸線與進(jìn)氣管軸線垂直，氣流在流經(jīng)肥腔過程需改變流速方向，在出肥管內(nèi)形成漩渦，其豎直方向分速度減小。因此，當(dāng)速度達(dá)到8 m/s 時，側(cè)投肥方式肥料成穴性能優(yōu)于底投肥方式。

圖6 為不同入口風(fēng)速下出肥口肥料質(zhì)量隨時間的變化，當(dāng)出肥口肥料質(zhì)量積累到最大值時，投肥階段結(jié)束，最大積累量即為實際排肥量。當(dāng)入口風(fēng)速為4、6 和8 m/s時，側(cè)投肥方式實際排肥量分別為6.17、6.91 和7.38 g，底投肥方式為6.97、7.44 和7.92 g，投肥開始時兩者肥腔內(nèi)肥團(tuán)總質(zhì)量為8.60 g，則側(cè)投肥方式清肥率分別為71.74%、80.35%和85.81%，底投肥方式分別為81.05%、86.51%和92.09%，均優(yōu)于側(cè)投肥方式。

圖6 不同風(fēng)速條件下不同時刻的排肥量 Fig.6 Amount of fertilizer discharged at different time under different wind speed conditions

由投肥機(jī)構(gòu)流場特性和顆粒運(yùn)動特性分析可知，肥料顆粒的運(yùn)動和機(jī)構(gòu)內(nèi)流場特性密切相關(guān)，在肥腔進(jìn)入投肥機(jī)構(gòu)起始階段，氣流因流通截面面積急劇減小，在肥腔內(nèi)流速極大，對肥腔內(nèi)肥料形成較大擾動，部分肥料顆粒出現(xiàn)“倒流”現(xiàn)象，進(jìn)入進(jìn)氣管。隨肥腔轉(zhuǎn)動，氣流流通截面增大，肥腔內(nèi)氣流流速減小，對肥腔內(nèi)肥料顆粒擾動減小，出肥管內(nèi)氣流在其軸線方向分速度趨于平穩(wěn)，投肥逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。因此，在對投肥路徑設(shè)計過程，應(yīng)盡量減小或避免氣流流通截面極具變小現(xiàn)象。

此外，對比2 種投肥路徑的投肥性能，在入口風(fēng)速側(cè)投肥方式肥料的成團(tuán)性能更好，主要由于肥料在排出肥腔過程，氣流在肥腔中未發(fā)生變向，整個投肥過程氣流對肥料顆粒的擾動較小。而底投肥方式在清肥性能方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，因為底投肥方式投肥過程中肥料在氣流和重力的共同作用下，更容易被排出肥腔。因此，在投肥機(jī)構(gòu)投肥路徑的設(shè)計中應(yīng)盡量減少氣流在肥腔中的換向，并保證足夠的清肥動力。

4 臺架試驗

4.1 試驗設(shè)計

為了驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性并對比不同入口風(fēng)速條件下投肥機(jī)構(gòu)的投肥指標(biāo)，加工試制了仿真所用的2 種投肥機(jī)構(gòu)，分別安裝在穴施肥裝置上，在自制排肥器性能試驗臺上進(jìn)行試驗。試驗選用仿真所用的顆粒狀復(fù)合肥，質(zhì)量含水率為4.37%，2 次試驗先后在相同的穴施肥裝置和試驗臺上進(jìn)行，試驗設(shè)定排肥盤轉(zhuǎn)速為30 r/min，施肥量設(shè)為300 kg/hm2，傳送帶速度為4 km/h。為了測算肥料從出肥口排出時的速度和分布情況，試驗過程用高速攝像機(jī)拍攝出肥口處肥料運(yùn)動情況，高速攝像機(jī)型號為“千眼狼5F01”，采集周期為1 μs，曝光時間為500 μs，保存時間長度為500 ms。試驗裝置及各部件布置如圖7 所示。

圖7 臺架試驗 Fig.7 Bench test

試驗后分別選取肥團(tuán)首次從排肥口排出的時刻t1（圖8a）、肥團(tuán)完全排出出肥口的時刻t2（圖8b）以及肥團(tuán)再次從排肥口排出的時刻t3（圖8c）的圖片，則t1和t2的時間間隔即為排肥時間，t2和t3的時間間隔即為排肥間隔時間。單粒肥料從排肥口排出時的速度通過其從排肥口排出后前10 張圖片的位移除以時間得到。

圖8 不同時刻出肥口的肥料分布 Fig.8 Fertilizer distribution of outlet at different time

4.2 投肥過程分析

表2 為臺架試驗結(jié)果，從表中可以看出，當(dāng)入口風(fēng)速為4 m/s 時，側(cè)投肥方式平均清肥率為65.1%，肥料在肥溝中分布長度為18.2 cm，均明顯大于底投肥方式（79.8%，13.9 cm），清肥性能和肥料成團(tuán)性能差，主要由于側(cè)投肥方式肥料完全在氣流的作用下被排出，氣流速度偏小時，肥料受氣流作用力較小，肥料不能及時排出肥腔，且排肥時間長，肥料在肥溝中分布長度較長。隨入口風(fēng)速增大，兩者肥料成團(tuán)性能和清肥率均顯著提高，當(dāng)入口風(fēng)速為8 m/s 時，側(cè)投肥方式的清肥率為85.5%，肥料分布長度為9.9 cm，底投肥方式清肥率為87.1%，肥料分布長度為11.4 cm。對比室內(nèi)臺架試驗和仿真試驗，臺架試驗中清肥率和出肥口處肥料顆粒速度均小于仿真試驗結(jié)果，而投肥占空比均大于仿真試驗，但其投肥性能變化規(guī)律與仿真試驗相同，仿真試驗結(jié)果可靠。

表2 臺架試驗結(jié)果 Table 2 Results of bench test

總體而言，當(dāng)入口風(fēng)速較小時，側(cè)投肥和底投肥方式投肥性能均相對較差；隨入口風(fēng)速增大，肥料成團(tuán)性能和清肥率均明顯提高，當(dāng)入口風(fēng)速為8 m/s 時，底投肥方式在清肥率方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，而側(cè)投肥方式肥料成團(tuán)性能更好。

5 結(jié) 論

1）運(yùn)用CFD-DEM 耦合分析方法對不同入口風(fēng)速下側(cè)投肥和底投肥2 種投肥路徑進(jìn)行仿真分析，流場特性分析可知：在肥腔進(jìn)入投肥機(jī)構(gòu)起始階段，局部氣流流速極大，隨肥腔轉(zhuǎn)動，氣流流通截面增大，系統(tǒng)內(nèi)流速趨于均勻、穩(wěn)定；側(cè)投肥方式氣流流速小于底投肥方式，而底投肥方式在出肥管起始段有“漩渦”現(xiàn)象；隨入口風(fēng)速增大，機(jī)構(gòu)內(nèi)氣流流速增大。

2）2 種投肥路徑肥團(tuán)運(yùn)動特性分析可知：在速度較低時側(cè)投肥方式清肥率和肥料成穴性能均低于底投肥方式；隨入口風(fēng)速的增大，兩者投肥性能均明顯提高；當(dāng)入口風(fēng)速為8 m/s 時，底投肥方式清肥性能優(yōu)于側(cè)投肥方式，而肥料成穴性能低于后者。

3）室內(nèi)驗證試驗結(jié)果表明：臺架試驗中清肥率和出肥口處肥料顆粒速度均小于仿真試驗結(jié)果，而投肥占空比均大于仿真試驗，但其投肥性能變化規(guī)律與仿真試驗相同，仿真試驗結(jié)論可靠；當(dāng)入口風(fēng)速達(dá)到8 m/s 時，側(cè)投肥方式的清肥率和肥料分布長度分別為85.5%和9.9 cm，底投肥方式分別為87.1%和11.4 cm。