基于CFD-DEM的集排式分肥裝置顆粒運(yùn)動(dòng)數(shù)值分析

楊慶璐 李子涵 李洪文 何 進(jìn) 王慶杰 盧彩云

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083; 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部河北北部耕地保育農(nóng)業(yè)科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站， 北京 100083)

0 引言

糧食的增產(chǎn)離不開(kāi)施肥，但不合理的施肥會(huì)產(chǎn)生能源浪費(fèi)、環(huán)境污染、經(jīng)濟(jì)損失等副作用[1]。目前我國(guó)農(nóng)田化肥施用量大、利用率低(<30%)，嚴(yán)重破壞了生態(tài)環(huán)境[2-4]，因而降低化肥施用量、提高利用率成為促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的重要措施[5-7]，合理施肥，特別是機(jī)械化精量均衡施肥可以明顯地提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)[8-9]。

氣力集排式排肥器采用機(jī)械式供肥、多行均勻分肥、氣力高速送肥的排肥方式，使顆粒肥與高速氣流混合形成氣固混合流，經(jīng)分配器均勻分配，實(shí)現(xiàn)作物各行定量均勻施肥。國(guó)外學(xué)者對(duì)氣力輸送固體顆粒作了深入研究，包括氣力輸送中顆粒速度、加速度的影響因素以及固體顆粒在輸送管道中的沉積特性，并進(jìn)行了仿真模擬[10-14]。但這些研究主要集中于管道輸送固體顆粒的研究，缺乏對(duì)排肥器分肥裝置內(nèi)顆粒肥料流動(dòng)特性及分肥裝置分配特性的研究。目前，國(guó)內(nèi)研究主要集中于氣力非集排式排肥器，尚未有關(guān)于氣力集排式排肥器的研究。齊興源等[15-16]設(shè)計(jì)了一種以外槽輪式排肥器供肥、以空氣流為輸送和撒播動(dòng)力的稻田氣力式變量撒肥機(jī)；文獻(xiàn)[17-19]對(duì)水田側(cè)深施肥裝置的排肥器和氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，對(duì)排肥裝置關(guān)鍵部件進(jìn)行了仿真模擬，得到了排肥輪轉(zhuǎn)速、插秧機(jī)前進(jìn)速度、風(fēng)機(jī)風(fēng)速的最佳匹配參數(shù)。以上研究的氣力施肥機(jī)具，施肥器為水平分散式混肥排肥裝置，各行施肥量的均勻性難以保證，也不能滿足高速寬幅、定量均衡的大田施肥作業(yè)。

為研究氣力集排式分肥裝置中肥料顆粒的流動(dòng)特性及分配器形狀對(duì)肥料顆粒分配性能的影響，本文通過(guò)離散元法與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)耦合仿真的方法進(jìn)行分肥裝置顆粒運(yùn)動(dòng)數(shù)值分析，確定排肥器分肥裝置最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，以期為氣力式定量均衡施肥裝置的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 氣力集排式排肥器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 氣力集排式排肥器總體結(jié)構(gòu)

氣力集排式排肥器包括風(fēng)機(jī)、供肥裝置、氣肥混合器、分肥裝置、排肥管、減速電機(jī)和肥箱等，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 氣力集排式排肥器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural schematic of pneumatic centralized fertilizer distributor1.風(fēng)機(jī) 2.肥箱 3.分配器旋蓋 4.分配器 5.排肥管 6.波紋管 7.彎管 8.減速電機(jī) 9.氣肥混合器 10.供肥裝置 11.氣流輸送管

施肥作業(yè)時(shí)，氣力集排式排肥器排肥過(guò)程分為4個(gè)階段：供肥、混肥、分肥和排肥。供肥裝置將肥箱中的顆粒肥定量排出，依靠自身重力及壓差作用進(jìn)入氣肥混合器；氣肥混合器利用文丘里原理將定量供應(yīng)的顆粒肥與高速氣流混合形成氣肥混合流；氣肥混合流通過(guò)彎管進(jìn)入波紋管，形成均勻氣肥混合流后進(jìn)入分配器，分配器將混合流平均分配到每個(gè)排肥口；分配后的氣肥混合流經(jīng)排肥管到達(dá)開(kāi)溝器，將肥料排入土壤中。

1.2 排肥器分肥裝置工作原理與參數(shù)

1.2.1分肥裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

圖2 氣力集排式分肥裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural schematic of pneumatic centralized fertilizer distribution device1.波紋管 2.分配器殼體 3.排肥口 4.分配器旋蓋

氣力集排式排肥器分肥裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括波紋管、分配器殼體、分配器旋蓋和排肥口等。波紋管上端與分配器下方的入口相連接，分配器旋蓋安裝在分配器殼體的頂部，圓錐形的頂尖位于波紋管的軸線上，分配器排肥口與排肥管相連接。

氣肥兩相流在分肥裝置中相互作用，形成混合區(qū)、分配區(qū)和強(qiáng)排區(qū)，混合區(qū)中混合流經(jīng)波紋管的拉伸、擠壓作用及顆粒肥觸壁反射[20]，促使肥料和氣流充分混合，形成均勻的兩相流；分配區(qū)內(nèi)均勻混合流在圓錐形斜面和壓差的作用下被均勻分配到各行排肥口；強(qiáng)排區(qū)內(nèi)肥料顆粒在氣流的作用下被強(qiáng)制排出分肥裝置，實(shí)現(xiàn)定量高速均勻施肥。如圖2所示，箭頭的方向?yàn)闅夥驶旌狭鬟\(yùn)動(dòng)方向。分肥裝置內(nèi)部氣壓和風(fēng)速對(duì)氣肥混合流的運(yùn)動(dòng)有重要影響，影響分肥裝置內(nèi)部氣壓和風(fēng)速的參數(shù)包括分配器旋蓋的錐角θ、波紋管直徑D、施肥速率vf和入口風(fēng)速va等。

1.2.2分肥裝置基本參數(shù)

分配器是氣力集排式分肥裝置的核心部件之一，排肥管各行排量的一致性和均勻性在很大程度上取決于分配器的形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)[21-22]。為保證排肥的過(guò)程中肥料與氣流均勻混合，且各行排肥量一致，需確定分配器中氣流的速度，根據(jù)顆粒在管道中的輸送理論[23-24]，分配器入口風(fēng)速為

(1)

式中KL——顆粒肥的粒度系數(shù)

ρf——顆粒肥密度，為1 461 kg/m3

Kd——顆粒肥的物料特性系數(shù)

L——管道長(zhǎng)度，m

當(dāng)顆粒粒徑在1～10 mm時(shí)，KL取值范圍為16～20，由于顆粒肥的平均直徑小于4 mm，因此取KL為16。顆粒肥的物料特性系數(shù)Kd取值范圍為(2～5)×10-5，由于風(fēng)送管路長(zhǎng)度小于2 m，顆粒肥的物料特性系數(shù)對(duì)速度的影響可以忽略不計(jì)。為保證管道中氣流的速度滿足使用要求，保留30%的裕量，計(jì)算得入口風(fēng)速va為25.14 m/s，取整為25 m/s。

顆粒肥在輸送管道中的料氣輸送比為

(2)

(3)

式中μ——料氣輸送比，取2.7

Gf——單位時(shí)間顆粒肥輸送質(zhì)量，kg/s

Ga——單位時(shí)間氣流質(zhì)量，kg/s

ρa(bǔ)——空氣密度，取1.293 kg/m3

綜合式(1)～(3)，可得輸送管道直徑為

(4)

根據(jù)小麥、玉米播種施肥量要求，施肥最大量為750 kg/hm2，機(jī)組前進(jìn)速度最大為10 km/h，排肥器出肥口為12個(gè)，則單位時(shí)間內(nèi)輸送管道輸送的肥料量Gf為0.44 kg/s，計(jì)算得輸送管道直徑為79.91 mm，結(jié)合管道實(shí)際尺寸，取整后管道直徑D為80 mm。

2 顆粒肥物理特性參數(shù)

顆粒肥的物理特性參數(shù)是確定氣力集排式分肥裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的重要依據(jù)，本研究選取史丹利、沃夫特和撒可富復(fù)合肥為研究對(duì)象，各隨機(jī)抽取50粒，測(cè)量其三維尺寸、密度、球形率等物理特性參數(shù)。計(jì)算得3種復(fù)合肥的平均三維尺寸為3.690 mm×3.521 mm×3.465 mm，球形率均大于0.9(史丹利0.96、沃夫特0.95、撒可富0.91)，可以將肥料顆粒視為直徑為3.56 mm的球形，密度取3種肥料的平均值1 461 kg/m3。

采用計(jì)算流體力學(xué)和離散元法研究分肥裝置中肥料顆粒的運(yùn)動(dòng)特性，選用ANSYS Fluent 18.2和EDEM 2018軟件進(jìn)行耦合。分肥裝置中氣體相流動(dòng)為不可壓縮湍運(yùn)動(dòng)，固相運(yùn)動(dòng)為單粒集合的顆粒運(yùn)動(dòng)，遵循牛頓第二定律。湍流運(yùn)動(dòng)遵循質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒定律，在計(jì)算流體力學(xué)中對(duì)應(yīng)的方程為連續(xù)性方程和Navier-Stokes方程[25]。

分肥裝置中氣相選用Eulerian-Langrangian方法的不可壓縮流體模型，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型求解，固相選用Hertz-Mindlin無(wú)滑動(dòng)接觸模型，CFD-DEM耦合仿真模塊中選用Saffman剪切升力和Magnus旋轉(zhuǎn)升力模型[25-27]。設(shè)置EDEM時(shí)間步長(zhǎng)為2.5×10-5s，F(xiàn)luent時(shí)間步長(zhǎng)為2.5×10-3s；設(shè)置 Fluent步數(shù)為2 000步，即總仿真時(shí)間為5 s；設(shè)置Max Iterations/Time Step為30，即每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)最多迭代30次；為盡可能詳細(xì)提取顆粒的運(yùn)動(dòng)信息，在EDEM和Fluent內(nèi)，每0.002 s保存一次數(shù)據(jù)。為保證肥料順利排出分肥裝置，沿波紋管和分配器添加Moving Plan接觸模型，模擬氣流作用下肥料顆粒的運(yùn)動(dòng)。肥料顆粒和分肥裝置模型的變量參數(shù)如表1所示[28]。

表1 變量參數(shù)Tab.1 Pre-treatment parameters

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 分配器旋蓋的錐角對(duì)氣流壓力和速度的影響

分配器旋蓋錐角θ影響氣流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而影響肥料顆粒在分配器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特性。為了獲得錐角的最優(yōu)值，模擬仿真中選用4種不同錐角的旋蓋，分別為90°、120°、150°、180°，旋蓋上部與分配器殼體連接部分的直徑均為120 mm。

在入口風(fēng)速為25 m/s、波紋管直徑為80 mm、施肥速率為0.44 kg/s時(shí)，對(duì)4種旋蓋進(jìn)行氣固耦合仿真，設(shè)置生成顆粒時(shí)間為2 s，仿真總時(shí)間為5 s。在波紋管上建立不同的截面，截面與氣流入口距離分別為0、80、160、240、320、400 mm，圖3、4為波紋管不同截面的壓力和速度變化曲線。

圖5 不同類型旋蓋的分肥裝置壓力云圖Fig.5 Pressure cloud charts of fertilizer distribution device with different screwing caps

圖3 不同類型旋蓋對(duì)風(fēng)壓的影響Fig.3 Influence of different screwing caps on wind pressure

圖4 不同類型旋蓋對(duì)風(fēng)速的影響Fig.4 Influence of different screwing caps on wind velocity

結(jié)果表明，不同旋蓋對(duì)氣流壓力和速度有較大影響，90°旋蓋對(duì)波紋管內(nèi)壓力影響最大，由于錐角為90°，錐形斜面占據(jù)分配器內(nèi)腔體積較大，波紋管內(nèi)壓力較高，而排肥口處壓降為大氣壓，壓力損失最大，其他3種旋蓋對(duì)波紋管內(nèi)壓力影響基本相同，無(wú)較大差距，結(jié)合圖5可以看出，在圓錐斜面頂尖處，120°旋蓋底部壓力變化較小，相較于其他3種類型旋蓋壓力損失最小。由圖4可以看出，不同錐角對(duì)波紋管內(nèi)速度影響較大，90°旋蓋對(duì)應(yīng)的波紋管內(nèi)速度波動(dòng)最大，不利于肥料顆粒與氣流的均勻混合，結(jié)合圖6可以看出，錐形斜面下部氣流速度變化差異明顯，90°旋蓋由于壓力的急劇變化，在肥料強(qiáng)排區(qū)下部形成渦流，影響肥料正常排出；180°旋蓋下部中心位置，由于沒(méi)有圓錐斜面的導(dǎo)流，氣流速度急劇下降，會(huì)造成肥料顆粒的滯留，影響各排肥管內(nèi)肥料的均勻性；相較于150°旋蓋，120°旋蓋下部與波紋管內(nèi)氣流速度變化不大，且圓錐斜面頂尖對(duì)氣流速度的影響較小，有利于肥料顆粒的均勻分配。因此，120°旋蓋壓力損失和氣流速度變化最小，綜合性能最優(yōu)。

圖7為0.6 s時(shí)分肥裝置中肥料顆粒的分布圖。可以看出，90°旋蓋由于錐形斜面占據(jù)分配器內(nèi)腔體積較大，顆粒肥料在斜面下方集聚，影響肥料的順利排出；180°旋蓋由于底部為平面，肥料顆粒到達(dá)旋蓋后速度急劇變小，在平面處集聚，肥料顆粒還沒(méi)進(jìn)入各分肥管中。綜合來(lái)看，在0.6 s時(shí)，120°旋蓋分肥裝置排肥口處已有肥料排出，表明肥料顆粒的排出更為順利，與氣流的壓力和速度變化相吻合，120°旋蓋性能最優(yōu)，因此分肥裝置選用120°旋蓋。

圖6 不同類型旋蓋的分肥裝置速度分布圖Fig.6 Velocity distributions of fertilizer distribution device with different screwing caps

圖7 0.6 s時(shí)不同類型旋蓋的分肥裝置中肥料顆粒分布圖Fig.7 Distributions of fertilizer particles in fertilizer distribution device with different screwing caps at 0.6 s

3.2 波紋管直徑對(duì)氣固兩相流動(dòng)性的影響

在獲得最佳錐角θ后，進(jìn)而研究波紋管直徑D對(duì)氣固兩相流運(yùn)動(dòng)的影響，取波紋管直徑D分別為60、80、100 mm，分肥裝置12個(gè)排肥管截面積之和與相對(duì)應(yīng)的波紋管橫截面積相等。

在入口風(fēng)速為25 m/s，施肥速率為0.44 kg/s，旋蓋錐角為120°，波紋管長(zhǎng)度為400 mm，直徑分別為60、80、100 mm時(shí)，進(jìn)行氣固耦合仿真，生成顆粒時(shí)間為2 s，仿真總時(shí)間為5 s，研究波紋管直徑對(duì)氣固兩相流動(dòng)性的影響。圖8、9為肥料顆粒與波紋管、肥料顆粒之間碰撞次數(shù)隨時(shí)間的變化曲線。

由圖8、9可知，當(dāng)波紋管直徑分別為60、80、100 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的肥料顆粒與波紋管碰撞次數(shù)分別為27 972、11 325、7 883次，肥料顆粒之間碰撞次數(shù)分別為160 269、52 271、36 416次。當(dāng)波紋管直徑為60 mm時(shí)，肥料顆粒與波紋管碰撞次數(shù)、肥料顆粒之間碰撞次數(shù)遠(yuǎn)大于直徑為80、100 mm的波紋管。肥料顆粒與波紋管、肥料顆粒之間碰撞次數(shù)的增加，一方面有利于肥料與氣流的均勻混合，另一方面會(huì)降低肥料顆粒的運(yùn)動(dòng)速度，增加能量損失，易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象。結(jié)合圖10可知，60 mm波紋管中肥料顆粒已產(chǎn)生堆積堵塞，因此，直徑為80、100 mm的波紋管優(yōu)于直徑為60 mm波紋管。

圖8 肥料顆粒與波紋管碰撞次數(shù)隨時(shí)間的變化曲線Fig.8 Time-varying relationship curves of collision times between granular fertilizer and bellows

圖9 肥料顆粒之間碰撞次數(shù)隨時(shí)間的變化曲線Fig.9 Time-varying relationship curves of collision times between granular fertilizer and granular fertilizer

圖10為1.0 s時(shí)不同波紋管直徑的分肥裝置中肥料顆粒分布圖，可以看出波紋管內(nèi)肥料顆粒密度分布差異明顯，直徑為60 mm的波紋管內(nèi)顆粒密度明顯高于直徑為80、100 mm的波紋管，由于顆粒密度的增加，肥料顆粒與氣流的混合均勻性下降，肥料顆粒到達(dá)分配器后，與錐形旋蓋發(fā)生碰撞，運(yùn)動(dòng)速度降低，顆粒密度進(jìn)一步增大，肥料流動(dòng)性變差，在分配裝置內(nèi)產(chǎn)生堆積，不利于肥料的排出，波紋管直徑為80、100 mm時(shí)，分肥裝置中肥料顆粒的速度相差不大，沒(méi)有產(chǎn)生集聚現(xiàn)象，氣肥混合比較均勻，肥料顆粒的排出比較順利?？紤]到波紋管直徑越大，所需風(fēng)量越大，能耗更高，因此選用直徑為80 mm的波紋管。

圖10 1.0 s時(shí)不同波紋管直徑的分肥裝置中肥料顆粒分布圖Fig.10 Distributions of fertilizer particles in fertilizer distribution device with different bellows at 1.0 s

3.3 入口風(fēng)速和施肥速率對(duì)分肥裝置分肥均勻性的影響

由于分肥裝置入口風(fēng)速和施肥速率對(duì)氣固兩相流的運(yùn)動(dòng)有一定影響，因此設(shè)定不同風(fēng)速和施肥速率，分析氣固兩相流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，研究分肥裝置分肥的均勻性。施肥速率為機(jī)組前進(jìn)速度10 km/h，施肥量450、600、750 kg/hm2，施肥行數(shù)為12行時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)施肥量，即0.26、0.35、0.44 kg/s，查閱文獻(xiàn)[29-30]，可得小麥、玉米播種施肥量為250～500 kg/hm2，因此分肥裝置最大施肥量取為750 kg/hm2，能夠滿足田間作業(yè)需求。施肥仿真參數(shù)如表2所示。

表2 入口風(fēng)速和施肥速率仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters of inlet wind velocity and fertilization velocity

分配器旋蓋錐角為120°，波紋管長(zhǎng)度為400 mm，直徑為80 mm時(shí)，改變?nèi)肟陲L(fēng)速和施肥速率，進(jìn)行氣固耦合仿真，生成顆粒時(shí)間為2 s，仿真總時(shí)間為5 s，研究分肥裝置分肥均勻性。仿真完成后對(duì)各行肥料量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

對(duì)分肥裝置12個(gè)排肥口進(jìn)行編號(hào)，分別標(biāo)記為1，2，…，12，并計(jì)算各行施肥量的變異系數(shù)。

各行施肥量的變異系數(shù)為

(5)

(6)

式中n——分配器排肥口數(shù)量，取12

Xi——第i行的施肥量，g

仿真結(jié)果如表3所示。由表3可知，在入口風(fēng)速為15 m/s時(shí)，3種施肥速率下變異系數(shù)均較大，由于風(fēng)速較小，部分肥料顆粒在波紋管內(nèi)未排出，產(chǎn)生滯留現(xiàn)象，各行施肥量差異較大，不能滿足施肥要求。當(dāng)入口風(fēng)速在25、35 m/s時(shí)，隨著施肥速率的增大，各行施肥量變異系數(shù)呈增大趨勢(shì)，但增幅較小(<0.8%)，分肥均勻性差異較小。當(dāng)入口風(fēng)速為45 m/s時(shí)，相較于入口風(fēng)速為35 m/s時(shí)，各施肥速率下變異系數(shù)均增大，隨著施肥速率的增加，變異系數(shù)呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)榉址恃b置內(nèi)風(fēng)速過(guò)大，肥料顆粒在波紋管內(nèi)與氣流未均勻混合即被分配至各排肥口，施肥均勻性下降。綜合來(lái)看，在入口風(fēng)速為15～45 m/s范圍內(nèi)，隨著風(fēng)速的增加，各行施肥量變異系數(shù)先減小后增加；在入口風(fēng)速為15、45 m/s時(shí)，施肥速率對(duì)各行施肥量變異系數(shù)的影響較大，在入口風(fēng)速為25、35 m/s時(shí)，施肥速率對(duì)各行施肥量變異系數(shù)影響較小，施肥均勻性最優(yōu)。因此，在風(fēng)速為25～35 m/s時(shí)，在各施肥速率下分肥裝置分肥效果較優(yōu)，更有利于提高施肥的精確性和均勻性。

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)裝置

基于模擬仿真和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，加工了錐角為120°的錐形旋蓋、分配器和直徑為80 mm的波紋管，在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部保護(hù)性耕作研究中心氣力排種器性能試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)各行施肥量判定分肥裝置分肥效果。試驗(yàn)臺(tái)架如圖11所示。

表3 不同入口風(fēng)速和施肥速率對(duì)分肥裝置分肥均勻性的影響Tab.3 Influence of different inlet wind velocities and fertilization velocities on fertilizer distribution uniformity

圖11 氣力集排式排肥器試驗(yàn)臺(tái)Fig.11 Experiment platform of pneumatic centralized fertilizer distributor

4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

以史丹利、沃夫特、撒可富3種復(fù)合肥進(jìn)行試驗(yàn)，入口風(fēng)速為25、35 m/s，施肥速率為0.26、0.35、0.44 kg/s，每種肥料進(jìn)行不同風(fēng)速和不同施肥速率的試驗(yàn)，試驗(yàn)分為18組，為保證供肥裝置穩(wěn)定供肥，肥箱中加入5 kg肥料，調(diào)整供肥裝置電機(jī)轉(zhuǎn)速為低、中、高3種速度供肥，使施肥速率約為0.26、0.35、0.44 kg/s，調(diào)整風(fēng)機(jī)風(fēng)速為25、35 m/s，試驗(yàn)時(shí)間為5 s，收集稱量各行排肥口施肥量，進(jìn)行分析計(jì)算，得到各行施肥量變異系數(shù)。由于供肥裝置供肥穩(wěn)定性的影響，施肥速率不能嚴(yán)格控制在某一精確值，試驗(yàn)中施肥速率為近似值，因試驗(yàn)結(jié)果為各行施肥量的變異系數(shù)，施肥速率的微小波動(dòng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較小，可忽略不計(jì)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表4可知，在入口風(fēng)速為25、35 m/s，不同種類肥料、不同施肥速率條件下，分肥裝置各行施肥量變異系數(shù)均不大于4.9%，能夠滿足施肥作業(yè)要求。3種肥料在不同施肥速率下各行施肥量的變異系數(shù)相差不大(≤1.3%)，表明分肥裝置在不同施肥速率下均能正常工作。撒可富復(fù)合肥在3種施肥速率下變異系數(shù)均較大，原因是撒可富復(fù)合肥球形率較其他兩種肥料低，肥料顆粒的形狀影響了分肥裝置的分肥性能，但變異系數(shù)相差較小(≤0.2%)，分肥裝置分配性能仍滿足使用要求。

表4 試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Experiment results

試驗(yàn)結(jié)果表明，在錐形旋蓋錐角為120°，波紋管直徑為80 mm，入口風(fēng)速為25～35 m/s，施肥速率為0.26～0.44 kg/s時(shí)，分肥裝置分肥精確性和均勻性較好，與仿真結(jié)果一致，滿足施肥作業(yè)要求。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)氣固兩相耦合仿真，分析了氣流和肥料兩相流在氣力集排式分肥裝置中的流動(dòng)特性以及分肥裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)、入口風(fēng)速和施肥速率對(duì)肥料顆粒分配性能的影響，并進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。

(2)分配器旋蓋錐角和波紋管直徑顯著影響分肥裝置中肥料顆粒的運(yùn)動(dòng)和氣流速度、壓力場(chǎng)的分布。對(duì)不同錐角的分配器旋蓋和不同直徑的波紋管進(jìn)行CFD-DEM氣固耦合仿真分析，仿真結(jié)果表明：分配器旋蓋的錐角為120°、波紋管直徑為80 mm時(shí)，氣流和肥料兩相在分肥裝置中流動(dòng)性和均勻性最優(yōu)。

(3)在入口風(fēng)速為25～35 m/s，施肥速率為0.26～0.44 kg/s條件下，對(duì)分肥裝置進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：分肥裝置各行施肥量的變異系數(shù)均不大于4.9%，對(duì)不同種類肥料的分配精確性和均勻性差異較小，滿足施肥作業(yè)要求。