丁 力 楊 麗 武德浩 李東毅 張東興 劉守榮

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.農(nóng)業(yè)部土壤-機器-植物系統(tǒng)技術(shù)重點實驗室， 北京 100083)

0 引言

玉米是重要的糧食作物，隨著種植面積不斷擴大和產(chǎn)量的逐年提高，玉米機械化精密播種顯得尤為重要[1]。排種器作為精密播種的核心部件，其工作性能直接影響播種質(zhì)量[2-3]。目前，氣吸式排種器因具有對種子外形要求不嚴(yán)、不需要精選分級、不損傷種子、能適應(yīng)較高速度播種作業(yè)等優(yōu)點，而被廣泛應(yīng)用[4-7]。氣吸式排種器依靠真空氣室內(nèi)的真空度經(jīng)吸孔將種子吸附，要求氣室內(nèi)具有一定的真空度且壓力分布均勻[8]，因此,國內(nèi)外學(xué)者對吸氣室的形狀、位置和氣源真空度做了大量研究[9-14]。但是，氣吸式排種器在實際工作過程中，種子的運動會對流場產(chǎn)生較大影響[15]，僅用Fluent模擬仿真，與實際情況相差較大。

近些年，DEM-CFD氣固兩相流耦合在工業(yè)、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[16-20]，解決了很多生產(chǎn)實際問題。在國外DEM-CFD氣固耦合主要應(yīng)用于工程領(lǐng)域，如水力旋流器、吸塵器等；國內(nèi)主要應(yīng)用在玉米氣吹式排種器上，很少應(yīng)用于玉米氣吸式排種器。本文針對DEM-CFD計算量大的問題，首先利用Fluent軟件選取玉米氣吸式排種器氣道最佳進(jìn)氣口位置參數(shù)；然后建立玉米種子Bonding模型，通過DEM-CFD耦合的方式分析排種器實際工作過程中型孔壓強的變化規(guī)律，對型孔壓強關(guān)鍵參數(shù)提取分析，驗證所選進(jìn)氣口參數(shù)的合理性；對常用作業(yè)速度條件下排種器工作狀況進(jìn)行模擬仿真，選取合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)3個作業(yè)指標(biāo)，進(jìn)行試驗對比分析。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

排種器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，首先將排種器分為充種區(qū)、自清種區(qū)、清種區(qū)、攜種區(qū)、卸種區(qū)5個區(qū)域[21]。玉米種子從進(jìn)種口下落至排種器底部，進(jìn)氣口通入負(fù)壓，種盤在傳動軸的帶動下順時針轉(zhuǎn)動，玉米種子在種盤另一側(cè)負(fù)壓的作用下吸附在型孔上，隨著種盤一起轉(zhuǎn)動，多余的種子被清種鋸齒和清種毛刷清除，吸附力具有優(yōu)勢的種子繼續(xù)轉(zhuǎn)動到達(dá)卸種機構(gòu)上部，位于種盤后盤面的卸種輪隨著型孔的轉(zhuǎn)動也隨之轉(zhuǎn)動，將型孔吸附的種子頂出，同時空氣腔室的負(fù)壓也被阻斷，種子在重力、離心力和卸種輪頂出力的共同作用下掉入投種口，完成排種作業(yè)。

圖1 排種器結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structure model of seed metering device1.進(jìn)種口 2.種盤 3.清種鋸齒 4.清種毛刷 5.進(jìn)氣口 6.卸種機構(gòu) 7.卸種輪 Ⅰ.充種區(qū) Ⅱ.自清種區(qū) Ⅲ.清種區(qū) Ⅳ.攜種區(qū) Ⅴ.卸種區(qū)

2 排種器氣室進(jìn)氣口設(shè)計

氣吸式排種器是靠負(fù)壓形成的壓差將種子吸附于種盤上，且氣室流場壓力越穩(wěn)定，越有利于提高排種器排種的均勻性，降低漏播率[22-24]。因此，負(fù)壓氣室的形狀和進(jìn)氣口位置參數(shù)將對整個氣室流場壓力的均勻度產(chǎn)生直接影響，由于負(fù)壓氣室的形狀受排種器整體結(jié)構(gòu)限制，形狀相對固定，而進(jìn)氣口位置參數(shù)將直接影響排種器工作區(qū)域的流場壓力分布，進(jìn)而影響排種質(zhì)量。

2.1 流場因素水平的確定

增加充種區(qū)型孔兩端壓差可有效提高排種器充種性能，在自清種區(qū)、清種區(qū)壓差不易過大，能穩(wěn)定過渡并減小，否則會影響清種效果，在攜種區(qū)壓強應(yīng)穩(wěn)定過渡，防止壓差驟降，影響落種穩(wěn)定性，在卸種區(qū)應(yīng)需阻斷負(fù)壓，保證順利排種。

依據(jù)以上分析，同時依據(jù)文獻(xiàn)[24-25,29]的氣吸式排種器流場分析結(jié)果，選取氣室接口位置、進(jìn)氣口垂直角和進(jìn)氣口水平角3個因素，設(shè)置不同水平，進(jìn)行仿真分析，試驗因素水平如圖2所示。

圖2 進(jìn)氣口位置參數(shù)各因素水平示意圖Fig.2 Factors level sketch of air inlet position parameters

2.2 負(fù)壓區(qū)流場仿真分析

2.2.1幾何建模及前處理

仿真模型利用SolidWorks進(jìn)行幾何建模，如圖3a所示。為了控制變量，選用相同的進(jìn)氣口直徑，然后導(dǎo)入ICEM-CFD中進(jìn)行六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，定義空氣入口和出口，將所有型孔處接觸面定義為INTERFACE，其余邊界定義為WALL，生成網(wǎng)格文件，如圖3b所示。

圖3 仿真模型及網(wǎng)格劃分Fig.3 Simulation model and mesh generation1.入口 2.型孔 3.出口

將生成的網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent軟件，在Fluent中設(shè)置氣吸式排種器壓強為3 kPa[26]，湍流模型選用RNGk-ε模型，并設(shè)定相關(guān)參數(shù)，采用一階迎風(fēng)差分格式，利用simple算法求解，定義最大運算步數(shù)1 000，收斂條件為0.000 1，采用混合初始化后進(jìn)行運算[27]。

2.2.2仿真及結(jié)果分析

為了減少仿真次數(shù)，采用正交試驗方法，試驗因素水平如表1所示。利用Fluent后處理report功能生成在不同區(qū)域得到每組試驗型孔與種子作用面負(fù)壓平均值，結(jié)果如表2所示，表中A、B、C表示氣室接口位置、進(jìn)氣口垂直角和進(jìn)氣口水平角的水平值。

表1 試驗因素水平Tab.1 Factors and levels of test

表2 三因素試驗結(jié)果Tab.2 Results of three-factor test

注：壓強都為負(fù)壓。

采用極差分析法進(jìn)一步分析，結(jié)果如表3所示。通過極差分析，3個因素影響程度不相同，對于充種區(qū)型孔壓強、自清種區(qū)型孔壓強、清種區(qū)型孔壓強、攜種區(qū)型孔壓強這4個指標(biāo)而言，極差最大的均為因素A；對于充種區(qū)型孔壓強和自清種區(qū)型孔壓強，因素B的影響大于因素C，且影響由大到小為A、B、C。對于清種區(qū)型孔壓強和攜種區(qū)型孔壓強，因素C的影響大于因素B，且影響由大到小為A、C、B，為了避免漏播現(xiàn)象，應(yīng)使型孔處壓差盡可能大，得出壓差最大的因素水平最優(yōu)組合，結(jié)果如表4所示。

表3 仿真試驗結(jié)果極差分析Tab.3 Range analysis of simulation test result

表4 因素水平最優(yōu)組合Tab.4 The best combination of factors level

由表4可知，對于各指標(biāo)，進(jìn)氣口垂直角因素的最優(yōu)水平是B2，進(jìn)氣口水平角因素的最優(yōu)水平為C2，而對于氣室接口位置因素水平，4個指標(biāo)都不相同；由文獻(xiàn)[24，28]可知，采用氣力充種的排種器，其充種環(huán)節(jié)尤為重要，它基本決定了排種性能。再由表4充種區(qū)型孔壓強極差分析可知，A1B2C2為最優(yōu)組合。

對充種區(qū)型孔壓強指標(biāo)采用方差分析，通過判斷顯著性水平作出進(jìn)一步判斷，結(jié)果如表5所示。

表5 方差分析(充種區(qū)型孔壓強)Tab.5 Variance analysis

注：*表示差異顯著(0.01

由方差分析可知，對于充種區(qū)型孔壓強指標(biāo)，氣室接口位置對其有顯著性影響，再根據(jù)前文所述，充種環(huán)節(jié)是排種最為重要環(huán)節(jié)，因此，選取A1B2C2為最終流場結(jié)構(gòu)。

3 排種器工作過程耦合仿真分析

排種器在工作過程中種子吸附于型孔會使流場發(fā)生變化，且種子處在氣流場、顆粒場和重力場并存的復(fù)雜環(huán)境中，各參數(shù)變化極其復(fù)雜[29]。因此，采用DEM-CFD氣固耦合的方式，通過仿真分析排種器實際工作中流場的變化規(guī)律。

3.1 仿真模型建立與方法

3.1.1玉米種子Bonding模型建立

氣固雙向耦合過程中要求仿真顆粒體積小于流場網(wǎng)格最小體積[29]，為解決這一問題，采用Bonding黏結(jié)模型填充玉米籽粒：即利用多個體積小于流場網(wǎng)格的小球形顆粒對玉米模型填充，并將所有填充的小球利用Bonding力黏結(jié)在一起，將黏結(jié)在一起的模型作為玉米籽粒的仿真模型。

以應(yīng)用較為廣泛的鄭單958種子為模型，將玉米種子分為大扁形、小扁形和類圓形3類，利用Bonding力黏結(jié)的小顆粒填充的模型如圖4所示。圖中從左至右依次為種子的實物圖、三維模型圖和顆粒黏結(jié)模型圖。

圖4 玉米種子仿真模型Fig.4 Simulation models of maize grains

3.1.2幾何模型建立

幾何模型是顆粒體所接觸的實體，為了加快計算速度，本文將模型簡化為前殼體、后殼體、種盤、清種鋸齒4部分，在SolidWorks中建立模型，保存為step格式導(dǎo)入EDEM中，如圖5所示。

圖5 EDEM簡化模型Fig.5 Simplified EDEM model

流體區(qū)域網(wǎng)格劃分采用滑移網(wǎng)格法，通過該方法將型孔結(jié)構(gòu)劃分為動區(qū)域和靜區(qū)域兩個區(qū)域，在SolidWorks中建立流場三維模型，保存成step格式導(dǎo)入ICEM-CFD中劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖6所示。

圖6 流場三維模型及網(wǎng)格劃分Fig.6 Three-dimensional model and mesh generation of flow field1.種子腔室(靜區(qū)域) 2.型孔(動區(qū)域) 3.氣室(靜區(qū)域)

在EDEM中設(shè)置種盤轉(zhuǎn)速，并設(shè)置轉(zhuǎn)動開始時間和結(jié)束時間，同時在Fluent中設(shè)置配合流體區(qū)域的型孔轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速設(shè)為相同，其余部件設(shè)置為固定件，創(chuàng)建顆粒工廠。仿真時，由于仿真過程較為耗時，采用與實際試驗相同的玉米種子數(shù)量顯然是不現(xiàn)實的。在滿足可以仿真的前提下，種子數(shù)量越少，仿真計算時長越短。經(jīng)過多次嘗試，發(fā)現(xiàn)玉米種子數(shù)量為160粒時，種子在排種器中的堆積高度便可以達(dá)到仿真要求，為了加快仿真速度，在顆粒工廠內(nèi)按混合種子比例共生成160粒，其中大扁形85粒、小扁形35粒、類圓形40粒。

3.1.3仿真參數(shù)確定

排種器采用有機玻璃3D打印而成，根據(jù)所用材料確定相關(guān)參數(shù)如表6、7所示[30]。在EDEM中設(shè)置時間步長為1×10-5s，F(xiàn)luent中時間步長設(shè)置為EDEM的50～100倍，選取5×10-4s作為EDEM中時間步長；設(shè)置Fluent步數(shù)為6 000步，即仿真時間為3 s，設(shè)置每個時間步最多迭代80次；為了加快仿真速度，減少存儲空間，在EDEM和Fluent內(nèi)，每0.01 s保存一次數(shù)據(jù)。

表6 玉米和排種盤物理特性Tab.6 Physical characteristics of maize and seed metering plate

表7 玉米和排種盤碰撞參數(shù)Tab.7 Collision parameters between maize and seed metering plate

3.2 型孔流場仿真分析

為了節(jié)約仿真時間，前文僅用Fluent得到了不同型孔表面壓強變化，而排種器實際工作過程中玉米種子吸附于型孔時，會使得型孔大部分區(qū)域被玉米種子所阻擋，從而使真空室中的流場出現(xiàn)變化[31]。為了研究玉米種子對流場的變化情況，首先標(biāo)記型孔流場，如圖7所示。選取排種器工作穩(wěn)定后的時間段，以3.47 s時的流場結(jié)構(gòu)為例，將型孔按如圖7所示順時針編號，依次截取通過型孔中心的法向面，觀察型孔壓強變化，如圖8所示。

圖7 排種器型孔編號Fig.7 Type hole number of metering device

圖8 型孔切面壓強云圖Fig.8 Pressure nephogram of type hole section

從圖8可以明顯看出，充種區(qū)的型孔部分壓強明顯大于其他區(qū)域的壓強，每個區(qū)域的壓強都能穩(wěn)定過渡，除充種區(qū)外，其他區(qū)域的型孔壓強都隨著編號的增大而減小，在編號21到27的型孔，由于沒有和氣道接觸，因此壓強為0。且壓強由大到小為充種區(qū)、自清種區(qū)、清種區(qū)、攜種區(qū)、卸種區(qū)。在充種區(qū)中，編號為5和6的型孔壓強最大，這也是種子吸附于型孔，突破種群阻力的關(guān)鍵部分，較大的壓強可以使種子牢牢吸附于型孔上，減少漏充的可能。氣吸式排種器吸附壓強計算式為

(1)

其中

λ=(6～10)tanγ

(2)

式中HCMAX——真空度最大值，kPa

C——種子重心離排種盤距離，cm

m——單粒種子質(zhì)量，kg

d——型孔直徑，cm

v——排種盤吸孔中心處的線速度，m/s

r——種盤吸孔處轉(zhuǎn)動半徑，m

g——重力加速度，取9.8 m/s2

λ——種子綜合摩擦因數(shù)

γ——種子自然休止角

K1——吸種可靠系數(shù)，取1.8～2.0

K2——工作可靠性系數(shù)，取1.6～2.0

在充種區(qū)需考慮K1、K2，在卸種區(qū)可以忽略[32]。為使種子能牢固地被吸附在型孔上,吸室里的實際真空度必須大于HCMAX。根據(jù)文獻(xiàn)[33]，取tanγ為0.265，K1為1.9，K2為1.8，求得排種器在8～14 km/h作業(yè)速度下所需真空度的最小值如表8所示。

表8 真空度最小值Tab.8 Minimum of vacuum degree

提取每個型孔與種子作用面壓強，發(fā)現(xiàn)充種區(qū)負(fù)壓壓強最小值為2 401 kPa，攜種區(qū)負(fù)壓壓強最小值為605 kPa，均大于理論計算所需壓強最小值，因此，所有型孔壓強都能滿足吸附要求。

3.3 排種器工作過程模擬

為了驗證仿真條件下所建立的Bonding顆粒的正確性和仿真參數(shù)的合理性，本文以改變排種盤轉(zhuǎn)速為例，同時依據(jù)文獻(xiàn)[30]中作業(yè)速度，選取排種器常用作業(yè)速度8、10、12、14 km/h。研究不同條件下排種器仿真試驗的排種性能，并通過臺架試驗進(jìn)行對比。

3.3.1仿真過程

由于仿真過程的可視性，可以直接采用觀測的方式統(tǒng)計出每個型孔中的玉米種子數(shù)量，進(jìn)而計算出仿真的合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)，并與臺架試驗進(jìn)行對比。

由于DEM-CFD仿真過程計算量巨大，十分耗時，因此，選取80個型孔中的玉米籽粒進(jìn)行統(tǒng)計，其仿真過程和統(tǒng)計過程分別如圖9和表9所示。

圖9 DEM-CFD仿真過程Fig.9 Simulation process of DEM-CFD

3.3.2仿真結(jié)果分析

根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，由每組仿真試驗統(tǒng)計的數(shù)據(jù)計算合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)，如表10所示。

表9 仿真統(tǒng)計過程Tab.9 Process of simulation statistics 粒

表10 仿真結(jié)果Tab.10 Results of simulation test

由表10仿真結(jié)果可知，在作業(yè)速度不大于14 km/h，負(fù)壓3 kPa時，合格指數(shù)均不小于89.7%，漏播指數(shù)不大于7.8%，重播指數(shù)不大于2.5%，各項指標(biāo)優(yōu)于國標(biāo)要求，能實現(xiàn)有效排種。

4 試驗驗證與分析

根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，每組試驗采集251粒種子進(jìn)行統(tǒng)計，每組重復(fù)3次，取平均值作為試驗結(jié)果記錄分析，以重播指數(shù)、漏播指數(shù)、合格指數(shù)為排種性能評價指標(biāo)，分別進(jìn)行氣室結(jié)構(gòu)對比試驗和排種性能仿真驗證試驗。

4.1 氣室結(jié)構(gòu)對比試驗

選取實驗室研發(fā)的第1代常規(guī)氣室結(jié)構(gòu)氣吸式排種器，使用風(fēng)壓計對氣室覆蓋型孔風(fēng)壓進(jìn)行測定，并與本文的氣吸式排種器進(jìn)行對比試驗，試驗過程如圖10所示。

選取前文仿真中排種器常用作業(yè)負(fù)壓3 kPa，使用風(fēng)壓計測量型孔中心位置風(fēng)壓，待數(shù)值穩(wěn)定后記錄，選取3次測量取平均值，測量結(jié)果如表11所示。

圖10 試驗過程Fig.10 Test process

表11 排種器風(fēng)壓對比結(jié)果Tab.11 Wind pressure comparison results of metering device

由表11可以看出，本文設(shè)計的排種器在充種區(qū)型孔的負(fù)壓遠(yuǎn)高于常規(guī)氣室結(jié)構(gòu)的第1代排種器，極大地增強了充種效果；在自清種區(qū)型孔壓強差別不大；在清種區(qū)和攜種區(qū)型孔壓強中，第1代排種器大于本文設(shè)計排種器，但此時對于氣吸式排種器，種子已經(jīng)吸附穩(wěn)定，掉落可能性小，因此影響不大。由此可知，本文所設(shè)計的進(jìn)氣口位置參數(shù)極大地增加了充種區(qū)風(fēng)壓，有利于提高排種質(zhì)量。

4.2 仿真與臺架試驗對比分析

為了驗證DEM-CFD仿真模擬的有效性，使用自主研發(fā)的排種檢測儀進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，試驗過程如圖11所示，試驗結(jié)果如表12所示。

圖11 排種試驗過程Fig.11 Process of seed metering test

為了直觀地體現(xiàn)出仿真與臺架試驗的排種性能對比，將仿真與試驗的合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)進(jìn)行對比，如圖12所示。

從圖12可以明顯看出，仿真和臺架試驗的各項指標(biāo)趨勢基本相同，隨著作業(yè)速度的增加，合格指數(shù)不斷下降，重播指數(shù)和漏播指數(shù)不斷增加。仿真與臺架試驗有著相同的規(guī)律。但是從圖12中也發(fā)現(xiàn)，其數(shù)值均存在著一定的誤差，仿真的合格指數(shù)和漏播指數(shù)小于臺架試驗，這是由于仿真沒有任何振動，在充種區(qū)型孔吸附的種子較多，多余玉米種子經(jīng)過自清種區(qū)僅通過自身重力不能完全掉落，當(dāng)?shù)竭_(dá)清種區(qū)時，眾多玉米種子會在清種鋸齒的碰撞下繼續(xù)碰撞已經(jīng)被吸附的種子，使原本吸附力占據(jù)優(yōu)勢的種子發(fā)生掉落，造成漏播問題；同時，仿真采用簡化模型，原本的清種毛刷被簡化，進(jìn)一步造成眾多種子被吸附而無法清除，導(dǎo)致每粒種子都不能完全被吸附，在種盤轉(zhuǎn)至攜種區(qū)時發(fā)生掉落。但是總體而言，仿真與臺架試驗結(jié)果較為接近，可以用來仿真分析排種器的工作過程。

表12 試驗結(jié)果Tab.12 Result of test

圖12 臺架試驗與仿真排種性能對比Fig.12 Comparison of metering performance between bench test and simulation test

5 結(jié)論

(1)為了保證氣吸式排種器氣室流場壓力穩(wěn)定，提高排種的均勻性和節(jié)約仿真時間，通過設(shè)計三因素正交試驗，利用Fluent軟件仿真分析了氣吸式玉米排種器進(jìn)氣口位置參數(shù)。以充種區(qū)型孔壓強、自清種區(qū)型孔壓強、清種區(qū)型孔壓強、攜種區(qū)型孔壓強為評價指標(biāo)，通過極差和方差分析，確定了最佳進(jìn)氣口位置參數(shù)。

(2)建立了玉米種子Bonding模型，對流場網(wǎng)格進(jìn)行劃分，實現(xiàn)了氣吸式玉米排種器DEM-CFD氣固耦合仿真。通過對耦合流場的提取分析，發(fā)現(xiàn)壓強由大到小為充種區(qū)、自清種區(qū)、清種區(qū)、攜種區(qū)、卸種區(qū)，且壓力穩(wěn)定過渡，沒有渦流損失，與理論計算結(jié)果進(jìn)行對比，表明仿真結(jié)果均大于理論計算吸附壓強最小值。

(3)選取第1代常規(guī)氣室結(jié)構(gòu)排種器和本文設(shè)計排種器進(jìn)行了風(fēng)壓對比測定，驗證了所選進(jìn)氣口位置參數(shù)的合理性。通過DEM-CFD氣固耦合仿真得出，當(dāng)作業(yè)速度不大于14 km/h、負(fù)壓為3 kPa時，合格指數(shù)均不小于89.7%，漏播指數(shù)不大于7.8%，重播指數(shù)不大于2.5%；在臺架試驗中，在相同的作業(yè)速度和負(fù)壓下，粒距合格指數(shù)均不小于90.3%，重播指數(shù)不大于2.7%，漏播指數(shù)不大于7%。通過對比分析得出，仿真試驗與臺架試驗結(jié)果較為接近，驗證了仿真模擬的可行性。