雜交水稻花粉收集裝置氣力輸送系統(tǒng)仿真優(yōu)化

肖芬芳， 張從合， 王慧， 葉亞峰， 張道林， 汪和廷，李波， 吳躍進(jìn)， 劉斌美*

（1.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，合肥 230031； 2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230036； 3.安徽荃銀高科種業(yè)股份有限公司，合肥 230088）

授粉是雜交水稻制種的重要組成部分，我國主要采用人工授粉進(jìn)行雜交，但近年來隨著勞動力成本的大幅度增加，雜交水稻種子生產(chǎn)成本也大幅提升，嚴(yán)重影響雜交水稻生產(chǎn)效益，不利于我國種業(yè)持續(xù)健康發(fā)展[1-3]。不少研究者提出將父、母本分田種植，通過取粉和授粉機械分別完成父本田采粉、母本田授粉，其間通過低溫貯存等技術(shù)維持花粉活力，可實現(xiàn)真正意義上的機械化制種，是我國雜交水稻規(guī)模化、效益化發(fā)展的必由之路[4-5]。

早在20世紀(jì)90年代，國內(nèi)學(xué)者就采用采粉-貯存-噴粉模式對雜交水稻機械授粉裝置進(jìn)行研究。黃崇德等[6]和舒焜[7]發(fā)明了機械化采授粉技術(shù)，運用機械采粉、授粉以及相應(yīng)的花粉貯藏技術(shù)完成授粉作業(yè)，將相關(guān)技術(shù)進(jìn)行推廣示范，獲得了較好的的增產(chǎn)效果。但由于收集效率不高，收集后缺少合適的儲存條件導(dǎo)致花粉活性較低，限制了該模式的進(jìn)一步研究推廣。近年來，隨著花粉貯藏技術(shù)及霧化噴灑技術(shù)的發(fā)展，離體花粉可以在一定時間內(nèi)保持活力及較高的萌發(fā)率，并通過特定技術(shù)均勻噴灑至母本完成授粉，為花粉貯藏和異地授粉提供了解決方案[8-11]。而在采粉方面，關(guān)于花粉高效收集裝置研究較少，存在收集效率低等問題，本團(tuán)隊已研制了花粉機械收集裝置[12]，目前需對裝置進(jìn)行優(yōu)化，以提高收集效率，為采粉-貯藏-授粉模式中采粉環(huán)節(jié)提供花粉高效收集裝置。

隨著計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，計算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）被廣泛應(yīng)用于谷物清選、殼仁分離、作物收集及氣力輸送等農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域，用于指導(dǎo)機械設(shè)計及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[13-16]。在氣固兩相流方面，為了更真實地模擬雙流體運動狀態(tài)、優(yōu)化工作參數(shù)，當(dāng)固體體積分?jǐn)?shù)較小可在CFD中引入離散相（discrete phase model，DPM）模型建立連續(xù)-離散模型（computational fluid dynamics-discrete phase model，CFD-DPM）對雙流體進(jìn)行描述[17]。彭麗等[18]采用CFD-DPM方法結(jié)合響應(yīng)面模型，對旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了仿真優(yōu)化。敬志臣等[19]運用CFD-DPM對3種旋風(fēng)分離器模型的小麥清選過程進(jìn)行了仿真研究，根據(jù)清選效果確定最優(yōu)模型并通過試驗驗證了優(yōu)化結(jié)果的可靠性。本研究采用CFD-DPM對花粉收集裝置關(guān)鍵部件氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，在此基礎(chǔ)上結(jié)合響應(yīng)面法優(yōu)化輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，以期解決雜交水稻父、母本分田種植下父本花粉機械化高效收集的問題。

1 材料與方法

1.1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

氣吸式花粉收集裝置主要由氣力輸送系統(tǒng)、負(fù)壓風(fēng)機組件、過濾分離室、傳送帶組件、冷卻干燥室、冷卻氣罐組件、傳動系統(tǒng)、駕駛室及機架等部分組成，如圖1所示。

圖1 氣吸式雜交水稻花粉收集裝置結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of air-suction pollen collection device

作業(yè)時，高速運轉(zhuǎn)的離心風(fēng)機在裝置內(nèi)部產(chǎn)生較強的負(fù)壓，將花粉吸入。在氣流的運輸下，花粉流經(jīng)氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)入過濾分離室，經(jīng)過分離、過濾，落至有一定速度的傳送帶，并在傳送帶的運送下進(jìn)入冷卻倉實現(xiàn)即時冷卻干燥。

1.2 風(fēng)機選型

負(fù)壓風(fēng)機使氣力輸送系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生大于花粉懸浮速度的空氣速度將花粉吸落，同時完成花粉的運輸。風(fēng)機功率主要由風(fēng)量和風(fēng)壓確定[16,12,20-21]。

1.2.1 風(fēng)量確定 花粉能被順利吸起時，吸粉口處風(fēng)速應(yīng)大于花粉懸浮速度，負(fù)壓風(fēng)機的風(fēng)量需滿足式（1）條件[21]。

式中，Q為風(fēng)機風(fēng)量，m3·h-1；Smax為吸粉口端面面積，m2；va為花粉的最大懸浮速度，m·s-1，取值3.5。

1.2.2 風(fēng)壓確定 風(fēng)機的總壓Pz主要包括動壓損失Pd和靜壓損失Pj（摩擦壓力Pm和局部壓力Pj），計算公式如公式（2）。

式中，Pz為總壓，Pa；ρ為空氣密度，取1.22 kg·m-2；v為氣流平均速度，取20 m·s-1；γ為摩擦因數(shù)，取0.1；R0為管路半徑，為0.1 m；ε1為局部阻力系數(shù)，取1.3；ε2為90彎管壓損系數(shù)，取1.3；F為風(fēng)管長度，m；δ為漏風(fēng)系數(shù)（實際值與理論值之比，約1.2～1.5），取1.4[20,22]。

1.3 氣力輸送系統(tǒng)仿真建模

氣力輸送系統(tǒng)在實際作業(yè)中完成作物花粉的收集及運輸，其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響氣流分布、顆粒運動，從而影響花粉收集效率及花粉活力，因此對氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)行仿真優(yōu)化具有重要意義。

1.3.1 物理建模 簡化后的氣力輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，由吸粉口和進(jìn)粉管組成。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括進(jìn)粉管內(nèi)徑（diameter of the tube，D）、進(jìn)粉管水平長度（horizontal length of tube，A）、進(jìn)粉管豎直高度（vertical height of tube，B）、吸粉口長度（length of the inlet，L）、吸粉口寬度（width of the inlet，W）、吸粉口高度（height of the inlet，H）、擴展域高度（height of the extended domain，H0）、彎曲半徑（bending radius，R），8個結(jié)構(gòu)參數(shù)受裝置總體尺寸約束及預(yù)期工作效率等因素制約，取初值分別為150、350、500、700、200、50、10、100 mm[12]。

圖2 雜交水稻花粉收集裝置氣力輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of pneumatic conveying system of hybrid rice pollen collection

1.3.2 網(wǎng)格劃分 采用ICEM前處理軟件作為網(wǎng)格劃分工具對簡化后的模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)性四面體網(wǎng)格劃分。為避免因網(wǎng)格質(zhì)量差影響仿真結(jié)果，對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查和優(yōu)化，優(yōu)化后的網(wǎng)格質(zhì)量在0.4～1.0（最小值大于0.3則可視作網(wǎng)格較優(yōu)[14]），網(wǎng)格數(shù)量為51 342，節(jié)點數(shù)60 921，劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 氣力輸送系統(tǒng)數(shù)值模型計算域Fig. 3 Computational domain of numerical model of pneumatic conveying system

1.3.3 數(shù)值模擬 對花粉氣力輸送過程建立CFD-DPM模型計算，計算中將氣相視為連續(xù)介質(zhì)，求解歐拉坐標(biāo)系下的流體控制方程；把花粉顆粒視為離散介質(zhì)，在拉格朗日坐標(biāo)系下求解顆粒運動方程，采用迭代計算進(jìn)行氣固兩相的雙向耦合[18,23]。在眾多CFD-DPM仿真工具中，ANSYS的Fluent因其優(yōu)秀的網(wǎng)格再定義、強大的兼容性及計算能力而倍受青睞，因此，本研究使用Fluent軟件進(jìn)行流體仿真。

系統(tǒng)中氣相可視為定常、恒溫、不可壓縮流體，考慮到實際工況下氣力輸送系統(tǒng)內(nèi)氣流流速較大，管內(nèi)流動為湍流，故引用湍流模型對流體進(jìn)行描述。相應(yīng)的控制方程選取計算精度更高、實用廣泛性更好的k-ε標(biāo)準(zhǔn)方程[24]。采用壓力耦合方程組的半隱式算法和一階離散格式對數(shù)值方程進(jìn)行迭代計算，設(shè)置殘差收斂值為1e-5，松馳因子調(diào)試優(yōu)先選擇較小值，根據(jù)模型是否收斂將松馳因子逐漸增加至默認(rèn)值，其他項保持常規(guī)設(shè)置[25]。

離散相模型（DPM）可對花粉運動中所受流體力、固體力、場力進(jìn)行受力平衡方程計算，通過求解顆粒運動方程[26]，得到氣力輸送系統(tǒng)內(nèi)部固相的軌跡曲線。

1.3.4 參數(shù)設(shè)置 吸粉口端面部分為內(nèi)外環(huán)境的分界面，氣流運動較為復(fù)雜，壓力、速度與流量均未知，因此在吸粉口端面處建立合適的擴展域，如圖4所示，擴展域與外部區(qū)域直接相連，其壓強即為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，以此確定氣流入口邊界條件為壓力入口。氣流出口邊界條件根據(jù)1.2.2計算公式，設(shè)置為壓力出口。具體仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 Fluent仿真參數(shù)設(shè)置Table 1 Fluent simulation parameter settings

圖4 帶入口擴展域的氣力輸送系統(tǒng)物理模型Fig. 4 Physical model of pneumatic conveying system with inlet expansion domain

1.4 單因素試驗設(shè)計

氣力輸送系統(tǒng)吸粉均勻性及吸粉效率與系統(tǒng)各個結(jié)構(gòu)參數(shù)息息相關(guān)。其中，進(jìn)粉管內(nèi)徑（D）通過直接影響吸粉管內(nèi)氣流速度而影響系統(tǒng)內(nèi)氣流分布，吸粉口寬度（W）及吸粉口長度（L）對吸粉口吸粉效率及進(jìn)入吸粉口內(nèi)花粉顆粒速度有直接作用，相比之下本團(tuán)隊經(jīng)預(yù)仿真試驗結(jié)合前人研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)吸粉口高度（H）、進(jìn)粉管水平長度（A）、進(jìn)粉管豎直高度（B）等對吸粉管內(nèi)氣流及花粉影響較小[17,27]，因此選擇D、W、L作為本裝置主要試驗因素，研究其對系統(tǒng)內(nèi)速度、壓強分布均勻性及吸粉效率的影響?？紤]到裝置實際工況及自身尺寸約束，選取表2所示試驗參數(shù)變化范圍及水平。當(dāng)D變化時，L、W分別固定為600、200 mm；當(dāng)L變化時，D、W分別固定為150、200 mm；當(dāng)W變化時，D、L分別固定為150、600 mm。其他參數(shù)保持初始值。

表2 主要因素變化范圍及水平Table 2 Variation range and level of main factors

1.5 響應(yīng)面優(yōu)化試驗設(shè)計

在單因素仿真試驗的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步得到氣力輸送系統(tǒng)較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，以較能反映系統(tǒng)內(nèi)氣流分布均勻性和氣吸效率的速度變異系數(shù)[28]和全壓差[17]作為仿真試驗指標(biāo)，采用BBC方法[29]進(jìn)行仿真試驗設(shè)計。仿真試驗因素及水平如表3所示，試驗方案與結(jié)果如表4所示。

表3 試驗因素水平及編碼Table 3 Levels and codes of experimental factors

表4 試驗方案與結(jié)果Table 4 Experiment plan and results

1.6 優(yōu)化結(jié)果仿真驗證試驗設(shè)計

為了獲得氣力輸送系統(tǒng)最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，需要綜合考慮進(jìn)粉管內(nèi)徑（D）、吸粉口長度（L）、吸粉口寬度（W）對系統(tǒng)內(nèi)氣流速度（流速）變異系數(shù)和全壓差的影響。在上述試驗基礎(chǔ)上，按照盡可能低的流速變異系數(shù)和全壓差優(yōu)化原則，利用Design-Expert10[30]進(jìn)行優(yōu)化。相應(yīng)的約束條件如下。

2 結(jié)果與分析

2.1 初始結(jié)構(gòu)仿真分析

對初始?xì)饬斔拖到y(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行CFD-DPM仿真，仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。由圖5可知，系統(tǒng)內(nèi)平均壓強為-969.77 Pa，全壓差為348.36 Pa，表明該結(jié)構(gòu)下花粉收集輸送過程能耗較大，局部損失和沿程損失較多；大部分氣流速度處于14.66～39.14 m·s-1，y=-550 mm（離底部擴展域下端面10 mm，為裝置實際吸粉口）處平均速度為12.12 m·s-1，滿足花粉收集時該處氣流速度要求，但氣流速度變異系數(shù)較大，為36.67%，說明系統(tǒng)內(nèi)部速度分布不均勻性明顯，加劇了花粉與花粉、花粉與壁面之間的碰撞從而影響了花粉活性?；ǚ圻\動軌跡與氣流運動軌跡大體重合，大部分花粉速度大于懸浮速度（圖6），說明花粉可快速通過氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)行裝置主體。因此，為了降低氣力輸送系統(tǒng)內(nèi)氣流速度分布不均勻性，同時減少系統(tǒng)壓力損耗從而提高吸粉效率，需對氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

圖5 氣力輸送系統(tǒng)中心截面氣流場Fig. 5 Air field of central section

圖6 氣力輸送系統(tǒng)內(nèi)入射初速度（三維）為3.5 m·s-1時花粉運動軌跡Fig. 6 Pollen particles in pneumatic conveying system when the initial incident velocity is 3.5 m·s-1

2.2 單因素結(jié)果分析

通過單因素仿真試驗得到圖7所示不同D、L、W下系統(tǒng)內(nèi)氣流最大速度及平均速度變化情況，表5所示系統(tǒng)內(nèi)氣流速度均值、方差、速度變異系數(shù)以及全壓差。在進(jìn)粉管內(nèi)徑100～200 mm的變化范圍內(nèi)，隨著內(nèi)徑的增加，氣流最大速度、氣流速度變異系數(shù)及全壓差逐漸降低。這主要是由于隨著D增加，進(jìn)粉管與吸粉口連接處的截面積減小使得局部損失減少，因此全壓差降低；管內(nèi)負(fù)壓減小導(dǎo)致最大速度減小但氣流均勻性增加，綜合影響下，氣流平均速度在直徑為150～175 mm時增加，在150～200 mm區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)極值（為較優(yōu)的D范圍）。隨著L、W的增加，氣流最大速度逐漸降低，平均速度先增后減，全壓差逐漸增加，這主要是由于隨著L、W增加，吸粉口入口面積和氣流量增加，加大了沿程損失（造成全壓差增加）同時降低了吸粉口整體流速，但氣流分布均勻性在一定范圍內(nèi)增加，因此平均速度先增后減，較優(yōu)的L、W范圍分別為500～700、150～250 mm。

表5 不同變量下系統(tǒng)速度變異系數(shù)與全壓差Table 5 Variation coefficient and total pressure difference under different variables

圖7 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下氣流速度分布Fig. 7 Airflow velocity distribution under different structural parameters

2.3 響應(yīng)面結(jié)果分析

對響應(yīng)面仿真試驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)處理，得到如表6所示系統(tǒng)內(nèi)氣流速度變異系數(shù)、全壓差的響應(yīng)面方差分析結(jié)果。由表6可知,氣流速度變異系數(shù)及全壓差響應(yīng)面方差分析結(jié)果模型P值均小于0.000 1，模型的失擬項均大于0.05，模型顯著而失擬項不顯著，說明模型成立且方程擬合較好。模型的一次項D、L、W的系數(shù)都是極顯著，說明D、L及W對氣流變異系數(shù)（氣流均勻性）、全壓差（氣吸效率）均有顯著影響，同時交互項DL、LW的交互作用對兩指標(biāo)影響顯著。根據(jù)結(jié)果將不顯著項去除后，得到以各因素編碼值為自變量的系統(tǒng)內(nèi)氣流速度變異系數(shù)及全壓差回歸方程，分別為：

表6 響應(yīng)面方差分析結(jié)果Table 6 Results of response surface analysis of variance

通過比較回歸方程各因子系數(shù)的絕對值大小可知，對系統(tǒng)氣流速度變異系數(shù)影響的主次關(guān)系依次為W2＞L2＞D＞D2＞L＞W(wǎng)＞DL＞LW；對全壓差影響的主次關(guān)系依次為D＞L＞W(wǎng)＞LW＞DL＞D2＞W(wǎng)2＞L2；對兩指標(biāo)而言，一次項影響效果均為D＞L＞W(wǎng)。

進(jìn)粉管內(nèi)徑（D）及吸粉口長度（L）對系統(tǒng)氣流速度變異系數(shù)（CV）和全壓差（Δp）的影響分別如圖8所示，隨著D的增大，CV和Δp逐漸減??；隨L的增加，Δp持續(xù)增大，CV則呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢。這是因為當(dāng)D增加、L在一定范圍內(nèi)增加時，氣流在系統(tǒng)內(nèi)部流通面積增加且入口處的負(fù)壓減小，通過吸粉口橫截面的氣體流速整體減小，系統(tǒng)內(nèi)氣流的均勻性增加，此外D變大使得進(jìn)粉口拐角氣流相對平緩，減小了此處的局部損失（避免了湍流漩渦現(xiàn)象的發(fā)生）;而當(dāng)L過大，吸粉口邊緣部分離系統(tǒng)中心較遠(yuǎn)，加大系統(tǒng)內(nèi)沿程損失的同時極大降低了邊界氣流速度。兩響應(yīng)面中等高線圖均為橢圓且更陡，說明DL的交互作用對CV及Δp影響顯著，同時對Δp影響更大。由圖8可知，當(dāng)D為180～200 mm、L為550～650 mm時，CV有極小值；當(dāng)D為180～200 mm、L為500～600 mm時，Δp有極小值。

圖8 回歸模型響應(yīng)曲面分析Fig. 8 Response surface analysis of regression model

吸粉口長度L和吸粉口寬度W對系統(tǒng)氣流速度變異系數(shù)（CV）和全壓差Δp的影響如圖8所示，隨著L和W的增大，CV先減小后增大,Δp逐漸增加。這是因為L和W的增加，加大吸粉口內(nèi)部的沿程損失的同時極大增加了入口面積，使得單位時間進(jìn)入的氣流量變多，引起氣流旋轉(zhuǎn)速度增大，造成氣流與內(nèi)壁摩擦損失增加；此外較大的L、W使吸粉口肩部距中心距離較遠(yuǎn)，部分區(qū)域負(fù)壓較小速度較低，增加了系統(tǒng)內(nèi)氣流的不均勻性，因此CV隨L、W增加呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢。圖8顯示等高線圓度較高，說明LW的交互作用盡管對CV有影響但影響優(yōu)先級較低，圖8中響應(yīng)面等高線更密集，說明LW的交互作用對Δp有較顯著的影響。由圖8可知，當(dāng)L為550～650 mm、W為190～210 mm時，CV存在極小值；當(dāng)L為500～600 mm、W為150～190 mm時，Δp存在極小值。

2.4 優(yōu)化驗證結(jié)果分析

響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果表明，當(dāng)D為200 mm、L為564.40 mm、W為192.48 mm時，氣流速度變異系數(shù)、全壓差分別為15.28%，230.46 Pa，此時氣流速度的均勻性較好，系統(tǒng)內(nèi)局部壓力損失較少，吸粉效率較高。

對優(yōu)化后系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到氣流速度變異系數(shù)和全壓差分別為16.03%、238.37 Pa，與預(yù)測結(jié)果的相對誤差分別為4.91%、3.39%（均小于5%），誤差較?。ū?）；較初始結(jié)構(gòu)下兩指標(biāo)分別減少了56.29%、31.57%，說明吸粉效率及吸粉均勻性明顯提升，具有較好的優(yōu)化效果。將優(yōu)化后結(jié)構(gòu)參數(shù)代入式（1）、（2），可以選定離心風(fēng)機型號為4-72-4A。

表7 仿真驗證結(jié)果Table 7 Simulation verification results

3 討論

制種機械化是我國雜交水稻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然選擇。一直以來，我國研究推廣的機械化授粉模式主要有2種，一種是模擬人力授粉，在父母本分行種植的田塊內(nèi)采用機械碰撞或碰撞氣吹（氣吹）的方式讓父本花粉落至母本，完成授粉[31-34]；另一種是運用采粉-貯存-噴粉模式授粉，即父、母本分田種植，通過機械采粉、授粉以及與此相配套的花粉貯藏技術(shù)等，完成授粉作業(yè)[6-7]。前者操作簡單，經(jīng)優(yōu)化后效率較人力式有所提升，但受雙親花期影響大,機械化移栽及田間管理難度大；后者為完全意義上的機械化制種，不受父母本花期影響,可實現(xiàn)異時異地授粉，同時父、母本分田種植可在移栽收獲和中期管理環(huán)節(jié)實現(xiàn)機械化操作（提高制種效率）。近年來隨著農(nóng)業(yè)勞動力成本的增加、相關(guān)技術(shù)的發(fā)展以及雜交水稻制種產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，基于采粉-貯存-噴粉的全程機械化制種模式受到越來越多學(xué)者的關(guān)注[4-5]。而高效的采粉裝置是后續(xù)貯粉以及授粉的基礎(chǔ)，因此對設(shè)計的氣吸式雜交水稻花粉收集裝置進(jìn)行氣力輸送系統(tǒng)優(yōu)化，可為現(xiàn)階段采粉-貯存-噴粉模式研究中的雜交水稻采粉環(huán)節(jié)提供花粉高效采集裝置。

CFD-DPM是在歐拉-拉格朗日坐標(biāo)系下對氣固兩相流建立連續(xù)-離散模型進(jìn)行計算，適用于固相體積分?jǐn)?shù)小于10%的情況[17]，不少研究者通過試驗證實了運用CFD-DPM模擬兩相流動，優(yōu)化裝置工作參數(shù)的可靠性[19,35]。花粉收集過程為典型氣固兩相流動，且花粉顆粒粒徑小，在兩相流中為稀相（體積分?jǐn)?shù)小于10%），因此采用CFD-DPM模型對氣力輸送系統(tǒng)內(nèi)氣固兩相進(jìn)行仿真分析，結(jié)合響應(yīng)面試驗法對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。氣力輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)中進(jìn)粉管水平長度（A）、進(jìn)粉管豎直高度（B）主要由車身尺寸和實際工況確定，擴展域高度（H0）結(jié)合徐云等[36]的研究結(jié)果固定為10 mm，本團(tuán)隊經(jīng)預(yù)仿真試驗得到吸粉口高度對系統(tǒng)內(nèi)氣流及花粉影響較小，結(jié)合整體尺寸約束及李熾[27]的研究結(jié)果將其固定為50 mm，綜合考慮將進(jìn)粉管內(nèi)徑（D）、吸粉口長度（L）、吸粉口寬度（W）作為試驗因素，以較能反映系統(tǒng)內(nèi)氣流分布均勻性和氣吸效率的流速變異系數(shù)和全壓差作為優(yōu)化指標(biāo)進(jìn)行仿真分析及優(yōu)化試驗。仿真結(jié)果表明，氣吸效率和吸粉均勻性均隨內(nèi)徑的增加而增加，吸粉均勻性隨長度和寬度的增加先增加后減小，全壓差隨長度和寬度的增加而增加，這與彭宇源[17]和楊春朝等[37]的研究較接近。優(yōu)化結(jié)果表明，花粉氣力輸送系統(tǒng)較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為內(nèi)徑200.00 mm、長度564.40 mm、寬度192.48 mm，對優(yōu)化后結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，得到氣流速度變異系數(shù)和全壓差分別為16.03%、238.37 Pa，與預(yù)測結(jié)果的相對誤差分別為4.91%、3.39%，較初始結(jié)構(gòu)下兩指標(biāo)分別減少了56.29%、31.57%，說明吸粉效率及吸粉均勻性明顯提升，具有較好的優(yōu)化效果。

本研究通過仿真結(jié)合響應(yīng)面法優(yōu)化氣力輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，一方面提高了花粉收集效率和吸粉均勻性，另一方面縮短設(shè)計優(yōu)化周期同時降低了研制成本，為花粉收集裝置氣力輸送系統(tǒng)快速優(yōu)化設(shè)計提供了參考。但僅通過仿真驗證了優(yōu)化結(jié)果，沒有進(jìn)行樣機試驗，下一步將在前期設(shè)計以及仿真優(yōu)化的基礎(chǔ)上指導(dǎo)樣機加工，完成樣機田間試驗證實優(yōu)化結(jié)果的可靠性。此外，氣力輸送系統(tǒng)的外形、風(fēng)機結(jié)構(gòu)、顆粒進(jìn)入速度等也是影響花粉收集效果的重要因素，還需要進(jìn)一步研究其他因素對吸粉效果的影響規(guī)律；在優(yōu)化指標(biāo)選擇方面，考慮到花粉易失活，花粉收集后活性應(yīng)是衡量吸粉效果的重要指標(biāo)，由于本文優(yōu)化的主要目標(biāo)是高效收集，故只引入了吸粉均勻性這一間接指標(biāo)研究各參數(shù)對花粉活性的影響，而未選擇可定量描述的直接指標(biāo)，后續(xù)研究可將花粉活性作為參數(shù)優(yōu)化的重要指標(biāo)。