夏紅梅， 李志偉， 甄文斌， 張炳超

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

氣力板式蔬菜排種器氣室真空流場仿真分析

夏紅梅， 李志偉， 甄文斌， 張炳超

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

【目的】優(yōu)化氣力板式蔬菜排種器氣室結(jié)構(gòu)參數(shù)，簡化氣室氣流體為定常不可壓的湍流模型.【方法】選用ANSYS軟件的FLOTRAN模塊，對(duì)不同氣室結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真分析.【結(jié)果和結(jié)論】相對(duì)整體矩形空腔結(jié)構(gòu)，矩形橫槽和縱槽連通氣室結(jié)構(gòu)更能節(jié)省氣流量，提高整體強(qiáng)度；雙氣源口結(jié)構(gòu)相比單氣源口結(jié)構(gòu)相對(duì)壓力損失小，流場分布均勻性更好；優(yōu)化的氣源口位置在距排種器兩側(cè)邊緣第4個(gè)和第5個(gè)吸種孔之間；氣室槽深越大，過渡區(qū)域相對(duì)壓力損失越小，吸種孔入口處的相對(duì)壓力和速度分布越均勻，但排種器整體結(jié)構(gòu)尺寸增大，氣腔內(nèi)形成一定相對(duì)壓力的穩(wěn)定流場所需時(shí)間更長，槽深取4 mm綜合較好.驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，在吸種孔入口中心處，仿真分析結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果比較接近，趨勢(shì)上具有較高一致性，表明仿真分析優(yōu)化氣室結(jié)構(gòu)參數(shù)可行.

蔬菜； 排種器； 氣力板式； 真空流場； 仿真

國內(nèi)外理論分析和試驗(yàn)研究表明，氣力式排種器氣室結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)吸種孔口流場強(qiáng)度和分布有直接影響，優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)提高吸排種效果有重要意義[1-6].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)自行研制的氣力板式蔬菜排種器動(dòng)力學(xué)模型和初步試驗(yàn)研究表明，吸附階段排種器氣室應(yīng)保持均勻分布的穩(wěn)定負(fù)壓真空流場，各吸種孔口應(yīng)具有足夠流場強(qiáng)度，能提供足夠的氣流場吸附力，使種子被穩(wěn)定吸?。慌欧N階段種子在重力和正壓作用下直線加速下落，正壓流場的強(qiáng)度和分布對(duì)種子排出影響不大，為防止種子反彈，可減小排種高度，控制正壓流場強(qiáng)度[7-8].為提高排種器吸種效果，對(duì)其不同氣室結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下的真空流場分布和強(qiáng)度進(jìn)行分析，采用ANSYS的FLOTRAN模塊進(jìn)行模擬仿真.為驗(yàn)證仿真分析合理性，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究.

1 氣室真空流場模型

在種子被吸附瞬時(shí)氣室流場已基本穩(wěn)定，可簡化為定常流動(dòng)模型.考慮空氣粘性，簡化為符合牛頓粘性定律的牛頓流體.常溫(20 ℃)下，空氣密度為1.205 kg·m-3，空氣粘度系數(shù)為1.83×10-5Pa·S，真空氣室流場特征尺寸為L=0.025 m，實(shí)測(cè)氣流平均速度為1.53 m·s-1，計(jì)算雷諾數(shù)Re=2 560>Rec，因此氣室流體運(yùn)動(dòng)模型為湍流[9].計(jì)算馬赫數(shù)Ma=0.004 4<0.3，表明氣室流體不可壓縮[10].對(duì)于定常不可壓湍流氣流場，由于密度不變，只需求解流場中的壓強(qiáng)和速度，可通過連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程求解[11-12].

2 氣室真空流場仿真分析

2.1 不同氣室結(jié)構(gòu)仿真分析

板式排種器氣室由排種板和密封板固定連接形成.密封板為帶有氣源接口的薄板，排種板可設(shè)計(jì)為整體矩形空腔，或矩形橫槽和縱槽連通結(jié)構(gòu).整體矩形空腔排種板整體為薄板，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差，容易變形，氣室所需氣流量大.矩形橫槽和縱槽連通排種板，其槽的邊框可以起到加強(qiáng)肋作用，氣室所需氣流量較小.考慮結(jié)構(gòu)復(fù)雜性因素，設(shè)計(jì)基本尺寸一致的單、雙氣源口矩形橫槽和縱槽連通氣室結(jié)構(gòu)，如圖1所示.雙氣源口位置定在距離兩側(cè)邊緣第4和第5個(gè)吸種孔之間.由于排種器吸種孔結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)整個(gè)氣室很小，將其簡化為直孔結(jié)構(gòu)，直徑取0.9 mm[7].

a、b、c分別表示單氣源中氣室截面、密封板、排種板；d、e、f分別表示雙氣源中氣室截面、密封板、排種板.

為比較不同氣源口數(shù)目對(duì)各吸種孔氣流入口流場分布的影響，在氣流入口邊界增加一段自然邊界區(qū)域.考慮對(duì)稱性，取橫向?qū)ΨQ面一半進(jìn)行分析.選用FLUID141單元，采用自由網(wǎng)格劃分方式，在吸種孔附近對(duì)網(wǎng)格進(jìn)一步細(xì)化.當(dāng)氣源流量為160 L·min-1時(shí)，單氣源出口邊界速度為5.5 m·s-1，雙氣源出口邊界速度為7.6 m·s-1，出口處相對(duì)壓力為-5.8 kPa，自然邊界上相對(duì)壓力為0，流速為0，垂直對(duì)稱面方向流速為0，固定壁面上流速為[13-15].不同氣源口氣室流場速度矢量分布，及各吸種孔氣流入口處流速和相對(duì)壓力分布仿真結(jié)果如圖2所示.

圖2表明，從氣源口到矩形橫槽過渡區(qū)域，及矩形橫槽到吸種孔口過渡區(qū)域，由于氣流方向急劇變化，相對(duì)壓力損失大，形成渦流.在氣源口附近區(qū)域流速高，相對(duì)壓力大，遠(yuǎn)離氣源口區(qū)域流速低，相對(duì)壓力小.在吸種孔入口邊界處，單氣源口結(jié)構(gòu)相對(duì)壓力變化范圍為-0.11～ -1.99 kPa，流速變化為1.52～6.31 m·s-1；雙氣源口結(jié)構(gòu)相對(duì)壓力變化范圍為-0.73～-2.2 kPa，流速變化為3.89～6.48 m·s-1.可見雙氣源口結(jié)構(gòu)相比單氣源口結(jié)構(gòu)相對(duì)壓力損失小，流場分布均勻性更好.

a、b分別表示單、雙氣源口氣室流場速度矢量分布；c、d分別表示單、雙氣源口氣室各吸種孔入口流速分布;e、f分別表示單、雙氣源口氣室各吸種孔入口相對(duì)壓力分布.

圖2 不同氣源口結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果
Fig.2 Simulation results of different air source port structure

為確定合理氣源口位置，對(duì)雙氣源口結(jié)構(gòu)取橫向?qū)ΨQ面右側(cè)部分進(jìn)行仿真分析.氣源口位置(1)～(5)分別定在距離排種器右側(cè)邊緣第2和3吸種孔之間，第3和第4個(gè)吸種孔之間，第4和5個(gè)吸種孔之間，第5和6個(gè)吸種孔之間，第6和7個(gè)吸種孔之間.

選用FLUID141單元，采用自由網(wǎng)格劃分方式，在吸種孔附近對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化.設(shè)置出口邊界速度為7.6 m·s-1，出口處相對(duì)壓力為-5.8 kPa.在自然邊界上施加相對(duì)壓力為0，流速為0，垂直對(duì)稱面方向流速為0，固定壁面上流速為0的邊界條件.仿真得到吸種孔入口流速和相對(duì)壓力變化范圍如表1所示.

表1不同氣源口對(duì)各吸種孔入口氣流速度和相對(duì)壓力影響

Tab.1Effectsofairsourcepositionsonvelocityandpressureofeachsuctionholeinlet

位置氣流速度/(m·s-1)相對(duì)壓力/kPa(1)2.71～6.93-0.32～-2.47(2)3.18～6.31-0.49～-1.96(3)3.98～6.48-0.75～-2.20(4)3.59～6.32-0.61～-1.99(5)2.96～6.41-0.42～-2.05

仿真結(jié)果表明，各吸種孔入口流場分布隨氣源口位置變化，氣源口在位置(1)和位置(2)時(shí)，靠近排種器右側(cè)邊緣處的吸種孔入口流速和相對(duì)壓力相對(duì)較高；在位置(4)和位置(5)時(shí)，靠近排種器中間對(duì)稱面處的吸種孔入口流速和相對(duì)壓力相對(duì)較高.氣源口在位置(3)時(shí)各吸種孔入口流速和相對(duì)壓力變化范圍最小，流場分布最均勻，因此氣源口最佳位置在距離兩側(cè)邊緣第4個(gè)和第5個(gè)吸種孔之間.

2.2 不同氣室槽深的仿真分析

為分析氣室槽深對(duì)氣流場分布的影響，分別取槽深為2、3、4、5、6 mm進(jìn)行對(duì)比分析.出口邊界速度為1.53 m·s-1，出口處相對(duì)壓力為-8.6 kPa.不同槽深條件下，各吸種孔入口流速和相對(duì)壓力分布如圖3所示.

圖3表明，不同槽深氣室各吸種孔口邊界處流場分布規(guī)律一致，左起第2個(gè)孔的流速最小，相對(duì)壓力最小，第5個(gè)孔的流速最大，相對(duì)壓力最大.氣室槽深越大，越有利于流場的穩(wěn)定.隨著氣室槽深的增大，過渡區(qū)域相對(duì)壓力損失減小，吸種孔入口處的相對(duì)壓力和速度分布越均勻.但槽深越大，排種器整體結(jié)構(gòu)尺寸增大，氣腔內(nèi)形成一定相對(duì)壓力的穩(wěn)定流場所需時(shí)間更長.比較4、5和6 mm的槽深在吸種孔口處速度和相對(duì)壓力變化已比較接近，故氣室槽深取4 mm即可.

a、b表示槽深2 mm各孔口流速分布和相對(duì)壓力分布；c、d表示槽深3 mm各孔口流速分布和相對(duì)壓力分布; e、f表示槽深4 mm各孔口流速分布和相對(duì)壓力分布; g、h表示槽深5 mm各孔口流速分布和相對(duì)壓力分布; i、j表示槽深6 mm各孔口流速分布和相對(duì)壓力分布.

圖3 不同槽深氣流場仿真結(jié)果
Fig.3 Air flow field simulation results of different air chamber depth

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)設(shè)備和方法

按仿真優(yōu)化的氣室結(jié)構(gòu)參數(shù)制作排種器，在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)校自行研制的氣力板式蔬菜播種試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行真空流場分布試驗(yàn).試驗(yàn)臺(tái)如圖4所示，由機(jī)架、排種器、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、正壓氣源、負(fù)壓氣源和正負(fù)壓切換裝置組成.正壓氣源為CZQ型單向風(fēng)機(jī)，功率為120 W，可提供最大正壓為0.29 kPa，風(fēng)量為2 m3·min-1.負(fù)壓氣源為可調(diào)功率的海爾ZW1200-211型真空吸塵器，功率調(diào)節(jié)范圍為250～1200W，最大相對(duì)壓力為-20.5 kPa.正負(fù)壓切換裝置由4個(gè)兩位兩通電磁換向閥組成，與正、負(fù)壓氣源和排種器氣源口連通，通過控制系統(tǒng)控制電磁閥通斷實(shí)現(xiàn)氣室正負(fù)壓切換.

考慮對(duì)稱性，取排種器橫向?qū)ΨQ面右側(cè)部分進(jìn)行測(cè)試.選取8個(gè)量程為0～-100 kPa，精度為-0.1 kPa的DP-20型數(shù)字顯示真空計(jì)，分別安裝在各標(biāo)記孔處，對(duì)標(biāo)記孔中心相對(duì)壓力進(jìn)行測(cè)量.在正負(fù)壓切換裝置與排種器氣源口之間安裝1個(gè)量程為100～700 L·min-1，精度為2.5%的LWGQ-25 氣體渦輪流量傳感器， LRT-I 現(xiàn)場顯示表，DP-20型數(shù)字顯示真空計(jì)，對(duì)氣室出口流量和相對(duì)壓力進(jìn)行測(cè)量.為清除氣體渦流和斷面流速不均勻?qū)α髁繙y(cè)量的影響，在流量傳感器進(jìn)出口處安置直段整流器，上下游直管段長度分別為8D和3D(D為傳感器公稱通徑).具體測(cè)試方法為：調(diào)節(jié)負(fù)壓氣源功率，改變氣室出口處流量和相對(duì)壓力，在氣室流場穩(wěn)定后，讀取各標(biāo)記孔中心相對(duì)壓力值；按實(shí)測(cè)氣室出口氣流場強(qiáng)度進(jìn)行模擬仿真分析，分別讀取各標(biāo)記吸種孔入口中心相對(duì)壓力值，將實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析.

圖4 播種試驗(yàn)平臺(tái)Fig.4 A sowing test platform

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由圖5可知，氣室出口處實(shí)測(cè)流量為170 L·min-1時(shí)，相對(duì)壓力為-6.5 kPa；流量為190 L·min-1時(shí)，相對(duì)壓力為-7.6 kPa；流量為210 L·min-1時(shí)，相對(duì)壓力為-9.1 kPa.不同試驗(yàn)條件下，各吸種孔入口中心處實(shí)測(cè)平均相對(duì)壓力與模擬仿真分析結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果較為接近，在反映各吸種孔中心相對(duì)壓力分布的趨勢(shì)上具有較高一致性.仿真分析相對(duì)壓力值與實(shí)際測(cè)量相對(duì)壓力值存在一定的差異，這與理論流場模型的近似性，數(shù)值模擬求解模型的近似性，求解中經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的選取，測(cè)量誤差等因素有關(guān).試驗(yàn)表明，采用數(shù)值模擬方法研究氣室流場特性，并以此指導(dǎo)其結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有可行性.

圖5 實(shí)際測(cè)量相對(duì)壓力與模擬仿真相對(duì)壓力的比較Fig.5 A comparison of measured pressure and simulated pressure

4 結(jié)論

將氣力板式蔬菜排種器氣室氣流體簡化為定常、不可壓縮的湍流，利用ANSYS的FLOTRAN模塊對(duì)氣室流場進(jìn)行仿真分析.

相對(duì)整體矩形空腔結(jié)構(gòu)，氣室采用矩形橫槽和縱槽連通結(jié)構(gòu)有利于節(jié)省氣流量，提高排種器整體強(qiáng)度.仿真結(jié)果表明，雙氣源口相比單氣源口相對(duì)壓力損失小，流場分布均勻性更好；氣源口在距離排種器兩側(cè)邊緣第4和第5個(gè)吸種孔之間，各吸種孔入口流速和相對(duì)壓力變化范圍最小，流場分布最均勻.

氣室槽深越大，過渡區(qū)域相對(duì)壓力損失越小，吸種孔入口處的相對(duì)壓力和速度分布越均勻.但槽深越大，排種器整體結(jié)構(gòu)尺寸越大，氣室內(nèi)形成一定相對(duì)壓力的穩(wěn)定流場所需時(shí)間更長，槽深取4 mm綜合較優(yōu).

驗(yàn)證試驗(yàn)表明，模擬仿真分析結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果較為接近，反映各吸種孔入口中心相對(duì)壓力分布趨勢(shì)與實(shí)際測(cè)量結(jié)果具有較高一致性.仿真分析與實(shí)際測(cè)量值存在一定差異，這與理論流場模型的近似性，數(shù)值模擬求解模型的近似性，求解中經(jīng)驗(yàn)系數(shù)選取，測(cè)量誤差等因素有關(guān).試驗(yàn)結(jié)果表明采用數(shù)值模擬方法來研究優(yōu)化氣室結(jié)構(gòu)參數(shù)具有可行性.

[1]SIAL F S, PERSSON S P E.Vacuum nozzle design for seed metering[J].T ASABE, 1984, 27(3): 688-696.

[2]SHAFII S, HOLMES R G.Air-jet seed metering, a theoretical and experimental study [J].T ASABE, 1990, 33(5):1432-1438.

[3]KARAYEL D , BARUT Z B , OZMERZI A.Mathematical modeling of vacuum pressure on a precision seeder [J].Biosyst Eng, 2004,87(4): 437-444.

[4]袁月明,馬旭,金漢學(xué), 等.氣吸式水稻芽種排種器氣室流場研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2005, 36 (6): 42-45.

[5]廖慶喜, 李繼波, 覃國良.氣力式油菜精量排種器氣流場仿真分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2009, 40(7): 78-82.

[6]李耀明, 趙湛, 陳進(jìn), 等.氣吸振動(dòng)式排種器吸種性能數(shù)值模擬與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2008, 39(10): 95-99.

[7]夏紅梅，李志偉，甄文斌.氣力板式蔬菜排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41(6)：56-60.

[8]夏紅梅，李志偉，汪劉一.氣力板式蔬菜排種器吸排種動(dòng)力學(xué)模型研究[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,32(1)：112-116.

[9]林建忠,阮曉東,陳邦國，等.流體力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2005.

[10]張鳴遠(yuǎn),景思睿,李國君.高等工程流體力學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社, 2006.

[11]周光垌,嚴(yán)宗毅,許世雄，等.流體力學(xué)(上,下冊(cè)) [M]．北京:高等教育出版社, 2003.

[12]王新月.氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2006.

[13]韓占忠,王敬,蘭小平，等.FLUNET：流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社，2004.

[14]任重.ANSYS實(shí)用分析教程[M].北京:北京大學(xué)出版社, 2003.

[15]張洪信.有限元基礎(chǔ)理論及ANSYS應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.

【責(zé)任編輯霍 歡】

Asimulationanalysisonvacuumflowfieldforanairchamberofpneumaticplate-typevegetableseedmeteringdevice

XIA Hongmei, LI Zhiwei, ZHEN Wenbin, ZHANG Bingchao

(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

【Objective】 To optimize chamber structure parameters of the pneumatic plate-type vegetable seed metering device, and to simplify the vacuum flow field in the air chamber as steady, regular, incompressible and turbulent fluid.【Method】 The FLOTRAN module of ANSYS software was applied to simulate and analyze the air chamber with different structure parameters.【Result and conclusion】 Compared to the rectangular cavity air chamber structure, the rectangular groove connected air chamber structure could save more gas flow and improve the overall strength.Pressure loss of double outlet was less than single outlet, and flow field uniformity of double outlet was better.The optimized air source location was between the fourth and the fifth suction holes calculated from both sides of the metering device.Increasing channel depth could reduce pressure loss at transition region and ensure more uniform pressure and velocity distribution.But if channel depth increased, the size of metering device would increase correspondingly, and the time for forming steady flow would be longer.According to simulation results, 4 mm channel depth was optimized.Verifying tests of the air flow field in the vacuum chamber of seed metering device show that the simulation analysis results are comparatively consistent with the actual measurement results, with a consistent pressure distribution trend.This proves the feasibility of the numerical simulation method.

vegetable; seed metering device; pneumatic plate-type; vacuum flow field; simulation

2013- 10- 31優(yōu)先出版時(shí)間2014- 09- 30

優(yōu)先出版網(wǎng)址：http:∥www.cnki.net/kcms/detail/44.1110.S.20141003.1222.012.html

夏紅梅(1975—)，女，副教授，博士，E-mail:xhm_scau@scau.edu.cn

國家自然科學(xué)基金(51005080)

夏紅梅， 李志偉， 甄文斌，等.氣力板式蔬菜排種器氣室真空流場仿真分析[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014,35(6):99- 103.

S223.2+5

A

1001- 411X(2014)06- 0099- 05