氣吸式排種器氣室及型孔流場(chǎng)有限元分析

陳書法，劉永康，宋正坤，解法旺，孫啟新

(淮海工學(xué)院 機(jī)械與海洋工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005)

0 引言

排種器按照工作原理分為機(jī)械式和氣力式[1]：機(jī)械式排種器主要是利用機(jī)械物理原理對(duì)種子作用,使種子能按照要求順利排出,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、造價(jià)低廉,在市場(chǎng)中還占有一定的使用比例[2]；氣力式排種器主要是利用氣流的作用效果,對(duì)種子進(jìn)行吹送或吸附,使種子按照預(yù)期的規(guī)律移動(dòng)[3]。氣力式排種器與機(jī)械式排種器相比，具有不傷種、對(duì)種子外形尺寸要求不高、通用性好及作業(yè)速度高的優(yōu)點(diǎn)[4]，目前國內(nèi)外對(duì)氣力播種技術(shù)的播種基本原理、氣力播種各技術(shù)環(huán)節(jié)等方面開展了廣泛研究[5]。氣力式排種器主要有氣吸式、氣吹式和 氣壓式3種形式[6]。本文主要對(duì)氣吸式排種器的氣室形狀及型孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，研究氣室形狀和不同型孔結(jié)構(gòu)對(duì)排種器性能的影響。

1 氣室氣流場(chǎng)仿真

1.1 氣室理論分析

1.1.1 分析假設(shè)

運(yùn)用ANSYS/FLUENT求解流體問題時(shí)，首先要確定流體的特征。排種器氣室內(nèi)的流體為空、不存在溫度變化的情況，不用考慮溫度變化對(duì)氣體參數(shù)的影響，所以假設(shè)氣室內(nèi)的氣體特性參數(shù)為常量。

1.1.2 氣室內(nèi)流體類型的確定

根據(jù)流體能否被壓縮，可將流體分為可壓縮流體與不可壓縮流體兩類[7]：密度隨著壓強(qiáng)的變化較大且不可視為常數(shù)的流體稱為可壓縮流體；密度隨壓強(qiáng)的變化很小且可視為常數(shù)的流體稱為不可壓縮流體。

氣體類型的判定要根據(jù)馬赫數(shù)來判定。當(dāng)馬赫數(shù)大于0.3時(shí)，可將該處的氣體視為可壓縮氣體；當(dāng)馬赫數(shù)小于0.3時(shí)，視為不可壓縮氣體[7]。判定排種器氣室內(nèi)流體類型的公式為

(1)

(2)

式中k—等熵指數(shù)，室溫20℃時(shí)k=1.4；

R—?dú)怏w常數(shù)，室溫20℃時(shí)R=287；

T—?dú)怏w絕對(duì)溫度，室溫20℃時(shí)T=293；

ρ—空氣密度標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，室溫20℃時(shí)ρ=1.205kg/m3；

ΔP—?dú)馐艺婵斩?，此處取ΔP=1.5～4kPa；

a—型孔空氣阻力系數(shù)，型孔直徑為0.5～3mm時(shí)a=0.17～0.72。

由公式得：Mmax=0.18<0.3。因此，氣室流場(chǎng)氣體視為不可壓縮氣體。

1.1.3 氣室流場(chǎng)確定

對(duì)于不可壓縮流體的恒定勢(shì)流，若忽略重力，可運(yùn)用勢(shì)流的伯努利方程[7]，即

(3)

式中p—靜壓(Pa)；

1/2ρu2—?jiǎng)訅?Pa)；

ρ—密度(kg/m3)；

u—質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度(m/s)；

c—常數(shù)。

常數(shù)c對(duì)于該勢(shì)流場(chǎng)的整個(gè)流場(chǎng)是相同的，說明整個(gè)流場(chǎng)的全壓是處處相等的。由此認(rèn)定，氣室流場(chǎng)是一個(gè)勢(shì)流流場(chǎng)，全壓強(qiáng)處處相等，從而可以認(rèn)為氣室容積對(duì)型孔吸附性能沒有影響[8]。

1.1.4 仿真模型的選取

為了在計(jì)算過程中選擇合適的模型，需要確定流體的運(yùn)動(dòng)形式。流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)包括層流和湍流兩種形式，可以用雷諾數(shù)Re來判定。一般情況下Re<2 300時(shí)，為層流；2 3004 000時(shí)，為湍流。雷諾數(shù)Re的定義為

(4)

(5)

式中ρ—空氣密度；

v—流體速度(m/s)；

μ—粘性系數(shù)(m/s)；

d—管道直徑(m)；

a—型孔空氣阻力系數(shù)，型孔直徑為 0.5～3mm時(shí)a=0.17～0.172；

ΔP—?dú)馐艺婵斩?，取ΔP=1.5～4kPa。

當(dāng)Re較小時(shí)，說明粘性摩擦力起著主要作用；當(dāng)Re較大時(shí)，慣性力起主要作用。常溫狀態(tài)(即室溫20℃)時(shí)，空氣密度ρ=1.205kg/m3，流體速度v=62m/s，粘性系數(shù)μ=1.8×10-5Pa·s，型孔處直徑d=0.001m。由式(4)計(jì)算得Re=4150>4 000，所以運(yùn)動(dòng)形式為湍流，在計(jì)算時(shí)選擇湍流模型。

1.2 氣室仿真分析

ANSYS/FLUENT是一款用戶較多的CFD軟件，通過使用FLUENT求解流動(dòng)問題能夠求解流動(dòng)過程中的多種物理現(xiàn)象，用于二維和三維流動(dòng)體的流場(chǎng)分析[8]，計(jì)算結(jié)果可以顯示流場(chǎng)中各項(xiàng)參數(shù)的詳細(xì)信息。

本文仿真所用排種器模型的排種盤型孔貼近氣室外側(cè)，外側(cè)半徑不能改變，因此通過調(diào)整氣室內(nèi)徑的大小來改變排種器氣室的容積。型孔所在位置位于排種盤直徑110mm處，考慮到負(fù)壓進(jìn)氣口的直徑，氣室內(nèi)側(cè)直徑變化范圍為50～70mm，直徑增量為10mm。對(duì)氣室流場(chǎng)進(jìn)行分析，建立不同的模型，均選擇標(biāo)準(zhǔn)k-e模型進(jìn)行仿真。

在計(jì)算模塊中對(duì)流體模型設(shè)置定義的進(jìn)出口壓強(qiáng)大小，選擇湍流計(jì)算模型為k-e模型，定義出口類型為opening，入口壓強(qiáng)為0kPa，出口壓強(qiáng)為-2kPa，設(shè)置計(jì)算結(jié)果的收斂精度為10-4，計(jì)算迭代次數(shù)為500，進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖1～圖3所示。

由圖1～圖3中的流速云圖可以看出不同容積情況下負(fù)壓區(qū)氣室的仿真結(jié)果。分析其對(duì)型孔端面的流速與壓強(qiáng)的關(guān)系，可以得出：①氣室容積減小，使氣室內(nèi)的流速產(chǎn)生一定的變化，但是三者相差不多；②型孔處氣流的流速并沒有太大的變化，流速最大值為12m/s左右，最小值為10m/s左右。因此，氣室容積的變化對(duì)排種器排種性能的影響并不大，與之前引用文獻(xiàn)的理論分析結(jié)果一致。所以，筆者認(rèn)為改變氣室容積大小對(duì)排種器排種性能的影響為不顯著影響。

圖1 內(nèi)徑50mm時(shí)氣室內(nèi)的氣流流速云圖

圖2 內(nèi)徑60mm時(shí)氣室內(nèi)的氣流流速云圖

圖3 內(nèi)徑70mm時(shí)氣室內(nèi)的氣流流速云圖

2 型孔形狀仿真分析

排種盤上的型孔一般分為圓形孔和漏斗形孔，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 型孔結(jié)構(gòu)

在SolidWorks中對(duì)型孔進(jìn)行建模，然后導(dǎo)入FLUENT中，采用FLUENT自帶的網(wǎng)格劃分工具M(jìn)ESH進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于模型為標(biāo)準(zhǔn)模型，不存在尖銳情況，劃分時(shí)的條件均采用默認(rèn)條件，劃分后的網(wǎng)格如圖5所示。定義模型左端為OUT邊界，出口氣壓定義為-1 500Pa，定義模型右端面為IN，建立進(jìn)口邊界，進(jìn)口壓強(qiáng)為0Pa，收斂條件為10-4，計(jì)算迭代次數(shù)500，進(jìn)行計(jì)算。仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖5 型孔網(wǎng)格

圖6 圓形型孔壓力云圖

圖7 漏斗形型孔孔壓力云圖

由圖6、圖7可以看出：圓孔前后兩端的壓力差很小。當(dāng)種子為不規(guī)則形狀時(shí)，種子與型孔之間的間隙會(huì)泄露空氣，使氣室真空度降低，導(dǎo)致型孔邊的吸附力能夠吸附多余的種子；錐孔前后兩端的壓力差較大且錐孔端面的壓力兩邊小中間大時(shí)，即使種子是不規(guī)則球形，在端面兩邊泄露空氣也較少，能夠有效地避免重吸。

此外，當(dāng)錐孔和圓孔同時(shí)吸附1粒種子時(shí)，由于錐孔前面是傾斜平面，有利于種子的滑動(dòng)進(jìn)入型孔。當(dāng)種子進(jìn)入型孔后，能夠有效減小漏氣量，其它的種子就會(huì)跌落至充種室，從源頭上減小播種的重播率。

3 試驗(yàn)

由于氣室真空度的存在，排種盤兩側(cè)的壓力差在型孔處會(huì)產(chǎn)生吸附力，其大小會(huì)直影響型孔對(duì)種子的吸附能力，影響型孔對(duì)種子的吸附質(zhì)量，它與種子物理特性有關(guān)。一般不同種子都對(duì)應(yīng)著一個(gè)最佳真空度值：真空度過小，漏吸幾率增大，漏播指數(shù)升高；真空度過大，重吸率增加，重播指數(shù)增加。為了驗(yàn)證上文不同型孔的仿真結(jié)果，在JPS-12排種器檢驗(yàn)試驗(yàn)臺(tái)上做了室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)。

試驗(yàn)材料選擇大白菜種子，采用游標(biāo)卡尺測(cè)得種子的長、寬、高，一共測(cè)量150粒種子：取平均值得到如下結(jié)果：長度在1.38～1.87mm之間，平均值為1.63mm；寬度在1.23～1.82mm之間，均值為1.57mm；高度在1.18～1.79mm之間，均值1.51mm。同時(shí)，測(cè)得含水率7.6%，千粒質(zhì)量3.98g。

在相同條件下，對(duì)圓形型孔和漏斗形型孔的排種器進(jìn)行室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)[9]。將種床帶的前進(jìn)速度設(shè)置為5.4km/h，排種盤轉(zhuǎn)速35r/min，氣室工作負(fù)壓選取為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0kPa等6個(gè)水平，分別對(duì)兩種不同型孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行單因素試驗(yàn)。為確定試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，重復(fù)對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行3次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取平均值，并根據(jù)試數(shù)據(jù)繪制擬合圖來分析兩種型孔結(jié)構(gòu)對(duì)排種器排種性能的影響。

圖8表示型孔為漏斗形型孔時(shí)工作風(fēng)壓與排種性能的曲線圖，并得到排種性能指標(biāo)的回歸方程。

合格指數(shù)回歸方程為

A=-3.36x3+22.54x2-40.18x+93.77

R2=0.91

(6)

重播指數(shù)回歸方程為

D=2.70x2-8.71x+12.55

R2=0.97

(7)

漏播指數(shù)回歸方程為

M=2.51x2-23.16x+51.94

R2=0.93

(8)

圖8 風(fēng)壓對(duì)漏斗形型孔排種性能的影響

圖9表示型孔為圓形型孔時(shí)工作風(fēng)壓與排種性能的曲線圖，并得到排種性能指標(biāo)的回歸方程。

圖9 風(fēng)壓對(duì)圓形型孔排種性能的影響Fig.9 Effect of wind pressure on seed metering

performance in a circular hole

合格指數(shù)回歸方程為

A=-3.52x3+24.12x2-44.38x+94.84

R2=0.93

(9)

重播指數(shù)回歸方程為

D=1.84x2-5.15x+10.71

R2=0.97

(10)

漏播指數(shù)回歸方程為

M=3.23x2-26.8x+56.64

R2=0.91

(11)

由圖8和圖9可知：在排種盤轉(zhuǎn)速一定的情況下，排種粒距合格率隨工作風(fēng)壓的增大，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在3.0kPa左右時(shí)合格率最高；重播率隨工作風(fēng)壓的增大而逐漸升高，漏播率則隨著工作風(fēng)壓的增大呈逐漸下降的趨勢(shì)，在2.0～3.0kPa時(shí)漏播率下降明顯，之后下降趨勢(shì)逐漸平滑。因此，風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓對(duì)排種工作性能影響比較顯著。

當(dāng)排種盤上的型孔采用不同的結(jié)構(gòu)時(shí)，其擬合曲線的走勢(shì)變化不大；但在相同的條件下，漏斗形的型孔的合格率比圓孔的合格率高，圓形孔容易吸附更多的種子，與模擬分析的結(jié)果一致。由此說明：漏斗形型孔的排種效果略優(yōu)于圓形型孔。

4 結(jié)論

1)對(duì)排種器氣室容積進(jìn)行理論分析，并通過ANSYS/FLUENT進(jìn)行仿真驗(yàn)證，表明排種器氣室容積對(duì)排種器工作性能的影響不大。

2)對(duì)于圓形型孔和漏斗形型孔進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明：漏斗形型孔的排種性能要優(yōu)于圓形型孔結(jié)構(gòu)的排種器。

3)對(duì)不同型孔結(jié)構(gòu)的排種器進(jìn)行室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果表明：漏斗形型孔排種器排種性能優(yōu)于圓形型孔的排種器。